第三节 电力设备红外热像检测及诊断方法

一、检测方法

到目前为止，电力设备采用红外检测故障的方法基本可归结为四种。

（一）表面温度判断法

这种方法是遵照已有的标准，对显示温度过热的部位进行检测判断。凡温度（或温升）超过标准则可根据设备温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备缺陷的性质，对在小负荷率下温升超标或承受机械应力较大的设备要从严定性。这种方法可以判定部分设备的故障情况，但还没能充分表现出红外判断技术可超前判断的优越性。下面的相对温差判断法就可弥补表面温度判断法的不足。

（二）相对温差判断法

此法是为排除负荷及环境温度不同时对红外判断结果的影响而提出的。当环境温度低，尤其是负荷电流小的情况下，设备的温度值并没有超过规定。但大量事实证明，此时的温度值并不能说明该设备没有缺陷或故障不存在，往往在负荷增长或环境温度上升后，就会引发设备事故。故对电流制热型设备还可采用相对温差判断法来判断故障存在与否。

相对温差是指设备状况相同或基本相同（指设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷电流等）的两个对应测点之间的温差与其中较热点温升值的百分数。

式中：τ₁为发热点的温升，τ₂为正常相对应点的温升。

（三）同类比较法

同类比较法是指在同类设备之间进行比较的方法。所谓同类设备的含义是指同一回路的同型设备或同一设备的三相，它们的工况、环境温度及背景热噪音相同。具体做法就是对同类设备的对应部位温度值进行比较，能比较容易地判断出设备是否正常。在进行同类比较时，要注意不能排除有三相设备同时产生热故障的可能性，尽管这种情况出现的概率相当低。同类比较法适用范围广，包括电流型和电压型设备，也包括对设备内、外部故障的判断。

在同一电气回路中，当三相电流对称和三相（或两相）设备相同时，比较三相（或两相）电流致热型设备对应部位的温升值，判断设备是否正常。若三相设备同时出现异常，可与同回路的同类设备相比较。当三相负荷电流不对称时，应考虑负荷电流的影响。

对于型号规格相同的电压致热型设备，可根据其对应点温升值的差异来判断设备是否正常。电压致热型设备的缺陷宜用允许温升或同类允许温差的判断依据确定。一般情况下，当同类温差超过允许温升值的30%时，应定为重大缺陷。当三相电压不对称时应考虑工作电压的影响。

（四）档案分析法

档案分析法就是将测量结果与设备的红外技术档案相比较而进行分析。它更有利于对重要的、结构复杂的设备进行正确诊断。这种方法的基础是要为被诊断的设备建立红外检测技术档案，在诊断设备有无异常时，可分析该设备在不同时期的红外检测结果，其中包括温度、温升和温度场分布有无变化，掌握设备发热的变化趋势。同时还应参考其他检测结果，如色谱分析检测结果和电气量检测结果等的变化情况，进行综合判断。

二、影响电力设备红外检测的因素

（一）大气影响

红外辐射在传输过程中由于大气的吸收作用总会发生一定的能量衰减。大气中的水蒸气（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、臭氧（O₃）、一氧化氮（NO）、甲烷（CH₄）等会吸收一定波长的红外线。大气吸收程度随空气湿度的变化而变化，被测物体的距离越远，大气湿度对测量的影响就越大。检测最好在无雨无雾、空气湿度低于80%的环境条件下进行。

（二）大气悬浮颗粒影响

大气中尘埃及悬浮粒子的存在是红外辐射在传输过程中能量衰减的又一个原因。这主要是由于大气尘埃及其他悬浮粒子的散射作用，使红外线辐射偏离了原来的传播方向而引起的。

散射是指由悬浮粒子吸收能量并重新辐射出去的同时改变了辐射的方向和辐射的偏振度。悬浮粒子的大小与红外辐射的波长（0.76～17μm）相近，当这种粒子的半径在0.5～8μm之间时，如果相近波长区域红外线在这样的空间传输，就会严重影响红外接收系统的正常工作，所以红外检测应在无尘或空气清新的环境条件下进行。

（三）风力影响

当被测的电气设备处于室外露天运行时，在风力较大的环境下，由于受到风速的影响，存在发热缺陷的设备的热量会被风力加速散发，使裸露导体及接触件的散热条件得到改善，散热系数增大，从而使热缺陷的设备的温度下降。

（四）辐射率影响

一切物体的辐射率都在大于0和小于1的范围内，其数值的大小与物体的材料、表面光洁度、氧化程度、颜色厚度等有关。辐射率与测试方向有关，最好保持测试角在30°之内，不宜超过45°。当不得不超过45°时，应对辐射率做进一步修正。

（五）邻近物体热辐射的影响

当环境温度比被测物体的表面温度高很多或低很多时，或被测物体本身的辐射率很低时，邻近物体的热辐射的反射将对被测物体的红外热像测量造成影响。

（六）太阳光辐射的影响

当被测的电气设备处于太阳光辐射下时，由于太阳光的反射和漫反射在3～14μm波长区域内，且它们的分布比例并不固定，因这一波长区域与红外诊断仪器设定的波长区域相同而极大地影响红外测温仪器，特别是红外成像仪器的正常工作和准确判断。同时，由于太阳光的照射造成被测物体的温升将叠加在被测设备的稳定温升上。所以红外测温最好选择在天黑或没有阳光的阴天进行，这样红外检测的效果相对好得多。

（七）设备负荷率影响

设备负荷率愈高，缺陷部位温升愈高，缺陷暴露愈明显。因此，进行红外检测诊断时，为了比较设备在不同负荷下的温度，应建立一个标准。

三、电力设备现场检测要求及注意事项

（一）检测要求

1.检测人员要求

红外测温仪器的使用操作人员应做到：① 熟悉红外检测技术的基本原理，红外仪器的工作原理、工作过程、操作步骤、使用要求；②接受专业培训，学会正确的使用操作方法，掌握一定的应用技巧；③了解电力设备的工作原理、内部结构、外部接线、电压等级、负荷情况、电流分布及运行情况。

2.检测工作要求

电力设备处于正常运行状态下进行的测温检测，提前制订检测计划，实施检测计划。同时，为了加快检测速度、提高检测效率和保证检测效果，应根据各种电气设备特点，有目的地检测某些重点部位，并选择合适的位置进行检测。所谓重点检测部位，特指根据电气设备运行特点和长期运行中的统计，容易发生故障的设备部位。

3.环境要求

红外检测的环境条件主要是指环境温度、湿度、气压、天气条件、周围环境等参数。环境温度一般不低于5℃，环境湿度一般要求小于80%，检测时风速不大于5m/s。一般在阴天或晚间无风无尘的环境下进行检测。

（二）注意事项

（1）检测时应力求避开雨、雪、雾、大风和强光（阳光和灯光）的干扰，使检测结果准确。

（2）检测地点应选在与被测设备面尽量垂直相对处，距离尽量近，要保持固定不变，即历次检测应定方向、定距离、定高度，且力求背景热辐射均匀，减少热源干扰。

（3）检测时应选择适宜的温度范围和温度分辨率，使设备的热异常信息不丢失且分辨力最佳，以便于诊断。

（4）记录检测时设备的电压、负荷，环境温度及风力情况。另外，除记录热异常的设备热像或温度值外，还应记录相同工况下正常设备的热像或温度值（如三相中的其他相，或同型号设备等）。

（5）拍摄注意事项：①聚焦到位，被测设备刚好充满画面，四周留有适当空间。②应尽可能拍摄到被测设备所有可能出现发热故障的部位。如变压器套管应将引线接头、将军帽、瓷套和升高座拍入红外图像中，电压互感器应将引线接头、瓷柱和电磁单元拍入红外图像中。③三相设备各相应在相同距离进行单独拍摄，各保存一张图谱。

四、电力设备常见的故障类型及红外诊断方法

（一）变压器设备

1.变压器本体

（1）变压器强油循环未打开。变压器本体温度按上热下冷的温度梯度分别，横向有明显的温度差异，如图1-6所示。

（2）漏磁引起的本体局部发热或油箱螺栓发热。由于设计或制造不良，变压器内磁回路会出现漏磁，该漏磁在箱壳上将产生电动势并形成以外壳螺栓（或钟罩螺栓）为环流路径的箱体环流，从而造成箱壳局部过热。这种故障的热像特征是呈现以漏磁穿过并形成环流的区域（螺栓）为中心的热场分布。

2.套管

（1）内外电气接头接触不良。外部接头发热的热像特征是以故障接头为中心有过热现象，可按相关规定的最高允许温度或者相对温差判断法进行诊断；内部接头发热的热像特征是三相之间套管将军帽位置有明显温差，可根据同类比较法进行诊断。

（2）套管绝缘受潮，介质损耗增大。表现为局部或整体温度异常，可以通过同类比较法进行诊断。单台设备从上到下温度分布应均匀，无局部发热，相间相同部位温差小于2K。

（3）充油套管缺油。不论是电容式套管还是纯瓷套管，当套管油位明显降低时，因在油与空气分界面上的介质不同，两者导热系数、热容量和吸热性能不同，所以在油面处必然形成一个较大的温度梯度，从而使得缺油或存在假油位的套管在实际油位处形成一个有明显温度突变的清晰热像特征，如图 1-12所示。

（4）末屏引线对地放电故障。观察套管末屏引线有无发热情况。

（5）套管互感器故障引起升高座温度高。观察套管升高座三相之间是否有明显温度差异，根据同类比较法进行诊断。

3.冷却器

常见的故障类型：①散热器与变压器本体连接阀门没有打开或管道堵塞；②冷却器风扇电机温度异常；③强油循环潜油泵过热。

上述冷却器故障都能在红外热像上清晰地显现出来，它们出现故障时的热像特征是以故障部位为中心的热场分布。例如，如果潜油泵过热，则相应部位在热谱图上有一个明显的热区；管道堵塞或阀门未开，无热油循环的部分管道或散热器在热谱图上呈现一个低温的暗区。

4.油枕

（1）油枕低油位。由于运行中变压器的绝缘油温度较环境温度高，热传导作用下油枕的油位可以通过油枕表面温度分界线来判断。

（2）油枕隔膜脱离。通过油枕表面温度分界线来判断。

（3）油枕与本体间的连通阀门关闭。通过观察油枕阀门两侧油管是否存在明显温差可以实现诊断。

（二）开关类设备

1.外部电气接头接触不良

外部电气接头接触不良表现为接头发热，其热像特征是以故障接头为中心存在过热现象，可根据相对温差判断法和表面温度判断法进行诊断。

2.内部触头接触电阻过大

动、静触头间的接触电阻过大引起发热，其热像是一个以顶帽下部为最高温度的热谱图；中间触头的接触电阻过大引起发热，其热像是一个以下部瓷套基座法兰为最高温度的热谱图；静触头基座与铝帽内台面接触不良而引起的发热，其热像是一个以顶帽中部为最高温度的热谱图。该类缺陷可根据相对温差判断法和同类比较法进行诊断。

3.充油断路器缺油

缺油故障的热像是一个在油位面处有清晰突变的热谱图。

4.断路器内部受潮

当断路器存在受潮故障时，其热像显示有整体发热的特征。断开负荷电流后若相间温差仍无改变，则可认为内部有受潮故障。

5.隔离开关

常见的故障类型：①引线连接部件接触不良；②隔离开关刀口、转头、拐臂等接触电阻过大。

隔离开关各结构部件基本外露，所以它的故障都属于外部故障，热像特征是温度分布以故障点为最高温度中心，可根据相对温差判断法和表面温度判断法进行诊断。

（三）四小器类设备

1.电压互感器

（1）内外电气接头接触不良。外部接头发热的热像特征是以故障接头为中心存在过热现象，可按相关规定的最高允许温度进行诊断。内部接头发热可根据同类比较法进行诊断。

（2）CVT的电容单位绝缘受潮、介质损耗增大。表现为局部或整体温度异常，可以通过同类比较法进行诊断。单台设备温度应从上到下分布均匀，无局部发热，相间相同部位温差小于2K。

（3）CVT电磁单元内部元件故障。表现为电磁单元发热，可以通过相对温差判断法进行诊断。

（4）电磁式电压互感器绝缘受潮、介质损耗增大。表现为局部或整体温度异常，可以通过相对温差判断法进行诊断。

（5）电磁式电压互感器线圈及铁芯故障。主要是线圈匝间短路及铁芯片间局部短路引起的过热故障，此类故障的热像特征是以储油柜为中心的整体发热。

2.电流互感器

（1）引线连接部件接触不良。表现为接头发热，其热像特征是以故障接头为中心存在过热现象，可根据相对温差判断法和表面温度判断法进行诊断。

（2）内部接头接触不良和绝缘受潮、介质损耗增大。缺陷均表现为整体或局部发热，可根据相对温差判断法和表面温度判断法进行诊断。单台设备温度应从上到下分布均匀，无局部发热，相间相同部位温差小于2K。

（3）末屏接地不良引起的末屏温度过高。通过观察末屏温度有无异常升高实现诊断。

（4）充油互感器缺油。与其他高压电气设备缺油故障一样，电流互感器缺油的热像特征也是在油位面附近有明显温度梯度（或温度分界线）。

（5）涡流损耗引起的附件发热。通过观察附件温度有无异常升高实现诊断。

3.避雷器

常见的故障类型：①绝缘受潮，介质损耗增大；②存在裂纹、阀片劣化等内部故障引起的局部发热。

对相同位置进行三相横向比较，温度差异达到0.5～1K，可诊断为严重及以上缺陷。单台设备温度应从上到下分布均匀，无局部发热。

4.电容器设备

（1）引线连接部件接触不良。外部接头热像特征是以故障接头为中心存在过热现象，可根据相对温差判断法和表面温度判断法进行诊断。内部接头发热可能表现为小套管整体发热。

（2）介质损耗增大，内部放电引起温度异常。采用同类比较法观察各电容器本体温度分布情况，若整体发热可判断为介质损耗增大引起的；若局部发热可判断内部元件有故障或存在局部放电缺陷。

5.干式电抗器

（1）干式电抗器线圈匝间放电或短路。表现为局部或整体温度异常，通过观察电抗器本体温度是否分布均匀，三相横向比较有无明显温差来诊断。

（2）金属附件因电抗器漏磁引起温度异常。通过观察附件温度有无异常升高实现诊断。

（四）绝缘子

1.支柱绝缘子

支柱绝缘子常见的故障类型是由表面污秽和材质劣化引起的发热，正常绝缘子表面温度分布均匀，该类缺陷出现后瓷瓶表面会出现局部或整体温升异常，一般采用同类比较法进行诊断。

2.悬式瓷绝缘子

悬式瓷绝缘子常见的故障类型也是由表面污秽和材质劣化引起的发热。低值绝缘子在运行中的热像特征是以钢帽为中心的热像（亮如灯笼），零值绝缘子的热像特征是与相邻良好绝缘子相比呈暗色调（负温升）热像。绝缘子出现表面污秽时，其本身绝缘电阻及分布电压与在气候干燥条件下并无太大改变；但当严重污秽时，因瓷瓶表面污秽层使表面电阻降低，通过瓷瓶表面的爬电泄漏电流明显增加，从而导致瓷瓶温升增高。其热像特征是瓷瓶温升明显高于无污秽绝缘子瓷瓶温升的绝缘子，均可诊断为污秽绝缘子。

（五）输电线路

（1）耐张线夹、持续管、修补管和并沟线夹、T型线夹接触不良，导线断股、松股。红外热像特征是以故障点为中心的热像，一般采用同类比较法或者相对温差判断法来进行诊断。

（2）合成绝缘子破损、受潮引起发热。合成绝缘子在球头部位或绝缘良好和绝缘劣化结合处允许温差为0.5～1K。

（3）悬式瓷绝缘子劣化、污秽引起发热。诊断方法见“（四）绝缘子”。