电气线路红外热像检测和诊断

电气线路红外热像检测和诊断
摘要：作为电网的重要绝缘部件,绝缘子的绝缘有效性直接影响电网的安全运行。

由于绝缘子缺陷类型的多样性和运行环境的恶劣性,因绝缘子劣化引起的事故依然
频繁发生。

建立了电气线路红外热像诊断热传导模型.利用红外热像仪检测电气线
路表面温度场的分布和热传导模型计算电线、电缆等的内芯温度,及早发现故障隐
患和火险隐患,并建立了模拟线路运行条件变化时的推算模型,扩大了检测的应用
范围。

关键词：电气线路；红外热像；诊断
电气火灾是由于电气线路和电气设备产生火源引起的,这种火源产生的热量,使周围可燃物超过它的闪点、燃点,当混合气体浓度达到一定的极限时,引起燃烧或
爆炸。

当电气线路发生运行故障时,对外表现出来的主要特征是温度场分布的异常，红外热像仪是非接触性的测温系统,测得的是物体表面连续分布的温度场. 我们可
以很好地利用红外热像系统的这些特点,应用到电气线路故障隐患检测中. 另外由
于红外热像系统测得的是物体表面的温度,因此需要建立一些模型,通过表面温度
场的分布来反演到内部，建立了一些热诊断数学物理模型,并且建立了可以模拟电
线电缆在不同环境温度和不同载流量下运行状况的模拟推算模型,为电气线路故障
的诊断和预测提供了检测手段和诊断技术。

一、红外热诊断模型的建立
系统采用红外热像仪进行电气线路的在线式测量,跟踪扫描成像来采集温度场
的分布状况,并对温度场的分布进行均匀性和连续性分析,依据环境温度、在线电流、导线有关热特性参数等对重点可疑点进行热传导数值计算,同时编制相应的计
算机专用程序进行分析,并根据有关标准对可疑点进行危险性分类.整个系统由三
个部分组成见图。

1、建立数学模型的基本假设。

一些电线电缆的模型示意.为了建立数学模型,
我们进行了以下的假设:假设在检测过程中线路和环境处于稳定状态,即周围环境
条件恒定,电流恒定;常物性假设, 即构成电线电缆和各种材料的物理参数如热传导
系数等视为常数;假设电线电缆为长圆柱体形状,并只考虑自然对流情况.
2、传热过程理论分析。

线路内部热量来自于金属导体的发热,对于铜导线,单
位长度的发热量为:
根据式如果已知电线(电缆)的内芯面积、绝缘层材料的热传导特性参数k 和通过线路的电流大小,就可以计算电线(电缆)的内芯温度.
3、不同环境温度和载流量模拟推算模型。

电气线路运行条件是要发生变化的,因此要对在一定条件下检测的数据进行外推.例如在冬天检测时由于环境温度低,
因而线路的运行状况还正常,但到夏天,由于环境温度变化显著,因此线路就很难保
证运行正常。

电气线路运行条件的变化大致可分以下情况: 由周围环境温度的变化引起; 由
电气线路运行负荷和载流情况发生变化引起;综合以上因素,即环境温度和负载情
况同时发生变化引起。

在稳态条件下,根据能量守恒定理,内部热量最终通过热对
流和热辐射的方式传递给环境中的空气:
由式可以建立模拟电线电缆在不同环境温度和不同载流量下运行状况的模拟
推算模型,模拟推算的计算步骤如下:环境温度发生变化: 此时内部热量发生变化,可
由式通过迭代求解得到外表面温度T0 ,得到内芯温度Ti ;载流量发生变化: 此时内
部热量发生变化,由式得到内部发热量,通过迭代解得到外表面温度T0 ,由式得到的
内芯温度Ti ,而环境温度T∞未发生变化;环境温度和载流量同时发生变化: 只是环
境温度T∞发生了变化.根据分析假设和建立的模型,编制了计算机程序. 并根据有
关标准可对故障隐患进行分类,建立数据库管理系统，通过模型计算得到的温度值
和实验测量得到的温度值之间的符合程度是比较理想的,完全符合工程实际应用的
要求。

二、绝缘子红外热像诊断的判别方法
目前,关于电气设备发热检测与诊断的标准《带电设备红外诊断技术应用导则》给出了带电设备的通用缺陷判别依据一规定了高压开关设备和控制设备各种部件、材料和绝缘介质的温度和温升极限,以规定环境条件和额定负荷电流下的温度和温
升允许值作为判断设备是否正常的标准。

由于温度检测受到诸多因素影响,仅根据
绝对温度或温差值进行判断难免引起误判，采用以下比较判别方法。

1、热像判别法。

在无任何内外部缺陷的正常运行状态下,绝缘子串各部位的
温升和表面热分布是正常、稳定的,其红外热像图是该绝缘子串在正常运行状态下
的特征红外图谱。

一旦绝缘子串钢帽、伞盘出现某种内部或外部缺陷,缺陷发热则
会通过热传导或其他形式热交换,改变绝缘子串相应表面部位的稳定温升或温度分布。

因此,利用绝缘子串红外特征图谱的变化,可判别其有无缺陷。

进一步,根据表
面温度场的空间分布可判别缺陷的类型及具体位置根据表面稳定温升的大小,可判
别缺陷的严重程度。

2、时间判别法。

该判别方法是基于被测绝缘子串刚刚投运不久的各部位热像数据,以及历次红外检测的热像数据,并以此作为比较的基础。

借助图像减法处理
技术可得到新检测的热像与同一绝缘子串先前检测的热像之间的差异,从而发现两
者间的差异及差异存在位置。

据此,可对绝缘子串缺陷随时间的发展变化情况作出
及时、准确诊断。

3、绝缘子红外热像诊断的现场实测。

在理论分析与实验室模拟试验的基础上,进行了实际运行线路绝缘子串的现场实测工作。

现场实测中,将火花间隙法检测发
现的存在低零值绝缘子的绝缘子串作为异常串,便于比较分析,同时将同杆其它绝
缘子串作为对比串,测试线路的电压等级，110kv线路瓷质绝缘子钢帽和瓷盘红外
热像图。

由实测热像图发现,瓷质绝缘子的热像特征一般表现为钢帽温度高于瓷盘
温度瓷盘部分,离绝缘子串轴线位置越远,温度越低。

这种现象是由瓷盘表面红外
线辐射的空间分布引起根据朗伯余弦定律,红外检测方向与瓷盘被测部分表面法线
的夹角越大,进入热像仪的红外线就越低,反映出来的温度就显得越低。

红外热像系统对企业的电气线路热安全检测具有直观、迅速、准确的特点.热
诊断模型的建立,为检测结果的判定提供了理论的依据. 经实践检测工作和实验模
拟的检验,所建立的模型对于一般民用线路和工业低压动力线路是非常有效的.取
得了良好的经济效益和巨大的社会效益. 对于结构较为复杂的线路,只要对热阻加
以修正,上面的模型照样能够适用. 高压线路实际发热量小,且其故障机制与低压线
路有本质的区别,因此诊断模型一般不适用于高压线路。

参考文献：
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准出版社, 2016.。