浅析电气设备故障检测

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　　摘要：传统的电气设备故障诊断方法已不能适应当前需要，文章介绍了红外成像测温技术在故障检测中应用，具有精确、高效等优点。
　　关键词：电气设备；故障检测；红外成像仪；
　　1. 电气设备热故障类型
　　高压电气设备在正常运行情况下，将有部分电能以不同的损耗形式转化为热能，从而使设备温度升高。这些电能的损耗主要包括以下几种：
　　1)电阻损耗P=I2R，发热功率与电流平方成正比，这种发热称为电流效应引起的发热；
　　2)介质损耗P=U2ωCtanδ，发热功率主要取决于电压，这种发热称为电压效应引起的发热；
　　3)铁损是因铁心的磁滞、涡流现象而产生的电能损耗，这种发热称为电磁效应引起的发热。
　　这些发热是不可避免的，在设计、制造等环节中已经考虑设备运行时允许的温度升高。但在运行过程中，由于受到大电流、高电压的冲击，环境污染、气温变化等不利因素的影响，在设备的外部或内部的某些薄弱部位往往出现不正常的发热或温度分布异常，并发展成热故障。
　　通常发热分外部、内部至热两类：外部至热大都数是因电气接头长期暴露在大气中，金属导体表面受电化学腐蚀及因热胀冷缩接触面压力减小使导体连接部位接触不良，形成较大的接触电阻，其发热功率取决于接触电阻与通过的电流；少数是因表面污秽或机械力作用造成外绝缘性能下降，其发热功率取决于外绝缘的绝缘电阻与泄漏电流。内部热故障主要发生在导电回路和绝缘介质上，其内部发热机理因设备内部结构和运行状态的不同而异，一般可概括为：导体连接或接触不良、介质损耗增大、电压（场）分布不均匀或泄漏电流过大、因绝缘老化、受潮、缺油等产生局部放电、磁回路不正常等。
　　大多数属于外部热故障，最突出的是室外铝质导体的联接，高压隔离闸刀断口，设备与母线的联接部位，铜铝导体联接部位最容量生产热故障，占到82.6%，内部至热我们发现了9例。在供电行业故障统计中，内部发热比例很少，这也说明我国电气产品质量在不断提高。
　　2. 红外成像仪的工作原理与热故障的识别
　　红外线是一种光线，具有普通光的性质，又是一种热辐射，任何一定温度的物体都会向外发射红外线；当温度变化时，辐射光的波长也会随之变化，由此，通过检测红外热辐射的光波长，来测量特定对象的温度这就是非接触式红外测温基本工作原理，采用由红外线滤镜、感光器件及其他光学和成像系统等构成了完整的红外成像设备。先进的红外成像仪还能自动跟踪发热体最高温度点，温度分辩率达到0.1度。在20米以内的可视距离内，被测物体在屏幕上可清晰地显示物体温度的整体变化，所以可以快速方便地找到设备温度最高点。我们只要通过专业培训，了解电气设备的构造，掌握设备发热的允许标准和常用电气设备正常工作时的红外图谱，用比较、类推的方法就可以识别一般性的热故障。
　　2.1 外部热故障的判断
　　外部热故障的致热部位是裸露的，可用热像仪直接测温，且测量值与实际的温度值差别不大，一般可根据测得的温度值或温升值，按照GB/T11022- 1999《高压开关设备和控制设备共同技术要求》规定的温度和温升极限，以及DL/T664- 1999《带电设备红外诊断技术应用导则》中的相对温差判断法来判断缺陷的严重程度。当温度值或温升值接近或稍微超过GB/T11022- 1999标准的规定值时，如此时设备的负荷还较轻，但在还有可能出现更高的负荷的情形下，应定为“重大”或“紧急”缺陷，同时采取相应的措施。
　　2.2 内部热故障的判断
　　内部热故障也可用热像仪测温，但由于其致热部位被封闭，小部分热量可能通过导体传递到外部，大部分要通过空气、油、SF6或绝缘纸等介质，再通过金属箱体或瓷套传到其表面，所以其测量值与实际的温度值差别一般较大。由于设备本身结构和致热因素比外部热故障要复杂些，对此类故障的判断分析也显得困难些。应根据DL/T 664- 1999导则中的同类比较法和热谱图比较法来判断，不宜按GB/T11022- 1999标准规定的温度和温升限值或DL/T 664- 1999导则中的相对温差判断法来判断。
　　3. 设备热故障的早期发现
　　一般设备故障的形成、发展和发生都具有一定的延续性和规律性，设备状态的未来变化，可以根据以往和现在的状态和相关特征量进行推断。研究表明，用趋势预测法能够及时发现早期热故障，其主要方法和步骤如下：
　　3.1 按设备运行周期排查
　　通常我们把电气设备运行周期分为初期、稳定期和劣化期三个阶段。其状态简单分为正常、异常、故障、事故四种。所谓早期发现就是在异常时及时找出问题并及时处理，防止发生事故。在这方面，国外从上世纪70年代就开始研究，通过统计分析，设备在整个服役期限内，发生故障的次数和使用时间之间具有宏观上的分布规律。规纳为：
　　1)初期阶段：故障率高。原因是设备制造、安装和调试存在问题会暴露，相关人员对设备的操作和维护需要有一个适应的过程。
　　2)稳定期：故障低。原因是上述问题已解决，会出现突发性故障。
　　3)劣化期：设备逐渐老化，故障率开始上升。我们通过统计分析，发生热故障的概率符合上述规律。
　　3.2选取合理的诊断参数、运行年限、负荷电流、导体材质等对可能发生热故障的条件预先排队摸底电气设备一般在运行初期和将到使用年限（电气设备的使用年限一般为20~30年）时，最容易发生故障。原因是设备刚投运，必然会暴露出制造、安装和调试中的留问题，设备运行多年因老化性能下降，出问题的概率就高，因此对这些设备的检测必须认真、细致，同时要知道设备构造，知道哪些部位容量产生热故障，将测量结果与原始资料对比，通过综合分析，可寻找到一些蛛丝马迹。
　　3.3 选择性能优良的检测设备和适宜的检测时机
　　对于电压致热设备而言，如当电压互感器整体温升超过2~5℃时，避雷器整体温升1~2℃时，就表明设备存在问题需要处理。如测量仪器性能不高，误差大，就发现不了安全隐患。同时还需选择对仪器干扰最小的天气和设备最可能暴露缺陷的时段测量。因为天气对红外成像测量影响很大，太阳光的直射会使被测温度偏高，光的反射和漫射和红外波相近，形成干扰，风速过快使散热加快，温度偏低，同时空气中的粉尘、湿度都对红外线干扰，因而需选择在早晨或晚上无风晴朗的天气，同时还要考虑在上述条件下的什么时间设备所带负荷最大，至少负荷是在不小于30%的情况下进行测量。如负荷很低，一般早期的热故障在小电流时是检测不到的。
　　4. 设备热故障的处理
　　根据历年实测数据统计分析，热故障按温升的高低及对设备的危害程度可分为一般性热故障、严重性热故障和危险性热故障三种：
　　1)一般性热故障：其导体接点温度范围20℃以上，与相同运行条件的设备相比，该接头有一定的温升，用红外热像仪测量有轻微的热像特征，此种情况应做好记录，引起注意，并加强跟踪，防止故障程度的加深。
　　2)严重性热故障：发热点温度范围在80℃~180℃之间，热像特征明显，故障处已造成严重热损伤，对设备运行构成严重的威胁，此种故障应严加监视，在缩短监控周期条件下，应尽快安排停运处理。
　　3)危险性热故障：发热点温度超过180℃，或者最高温度已超过国标GB763- 1990所规定的该材料最高允许值，热像图非常清晰，外观检查可看到严重的烧伤痕迹，并有打火放电现象。该种故障随时可能造成突发性事故，应立即退出运行，彻底检修。
　　5. 设备热故障的检测周期
　　为了提高设备运行的可靠性，减低设备运行维护费用，做好热故障的预知性检测十分重要。检测周期应根据电气设备的重要性、电压等级、负荷率、运行历史、环境条件等具体情况确定。带电进行红外检测的特点是简洁明快，准确可靠。
　　理想的电气设备热故障诊断闭环管理程序，应该是测温――检修――测温、发现故障――处理故障――监督故障的循环过程。
　　6. 结语
　　电气设备热故障诊断技术是十分有效和必要的一种设备检测手段，通过红外检测能准确判断运行设备的某些发热故障，做到防范于未然，有效地减少设备事故、降低维护费用，提高用电可靠性，其优点是显而易见的。
　　

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