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电力设备在线红外热像诊断

前言

红外成像技术具有技术先进实用性强,普查效率高,检测灵敏度可靠,不停电,安全性好等特点,而成为检测技术发展的一项重要内容。红外热像诊断是通过对运行设备温度场的分析和热像图谱的研究,提出设备故障性质和故障点,也就是利用设备呈现的表面局部过热或异常,揭示设备故障的根源。在运行电力设备,红外热像除了作为外部热缺陷和内部热缺陷手段之外,在高压带电作业工具的绝缘监督和性能评价,寿命预测的研究和应用方面也取得了一定的成效。随着电力工业的高速发展和电力事业的进步,普及应用红外成像技术已成为电力企业科技进步的必然要求。

我单位于1998年购置了一台FSI红外热像仪,在首次巡检使用时便发现某220KV线路C相T型接头至瓷瓶串段的电缆有严重的发热现象,之后在日常的巡检中又发现了15kV系统扼流线圈进出线接头过热、电除尘电场控制柜A5空气开关进线接头过热、15kV系统SF6114开关B相出线接头过热等一系列设备缺陷。在直接发现和消除设备故障的同时,为我们今后的工作积累了经验、奠定了基础,也初步提出了设备故障的热像图谱和判断方法。

电力设备故障分析

电力设备出现故障以后,若不及早诊断和排除,这些故障逐渐发展演变,最终恶化而形成事故或设备损坏甚至报废。从目前的事故统计和调查分析来看,除了设备突然遭受雷击或线路出现短路,引起突发性事故以外,电气设备大多数故障都是逐步发生和发展,并经过一段时间的恶性循环,才酿成重大损失事故。短路设备的故障是多种多样,但从这些故障的红外诊断角度来讲,主要可分为外部热故障和内部热故障两大类型。

一、电气设备的外部热故障

电气设备的外部热故障主要指对外界可以直接观测到的设备部位发生的故障。其中又可分为两种类型:一类是长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障。另一类则是由于表面污秽或机械力作用引起绝缘性能降低造成的过热故障,如绝缘子劣化或严重污秽,引起泄漏电流增大而发热。这类电气设备外部故障部位裸露在外界环境中,可直接暴露在红外诊断仪器的视场范围之内,所以,检测和诊断都比较容易,能够做到直观且一目了然。

二、电气设备的内部热故障

电气设备的内部热故障主要指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障。由于这类故障出现在电气设备的内部,所以一般无法象外部故障那样能够从设备的外部直接检测出来。但根据各种电气设备的内部结构和运行状态,依据传热学理论,分析传导、对流和辐射三种热传递形式沿不同传热路径的贡献,结合模拟试验与大量现场检测实例的统计分析和解体验证,从电气设备外部显现的温度分布热像图,分析判断与其相关的内部各种。

因为各种电气设备的内部结构和运行状态不同,所以内部故障的发热机制和表现形式也不一样。一般可概括为以下几种类型:

(1)内部电气连接不良或触头不良故障。如封闭在绝缘盒内的发电机定子线棒接头焊接不良、各种高压电气设备内部导电体连接不良、断路器触头不良、高压电力电缆出线鼻端连接不良等。

(2)介质损耗增大故障。各种以油作绝缘介质的高压电气设备,一旦出现绝缘介质劣化或进水受潮,都会因介质损耗增加而发热。

(3)绝缘老化、开裂或脱落故障。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料因材质不佳或运行中老化,引起局部放电而发热;或因老化、开裂或脱落,引起绝缘性能劣化或进水受潮,这类故障发热也属于电压效应发热。

(4)电压分布不均或泄漏电流过大性故障。如阀型避雷器内并联电阻老化或断裂,引起分布电压和泄漏电流发生变化而发热。

(5)涡流损耗增大性故障。对于由绕组或磁路组成的高压电气设备,由于设计不合理、运行不佳和磁回路不正常引起的磁滞、磁饱和漏磁;或由于铁芯片间绝缘破损,造成短路时,均可引起局部发热或铁制箱体发热。

(6)缺油故障。油浸高压电气设备由于漏油而造成油位低下,严重者可引起油面放电,并导致表面温度分布异常,这种热特征,除放电时引起发热外,主要是由于设备内部油面上下介质的热物性不同所致。

除上述故障外,还有由于特殊运行方式,过负荷或电压变化过大,单相运行等引起的故障或冷却系统设计不合理与堵塞,散热条件差等引起的故障。

由上可知内部热故障不同于外部故障,其故障性质多样,内部结构复杂。而红外辐射不具有穿透能力,热像仪接收的只是传导到设备表面的热能构成的热像。因此,在分析电气内部热故障时,温度不是决定因素,重要的是温度场的分布及与同类设备相比较。另外在分析红外热像诊断的实践中,还应认识到系统的运行方式,设备的负荷电流与工况对判断设备故障程度有很大影响,如设备异常点温度的高低要与负荷电流对应分析,对负荷电流很小而温度偏高的应特别注意;对设备异常故障点要追查其运行方式和运行历史;确定设备异常点的严重程度,须视设备的允许温度而定,接近设备最高允许温度是很危险的等。

大量的现场运行设备红外诊断和对异常设备的分析结果表明,借助红外热像仪分析设备的各种异常图谱,能够发现设备外部连接不良,内部元件开断,绝缘受潮劣化,局部过热放电等常规电气试验和正常巡检不易发现的一些设备缺陷。红外测试技术完善充实后,替代部分设备停电预试项目将是可能的。

设备故障的热像图谱分析

建立设备故障的红外热像图谱库是开展红外热像诊断的基础,而有效地进线热像图谱分析是准确标定设备故障性质及部位的关键。红外热像图谱库主要包括下列内容:异常设备的红外热像片,异常设备的可见光外形片和解体后故障部位片,修复后的红外热像片及文字说明等。建立这种典型设备故障红外热像图谱库,不仅对该设备本身的“健康”状况跟踪分析有利,还是标定一类故障的图谱样片,它对指导红外热像诊断具有标准判据的作用。现对电力设备故障的热像图谱归类如下:

1、高温过热点就是设备异常故障点

高温过热点热像是一个以故障点为明显中心的热像图。此类缺陷多属于外部热故障,多见于隔离开关未合好触头烧蚀,转动球头滑动接触不良高温退火,套管“将军帽”连接不良丝扣烧蚀,发电机碳刷压力不足过热,引线接头连接不良烧蚀而引起材质不良则沿导线呈光斑热像。这里还应注意视场外的故障点的高温热传导。如图一为98年2 月20 日所测的我厂电除尘电场A5空气开关热像图谱,其在124A工作电流时,空气开关进线接头及导线表面温度达150℃,温升142℃,已严重超标,根据此热像图像可以判定空气开关上桩头与进线的连接存在缺陷,应立即停用检修,在检修时发现空气开关进线与上桩头连接处已过热烧黑。在一次正常巡检时检测人员用FSI红外热像仪对15KV系统进行检测,发现15KV系统三相扼流圈的进出线接头存在着不同程度的发热现象,其表面温度已达119.05℃,如图二,从图中可见扼流圈的汇流排、接头和连接螺丝都有发热现象。我厂15KV系统有四组电抗器组成,每组电抗器的单相额定电流为1732A,四组投运时共计流过6928A,根据电工手册规定铜母线载流为7000A时其截面积需3600平方毫米,经分析,可能由于扼流圈汇流排截面不够使汇流排发热,之后又发现在汇流排与母线之间有八个过渡垫圈,这八个垫圈导致有效截面过小而引起接头与连接螺丝发热。根据上述分析结果,检修人员对扼流圈接头进行改造,改造后其温度趋于正常。

2、非正常低温区是设备异常故障点

非正常低温区热像是存有不同于其它相别的低温区。如变压器高压套管假油位的热像等这种缺油故障在热像上呈现低温区。

3、内部过热造成表面温度分布异常

这类热像是无明显高温点的非导电部位过热或设备顶部不对应过热学图像。如断路器内部动配合触头接触不好,110kV及以上少油断路器反映在三角腔接上瓷套处发热,35kV及以下少油断路器上部整体发热,电流互感器的内部一次连接不良,顶部会大面积发热等。图3

为我单位#2主变低压封闭母线热像图谱,其B相发热点温度为31.06℃,比其它两相高出约16℃,经停机检查发现其封闭母线与主变低压侧套管软连接处因螺丝松动,

使其接触电阻增大温度上升从而造成外壳温度偏高。

4、内部元件开断或受潮造成温度分布畸变

因电气设备内部元件异常造成温度分布畸变的热像,是不对应电压分布的温升异常热像。如阀型避雷器内部充填阀片和并联电阻,发热主要集中在位于上部的并联电阻上,正常状态下热像同分布电压类似,成倒三角状。故障时,如避雷器受潮,绝缘降低,泄漏电流增大,在热像图上会呈现以并联电阻为中心的发亮的热像图。如果避雷器的并联电阻开断,泄漏电流明显减少,温升接近于零,整个以并联电阻为中心的热像在并联电阻开断处消失。如图四为我单位220KV线路C相架空线T型接头热像图谱,C相线路发热处最高温度达62.9℃,环境温度10℃,温升52.9℃属严重发热,而且温度最高点不在T型接头处,而在中间部位,邻近A,B两相无一发热迹象。针对这种情况,检测人员通过软件对发热处再进行处理分析,在发热区域拉一条等温线,结果发现其整个温度场中主要有四个均匀的驼峰,且这些驼峰的间隔距离相等,这充分说明导线并不是整体发热,而是有规律地发热。考虑到导线为铝铰线,热像仪拍摄与导线又呈一定的角度,因此分析这四个温度驼峰应是铰线螺旋了四圈造成,即得出导线存在松股现象,T型接头压接不够紧而导致接触不良。

5、非电导体故障引起温度奇异分布

这类热像是与电导体无关或电导体不易故障的对应部位温度异常。如穿墙套管裂纹,内部热不均匀外传,沿裂纹形成奇异温度带;再如支持瓷瓶裂纹,因吸收太阳辐射能量不同,裂纹处与正常瓷质部分释放热能时形成微弱的异常温度带。

6、绝缘子劣化或污秽构成特定的温度分布

良好的瓷瓶串,其热像分布同电压分布规律对应,呈靠引线端稍高,接地端偏低的马鞍形。正常情况下的相邻的瓷瓶间的温差一般不超过1℃。劣化瓷瓶主要看钢帽的情况,阻值在5MΩ以下的零值瓷瓶,在整个瓷瓶串热像上呈现暗色调。污秽瓷瓶主要看瓷盘的情况,污秽造成瓷盘表面泄漏电流加大,热像呈现出多数瓷瓶片发亮。

结论

1、对电力设备实行在线红外热像诊断,可直接发现设备外部接点连接不良,导体材质不佳等事故隐患,是导体监督有效而快捷的手段。外部热故障都有一个明显的以故障点为中心的热像图。其故障程度除与接点状况有关外,还与负荷电流和运行方式有关。

2 、利用电力设备红外热像图谱可有效诊断互感器、避雷器、耦合电容器、高压套管、断路器、电缆头等设备的内部热故障。内部热故障多数没有一个明显的高温过热点,主要看其温度分布,进行相间比较。诊断故障要熟悉设备内部结构,进行热像图谱分析。

红外热像可检测大量电力设备的各种内部,外部缺陷,具有操作简单,检测速度快,工作效率高等优点,这对开展状态检修尤为重要。对运行设备实行红外热像诊断,可掌握运行设备的状态,使检修更具有针对性,做到预知维修,真正实现“应修必修,修必修好”的检修原则。

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