利用紅外檢測(cè)技術(shù)診斷電氣設(shè)備中的故障

1.引言

工廠對(duì)電氣設(shè)備的可靠性要求越老越高，傳統(tǒng)的檢查方法以及很難滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，紅外檢測(cè)技術(shù)通過非接觸式檢測(cè)和熱成像技術(shù)來判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以及時(shí)了解設(shè)備現(xiàn)狀，有效查找故障的原因，并且對(duì)設(shè)備的未來狀態(tài)做出預(yù)測(cè)。紅外檢測(cè)是目前發(fā)工廠電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的一種重要的手段，為電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)保障。

2.電氣設(shè)備的發(fā)熱原因及熱故障

電氣設(shè)備故障往往都以設(shè)備相關(guān)部位的溫度或熱狀態(tài)變化作為預(yù)兆表現(xiàn)出來，通常發(fā)熱的部位都是電氣設(shè)備的連接點(diǎn)，連接點(diǎn)是指電氣設(shè)備之間以及它們與母線或電纜之間的電氣連接部位。

2.1 電氣設(shè)備的發(fā)熱原因

（1）電阻的有功損耗。電力系統(tǒng)導(dǎo)電回路的金屬導(dǎo)體都有相應(yīng)的電阻，當(dāng)通過負(fù)荷電流時(shí)，必然會(huì)有一部分電能以熱損耗的形式消耗在電阻上。對(duì)均勻?qū)w來說，只有出現(xiàn)局部拉長、斷股、橫向裂縫及表面嚴(yán)重腐蝕等情況時(shí)才會(huì)引起局部電阻增大，發(fā)熱功率增加。常見的是導(dǎo)電回路中的各種連接件，接頭或觸頭等部位接觸不良，引起接觸電阻增大，發(fā)熱功率增加，引起接觸部位溫度升高，溫度升高后又引起接觸電阻進(jìn)一步增大。

（2）電介質(zhì)的有功損耗。由固體、液體或氣體等電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)是高壓電器設(shè)備中不可缺少的重要部分，金屬導(dǎo)電材料和電介質(zhì)絕緣材料是所有電氣設(shè)備不可缺少的兩個(gè)組成部分。導(dǎo)電體周圍的電介質(zhì)在交變電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生能量消耗，通常稱為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗與承受的電壓的平方成正比，與導(dǎo)體所通過的電流無關(guān)。由此可知，電氣設(shè)備只要加上電壓，即使不輸送電流，也會(huì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗。當(dāng)絕緣介質(zhì)的絕緣性能變壞時(shí)，會(huì)引起介質(zhì)損耗增大，有功損耗增加，設(shè)備運(yùn)行溫度升高。

（3）鐵磁損耗。凡使用鐵磁材料做成的電氣設(shè)備或裝置，在交變磁場(chǎng)的作用下，都會(huì)產(chǎn)生電能損耗，稱為鐵磁損耗。發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，鐵磁材料用量很大，運(yùn)行中鐵磁損耗往往與繞組中的電阻損耗不相上下，小負(fù)荷時(shí)甚至超過電阻損耗。

2.2 電氣設(shè)備的熱故障

電氣設(shè)備主要有兩種熱故障，一種是外部故障，主要原因是長期運(yùn)行的設(shè)備其電氣接頭暴露在空氣中因接觸不良造成阻值過大，引起接頭發(fā)熱，外部發(fā)熱缺陷一般集中在設(shè)備的連接點(diǎn)，連接點(diǎn)是指電氣設(shè)備之間以及它們與母線或電纜之間的電氣連接部位。連接點(diǎn)過熱也是長期影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要問題。一種是內(nèi)部故障，是指封閉在固體絕緣、油絕緣以及設(shè)備殼體內(nèi)部的電氣回路故障和絕緣介質(zhì)劣化引起的故障。對(duì)于內(nèi)部故障，根據(jù)各種電氣設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)傳熱學(xué)理論，分析金屬導(dǎo)電回路、絕緣油和氣體等引起的傳導(dǎo)、對(duì)流，從電氣設(shè)備外部顯現(xiàn)的溫度分布熱像圖，就可以判斷出各種內(nèi)部故障。分析電氣設(shè)備發(fā)熱故障及處理，總結(jié)故障類型和原因，提供相應(yīng)的處理方法，使發(fā)熱缺陷防患于未然，從根本上消除或降低發(fā)熱缺陷的發(fā)生。

3.紅外檢測(cè)技術(shù)的基本原理

紅外線檢測(cè)物體表面溫度時(shí)，熱流注入是均勻的，如果物體沒有缺陷，正面和背面的溫度場(chǎng)分布基本上是均勻的，如果物體內(nèi)部存在缺陷，在缺陷處溫度分布將發(fā)生明顯的變化。

對(duì)于隔熱性的缺陷，正面檢測(cè)方式，缺陷處因熱量堆積呈“熱點(diǎn)”,背面檢測(cè)時(shí)，缺陷處則是低溫點(diǎn)；而對(duì)于導(dǎo)熱性的缺陷，正面檢測(cè)時(shí)，缺陷處的溫度是低溫點(diǎn)，背面檢測(cè)到缺陷處的溫度是“熱點(diǎn)”.可見，采用紅外檢測(cè)技術(shù)，可以形象地檢測(cè)出材料表層與淺層的缺陷和范圍。按照普朗克定理，波長一定，測(cè)出紅外輻射能量W就可以算出溫度值T,通過與黑體基準(zhǔn)參量比較，儀器能準(zhǔn)確計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際溫度值，且以不同顏色的溫標(biāo)顯示出檢測(cè)面溫度分布的變化。

4.紅外檢測(cè)技術(shù)在發(fā)工廠電氣設(shè)備檢測(cè)中的應(yīng)用

在線監(jiān)測(cè)和停機(jī)檢查相結(jié)合的方式是發(fā)工廠進(jìn)行電氣設(shè)備檢測(cè)的常用手段，紅外檢測(cè)憑借其遠(yuǎn)距離、不用直接接觸、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，在電氣設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。

4.1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的診斷

全封閉的發(fā)電機(jī)本體可用紅外成像儀對(duì)發(fā)電機(jī)端蓋因漏磁而引起的渦流損耗發(fā)熱、軸承發(fā)熱以及冷卻系統(tǒng)局部不暢等缺陷進(jìn)行檢測(cè)和定位。對(duì)于定子繞組的故障可以采用在發(fā)電機(jī)定子繞組中加入電流，等到溫升穩(wěn)定后，記錄繞組接頭的熱譜圖，并對(duì)其進(jìn)行分析，通過溫升異常的接頭來快速準(zhǔn)確定位接觸電阻偏大的定子繞組接頭。

4.2 變壓器故障的診斷

變壓器正常的工作狀態(tài)應(yīng)該是：（1）頂部是高溫區(qū)，溫度逐漸向下減弱；（2）套管升高座附近溫度最高；（3）本體呈現(xiàn)一個(gè)明亮的紅外熱圖像。通常采用以下方法判斷是否出現(xiàn)過熱故障：①檢查套管端部接點(diǎn)；②比較三相套管表面溫度是否均勻一致，以判斷套管內(nèi)部是否存在缺陷；③散熱器表面溫度是否均勻，以判斷油路的堵塞情況。

4.3 隔離刀閘故障的診斷

隔離刀閘工作中的正常狀態(tài)是：環(huán)境溫度略高，三相均勻。判斷其是否存在過熱故障應(yīng)注意：①檢查兩端頂帽接點(diǎn)是否過熱；②檢查由彈簧壓接的刀口是否過熱；③是否支柱瓷瓶劣化使支柱瓷瓶整體溫度升高。

4.4 電流互感器故障的診斷

電流互感器工作中的正常狀態(tài)是：①因大電流，內(nèi)部高溫通過瓷套輻射出來，本體呈現(xiàn)出一個(gè)較高的溫度區(qū)域；②頂帽溫度比瓷套表面溫度略高。判斷其是否存在過熱故障應(yīng)根據(jù)：①因內(nèi)部繞組匝間短路或介質(zhì)損耗增大，均會(huì)引起本體溫度升高，比較三相CT表面溫度是否平衡以判斷可能出現(xiàn)的內(nèi)部缺陷；②檢查CT端部接點(diǎn)。

5.結(jié)論

紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)運(yùn)行中的舊設(shè)備，它可以找出其失效部件，最大限度地減少它對(duì)系統(tǒng)造成的損害，延長設(shè)備的壽命，避免災(zāi)難性故障的發(fā)生，同時(shí)可以確定修理的具體部位，避免了整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)閉；對(duì)運(yùn)行中的新設(shè)備，雖然并不一定能找出任何嚴(yán)重問題，但可為工作人員提供有價(jià)值的原始數(shù)據(jù)資料；對(duì)那些修理過的設(shè)備，它的檢測(cè)可以確信它們的工作是否正常，從而進(jìn)一步增加設(shè)備的工作效率。由于紅外檢測(cè)是非接觸的，操作十分安全，再加上它的高靈敏度和強(qiáng)大的采集功能，在電力生產(chǎn)中越來越顯示出其應(yīng)用的必要性。