基于红外热像技术的电气设备内部故障诊断方法研究

周 健，吴 琳，柳江涛，胡 南，吕 旋

（国网浙江省电力有限公司 龙泉市供电公司，浙江 龙泉 323700）

0 引 言

随着红外热像技术的不断发展，它在电力系统中的应用愈发广泛。尤其是在电气设备故障检测中，利用红外热像技术判断故障点做到预知检修，已成为当前电气设备保修的重要手段之一，能更好地降低生产成本，提高生产效率。电气设备内部故障诊断难度较大，因此现场检修需要综合判定。同时，要求检修人员能够掌握红外热像技术的原理，熟知内部故障与红外热图特征之间的关系。

1 红外热像技术

1.1 红外热成像仪

红外热成像仪就是借助红外热像技术，将被测目标的温度分布通过热图的形式展现出来的装置。任何物体只要有温度就会发出红外线，红外热成像仪通过接收物体发出的红外线将其转化为热图形式，以此表示被测物体温度的分布情况。根据温度分布情况的细小差异，判断发生温度差异的点，从而迅速锁定故障位置，而后测量相关位置的温度来判断故障位置，实现预检维修的目的[1]。

1.2 红外热像技术诊断的特点

1.2.1 操作便捷

检测时，只要是进入红外热像仪检测范围的物体都会在显示屏中成像。如果检测现场存在温度异常情况，可以直观看到异常点和量，同时可以测量异常点的温度。

1.2.2 操作安全

红外热成像是一种无损检测技术，主要通过监测设备故障引发的异常红外辐射和温度实现，不会改变设备系统的运行状态。此外，操作过程中不接触且不停电，也无需采样和解体，因此具有较高的安全性，不会影响其他设备的运行。

1.2.3 操作效率高

红外热像技术适用于各种电气设备的故障诊断，能够快速对大面积物体进行扫描成像，操作快捷且直观，检测效率高。不仅能快速发现设备故障点，而且能精准判定故障位置和故障程度。

1.2.4 操作智能化

红外成像仪能自动收集相关数据并科学分析监测设备的运行状态，从而给出可能存在的故障点及程度。同时，仪器可以储存设备的图像数据资料，连接计算机建立数据库，为故障趋势分析搭建平台，有助于促进故障诊断智能化。

2 基于红外热像技术的电气设备内部故障诊断

2.1 变压器故障的红外诊断

2.1.1 高压套管的故障诊断

由于高压套管的内外结构不同，因此通过红外热像技术扫描形成的热图特征也存在差异。

（1）高压套管外部接头故障。以高雪套管为例，当其外部接头出现故障时，通过热像图可以观察到接头中心发热情况明显，如图1所示。参照GB763-90相关规定，若温差＞20 ℃，则需要进行故障排查，同时加强防控；若温差＞40 ℃，则表明外部接头发生严重故障，必须立即进行停工检修。

图1 高压套管外部接头故障热像对比图

从图1可以看出，“1”所在位置的温度最高。但时，从“1”和“2”之间的温差数值来看为一般性故障，程度不严重，需要密切监视以防止出现更严重的故障。

（2）高压套管内部接头故障。对于35 kV以下的变压器而言，套管内部接头多数位于箱体油中，当其中一至两相发生故障时，热像图与正常套管存在明显差异[2]。110 kV变压器套管的引线将起接头和将军帽连接，当接头发生故障时，产生的异常温度将会传递给将军帽。因此，发生故障时，将军帽将表现出明显的发热现象。

2.1.2 变压器内部的红外故障诊断

若仅仅是箱体出现发热，钟罩螺栓并未出现明显发热时，需要判定是否是变压器内部发生故障。主要诊断依据是内部故障会引发发热反应，且变压器运行负荷越大，箱体温度越高[3]。因此，通过调节变压器负荷，观察热图显示的发热情况是否出现变化，可判定是否存在内部故障。

2.2 高压断路器故障

2.2.1 少油断路器内部导电体连接不良

上动、静触头以及中间触头接触不良等，是少油断路器内部导电体连接不良最常见的几种表现。当上动和静触头发生接触不良时，它的热像图以引线根部为中心，断路器上部出现整体发热，且温度分布从高到低依次是顶部、基座法兰和瓷套。当中间触头发生接触不良时，热像图以基座法兰为发热中心，温度分布从高到低依次是基座法兰、顶帽和瓷套。当静触头发生接触不良时，它的热像图以顶帽中部为发热中心，且瓷套表面温度低于基座法兰的温度。

2.2.2 高压套管内部导电杆连接不良

内部导电杆发生接触不良时，将会使得套管发热。它的热像图表现为以套管顶帽为发热中心，且套管头局部出现明显发热。

2.2.3 断路器缺油故障

断路器缺油故障的热像图与变压器缺油故障的热像图差异很小，区别在于断路器发生故障后油位面较正常情况更低。一旦发现这种情况，要立即检修断路器，查看是否出现缺油。

2.2.4 断路器内部受潮故障

当断路器内部受潮后，它的红外热像图表现为断路器整体发热。当发生故障的断路器停止运行后，它的温度与正常断路器之间的温度差不会发生变化。在故障诊断过程中，如果发现断路器内部受潮且温差＞3 ℃时，必须要尽快处理[4]。因受潮导致断路器故障的热像图，如图2所示。其中，断路器顶部温度基本正常，但法兰处附近温度异常。经过检修发现，断路器内部积水非常严重，在运行过程中积水沿瓷套向下渗透，从而在断路器内部形成一条电阻为0 Ω的绝缘放电通道。

2.3 电力电容器红外故障诊断

2.3.1 耦合电容器红外故障诊断

图2 断路器内部受潮热像图

对于电气设备而言，耦合电容器因其自身的散热性极佳且对介质的消耗情况非常少，因此正常情况下其表面温度几乎不会发生波动。当耦合电容器发生故障时，它的红外热像图表现为电容器整体发热，且以中轴为对称线，热辐射量从上至下呈递减趋势。耦合电容器内部故障的主要表现形式包括介质受损、受潮、支架放电以及缺油漏油等。它的红外热像图特征基本与正常情况一致，但设备整体热量略高。所以，当通过红外热像仪检测到耦合电容器温度超过最大允许温度或是与正常设备温差超过正常值范围，则表示可能存在故障隐患，应及时进行检修。

2.3.2 并联电容器红外故障诊断

并联电容器发生故障的情况有受潮、漏油、短路以及局部放电等。并联电容器结构具有较大的相似性，通常采用扁形铁壳箱。由于电容器的介质损耗大，因此即便是处于正常状态的并联电容器，表面温度也会略有上升。正常情况下，并联和串联电容器红外热像图表现一致，其温度分布以在宽侧面垂直平分线的2/3高度处为最高温度点，其余部位温度有所降低[5]。但是，热传递介质存在差异，会导致局部温度出现不平衡现象。对于出现故障的并联电容器来讲，当发生受潮或老化故障时，热像图表现为电容器整体温度升高，且箱体表面出现较为明显的隆起现象，被称为“鼓肚子”，在“肚子”周围会产生大量热量。当电容器出现“鼓肚子”现象时，其运行温度极高，极易导致内部发生爆炸。并联电容器若发生漏油故障，其油位面与正常电容器相比明显更低。一旦出现这种情况，要及时进行检修。

2.4 互感器故障的红外诊断

2.4.1 电压互感器的红外诊断

电压互感器发生故障的常见情况有铁芯故障、受潮、放电、缺油以及谐振过电压等。当互感器出现受潮、老化以及局部放电等绝缘故障时，以中小型变电站为例，它的电压互感器的红外热像图表现为电压器整体温度升高，具有较为明显的热辐射。此外，铁芯片局部短路和绕组匝间短路故障的红外热像图表现特征也是如此，且温度升高程度要明显高于绝缘故障，需要检修人员根据设备运行实际情况进行逐一排查，或是结合其他故障现象找出故障原因。大型变电站的电压互感器几乎都为油浸绝缘。发生故障时，它的红外热像图表现为顶部油柜温度最高，且温度分布从上至下依次降低。

2.4.2 电流互感器的红外诊断

电流互感器发生漏油故障时，它的红外特征与电压互感器漏油时几乎一致，主要表现为油位面低于正常运行的电流互感器。当油位面低于警戒线时则为不合格，存在故障隐患；当漏油情况极为严重，导致储油柜无油的情况时，互感器温度将骤然上升。

3 结 论

随着红外热像技术的不断发展，利用该项技术可以快速、安全且高效地检出电气设备内部的故障情况。红外热像仪辅助成熟的计算机图像处理系统，能计算、处理和分析设备运行状态下的热辐射情况，一定程度上提高了诊断的可靠性和精确性，值得进一步探索和推广。