利用红外检测技术诊断电气设备中的故障

1.引言

工厂对电气设备的可靠性要求越老越高，传统的检查方法以及很难满足实际生产的需要，红外检测技术通过非接触式检测和热成像技术来判断设备的运行状态，可以及时了解设备现状，有效查找故障的原因，并且对设备的未来状态做出预测。红外检测是目前发工厂电气设备状态检测的一种重要的手段，为电气设备实现在线监测提供了技术保障。

2.电气设备的发热原因及热故障

电气设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化作为预兆表现出来，通常发热的部位都是电气设备的连接点，连接点是指电气设备之间以及它们与母线或电缆之间的电气连接部位。

2.1 电气设备的发热原因

（1）电阻的有功损耗。电力系统导电回路的金属导体都有相应的电阻，当通过负荷电流时，必然会有一部分电能以热损耗的形式消耗在电阻上。对均匀导体来说，只有出现局部拉长、断股、横向裂缝及表面严重腐蚀等情况时才会引起局部电阻增大，发热功率增加。常见的是导电回路中的各种连接件，接头或触头等部位接触不良，引起接触电阻增大，发热功率增加，引起接触部位温度升高，温度升高后又引起接触电阻进一步增大。

（2）电介质的有功损耗。由固体、液体或气体等电介质材料构成的绝缘结构是高压电器设备中不可缺少的重要部分，金属导电材料和电介质绝缘材料是所有电气设备不可缺少的两个组成部分。导电体周围的电介质在交变电场的作用下会产生能量消耗，通常称为介质损耗。介质损耗与承受的电压的平方成正比，与导体所通过的电流无关。由此可知，电气设备只要加上电压，即使不输送电流，也会产生介质损耗。当绝缘介质的绝缘性能变坏时，会引起介质损耗增大，有功损耗增加，设备运行温度升高。

（3）铁磁损耗。凡使用铁磁材料做成的电气设备或装置，在交变磁场的作用下，都会产生电能损耗，称为铁磁损耗。发电机、变压器、电动机等设备，铁磁材料用量很大，运行中铁磁损耗往往与绕组中的电阻损耗不相上下，小负荷时甚至超过电阻损耗。

2.2 电气设备的热故障

电气设备主要有两种热故障，一种是外部故障，主要原因是长期运行的设备其电气接头暴露在空气中因接触不良造成阻值过大，引起接头发热，外部发热缺陷一般集中在设备的连接点，连接点是指电气设备之间以及它们与母线或电缆之间的电气连接部位。连接点过热也是长期影响电力系统安全运行的重要问题。一种是内部故障，是指封闭在固体绝缘、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故障。对于内部故障，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，分析金属导电回路、绝缘油和气体等引起的传导、对流，从电气设备外部显现的温度分布热像图，就可以判断出各种内部故障。分析电气设备发热故障及处理，总结故障类型和原因，提供相应的处理方法，使发热缺陷防患于未然，从根本上消除或降低发热缺陷的发生。

3.红外检测技术的基本原理

红外线检测物体表面温度时，热流注入是均匀的，如果物体没有缺陷，正面和背面的温度场分布基本上是均匀的，如果物体内部存在缺陷，在缺陷处温度分布将发生明显的变化。

对于隔热性的缺陷，正面检测方式，缺陷处因热量堆积呈“热点”,背面检测时，缺陷处则是低温点；而对于导热性的缺陷，正面检测时，缺陷处的温度是低温点，背面检测到缺陷处的温度是“热点”.可见，采用红外检测技术，可以形象地检测出材料表层与浅层的缺陷和范围。按照普朗克定理，波长一定，测出红外辐射能量W就可以算出温度值T,通过与黑体基准参量比较，仪器能准确计算出各测量点的实际温度值，且以不同颜色的温标显示出检测面温度分布的变化。

4.红外检测技术在发工厂电气设备检测中的应用

在线监测和停机检查相结合的方式是发工厂进行电气设备检测的常用手段，红外检测凭借其远距离、不用直接接触、准确和实时等优点，在电气设备状态检测中得到广泛的应用。

4.1 发电机内部故障的诊断

全封闭的发电机本体可用红外成像仪对发电机端盖因漏磁而引起的涡流损耗发热、轴承发热以及冷却系统局部不畅等缺陷进行检测和定位。对于定子绕组的故障可以采用在发电机定子绕组中加入电流，等到温升稳定后，记录绕组接头的热谱图，并对其进行分析，通过温升异常的接头来快速准确定位接触电阻偏大的定子绕组接头。

4.2 变压器故障的诊断

变压器正常的工作状态应该是：（1）顶部是高温区，温度逐渐向下减弱；（2）套管升高座附近温度最高；（3）本体呈现一个明亮的红外热图像。通常采用以下方法判断是否出现过热故障：①检查套管端部接点；②比较三相套管表面温度是否均匀一致，以判断套管内部是否存在缺陷；③散热器表面温度是否均匀，以判断油路的堵塞情况。

4.3 隔离刀闸故障的诊断

隔离刀闸工作中的正常状态是：环境温度略高，三相均匀。判断其是否存在过热故障应注意：①检查两端顶帽接点是否过热；②检查由弹簧压接的刀口是否过热；③是否支柱瓷瓶劣化使支柱瓷瓶整体温度升高。

4.4 电流互感器故障的诊断

电流互感器工作中的正常状态是：①因大电流，内部高温通过瓷套辐射出来，本体呈现出一个较高的温度区域；②顶帽温度比瓷套表面温度略高。判断其是否存在过热故障应根据：①因内部绕组匝间短路或介质损耗增大，均会引起本体温度升高，比较三相CT表面温度是否平衡以判断可能出现的内部缺陷；②检查CT端部接点。

5.结论

红外检测技术对运行中的旧设备，它可以找出其失效部件，最大限度地减少它对系统造成的损害，延长设备的寿命，避免灾难性故障的发生，同时可以确定修理的具体部位，避免了整个系统的关闭；对运行中的新设备，虽然并不一定能找出任何严重问题，但可为工作人员提供有价值的原始数据资料；对那些修理过的设备，它的检测可以确信它们的工作是否正常，从而进一步增加设备的工作效率。由于红外检测是非接触的，操作十分安全，再加上它的高灵敏度和强大的采集功能，在电力生产中越来越显示出其应用的必要性。