基于电气设备氧化过程的发热及损伤情况判断新方法

卢文立

（广东电网有限责任公司惠州供电局，广东 惠州 516003）

据国外电力公司统计，电网中约80%的故障源于配电系统。配电网的故障可能导致配电网的全部或局部停电，给企业生产和家庭用户带来不便的同时，造成巨大的经济损失。因此，研究快速准确的配电网区域故障定位算法，具有重要的现实意义。

电气设备的接触不良是引起电气设备事故、故障及电气火灾的主要因素之一。根据美国保险公司的统计数据，由于接触不良引发的电气火灾，占电气火灾事故的25%以上。而根据《中国火灾统计年鉴》对引起电气火灾的原因分类和统计，国内有12.6%的电气火灾直接原因是由于接触不良引起的，而占电气火灾事故70.5%的短路和过热，到底又有多少是由于接触不良演变而间接引起的，还无法统计。

1 电气设备发热及其接触电阻

电气设备在正常运行情况下，将一部分电能以不同的损耗形式转化为热能，从而使电气设备温度升高。这些电能的损耗主要包括电流效应引起的电阻损耗，即电流型发热；电压效应引起的介质损耗，即电压型发热；因铁芯的磁滞、涡流等现象产生的电磁效应的铁损耗。电气设备接触不良引起的异常发热，是一种典型的电流型发热，它是电气故障、事故和火灾的重要成因之一。

电流热效应产生的焦耳热，按焦耳规律放热：Q=I2Rt

公式说明，发热主要由两个因素组成，即电流和电阻，均属电气物理量。根据统计的红外缺陷资料，造成电气设备异常发热的主要原因是电气设备的过负荷。变电站个电气设备承载的负荷是取决于电网的整体负荷，在一段时间时间内，可视为不变化。而对于变电站，倒闸操作等使得设备的接触电阻更常变化。所以对于变电站，研究接触电阻是必要的。

2 以温度为变量的接触电阻经验公式

影响接触电阻变化的因素主要有：（1）接触金属的温度，温度的升高可以使金属的电阻率增加；（2）接触金属的形变，范性形变可以使金属的电阻率增加；（3）接触金属的应力，在弹性范围内单向拉伸或者施加扭转应力可以使金属的电阻率增加。此外，接触金属的接触面积、接触面是否形成氧化膜或其他电阻率高的膜层、电气设备接触金属周围的环境介质及其外表面的电化学反应等因素也会影响接触电阻变化。

金属导体相互接触时，在接触区域会形成附加电阻，这种附加电阻是由收缩电阻和膜电阻构成，接触电阻的计算公式：Rj=Rs+Rm。

其中，Rj为接触电阻；Rs为收缩电阻，是指当电流流经导体的接触表面时，从截面面积较大的导体流入面积较小的接触面（或接触点），电流线会发生变形，从而使电流通过的路径变长，有效导

电面积变小；Rm为膜电阻，是由触头面上的氧化膜或其他电阻率高的膜层引起的，与界面上的氧化或吸附微粒的薄膜有关。

接触电阻的大小与接触处的温度、应力、应变、材质等因素有关，准确的计算接触电阻比较困难。在上述各自变量中，接触金属的温度更方便进行数学描述和数据获取。

图1 相对温差判断法

图2 升温速率图

接触电阻通常用的经验公式如下：

Rj=Rs+Rm=（c1×H0.1875 ×F-0.6）×ρ+（c2×H ×F-1） ×σ

其中，c1=118.90 为常数，c2=0.45为常数，H 为两接触金属的硬度，F 为两接触金属的应力，ρ为接触金属的电阻率，σ为接触金属的表面电阻率。如一种金属很薄地镀在另一种金属上面，其硬度应取镀层的硬度，而电阻率则应取底金属的电阻率。对于不同金属的接触，全部电阻为用各种金属系数计算电阻的平均值。

H、F 会随着设备的运行工况变化，但是在一段时间内分析，可视为不变，而触金属的电阻率ρ和接触金属的表面电阻率σ都是温度的线性函数，即：

Q∞Rj∞（ρ、σ） ∞T

故此，可得接触电阻对温度的通式：Rj=C1T+C2

C1、C2是随H、F、ρ、σ而变化的常数。

同时，可得孤立的设备接触的发热的通式：

Q=C3T+C4

C3、C4是随H、F、ρ、σ而变化的常数。

3 红外测温及现行规程的判断方法

电气设备在其使用各阶段，包括设备制造过程、设备运输过程、设备安装过程、设备运行维护过程等均会引起电气设备接触电阻增大，引起接触不良。其中，设备运行维护过程存在周期长，设备状况变化连续，停电检查机会少等特点。而电气设备接触不良早期很容易处理，但很难发现；后期容易发现，但往往很难一次处理好，有时候只能彻底更换才能解决。

故此，如何在变电站的日常巡视和日常维护工作中做好对接触电阻及设备发热的发现与控制，是变电运维工作的一大重点。

红外测温技术是不需接触、不需停电的设备运行状态的检测方法。对会造成发热异常的电气设备缺陷或故障，如短路、过热、接触不良、过负荷、三相不平衡、漏电等，均可快捷、及时地发现，具有检测效率高，检测方法灵活的特点。

据相关的管理文件，对红外测温的数据处理主要包括直接测定及判定法、与其他相或其他间隔的同类设备作比较的间接判定法、相对温差判断法。

其中相对温差判断法为按以下公式计算出相对温差值，并判断设备缺陷的性质。点的温度T2=35；环境参照温度T0=30，可得：

可见，相对温差判断法的不足在于：

（1）过分依赖于正常相对应点的温升τ2的整定值，且δt 的判断标准对τ2 值的依赖为5倍和20倍。

（2）环境参照体的温度T0在一天中是变化的，δt受T0 的影响，是一个误差来源。

（3）发热点的温度T1的测量存在着误差，包括仪器的固有误差和随机误差，δt受T1 的影响，是一个误差来源。

4 基于电气设备氧化过程的发热及损伤情况判断新方法

电气设备在其使用各阶段当接触点温度升高时，接触面上会生成氧化层薄膜，从而增加了接触电阻。金属的氧化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一临界温度时，这个过程就会加速进行，接触电阻可成百成千倍地增大。对有些电气设备，当发热温度超过一定值时，弹簧接触部分的弹性元件会被退火，使设备应力降低，接触面积减少，也使接触电阻增加，从而促使接触点温度升高，形成正反馈过程，最后会导致连接状态遭到破坏。

而当温度过高时，氧化层薄膜的形成会变得疏松，乃至脱落。

若考虑氧化膜的正反馈过程，可得设备接触的发热的通式：

其中： A1、B1、D1、E1、T0是相应运行工况下的常数，可由获取的离散数据回归得到。

对于物体受热而升温，需要考虑物体与环境的热交换等过程，有以下温升经验通式：

故此可得，电气设备接触电阻的通式为：

其中，τ1和T1 为发热点的温升和温度；τ2和T2 为正常相对应点的温升和温度；T0为环境参照体的温度。

当相对温差值δt≥80%时，视为重大缺陷，此时发热点温度T1′为：

T1′=5T2-4T0=5τ2+T0

当相对温差值δt≥95%时，视为紧急缺陷，此时发热点温度T1″为：

T1″=20T2-19T0=20τ2+T0

当发热点的温升值小于10K 时，可暂定为一般缺陷，加强监视。取正常对应

接触设备在一个特定的时间段可视作为热平衡，设备发热量约等于温升，即：

Q=△Q

对Q 和△Q 取对数后，有：

其中，B1′≈logB1，B2′≈logB2，D1′≈logD1，E1′≈logE1；A1、A1′、B1、B1′、D1、D1′、E1、E1′是相应运行工况下的常数，是对于时间的时变数值。

当等时间间隔地对设备接触点进行测量，设备接触点的发热温度的对数值的变化趋势如图2 所示。

电力设备在运行中以及在外壳形成一定程度的氧化膜，所以，发热过程是由T1至T2，呈指数上升，其上升的时间常数是在一定范围内变化的数值。

而当温度到达T3时候，此时温度过高时，氧化层薄膜的形成会变得疏松，乃至脱落。温度变化率还是趋于平缓。

当温度从T3至T4，形成的疏松氧化层薄膜已经不再支撑发热的正反馈过程，基本形成稳定的热平衡。

对设备接触点的发热温度的对数值求二阶差分，有：

Z（K）=Y（K+1）-Y（k）=X（k+2）-2×X（k+1）+X（k）

其中，X（k）=log（T1（k））。Z（k）值越小，则说明，发热温度越靠近稳定热平衡的温度，也说明生成的氧化层薄膜越疏松，即发热设备的接触损坏越严重。

基于电气设备氧化过程的发热及损伤情况判断新方法具有以下优点：

（1）不受环境参照体的温度T0、发热点的温度T1、仪器测量发热点的温度的固有误差δt以及正常相对应点的温升τ2的整定值等的影响；

（2）利用现有的数据可表征发热的接触设备的损坏情况；

（3）部分变电站已经装设在线测温系统，若有足够的数据供以分析，可得出Z（k）对于发热的接触设备的损坏情况的定量判断值，用以判断一般缺陷、重大缺陷、紧急缺陷。

结语

用于变电站红外测温分析的基本发热判断方法存在误差来源多，依赖规程整定值的局限，本文就此提出了基于电气设备氧化过程的发热及损伤情况判断新方法，对变电站红外测温分析的基本发热判断方法进行改进。本文 提出的判断方法能准确有效判断设备发热及损坏情况，具有极佳的容错性与鲁棒性。

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