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