红外技术在电力设备状态检修故障诊断中的应用.pdf

楦测与控制 机械研究与应用 红外技术在 电力设备状态检修故障诊断 中的应用 韦 强 ( 甘肃 大唐西固热电有限责任公司， 甘肃 兰州7 3 0 0 6 0) 摘要： 为保证电力系统安全、 经济、 稳定运行， 在状态检修过程中， 运用红外技术诊断电力设备故障越来越发挥其特 殊的重要作用， 分析论述高压电力设备各种故障红外热像特征及影响电气设备故障红外检测诊断的相关因 素， 并对以后在应用过程 中注意的问题进行了简要的探讨。 关键词： 红外技术； 故障诊断； 电力设备； 缺陷分析 中图分类号： T M 7 6 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 6— 4 4 1 4 ( 2 0 1 1 ) o l 一0 0 7 8— 0 4 Br i e f t a l k o n t he a p pl i c at i o n o f i n f r a r e d t e c hn i q u e i n t h e f a u l t d i a g n o s i s o f p owe r e q ui pm e nt c o ndit i o n — — ba s e d ma i nt e n a nc e We i Q i ~ n g ( G a n s u D a t a n g X i g u T h e r m o e l e c t r i c C o ． ， L t d ， L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 6 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n o r d e r t o k e e p p o w e r s y s t e m s e c u r i t y ， e c o n o my， s t a b l e o p e r a t i o n， a t t h e p r o c e s s o f c o n d i ti o n ma i n t e n a n c e， t h e i n f r a - r e d t e c h n i q u e i s u s e d t o d i a g n o s e p o w e r e q u i p me n t f a i l u r e， w h i c h w i l l p hy a n i n c r e a s i n g l y i mp o r t a n t r o l e ．Re d p h o t o g r a p h l e a — t u r e of a l l k i n d s o f f a ult a n d c o r r e l a t i v e f a c t o r e ff e c t i n g p o we r e q u i p me n t f ail u re i n f r a r e d d i a g n o s i s a r e a n a l y z e d an d d i s c u s s e d ． An d t h e n o ti c e ab ~ p r o b l e ms i n t h e a p p l i c a t i o n p r o c e s s a r e a l s o d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s ：i n f r a r e d t e c h n o l o g y ；f a u l t dia g n o s i s ；p o we r e q u i p me n t ；d e f e c t s a n aly s i s l 红外诊断技术在 电力生产 中的应用 红外技术是研究红外辐射的产生、 传递、 转换、 探 测并实现在实际工作 中应用 的一 门技术。1 9 5 3年 ， 瑞典 A G A公司( 即后来 A G E MA公司) 研制出世界上 第一 台红外 热 像仪 ， 主要用 于 军事 方面。随后 于 1 9 6 5年第一套用于电气设备检查的商用热像系统问 世 ， 并取得了良好效益。它以人眼看不见的红外辐射 作为传递信息的载体， 可以把人们的视野带人一个不 可见的世界 ， 因此 ， 现代红外技术在许多领域都得到 应用 J 。红外技术在电力生产中发挥着重要作用。 为了提高供电可靠性和优质服务 ， 改变原有周期 检修的固定模式 ， 进行设备状态检修， 成为企业创新 检修新思路的一种必然。而进行及时的状态检修 的 前题就是正确的设备健康状况的检验方法和判别依 据。随着新 的工艺、 新技术大量在运行现场运用 ， 红 外测温技术在变电运行中的应用越来越广泛 ， 使得在 设备运行情况下现场缺陷能得到及时发现 ， 为设备状 态检修第一个环节“ 状态检修信息收集系统” 提供了 依据 。 对运行中的高压电气设备来说 ， 由于红外诊断技 术能在不停电状态下 ， 通过运行设备的热分布以扫描 成像 的方式进行远距离实时在线诊断， 这比传统的停 电预防性试验更能有效的检测出与运行电压、 负荷电 流有关的设备缺 陷。电力系统 中大多数运行 的电气 设备往往会由于故障导致设备运行温度的异常变化 ， 因此检测电力设备温度可为设备故障诊断提供依据。 而红外测温故障诊断技术为测量这种温度异常提供 了一种方便直观的检测方法 ， 进而在电力行业得到了 广泛应用。 1 ． 1 红外测温诊断与传统停电预防性试验的区别 电力生产的最大特点是生产的连续性 ， 而不安全 的特征往往是故障呈现的突发性和频发性。长时间 的停电预防性试验 和检测 ， 会给生产带来很大 的损 失。而红外测温诊断技术能否完全取代传统的停电 预防性 试验 ， 主要 在 于能否解 决 内部 热 故 障 的诊 断I 3 ] 。对高压运行设备的温度场分析和热像 图谱的 研究是进行红外诊断的基础 ， 而这些诊断关键在于掌 握各种运行设备的热像图谱。不同设备的热像完全 不同， 有 的与电流及对应 的电阻有关 ， 有 的同表面 的 分布电压有关 ， 还有地取决于附近的磁场影响。许多 设备上的最高温度往往不是故障点， 特别是设备内部 的热故障。由于红外辐射不能穿透高压绝缘和金属 外壳 ， 只能通过有关电气连接件上的温度分布来分析 判断。 1 ． 2 红外测温诊断技术的特点 ( 1 )由于红外监测探测设备相关部位 自身发热 的红外辐射能量， 不需要辅助信号源和装置， 从而不 会对运行中的设备造成其它损害和负面影响， 即无损 收稿 日期 ： 2 0 1 0一l O一2 0 作者简介 ： 韦强 ( 1 9 7 4一) ， 男 ， 甘肃兰州人 ， 工程师 ， 主要从事 电力企业设备技术管理方面的工作 。 7 8 机械研 究与应用 检测。诊断手段单一， 操作简单方便。 ( 2 )不接触、 不停电、 不取样、 不解体。红外诊断 通过监测运行状态下的设备故障引起的异常红外辐 射和异常温度场来实现， 真正做到不停电， 不改变系 统运行状态前提下 ， 监 测到设 备运行 的真实状态信 息 ， 并保证操作的安全性。 ( 3 )红外诊断使用面广 ， 效益投资比高。红外诊 断技术适用于发 电厂和变 电站 ， 输电配电等所有高压 电气设备的各种故障检测 。而且 可实现大面积快速 扫描成像 ， 状态显示快速、 灵敏、 直观 ， 劳动强度低 ， 检 测效率高。 ( 4 )易于计算机分析 ， 促进智能化发展 。红外成 像诊断仪配备微机 图像分析系统和各种功能处理软 件 ， 可以对监测到的设备运行状态进行分析处理 ， 并 可根据对设备红外图像有关参数进行计算和分析， 立 即给出设备故障属性、 故障部位和严重程度。而且可 以存储历次设备图像数据资料 ， 建立设备运行状态档 案数据库 ， 供设备管理人员调用。 ( 5 )红外检测与故障诊断有利于实现 电力设备 的状态管理和状态检修体制的过渡 ， 通过对管辖的设 备运行状态实施温度管理， 根据每台设备的状态演变 情况进行有 目的维修 ， 并通过红外诊断评价设备维修 质量。 2 红外诊断技术监测故障类型的分类 红外测温技术监测 的电力设备 的故障类型主要 分为两大类。 2 ． 1 设备的外部热故障 设备的外部热故障指设备的发热部位裸露于环 境中， 采用红外热像仪可以直接观测其表面热分布状 态， 并迅速确定其位置。外部热故障产生 的原因主要 是设备部件的接触电阻异常增大引起 的【 2 ] 。 ( 1 )设备部件接触面不平整或氧化。如接 触面 不平整 、 表面粗糙或其它工艺原 因造成 ； 或是长期暴 露于大气中， 受到有害气体的侵蚀及灰尘、 酸雨等环 境的影响。 ( 2 )接触面的连接质量 问题。设备连接件 的加 工及安装不当， 在运行 中受到外界应力的作用 ， 造成 连接松动以及零件老化等原因。 使用红外热像仪检出的常见设备外部故障有 ： 各 种裸露 的电气接头部分 ， 如隔离刀闸的触头、 穿墙套 管接头、 电力设备出线接头等。 2 ． 2 设备的内部热故障 电力设备由于内部故障发热， 而发热的部位封闭 于设备内部， 无法采用热像仪直接观察、 确定故障的 具体位置， 只能通过获取设备表面的热分布图， 进行 分析、 类比加以判断。造成设备内部故障原因有口 ] ： 趋测与程制 ①设备内部电气连接或触头接触不良， 引起的电流致 热效应。②内部介质损耗增大引起发热。③内部电 压分布不良或泄漏电流过大引起发热。④ 内部绝缘 老化、 受潮、 缺油或涡流引起( 铁损增大) 发热。 在检测中， 红外热像仪能够检出的内部热故障的 设备有 ： 避雷器、 耦合 电容器、 少油断路器、 T A、 T v以 及高压套管、 高压电缆头等设备的内部故障。 在对 内部缺陷的诊断时 ， 要求仪器使用 者对仪 器、 设备有相当的熟悉 ， 并有丰富的实践经验。 3 高压电气设备过热故障的红外诊断 下面主要就高压断路器、 高压套管、 高压隔离开 关、 电力变压器故障的红外诊断做一个浅析。 3 ． 1 高压套管故障的红外诊断 高压套管故障主要表现为内外接头连接不良、 充 油套管缺油 、 套管绝越差 、 电容式套管芯缺陷产生的 局部放电和末屏引线对地放电等 J 。 3 ． 1 ． 1 内外接头故障的红外诊断 ( 1 )对于与设备连接的套管外部接头 ， 因裸露在 大气中的外部故障， 所以它的热像特征是 以连接头为 中心的热像图。对于 1 1 0 k V及以上 电压等级 的变压 器套管， 穿缆引线接头故障发热一般通过接线鼻子传 到将军帽上， 因此其热像特征是以将军帽帽端为中心 的热像图。对 于 3 5 k V及 以下 电压等级 的变压 器套 管 ， 与线圈连接的内部接头大多在下端 ， 且浸入箱体 油内， 故障时产生的热量要通过油和套管散出 ， 而套 管较长， 当热量传到套管外部时引起的温度不高。但 三相套管不是同等热故障时， 则三相套管的热像特征 存在明显的温差。 ( 2 ) 发生内外接头同时存在接触不良的故障的 热像特征是内外接头发热区的相互叠加。 3 ． 1 ． 2 套管绝缘故障的红外诊断 由于绝缘介质 的老化受潮 引起的介 质损耗增大 或绝缘故障， 呈现的热像图特征为套管整体发热。 3 ． 1 ． 3 套管内外放电故障的红外诊断 套管 内外放 电后 的热像图特征是在相应部位呈 现局部发热区。而造成套管内部放电故障的原因主 要有 以下几方面。 ( 1 )当电容式套管芯子在进行真空处理时 ， 如果 残存的气泡过多会造成介质的不均匀 ， 引起套管的局 部放电。 ( 2 )由于制造中电容极板不光洁、 电容屏尺寸不 符合要求或因为应力过于集 中而产生断裂引起 电场 集 中， 造成局部放电。 3 ． 1 ． 4 套管缺油故障的红外诊断 高压套管缺油故障分为两种： ①套管油与变 器 油相连通； ②套管油与变压器油分开， 但由于某种原 7 9 趋测与控制 机械 研究与应用 因造成套管缺油或存在假油位。前者的缺油故障是 在安装或充油过程中没有排套管内的气体所致 ， 因此 只要排放套管内的气体即可解决。而后者是由于在 油与空气分界面的上 下介质热物性参数不一致 ， 造成 油面处出现较大的温度梯度 ， 而在实际油面处形成一 个具有明显温度突变的清晰热像特征。 3 ． 2 高压断路器故障的热像特征和红外诊断 3 ． 2 ． 1 内部故障 主要包括动静触头接触不 良、 静 触头座接触不 良、 中间接头接触不 良和 内部受潮等故障⋯。当断 路器内部受潮湿 ， 热像显示为整体发热。二档断路器 偶像兼温差大道 3 O ℃且开断负荷 电流后 ， 详见温差 人不变化的， 则视为内部严重受潮， 需尽快安排处理。 内部故障中故障比例最大的是触头故障。经查阅相 关资料及现场的实践 ， 发现的故障规律如表 1 所示 。 表 1 内部故障规律 3 ． 2 ． 2 外部故障 包括裸露在大气 中高压断路器触头座与出线头 连接处的不良连接。此故障的红外热像图特征是以 接线线头为中心的温度分布 ， 且有相互对应关系。 特别指出的是 ， 对少油断路器的缺油故障的热像 特征是在油界面处有清楚温度突变且缺油部分温度 较低。而判断是否缺油的依据要看位面是否低于油 位警戒线。 3 ． 3 电力变压器故障的红外诊断 3 ． 3 ． 1 变压器内部故障的红外诊断 正常运行 的电力变压器无法从外部对绕组和铁 芯进行在线监测的原 因是其绕组和铁芯都浸在油 中 并安装在变压器油箱内。而对于常用 的干式变压器 可实现在线监测。其热像特征是以芯柱和线圈为中 心的热像图。 干式变压器正常运行时 ， B相芯柱 由于磁负荷高 且散热性差， 温度总比A 、 c两相高， 其热像是一个以 B相为中心的热像图。而对于油浸变压器， 只有在吊 芯下施加一定的空载励磁电压或短路电流进行， 此时 其绕组与铁芯的热像特征与干式变压器完全一致。 8 0 3 ． 3 ． 2 变压器外部故障的红外诊断 ( 1 )当变压器外部载流导体连接不良或松动时， 因电阻增大而引起局部过热， 热像特征是以故障点为 中心的热像图。 ( 2 )变压器漏磁和箱壳涡流故障的热像特征呈 现为以漏磁通穿过并形成环流的区域为 中心的热场 分布。 ( 3 )变压器冷却装置及油路系统故障热像特征 为以故障点为中心的热像分布。 3 ． 4 高压隔离开关故障的红外诊断 高压隔离开关故障的红外热像特征见表 2 。 表 2 红外热像特征表 故障类型 热像 图特征 引线连接不 良 以故障部位为集中高温 区的热像 图 以转动球头 为 中心 的过热热像 图 ， 转动球 头滑动接触不 良 分 析诊断时可以根据热像 图中的最 高温度点确定故障点的位置。 隔离开关关合不好或 存在结构缺陷 以刀口触头压指为中心的 高温热像 图 通过现场维护及检测结果， 总结出以下影响高压 隔离开关发热的几个方面原因。 ( 1 )该厂地处石化工业污染区， 由于污物的积累 或腐蚀性气体的氧化作用 ， 导致设备表面氧化速度加 快 ， 致使接触不 良发热点增多。 ( 2 )对 于运行年 限久 的设备 ( 尤 其是 3 5 k V设 备) ， 长期户外运行， 表面氧化严重， 加上机械紧固部 分松动 ， 接触电阻增大， 定期检修时未及时发现 ， 所以 在 日常设备状态检修过程中发现部分刀闸局部过热。 ( 3 )由于该厂临近石化大企业 ， 热 电负荷均较 大， 因此设备负荷率偏高， 而接触损耗与电流的平方 成正比， 所以导致设备发热较为明显。 4 影响红外在线检测与故障诊断结果的因素 对电气设备故障进行红外检测和故障诊断时， 影 响检测准确性和诊断可靠性因素主要有以下方面。 4 ． 1 运行状态的影响 电气设备无论是电流效应引起的导电回路故障、 电压效应 引起的绝缘介质故 障或 电压分布不均和泄 漏电流过大故障、 电磁效应引起的漏磁涡流故障， 产 生的设备发热与温升 ， 都与设备运行状态有关。只有 当设备在额定电压下运行 ， 而且负荷越大 ， 发热及温 升越严重 ， 故 障点 的特征 性热 异 常也 暴露 得 越 明 显 2 J 。因此在进行红外检测时， 要尽量保证设备在 额定电压和满负荷下运行 ， 至少应在检测过程的一段 时间内使设备负荷不低于额定负荷的3 0 ％ J 。 机械研究与应用 4 ． 2 大气衰减的影响 设备表面发射的红外辐射能量经过大气传到红 外检测仪上， 受到大气中的水蒸气、 二氧化碳、 甲烷及 一 氧化碳等气体分子的吸收衰减和空气中悬浮颗粒 的散射衰减， 并且衰减程度与辐射在传输路径上的大 气组分与红外检测仪的工作波长范围有关 ， 随着辐射 传输距离( 检测距离) 的增大， 衰减程度加剧。我们 可以通过 以下方式消除大气的衰减影响： ①选择在环 境大气 比较干燥和洁净 的时间段 ( 大气相对湿度不 超过 8 5 ％) 进行检测 ； ②在保证对带电设备安全距离 的前提下 ， 尽可能缩短检测距离 ， 对检测结果进行合 理的距离修正。 4 ． 3 气象条件的影响 气象条件的影 响主要表现在大气环境温度 、 雨、 雪 、 雾及风力( 风速) 等。为克服上述影响 ， 应选择环 境温度适中的春季无雨 、 无雾、 无 风 ( 最大风力不大 于三级或风速小于 0 ． 0 5— 0 ． 1 m ／ s为宜) 和环境温度 较稳定的夜晚( 日落后 2— 3 h至次 日黎明前 ) 进行检 测 。 4 ． 4 设备表面发射率的影响 ( 1 )运用 图像运算方法消除发射率影响。 ( 2 )对需经常进行红外检测 的故障频发设备部 件， 未获得可靠的数据结论， 可运用敷涂适当漆料涂 层使发射率恒定的方法来增加和稳定其发射率。 4 ． 5 环境和背景辐射的影响 在进行电力设备红外检测时， 为了减少环境、 设 备其他部位及背景辐射的影响， 应采取以下措施 。 ( 1 )对户外 电气设备尽可能选择在 阴天或 日落 后 2— 3 h的傍晚至次 日黎明前的无光照时间检测 。 ( 2 )为避免太阳辐射及周围高温物体的辐射影 响， 可在检测时采用适 当的遮挡措施 ， 或在红外检测 趁测与控制 仪上加装适当的红外滤光片。 ( 3 )选择参数适宜的仪器和检测距离进行检测 ， 保证受检部位充满仪器现场 ， 减少背景辐射影响。 ( 4 )对于具有高反射的设备表面， 应采取涂覆无 光黑漆等适当措施来减少对太阳辐射及周围高温物 体辐射 的影响 ， 也可 以改变检测角度 ， 来确定最佳检 测位置 。 5结语 本文着重分析了几类高 压电气设备不同故 障发 热的热场分布规律及表面红外热像特征 ， 除某些 电气 设备的少数内部故障外， 大多数因为内部故障发热在 设备外部有温度响应的故 障， 均能用红外方法进行诊 断。通过红外成像技术可以发现并消除很多 目前现 有常规仪器无法检测到的运行设备缺陷， 该技术的运 用将极大提高电力系统的安全性和经济性 ， 必将为电 力系统带来 巨大 的直接和间接效益。并且红外成像 与故障诊断有利于实现电力设备的状态管理和向状 态维修体制的过渡， 还可以把运行设备的信息存人电 子计算机 ， 设备管理人员就能对管辖的所有设备运行 状态实施管理 ， 并根据每台设备的状态演变情况进行 有 目的的维修 ， 可以避免设备 由于缺 陷而发展成事 故， 避免“ 欠维修” 和“ 过维修” 的发生 ， 对 深人开展设 备状态检修起到积极 的推动作用。而且红外成像技 术还可以评价设备的维修质量和一次设备及线路工 程的施工质量。 参考文献： [ 1 ] 带电设备红外诊断技术应用导则． D L ／ T 6 6 4— 1 9 9 9 [ s ] ． [ 2 ] 交流高压电器在长期工作时的发热． G B 7 6 3— 1 9 9 0 [ S ] ． [ 3 ] 陈化钢． 电力设备预防性试验方法及诊断技术[ M] ． 北京： 中国 水利水电出版社 ， 2 0 0 9 ． ( 上接 第 7 7页 ) 件) 增加 1 5 0元 ， 总计节省 1 3 3 6 台车。 ( 2 )将制动缓解时间降低到了 1 S 以内， 提高了 产品质量 ， 赢得了用户好评。 5 结论 S i m u la t i o n x 仿真技术在这次空气制动系统的改 进的过程中发挥了关键作用。通过对该系统优化中 仿真手段应用过程的阐述， 证 明了现代研发工作离不 开计算机仿真技术。相关人员必须在新世纪充分认 识到这一事实， 并积极采取行动与措施使计算机仿真 技术在 日后的机车车辆研发工作中发挥更大的作用 ， 希望本文能为机车车辆行业 的同行提供一种思路或 借鉴， 共同推动我国的机车车辆事业的快速发展。 参考文献： [ 1 ] 张英， 龚礼华． 现代计算机仿真技术[ J ] ． 达县师范高等专科 学校学报 ， 2 0 0 0 ， 1 0 ( 2 ) ： 6 4— 6 6 ． 8l