陳昱同,何 杰,閆 杰
(1.長治供電分公司,山西 長治 046011;2.山西電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
紅外診斷在電力設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用
陳昱同1,何 杰1,閆 杰2
(1.長治供電分公司,山西 長治 046011;2.山西電力科學(xué)研究院,山西 太原 030001)
指出電氣設(shè)備狀態(tài)檢修在國家電網(wǎng)得到廣泛開展,闡述了紅外診斷技術(shù)因其不接觸、不停運(yùn)、不取樣等優(yōu)點(diǎn),能及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中電氣設(shè)備的熱缺陷,為電氣設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估和檢修計(jì)劃的制定提供依據(jù)。介紹了紅外診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用、紅外診斷方法、影響因素及應(yīng)用實(shí)例,并就其深入推廣應(yīng)用提出建設(shè)性建議。
紅外診斷;狀態(tài)檢修;電氣設(shè)備;熱故障
作為一門前沿學(xué)科,紅外診斷技術(shù)于20世紀(jì)60年代在國外應(yīng)用于電力設(shè)備的熱缺陷檢測,我國電力部門從20世紀(jì)80年代末開始引進(jìn)紅外熱像儀,并相繼開展了理論方面的探討與研究[1]。近年來,紅外診斷技術(shù)作為一種無損檢測手段,在電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷方面得到了廣泛應(yīng)用[2,3],為保障電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要作用。
狀態(tài)檢修是企業(yè)以安全、環(huán)境、效益等為基礎(chǔ),通過設(shè)備的狀態(tài)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)分析、檢修決策等手段開展設(shè)備檢修工作,達(dá)到設(shè)備運(yùn)行安全可靠、檢修成本合理的一種設(shè)備檢修策略[4]。狀態(tài)檢修作為一種科學(xué)的檢修模式,克服了定期計(jì)劃檢修的盲目性,具有很高的安全性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
狀態(tài)檢修的核心是電氣設(shè)備狀態(tài)評(píng)估,通過設(shè)備狀態(tài)評(píng)估對(duì)故障的部位、嚴(yán)重程度、發(fā)展趨勢作出判斷,從而制定合理的檢修計(jì)劃。在狀態(tài)評(píng)估中,關(guān)鍵是通過運(yùn)行、帶電測試、在線監(jiān)測等手段獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。在國家電網(wǎng)《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中作為新增試驗(yàn)項(xiàng)目,紅外診斷被列為所有設(shè)備的例行試驗(yàn)項(xiàng)目。本文介紹了紅外診斷技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,為電力系統(tǒng)中紅外診斷技術(shù)的推廣普及提供依據(jù)。
自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不斷地、自發(fā)地輻射出紅外線。紅外輻射是一種波長在0.76~1 000μm之間的電磁波[5]。紅外輻射基本規(guī)律[6]表明,物體紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射,熱輻射的強(qiáng)度及光譜成分取決于輻射體的溫度,熱像儀在任意瞬時(shí)掃描接收到的紅外輻射功率與被掃描表面溫度的四次方成正比。因此,經(jīng)紅外探測器將該紅外輻射信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成電信號(hào),電信號(hào)的大小與接收到的輻射功率成正比,即電信號(hào)與物體表面溫度的四次方成正比。因而,熱像儀的輸出信號(hào)可以完全對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面的空間分布,電信號(hào)隨物體表面溫度變化而變化,從而起到測量物體表面溫度的作用。
在電力系統(tǒng)中,許多電氣設(shè)備和熱能動(dòng)力設(shè)備故障都是以設(shè)備相關(guān)部位的溫度或熱狀態(tài)變化為征兆表現(xiàn)出來的,與其相應(yīng)的紅外輻射能量可由紅外熱像儀進(jìn)行檢測。電氣設(shè)備熱缺陷因發(fā)熱機(jī)理不同可劃分為電阻損耗發(fā)熱、介質(zhì)損耗發(fā)熱和鐵損發(fā)熱。由發(fā)熱部位不同可分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷。外部缺陷是指“凡致熱效應(yīng)部位裸露,能用紅外檢測直接檢測出的缺陷”,內(nèi)部缺陷是指“凡致熱效應(yīng)部位被封閉,不能用紅外檢測儀器直接檢測,只能通過對(duì)設(shè)備表面的溫度場進(jìn)行比較、分析和計(jì)算才能確定的缺陷”[7]。
外部缺陷一般是以局部過熱的形態(tài)向其周圍輻射紅外線,其紅外熱像為以熱缺陷點(diǎn)為中心的熱場分布,如刀閘、線夾等部位的發(fā)熱。因此從設(shè)備的熱圖像中可直觀地判斷是否存在熱缺陷,根據(jù)溫度分布可準(zhǔn)確地確定缺陷的部位。
內(nèi)部缺陷由于其故障點(diǎn)密封在絕緣材料或金屬外殼內(nèi),紅外輻射基本上不能穿透絕緣材料和設(shè)備外殼,所以無法直接用紅外熱成像裝置檢測內(nèi)部熱缺陷,如套管缺油故障。故障點(diǎn)的熱量可以通過熱傳導(dǎo)和對(duì)流轉(zhuǎn)換,與故障點(diǎn)周圍的導(dǎo)體或絕緣材料發(fā)生熱量傳遞,引起這些部位的溫度升高,特別是與之有電氣連接的導(dǎo)體也是傳熱的良導(dǎo)體,會(huì)有顯著的溫升[8]。通過熱圖譜特征和電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分析內(nèi)部缺陷原因。
對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行紅外診斷分兩個(gè)基本步驟,第一步是采集設(shè)備表面溫度數(shù)據(jù)即拍攝圖譜,第二步是根據(jù)紅外圖譜對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行判斷。這里重點(diǎn)討論如何對(duì)紅外圖譜進(jìn)行正確的分析判斷。一個(gè)完整的判斷依據(jù),必須判明兩個(gè)問題:判斷設(shè)備是否正常,即判斷設(shè)備是否有缺陷;判斷設(shè)備缺陷的嚴(yán)重程度。
目前,紅外診斷分析方法主要有表面溫度判斷法、相對(duì)溫差判斷法、同類比較法、熱譜圖分析法、檔案分析法和實(shí)時(shí)分析判斷法六種[9,10]。
表面溫度判斷法就是根據(jù)測得的設(shè)備表面溫度值,對(duì)照有關(guān)規(guī)定,凡溫度(或溫升)超過標(biāo)準(zhǔn)者可根據(jù)設(shè)備溫度超標(biāo)的程度、設(shè)備的重要性及設(shè)備承受機(jī)械應(yīng)力的大小來確定設(shè)備缺陷的性質(zhì)。在實(shí)際應(yīng)用中,生產(chǎn)人員往往根據(jù)設(shè)備是否發(fā)熱及發(fā)熱的絕對(duì)溫度來主觀臆斷設(shè)備是否處于缺陷及缺陷程度,使得這種方法容易引起誤判。
相對(duì)溫差法,即根據(jù)相對(duì)溫差判定的方法。相對(duì)溫差指兩個(gè)對(duì)應(yīng)測點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù)[10]。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
式中:
τ1和T1——發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度;
τ2和T2——正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度;
T0——環(huán)境參照體的溫度。
用來采集環(huán)境溫度的物體叫環(huán)境溫度參照體。它可能不具有當(dāng)時(shí)的真實(shí)環(huán)境溫度,但它具有與被測物相似的物理屬性并與其處在相似的環(huán)境中。
文獻(xiàn)[11]提出溫差比診斷法,文獻(xiàn)[12]提出了電氣設(shè)備紅外診斷的相對(duì)溫差判別法及判斷標(biāo)準(zhǔn),并作為標(biāo)準(zhǔn)寫入了DL/T664-1999《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》。相對(duì)溫差法可排除負(fù)荷電流、風(fēng)速、環(huán)境溫度、測量距離、發(fā)射率選擇等因素的影響,直接反應(yīng)了致熱參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系,使紅外診斷工作變得簡單易行,檢測時(shí)只要求各項(xiàng)條件基本相同就可以了。
同類比較法即是在同型號(hào)、同廠家的設(shè)備之間比較。同類比較法可分為電流致熱型設(shè)備比較及電壓致熱型設(shè)備比較。在同一電氣回路中,當(dāng)三相電流對(duì)稱和三相(或兩相)設(shè)備相同時(shí),比較三相(或兩相)電流致熱型設(shè)備對(duì)應(yīng)部位的溫升值,可判斷設(shè)備是否正常。
熱譜圖分析法指根據(jù)同類設(shè)備在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的熱譜圖的差異來判斷設(shè)備是否正常,主要適用于電壓致熱型設(shè)備。檔案分析法則是分析同一設(shè)備在不同時(shí)期的檢測數(shù)據(jù)(例如溫升、相對(duì)溫差和熱譜圖),找出設(shè)備致熱參數(shù)的變化趨勢和變化速率,以判斷設(shè)備是否正常。實(shí)時(shí)分析判斷法是在一段時(shí)間內(nèi)使用紅外熱像儀連續(xù)檢測某被測設(shè)備,觀察設(shè)備溫度隨負(fù)載、時(shí)間等因素變化的方法。
由于熱譜圖分析法和檔案分析法需要建立大量設(shè)備的歷史圖譜資料,對(duì)于紅外診斷開展時(shí)間不長或者不完善的地區(qū),很難做到。而且不同時(shí)期拍攝的紅外圖譜在負(fù)荷電流、環(huán)境條件和測量角度、距離等方面不盡相同,不適合進(jìn)行完全對(duì)比,應(yīng)該只作參考。本文認(rèn)為同類比較法和相對(duì)溫差法在幾類判斷方法中更加客觀和準(zhǔn)確,易于實(shí)現(xiàn)。
在電力設(shè)備紅外診斷過程中,本文參考DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》(以下簡稱“《規(guī)范》”)。先用表面溫度判斷法根據(jù)設(shè)備的絕對(duì)溫度初步判斷設(shè)備有無異常發(fā)熱,然后用同類比較法對(duì)被檢測設(shè)備與其他兩相或同類設(shè)備進(jìn)行比較。對(duì)于電流致熱型設(shè)備,當(dāng)溫差超過10K(或15K,詳情見《規(guī)范》)時(shí),結(jié)合相對(duì)溫差法進(jìn)行判斷;對(duì)于電壓致熱型設(shè)備,用允許溫差或溫升進(jìn)行判斷,最終確定熱缺陷的嚴(yán)重程度。有條件時(shí)可以結(jié)合其他幾種方法進(jìn)行綜合判斷。
在紅外診斷過程中,有一系列主客觀因素會(huì)對(duì)診斷結(jié)果產(chǎn)生影響,主要有以下五類[2,3,10]。
2.2.1 檢測人員的專業(yè)素質(zhì)
紅外檢測人員要求熟悉診斷技術(shù)及檢測儀的基本原理和診斷程序,熟悉被檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及導(dǎo)致設(shè)備故障的基本因素,熟悉相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。
2.2.2 紅外診斷儀器
在進(jìn)行紅外檢測之前,應(yīng)先根據(jù)不同的檢測對(duì)象和檢測條件,選擇不同類型的紅外熱像儀,并按規(guī)定對(duì)儀器進(jìn)行定期校準(zhǔn)。
2.2.3 被測設(shè)備
a)輻射率是測試儀器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),針對(duì)不同類型的被測設(shè)備,應(yīng)該選擇合理的輻射率。
b)電流致熱型設(shè)備的運(yùn)行電流和電壓致熱型設(shè)備的運(yùn)行電壓對(duì)故障設(shè)備的發(fā)熱有很大的影響,檢測時(shí)最好在高峰負(fù)荷和額定電壓下進(jìn)行,一般應(yīng)在不低于30%的額定負(fù)荷下進(jìn)行,且設(shè)備通電時(shí)間不小于6 h。對(duì)于小負(fù)荷設(shè)備的低溫缺陷,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視,使其在接近滿負(fù)荷下運(yùn)行,充分暴露其缺陷。
2.2.4 檢測位置的選擇
檢測位置包括測試角度和距離。檢測位置不僅關(guān)系到能否發(fā)現(xiàn)故障以及故障發(fā)熱的測量準(zhǔn)確程度,還關(guān)系到設(shè)備的溫度管理。在檢測過程中,選擇角度應(yīng)盡量使測試儀的軸線與被測設(shè)備的平面垂直,若有偏差,應(yīng)使偏差不大于30°。檢測的距離也是一個(gè)主要的影響因素,熱像儀必須工作在一個(gè)合適的測量距離附近,檢測距離過大或過小都會(huì)引起溫度測量的誤差。每次檢測時(shí)的位置應(yīng)盡量一致,這樣才可對(duì)不同時(shí)期的檢測結(jié)果進(jìn)行比較,便于圖譜庫的管理。
2.2.5 檢測環(huán)境
影響紅外診斷的環(huán)境條件有太陽和背景輻射、環(huán)境溫度、風(fēng)速和不良?xì)夂驐l件(如雨、霧、風(fēng))等,測試時(shí)必須符合紅外診斷應(yīng)用規(guī)范的要求。
為了及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷、提高設(shè)備可靠性,國家電網(wǎng)公司頒布的《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中,紅外熱像檢測被列為所有設(shè)備的例行試驗(yàn)項(xiàng)目。長治供電分公司2009年開始熱缺陷核查和精確測溫。在2009—2010年測溫過程中發(fā)現(xiàn),有98%的缺陷發(fā)生于電流致熱型設(shè)備,很少發(fā)現(xiàn)電壓致熱型設(shè)備和綜合致熱型設(shè)備缺陷。下面介紹兩個(gè)測溫實(shí)例。
圖1 某220 kV三相刀閘
圖1是一組220 kV刀閘紅外圖譜。在測溫過程中發(fā)現(xiàn)C相刀閘轉(zhuǎn)軸處發(fā)熱,A、B、C三相刀閘轉(zhuǎn)軸處溫度分別為21.3℃、19.3℃和45.5℃,當(dāng)時(shí)的空氣溫度為15℃。經(jīng)計(jì)算,C相與B相的溫差為26.2 K,相對(duì)溫差為86%,C相缺陷性質(zhì)為嚴(yán)重缺陷。
該缺陷為電流致熱型設(shè)備缺陷。這類缺陷多是因?yàn)榻佑|電阻過大導(dǎo)致的連接處發(fā)熱。主要原因是施工過程中螺絲擰緊程度不夠,導(dǎo)體接觸面不平整、表面粗糙、施工中沒有嚴(yán)格按照工藝要求處理、焊接質(zhì)量差等。發(fā)熱后又加速了金屬氧化,使電阻繼續(xù)增大,進(jìn)入惡性循環(huán),導(dǎo)致發(fā)熱點(diǎn)溫度越來越高。
圖2是某110 kV變壓器磁屏蔽不良引起的外殼局部發(fā)熱。發(fā)熱區(qū)域溫度最高為51.1℃,與周圍區(qū)域的平均溫度相差近10℃。在運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測,若長期過熱,可在大修時(shí)加強(qiáng)外殼的磁屏蔽。
圖2 某110 kV變壓器本體
為了促進(jìn)紅外檢測在運(yùn)行單位的應(yīng)用與發(fā)展,提出以下三點(diǎn)建議。
3.2.1 提高認(rèn)識(shí),加強(qiáng)培訓(xùn)
應(yīng)該加強(qiáng)紅外檢測技術(shù)的培訓(xùn),一方面提高各級(jí)人員的認(rèn)識(shí)水平,另一方面對(duì)檢測人員進(jìn)行紅外診斷技術(shù)專業(yè)方面的培訓(xùn),學(xué)習(xí)貫徹DL/T664《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》。
3.2.2 提高紅外檢測儀的配置水平
由于紅外測溫儀價(jià)格較高,各地配置數(shù)目少,檔次也參差不齊。應(yīng)加大這方面的投入,對(duì)高、中、低檔紅外測溫儀進(jìn)行合理配置,既要經(jīng)濟(jì)又要滿足需要。
3.2.3 開展紅外普測,建立熱圖譜庫
a)作為狀態(tài)檢修工作中的例行試驗(yàn),應(yīng)按規(guī)程要求對(duì)500 kV以上設(shè)備每月測溫一次,220 kV設(shè)備三個(gè)月測溫一次,110 kV設(shè)備每半年測溫一次,同時(shí)還應(yīng)對(duì)大負(fù)荷設(shè)備和老舊設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)測溫。
b)紅外監(jiān)測與預(yù)防性試驗(yàn)相結(jié)合,重點(diǎn)是加強(qiáng)小四器、變壓器、斷路器的內(nèi)部熱故障檢測與判斷,另外對(duì)線路絕緣子(含合成絕緣子)和高壓開關(guān)柜、GIS組合電器等設(shè)備的紅外監(jiān)測需要積累經(jīng)驗(yàn),繼續(xù)攻關(guān)[13]。
c)整理紅外診斷過程中的大量測溫?cái)?shù)據(jù),建立各地區(qū)所有一次設(shè)備的紅外圖譜庫。
紅外診斷技術(shù)因其不接觸、不停電、應(yīng)用方便、直觀準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)一次設(shè)備的熱缺陷監(jiān)測,是狀態(tài)檢修工作中一項(xiàng)重要的帶電檢測手段。本文推薦同類比較法和相對(duì)溫差法。測試時(shí),應(yīng)選擇合適的測溫儀,設(shè)置好輻射率,并注意環(huán)境條件的影響。電氣設(shè)備紅外診斷是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程,在各地區(qū)雖然取得了很大進(jìn)展,但還應(yīng)增加科技投入,加大培訓(xùn)力度、建立重要設(shè)備的熱圖譜庫,為狀態(tài)檢修提供可靠的紅外數(shù)據(jù)。
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App lication of Infrared Diagnosis to Condition-based Maintenance of Electrical Equipment
CHEN Yu-tong1, HE Jie1, YAN Jie2
(1.Changzhi Power Supply Com pany,Changzhi,Shanxi 046011,China;2.Shanxi Electric Power Research Institute,Taiyuan,Shanxi 030001,China)
Condition-based maintenance of electrical equipment has a wide application in State Grid Corporation of China.Because of the advantages,such as non-contact,non-stop operation and no sampling,of infrared diagnosis technique,it could timely discover thermal defects of electrical equipment in operation,and provides basis for condition assessment and the formulation ofmaintenance plan.In this paper,it introduces the application of infrared diagnosis technique in power system,the methods of infrared diagnosis,the influencing factors and application examples.Constructive proposals have been put forward for extensive application of infrared diagnosis technique.
infrared diagnosis;condition-based maintenance;electrical equipment;thermal fault
TN219
B
1671-0320(2011)03-0016-04
2011-01-13,
2011-03-21
陳昱同(1983-),男,山西長治人,2008年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè),助理工程師,從事高壓試驗(yàn)工作;
何 杰(1983-),男,山西長治人,2009年畢業(yè)于天津理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè),助理工程師,從事高壓試驗(yàn)工作;
閆 杰(1983-),男,山西太原人,2009年畢業(yè)于華北電力大學(xué)高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè),助理工程師,從事高壓試驗(yàn)工作。