红外热像技术在电力设备故障检测中的应用

贾达菲，杨冬冬，高 宏

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001）

0 引言

红外热像技术是基于红外辐射原理，通过扫描、记录或观察被检测工件表面由于缺陷或者内部结构不连续所引起的热量向深层传递的差别而导致表面温度场发生变化，从而实现检测工件表面及内部缺陷或分析内部结构的无损检测方法[1-2]。

红外热像技术之所以成为目前设备温度检测中使用频率较高技术之一，主要是因为[1]：第一，响应速度快，与传统的热电偶（响应时间为1 s）相比，热像仪的响应时间为ms或μs，单位时间内更能够清晰反应设备的温度变化情况；第二，测温范围宽，与玻璃温度计测温范围－200～600℃，热电偶测温范围为－273～2750℃相比，红外能够测量温度范围为－273～6000℃；第三，非接触测量，红外热像技术主要是提取设备表面的辐射能，不直接接触被测物体，最大限度地保证了测试者的安全；第四，测量结果直观，红外热像技术展示给检测者的是非常直观的双色图，能够清晰地观察被测点与其附近温度的差异；第五，无损检测，红外热像检测过程中不接触被测设备，且红外线不会对被检测设备造成损伤。因此，红外热像技术不仅在军事上得到了广泛地应用，而且在材料缺陷检测、建筑、过程监控、自动测试等方向也得到了广泛地应用[3-4]，并且充分展示出了其优越性。

1 红外热像技术测试原理

1.1 热辐射原理

利用红外热像仪进行物体温度测量时并非直接接触物体，而是通过红外探测器接收来自被检测物体表面、周围散发出的辐射[5-6]，热辐射原理如图1所示。

图1 热辐射原理图

图1中Wt为被检测物体自身辐射量，Wr为周围环境辐射量，Ws为大气辐射量，k为物体发射率，ε为大气透射率，T为热力学温度。热像仪能够接收到的总的辐射量为

1.2 红外热像仪工作原理

红外热像仪主要由具备可变光学系统的照相机和微型计算机组成。其中，红外探测器是照相机的核心部件，用来接收物体辐射出的红外线能量，并经过模数转换为相应的电压或电流信号，进而得到被检测物体的热量分布，经过微型计算机处理，在显示器上呈现物体的热像图。其工作原理如图2所示。

图2 红外热像仪工作原理图

2 红外热像诊断现场实测

为深入分析红外热像诊断技术在电力设备故障检测中的应用效果，本文分别在现场选取开关柜、电缆终端和支柱绝缘子进行测试。

2.1 开关柜测试案例

变电检修人员在对某220 kV变电站进行红外热像测温过程中，发现某高压开关柜中部较邻柜高15℃，红外图谱及可见光图像如图3所示。

该柜为XGN2型封闭柜，结构太紧凑，按照五防设计，不停电无法开柜门。因为柜体小，出于安全考虑，不能改造加装测温孔。发现开关柜整体发热后，在专人监护下，用工具打开柜前门、板。从2号变压器低压母线侧刀闸绝缘拉杆小孔处进行检测，红外测温图像及可见光图像如图4所示。

图3 开关柜发热图谱及可见光图像

图4 小孔处测温红外图谱及可见光图像

刀闸绝缘拉杆处发热U相101℃，V相141℃，W相69℃，刀口部位实际温度更高。相对温差64%，虽然不高，但刀口温度超过130℃，依据DL/T 664—2008《带电设备红外诊断技术应用导则》附录A规定，判为危急缺陷。次日调整运行方式，进行停电检查发现重大隐患，V相发热刀闸合闸后滑块不能到位，刀闸只有接触，没有锁紧动作；同时测量其回路电阻V相超过标准值，重新调整该刀闸操作杆长度后，刀闸合闸到位、锁紧，回路电阻测试合格，送电后红外诊断无异常。交接及停电处理前、后回路电阻测试值如表1所示。

表1 发热开关柜刀闸交接、停电回路电阻测试μΩ

2.2 35 kV侧电缆终端测试案例

变电检修人员在对某110 kV变电站进行红外热像测温过程中，发现35 kV I回441出线电缆V、W相分别有1个发热点。V相电缆终端第4个伞裙处最高温度为28.0℃，W相电缆终端第3个伞裙处最高温度达35.7℃，而正常只有24.0℃，温差为 4℃和 11.7℃，超过 DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》中关于电缆终端严重缺陷的规定。红外图谱如图5、图6所示。

图5 电缆终端V相红外图谱

图6 电缆终端W相红外图谱

停电后，检修人员对V、W相电缆头进行解体检查，发现电缆终端根部防水胶带密封不严，湿气进入电缆后造成铜屏蔽受潮变色，主绝缘表面存在污渍痕迹，上述现象表明原电缆终端制作工艺存在缺陷，在电场作用下，热缩管内界面绝缘强度降低，形成局部放电。重新制作电缆头后，对该设备进行绝缘电阻和交流耐压试验，试验合格。重新投运后，红外成像检测正常。

PDCA循环也叫戴明循环，是一种广泛应用于质量管理的工具，它包括P（Plan，计划）、D（Do，执行）、C（Check，检查）、A（Action，行动或处置）共4个阶段，是一个循环的、持续向上的、永不停止的过程[1-2]。已有较多研究证实，该方法也适用于医疗行业，可用于提高临床用药质量、减少医疗差错[3-5]。

2.3 10 kV隔离开关支柱绝缘子案例

变电运维人员在巡视过程中通过红外检测发现10 kV某号杆东侧电缆隔离开关W相支柱绝缘子中部存在发热异常缺陷。红外图谱如图7所示。通过软件分析，支柱绝缘子热点温度为28.6℃，正常相部位温度为25.4℃，温差为3.2℃，检测环境温度18℃，按照DL 664—2008《带电设备红外诊断技术应用导则》的电压致热型缺陷判断依据，定性为严重缺陷。

图7 支柱绝缘子红外图

首先，对隔离开关瓷柱进行常规检查，发现瓷柱表面稍有脏污但未见裂纹或其他异常情况。然后，对该发热支柱绝缘子进行绝缘检测。采用数字兆欧表对其进行绝缘电阻测试，结果绝缘电阻无穷大，测试结果合格。将发热绝缘子和正常绝缘子拆下来，拿回试验室进行绝缘耐压试验。试验结果表明，发热支柱绝缘子在电压升至24 kV时，红外检测发现有明显热点，升至42 kV时，热点温度升高，支柱绝缘子中间瓷裙处横向断裂，如图8所示，而正常支柱绝缘子在42 kV电压下，红外检测通体均匀发热，没有明显热点。

图8 耐压试验中断裂支柱绝缘子

分析认为该发热支柱绝缘子存在制造缺陷，绝缘子内部有裂纹引起局部放电发热，在加试验电压后，局部发热进一步发展，导致支柱绝缘子彻底断裂。更换柱上隔离开关后，对开关本体及瓷柱多次进行红外检测，均未发现发热异常。

3 结束语

a）红外热像技术与其他带电检测技术、电气试验、绝缘油色谱分析有机结合，能够准确判断设备运行状况及确定缺陷原因，有助于提高变电设备的检修质量和效率。

b） 变电站支柱绝缘起着支撑电气设备的作用，支柱绝缘子内部缺陷或者有裂纹都会因为局部电压分布不均匀造成局部发热缺陷产生，运行时间长可能会导致支柱绝缘子断裂，危及变电站安全运行。因此，一旦红外热像检测发现支柱绝缘子有发热缺陷，应该及时进行诊断分析，采取紫外线成像、绝缘子超声探伤等手段进行检测判断，必要时停电进行耐压试验，全面判断其性能。

c）对于开关柜、地理信息系统、互感器油箱等通过空气、六氟化硫气体、绝缘油等介质进行绝缘的设备，一旦红外热像检测发现内部发热缺陷，运维人员要高度重视，结合设备结构进行发热原因分析，如果相比正常位置温升较大，则应立即上报进行停电检查，避免因处置不及时缺陷发展为设备内部放电，造成设备损坏，电网故停电事故发生。

d）通过大量的实践应用，红外热像技术能够准确发现由于连接不良、介损增大、外绝缘污秽、电磁致热、充油设备缺油、电压分布不均匀等原因导致的电气设备发热缺陷，其在电力领域得到了广泛的应用，成为了运维检修人员发现输电、变电、配电设备缺陷的重要手段，提高了设备运行可靠性，保障了电网安全稳定运行。