红外热成像技术在电力系统故障诊断中的应用

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期红外热成像技术在电力系统故障诊断中的应用

普恩平1 唐上林2

（１.云南银塔电力建设有限公司，云南　昆明　650216； ２.广州彼岸科技有限公司，广东　广州　510600）

1　前言

电力系统中采用合理的、性能完善的控制装置，是提高系统输送能力，保证系统安全稳定运行的重要措施。但是，不管电力系统的电网结构做得如何合理、先进，还是电力控制系统设置得如何安全稳定，都不能保证电力系统不产生故障。根据我国电力系统长期运行经验，以及多次严重故障的教训，认为电力系统在经过一段时间的运行以后，总会在某些薄弱环节出现这样那样的问题。以往对电力系统的故障采取定期检修的办法来解决，有了红外热像仪以后，普遍采用“预知检修”手段，从而大大降低故障率，并节省了人力物力，提高了设备的可靠性。

红外热像仪于八十年代开始应用于我国电力行业，目前，红外热成像技术在我国电力系统中应用日益广泛，它已成了开展电气设备状态检查的必备手段。红外热像仪检测电力系统的故障隐患有效率高，判断准确，图像直观，安全可靠，不接触探测，不受电磁干扰，探测距离远，检测速度快等特点，尤其对那些悬空的、运动中的、带电的设备更具有突出优点。可以说红外热像仪是检测电气设备温度异常隐患的理想仪器，它将成为电力系统可靠性分析、故障预测和改革维修制度的有力工具。

由于电力系统各级领导的重视和支持，目前各省、市的电力科研机构和输配电单位都先后配备了红外热像仪，并在实际应用中取得了明显的效益。这必将为今后电力工业向更深更广的范围推广应用红外热像仪打下坚实的基础。

2　红外热像仪的测温原理与特点

红外热成像检测技术在电力系统故障诊断中的应用，日益受到重视，该技术在电力工业生产实践中，对电力系统故障的诊断已取得了良好的技术状态和经济效益。

2.1　测温原理

电力系统的各类电力设备和线路，在正常运行时，都会产生一定的热量。但是随着设备运行时间的增加，负载的不平衡，某些接点的生锈腐蚀、接触不良造成接触电阻增加、电流过大等，导致系统、设备、线路的热态异常和过热故障。这些异常部位和故障点都会辐射出比正常状态更多、更强的红外能。红外热像仪的测温原理是：红外热像仪的物镜接收电力设备表面所辐射的红外线，经光学系统会聚，把接收的红外能正好落在系统的焦点上，即红外探测器焦平面上；经探测器的光电转换，将电力设备的红外能转变成电能，再经一系列的电信号处理，在热像仪的取景器上得到一幅所测电力设备的热图像。通过直观的热图像找出图像中温度异常点，测出其温度值。红外热像仪就是利用电力系统的这一特性，测定电力设备表面的温度分布场及其变化情况，实现无接触测温，进行成像检测，找出电力设备可能存在的热状态异常和潜在的故障点，从而实现对设备和线路的故障诊

断。

2.2　应用特点

众所周知，现代电力系统的设备管理工作，正在把传统的定期维修制度改革为预知维修制度，实现这个改革不但能减少维修费用，而且还可大大提高设备利用率。在对电力系统实现预知维修制度时，必须应用设备状态诊断技术，以便经常对电力设备和线路进行检测与监视，保证电力系统安全运行，进行适时维修。无疑红外热像仪便是电力设备状态诊断技术中最重要的监测仪器。

目前热像仪都可以对电力设备热状态进行精确、大量的数据采集，图像存储于 PC 卡上，事后进行数据处理、计算机分析，最后作出重点故障点的热分析测试报告。

图1　变压器典型热图像

表 1　各检测点温度

序号检测点湿度值备注

1SPO127.1C 2SPO227.1C 3LIO1138.6C 4LIO2146.8C 5ARO1146.8C 6ARO256.2C 7

ARO3

72.2C

图1是胶州变电站主变压器 A 相将军帽发热，温度高达146.8℃；表1是对图1所作的分析报告中各检测点的温度值。

红外热像仪的检测特点为：2.2.1　成像检测、图像直观

目前的热像仪大部分是非致冷长波焦平面红外热像仪，探测器件为 320×240元，像素高达 76800个点心，成像质量非常好，图像清晰。检测时，只要进入热像仪视场内的物体，都会在显示屏上成像。若视场内正好有温度异常点，在显示屏可以清楚地看到异常点的个数和位置，同时还可测出各异常点的温度。

2.2.2　高灵敏度、高分辨率

热像仪其灵敏度普遍都很高，一般在 30℃温度时，其灵敏度可达 0.12℃~0.02℃，它可以分辨出设备表面的零点几度的温差，从而可以诊断出设备热状态微小变化。由于热像仪的像素可达 76800点，所以空间分辨率可做得很高，一般在 1.3毫弧度左右。因此，可以探测设备的细节部位，并可实行远距离的检测。

2.2.3　检测效率高

热像仪进入正常工作状态后，只要热像仪视场对准设备，设备的热分布状态立即显示在观察屏幕上，若存在故障点，随后可测出故障点温度数据，或者将图像存贮到PC 卡上，待计算机作进一步分析处理。一台先进的红外热像仪每秒可采集和存储数百万点的温度信息。

2.2.4 非接触检测，检测面积大

红外热像仪在检测电力设备热点故障时，都是远离设备几米、几十米、甚至上百米。这样在红外热像仪的视场内可以观察到一大片面积的电力设备。对那

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7?期些悬空的高压线，范围大的变电站，正在运转的大型发电机组，以及配电控制系统等都可摄入热像仪取景内。先观察总体情况，发现热点再进行重点检测。

2.2.5　在线带电检测

由于热像仪探测的是设备表面热辐射的红外能，不需要与被测物体接触，因此任何带电工作的电力设备都可以用红外热像仪检测。以往的检修方法是让设备停止运行，由人工对电气接头进行清洁与紧固，这种检修方法既费时又费工，效果不佳。采用红外热像仪检测，可在不让设备中断运行的情况下，找出不良的接头，非常省事省时，效果又好。

2.2.6　不受电磁干扰

红外热像仪工作在 3~5μm 和 7.5~13μm 波段内，与电磁频谱相差甚远。因此那些强电磁场的地方如输变电站、高压线等处，用热像仪检测不会受到任何影响，热图像始终稳定可靠。

2.2.7　可用计算机分析处理

目前大多数红外热像仪都备有与计算机连接的接口 RS-232。这样热像仪就便于与计算机连接，利用计算机的图像处理系统对红外热图进行分析处理，同时把检测过程中有保存价值的热图像存贮于 PC 卡中，事后还可对热图中的故障点进行热分析处理，并作出分析报告。

　红外热像仪在电力系统的检测范围

电力系统是一个复杂的大系统，组成元件多，分布地域广，系统特性复杂，可能发生故障情况差异很大，从简单的个别元件故障，到可能造成大面积停电的后果严重的故障。电力系统产生温度异常的原因是多方面的，其主要原因是设备内外接触不良，也有相当一部分是内部受潮绝缘体劣化所造成。当设备通过电流或施加电压时，只要其表面出现温差，就可用红外热像仪把它检测出来。红外热像仪在电力系统的检测范围主要包括以下方面：

.1　变压器的红外检测 3.1.1　变压器套管故障

在实际检测中发现，变压器套管是容易产生温度异常的部位，引起变压器套管故障的原因是：局步放电、缺油、导电杆连接不良、套管表面积污严重、套

管瓷质不良和介质损耗增大等。在胶州变电站和长春变电站用热像仪检测到变压器套管故障的热图像如

图2所示，图

2a 是变压器高压套管 A 相将军帽温度异常，图2b 是中压套管 B 相温度异常。

图2a　高压套管A相将军帽温度异常

图2b　中压套管B相温度异常

3.1.2　变压器箱体

图3　变压器局步发热的红外热图像

变压器在运行中箱体、冷却装置及油路等都会出现过热现象。用热像仪检测变压器箱体、连接处和箱体的红外热图像，图3

是在宁波变电站拍摄到的变压器箱体连接处温度异常。变压器的顶部、变压器的

连接件等都会出现温度异常情况，有的温度可达到 80℃以上。

3.1.3　变压器油枕

变压器油枕内的油位高低，可用红外热像仪进行检测。图4是在日照变电站和巢湖变电站用热像仪检

测到的油枕热图像。在图中可以很清楚地看到油位的高低，同时也可以用热像仪测试油枕各部位的温度分布情况。

图4a　油枕油位分布图

图4b　油枕油位温度分布图

图4 油枕红外热图像

.2　电抗器的红外检测

电抗器由于涡流、非涡流引起箱体、冷却器和油路等部件的过热故障。用红外热像仪进行检测会收到非常好的效果。

3.2.1　平波电抗器

由于涡流引起内环发热，用热像仪测得南桥变

图5　电抗器内环故障热图像

3.2.2　电抗器套管接头故障

电抗器套管出口因导体连接不良或松动，造成接触电阻增大，而引起过热，导致电抗器外部故障。图6为在胶州变电站用热像仪检测到电抗器 A 、 C 相温度异常热图像。电抗器的漏磁则引起 C 相箱体涡流和冷却装置故障。

图6　电抗器 A、C相接头故障热图像

. 避雷器的红外检测

避雷器分为阀型避雷器和氧化锌避雷器。避雷器多在露天工作，所以避雷器的故障多半是因为内部进

水受潮造成闪络。由于金属氧化锌避雷器功率损耗比较大，加快元件老化，再加上内部受潮，是导致氧化物避雷器故障的主要原因。而阀型避雷器的故障多为内部受潮或并联电阻断裂所引起。我们在泰安电业局、成都变电站、罗涌变电站等都拍摄到过避雷器温度异常的情况，图7是罗涌变电站氧化物避雷器 B 相温度异常的红外热图像。

电站电抗器内环温度为 79.8 ℃，红外热图像如图5所示。

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期图7　氧化物避雷器B相故障热图像

.

　电容器的红外检测

电容器的介质损耗增大，缺油和内部放电等都引起电容器的过热现象。图8为河源变电站均压电容器局步发热红外热图像。

图8　电容器局部发热红外热图像

. 断路器的红外检测

图10　绝缘子串故障热图像

.7　发电机的红外检测

图9　断路器故障红外热图像

不良、缺油、中间触头不良和静触头基座接触不良等原因引起电流过大而发热，造成故障。而多油断路器是因为外部接触不良、内部触头接触不良和内部受潮等原因引起电流过大而发热，导致故障。我们在南宁电力局、上海供电局、黄家塞变电站、清远变电站、南宁西城变电站等多处拍摄到断路器温度异常的热图像。图9是南宁电力局少油断路器内部触头接触不良热图像。

.6　绝缘子串和互感器的红外检测

绝缘子的瓷质不良、污秽、低值和零值等都会导致绝缘子过热，引起故障。如图10所示是深圳供电局拍摄到的绝缘子串故障热图像。在河源变电站、英德变电站都检测到过类似的现象。

互感器分电流互感器和电压互感器，互感器的线圈、铁芯、绝缘层、连接点和缺油等都会引起故障。在南宁变电站、宁波变电站、澄海变电站、河源变电站、海石湾变电站、青岛胶州变电站、长沙变电站、城东变电站、平果变电站等都检测到互感器温度异常的情况，有的温度达到160.2℃。

变电设备的断路器分为少油断路器和多油断路器，它们出现故障的原因不太相同。少油断路器是因为外部接触不良、绝缘瓷套内部受潮、动静触头接触图11　电机端部红外热图像

发电机是发电厂的核心设备，能否保证发电机组正常运行显得尤为重要。用红外热像仪对发电机的定子铁芯、绝缘缺陷、定子线棒接头、电刷和集电环接触不良等部件进行检测，及时发现过热部件，做到预知维修，消除故障隐患，确保安全生产。图11为在沙角电厂检测时的电机端部红外热图像。

.

　电力电缆和电线的红外检测

电力电缆和电线是远距离传输强大电力能源的载体。传输电缆的好坏直接关系到电能输送。电缆引线接触不良、内部接头接触不良、电缆头局部绝缘欠佳、电缆引线套管破损等都引起接触电阻增加、电流增大而发热。图12是孝感某一高压线接头用红外检测时红外热图像，检测出其温度高达 256.8 ℃，维修人员当场就上线进行带电检修，图中一维修工人正在高空作业中。同理，导线由于材质不好，电流通过时也会引起发热。随着负载的增加，流过导线的电流也会增大，导线上的热量会不断积累，时间一长也会引起故障。

图12　高压电力电缆故障红外热图像

.9 其它设备的红外检测

●　隔离开关的触头及连杆座接触不良●　高压母线压接管及下引线夹接触不良 ●　导线断股及松股 ●　继电器触头接触不良●　穿墙套管金属板的涡流过热●

　阻波器接头接触不良

总之，电力系统的所有设备都可通过红外热像仪的检测，找出温度异常点，防止故障出现，确保安全生产。

　红外热像仪对电力系统故障诊断方法

各种电气设备和线缆按照设计进行有序连接组成电力系统，而导体和绝缘体的有序组合则构成各种各样的电气设备。电气设备的接头成千上万，其数量是电气设备的数十倍，如此众多的接头是电力系统故障的源头。那么用红外热像仪对电气设备和众多接头进行检测时，如何来判断电气设备的异常或故障？

.1　电力设备的相对温差

电力设备在正常运行时都会发出一定热量，而这种热量按设计要求是允许的。若用热像仪对全部运行设备进行扫描检查时，发现存在异常温度点，然后对温度异常的部位进行重点检测，测出异常点的温度。为了判断是否为故障，应将异常点温度与正常运行时的温度进行比较，同时考虑周围环境条件的影响，最

后根据设备的相对温差以及是否超出规定值，来确定设备故障与否。

.2　三相之间温度比较

在发电、输电、变电、供电回路中，大部分以三相形式输送电能，用于三相连接的金属材料是相同的，一般讲三相上升的温度是均衡的，则设备正常运行。当三相中的某一相或两相出现温度过高现象，可以判定温度高的相存在缺陷，图13是平果变电站中压套管 B 相温度异常，用热像仪检测时的热图像。其连接处可能存在松动、生锈，使其接触电阻增加，引起电流过大，导致故障。而电流大又会导致接触电阻增大，势必形成恶性循环，出现严重后果。

图13　中压套管B相温度异常红外热图像

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7?期图14　避雷器A相下部发热红外热图像

. 运行负荷比较

系统设备运行时的温度和运行负荷有着直接关系，众所周知，电流越大，持续时间越长，设备累积的温度越高。当用红外热像仪进行检测时，发现设备某个部件，或线路的某一相温度出现异常，这时要检查设备运行负荷的大小，来判断设备是否会出现故障。若当时负荷已很大，而发热部件温度又不是很高，则不会发生故障。反之，当检测时，负荷很小，设备部件已发热，那么一当负荷增加，发热部件的温度会急剧增加，从而导致故障的发生。所以测试时，一定要注意设备运行的负荷大小，然后再诊断系统和设备可能出现的故障。

. 制订一定的检测规范

随着红外热像仪应用普及推广，它在电力系统查

找故障方面发挥了极大的作用。热像仪不仅可以找出电力系统的许多发热部位，而且还可测出发热点的温度数据。其图像相当直观，数据也很可靠。那么是不是凡是发热的部位就判断为故障呢？其实不然，因为许多部件在设计制造时，就考虑到发热问题，如：发电机、变压器、闸刀、开关等部件，在工作时都会发热，而且允许有一定的温升范围。所以行业应该制订红外检测规范，具体规定设备、部件、零件等温度升到什么范围以内，是允许可以安全运行的。若温度超出规定范围，就容易产生故障，不允许长期运行，就应该安排检修。有了这样的规范，就会给检测人员带来可操作性。

　结论

电力系统采用红外热像仪对电力设备进行故障检测，实践证明是非常有效的，也是十分必要的。热像

仪显示的热图像清晰、直观，测得的温度数据准确。它可以准确地判断电力系统的许多过热隐患，以帮助合理安排检修，大幅度降低维修费用，保障电力系统安全运行，大大降低故障率。

参考文献

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［6］FLIR.ThermaCAMTM E2 Affordable Imaging.Measurement and Storage in The Palm of Your Hand，2001.7

. 同一部件的温度比较

同一部件的材料、流过的电流都相同，正常情况下整个部件上升的温度应该是一样的。然而由于某些产品由于材质上存在缺陷，如材料存在杂质、气泡，使材料特性发生变化，当电流通过时，会产生不同的热量，表现出部件局部发热。如绝缘子串的局部发热，避雷器的局部发热，导线电缆的局部发热等。图14为成都变电站避雷器 A 相下部发热红外热图像。