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基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究

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基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 xx大学工程硕士学位论文 基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 申请学位级别:工程硕士 硕士专业:控制工程 指导教师: xxx 2011.3.11 基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 摘要 在工程实践中,电气设备由于经常运行在恶劣的工作环境下,事故频发,不仅损坏设备,影响正常生产,也对工作人员的生命安全造成了极大的威胁。为了确保设备运行的安全,故障的诊断是非常重要的。随着社会进步,红外热成像技术得到了充分的发展,其应用范围也越来越广泛,特别是对于电气设备潜在...
基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究
基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 xx大学工程硕士学位论文 基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 申请学位级别:工程硕士 硕士专业:控制工程 指导教师: xxx 2011.3.11 基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 摘要 在工程实践中,电气设备由于经常运行在恶劣的工作环境下,事故频发,不仅损坏设备,影响正常生产,也对工作人员的生命安全造成了极大的威胁。为了确保设备运行的安全,故障的诊断是非常重要的。随着社会进步,红外热成像技术得到了充分的发展,其应用范围也越来越广泛,特别是对于电气设备潜在故障的诊断,红外热成像技术具有高安全性、非接触性和无需停止工作就能进行检测等许多优点。以红外热成像技术为基础的电气设备潜在故障诊断成为一个非常有实用价值的研究课题。 红外热成像技术在工程中的应用,首先是通过红外热像仪采集电气设备的信息,再进一步对信息进行分析,就可以对设备的故障进行诊断。本文在红外热辐射的理论基础上引出红外热成像诊断的基本理论,利用红外热成像技术对电气设备潜在故障进行分析、诊断。具体内容包括电气设备红外图像的采集和故障诊断两大方面。图像采集方面,对影响图像采集的因素进行了分析研究,制定了相应的措施,为提高红外图像采集的准确性提供了重要的依据;故障诊断方面,首先利用软件提取热像仪采集的信息,再通过诊断故障系统对信息进行判断,确定电气设备的状态,同时诊系统也可对设备内在故障进行分析和制定应对的措施。论文的最后以实际的电气设备红外诊断为例,分析研究了红外热成像技术的具体应用。本文的红外图像的采集和故障诊断系统,在实践应用中取得了良好的效果。通过红外热成像诊断,能够及时发现设备中内在的问题,通过采取相应的措施,避免了设备发生问题;同时通过对图像的分析,可以充分了解设备的状态,实际作业中可以适当调整设备的保养时间和项目,提高了设备的有效利用率,降低了维护方面的成本。本文的故障诊断系统与实际相结合,具有很强的可操作性,提高了设备潜在故障诊断的可靠性,降低了设备故障的发生概率。 关键词:红外热成像技术;采集;故障诊断 Faults Analysis and Application of Electric Based on Infrared Thermographic Technique Abstract In practical project,accidents of electric happened a lot due to the long running and poor working environment(It not only damages electric 1 xx大学工程硕士学位论文 and affects production,but also poses a serious threat to human safety(In order to ensure the safety of electric,the importance of diagnosing in advance is obvious(With the development of technology,infrared thermographic technique has been fully developed and widely applied, especially in the fields of electric faults diagnosing(Infrared thermographic technique has many advantages,such as high safety,non —contact and no—stopping during the production(The research on faults diagnoses of electric based on infrared thermographic techniqueis is quite meaningful( Infrared thermographic technique is applied to acquire infrared images,and then get the diagnosis of faults through analyzing the infrared images(This paper propose the basic principles of infrared thermal imaging diagnosing on the basis of infraredthermal radiation and explains infrared thermal imaging diagnosing of electric(It includes the acquisition of electric infrared images and diagnosis of faults(As to image acquisition,this paper lists out factors that may affect the infrared image acquisition first,and then implements corresponding actions(This process is quite important to improving accuracy of infrared image acquisition(In diagnosis aspect,this paper first uses software to acquire infrared images from the infrared acquisition device, and then analyze the image using the diagnosis system to get the electric working status,meanwhile,analyzes the faults and solves them(The last part of this paper takes infrared imagediagnosis of electric in practice as example and presents the practical application of infrared thermographic technique( The infrared image acquisition and diagnosis system presented in this paper has got good results in practice(Infrared thermographic diagnosis technique Can help workers find electric faults in advance and take actions to avoid production halt(Besides,we can fully supervise the working status of electric through these infrared images SO that to enhanceutilization of equipment and reduce maintenances costs by flexible adjustment in maintainingtime and items(in this paper Faults diagnosis system presented has been applied in practical operation,which improving the reliability of faults diagnosis and reducing the occurrenceprobability of equipment faults( Key Words:Infrared Thermographic Technique; Acquisition;Fault Diagnosis( xx大学学位论文度创性声明 独创性声明作者郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用内容和致谢的地方外, 本论文不包含其他个人或集体已经发的研究成果,也不包含其他已申请学位或 其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中 2 xx大学工程硕士学位论文 做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处,本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目:基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 作者签名:xxx 日期2011.3.11 xx大学版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定,在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于xx大学,允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目:基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究 作者签名:李金丽 导师签名: 日期:2011.3.11 1绪论 【1】随着科学的发展和技术的进步,厂矿企业的现代化水平日益提高,电气设备的工作强度不断增大,自动化程度、生产效率也越来越高。同时设备也变得更加复杂,各个部分的关联性也更加密切,往往某处微小的故障就会导致一系列的连锁反应,轻则部分部件受损,重则发生整个设备损坏或人员伤亡等重大的事故。这样不仅造成了企业的经济损失,也影响了正常的运行和员工的人身安全。因此,在安全管理上,对于设备的缺陷、故障的检测和诊断技术日益获得了重视和发展。机械故障诊断技术是指通过对设备在运行中(或相对静态条件下)状态信息的分析和处理,结合诊断对象的历史状况,识别设备及其部件的实时技术状况, 【2】并预知有关异常、故障和预测其未来技术状况,从而确定必要对策的技术。为了进行电气设备的故障诊断,就需要了解设备的工作状况,而实际上设备的故障绝大多数的表现形式都是局部或整体过热或温度分布异常,以此对应的是红外图像的变化,因此通过对设备的红外图像分析和研究就可以对设备的故障进行诊断。 3 xx大学工程硕士学位论文 红外热成像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应,是近年发展起来的一种新的无损检测方法,具有无损、快速、非接触等优点。通俗地讲是通过红外热像仪探测出物体表面温度分布,进而判断设备的工作状况。近年来红外热像仪作为一种非破坏性检测技术,已广泛应用于电力、石油化工、冶金、交通、建筑等众多领域。红外热像仪是基于红外热成像技术将设备的热信息瞬间可视化的设备,通过红外热像仪可以方便的获取设备的红外图像,利用专业的软件,使检测人员能够充分了解设备的温度分布信息,从而为掌握设备的工作状态、有效的发现和诊断设备的潜在故障提供了必要的保障。依据具体的问题采取相应的措施,可以起到降低设备的突发性故障,确保设备的正常工作的作用。目前,红外热像仪在设备的预防性维护、故障的事前检测等方面发挥了巨大的作用。 1.2国内外的研究现状 红外热成像检测也称为热无损检测(Thermal Non Destructive Testing,TNDT),是建立在传热学理论上的一种方法。由于检测速度快、面积大、范围广, 【】3。在国外,并且对检测物体无任何影响,所以红外无损检测的应用越来越广泛早在1949年Leslie等人就首次提出利用红外技术探测高压输电线路过热接头的思想,并描述了利用电阻测辐射热计制成的红外辐射计探测过热接头的具体方法。此后,随着红外探测元器件和仪器系统的发展,1965年开始应用较先进的红外辐射热像仪测量工业及输热管道温度,检测电动机、变压器和电缆等设备过热接头,从此,正式开辟了应用红外热像仪检测设备热故障的新领域,并在此基础上,不断改进和完善红外热像仪,扩大使用范围,逐步提高在实际中的使用效【】4果。此外,20世纪60年代初还研制了利用蒸发照相原理工作的红外成像仪,迈出红外成像探测的第一步。随着红外行扫描器和军用光机扫描式红外前视系统的迅速发展与逐步完善,很快诞生了民用光机扫描式红外热像仪代替了蒸发照相原理的红外成像仪。接着,一些国家迅速把它应用于电气设备众多裸露电气接头及各种高压电气设备故障的检测和输热管道漏热检测。而近年来美国多家大公司(如:GE、GM、波音、福特、洛克希德、西屋等)及政府机构(如:NASA、FAA、 【】5空军、海军)等已经在广泛应用和推广该项技术。 我国红外相关技术研究与生产起步较晚,并且受工业基础制约,发展滞后于 4 xx大学工程硕士学位论文 【】6,国外,而市场需求却持续强劲,无论在民用还是军用领域都有巨大的发展空间但近几年发展很快。国内设备故障红外诊断的发展大体上可归纳为如下几个阶段: 第一阶段(1986年以前)为调查研究、基础研究和可行性试验阶段,这个阶段的主要特点是:使用的检测仪器以红外辐射测温仪为主,检测的对象以外部裸露的电气接头过热故障为主。在60年代前半期,国内一些电力研究院所就进行了广泛的调查研究工作,力图开展红外诊断研究。但是,由于多种原因,花费近十年的时间也未取得明显进展。随着国内红外技术的发展,70年代中期,前东北电力技改局电网调度研究所和华东电管局电力中心试验所等单位,一方面研制适用于电气设备故障监测的红外辐射测温仪,另一方面也着手进行了电气设备热故障的检测试验。与此同时,原水电部西安热工研究所等单位,开始了光机扫描式红外热像仪的研制和输电线路劣化绝缘子的红外监测试验研究,都取得了良好的效果,及时发现和排除了不少事故隐患,有效地防止了一些重大事故的发生。高等院校也进行了某些基础研究工作。 第二阶段(1987--991)为航测试验阶段。这个阶段的特点是:为改善电气设备故障红外诊断的技术装备条件,首先在几个电力中试所开始引进国外较先进的红外热像仪;主要检测对象除仍以电气设备外部裸露接头热故障为主以外,着重对高压输电线路导线连接件及劣化线路绝缘子进行直升飞机红外航测试验研究,取得了不少成功的经验。并对高压电气设备内部故障的监测也做了一些工作。国内专业红外科研单位,积极进行光机扫描红外热像仪和红外热电视的研制,并有多种样机通过有关部门的鉴定。 第三阶段(1992-1995)为生产性试验阶段。这个阶段的特点是:第一,除专业电力科研单位以外,有些生产单位如供电局,看到了红外诊断的技术潜力,开始购置仪器进行现场生产性检测试验。第二,电力工业部西安热工研究院和一些省电力中试所,把以往只对电气设备外部裸露接头故障诊断的研究,扩展到对各类高压电气设备内部故障诊断的研究。通过理论分析、模拟试验和大量现场监测结果的统计分析,搞清了各类电气设备内部故障的红外热成像特征,为在生产实践中推广红外诊断技术奠定了可靠的基础。第三,在检测手段上,更多地购置了先进的红外热像仪,并且,国产红外热电视也开始试用,并在基层单位取得了一席之地。 5 xx大学工程硕士学位论文 第四阶段(1996至今)为应用、推广和建立诊断阶段。这个阶段的重要特点是得到各级领导的重视,行业主管部门开始以行政手段推广应用红外诊断技术,各网省局普遍投资购置红外诊断仪器,并着手制订电气设备故障红外诊断的行业标准。为更好地规范和指导红外热成像技术在电力工业中的应用,在对一些设备的典型故障进行现场实测和模拟试验的基础上,国家经贸委1999年颁布实施了“带电设备红外诊断技术应用导则”DL,T664—1999),其中包含有40幅典 【7】。 型故障的热像图谱 虽然红外诊断技术在我国电力行业的发展取得了可喜的进步,但是当今的设备故障红外诊断技术水平在设备诊断工程学的角度来看还处于经验层次的初级阶段。因此,为了促进红外诊断技术的迅速发展,今后主要以诊断标准化、诊断数学、诊断智能化的方向进行研究。另外红外自动诊断检测技术还不成熟,大多依靠人工手持红外热像仪来判断故障。 1.3选题背景 因电气设备故障导致的的事故经常会造成大量的财产损失,同时也对人身安全构成了严重的威胁。因此人们越来越关注电气设备的安全运行,这也成为实际生产中必须解决的问题。 目前,我国大多企业为了确保电气设备的安全运行,都定期停机进行维修和检测,这在一定程度上减少了设备发生故障的概率,提高了运行的安全系数,延长了设备的使用年限。但随着对设备故障的研究水平的提高,人们又逐步认识到停机进行维修和检查存在着一定的缺陷,一些潜在的故障在停机状态下难以发现,并且一些不必要的维修和检测,不仅浪费了时间,也浪费了维护成本。同时,在进行定期的维修检测过程中,人为因素也可能造成一些新的故障和隐患。因此,将预防性定期停机维护和检测过渡到“在线状态检测"已经成为提高生产率的一条重要途径,也符合现代设备管理的需要。随着红外热成像技术的发展,基于红外热成像的设备在线检测得到了普遍的应用,其应用方面越来越广泛,特别是对于电气设备的潜在故障检测,红外热成像具有非接触、安全、快速、大面积扫描和不需停机就能进行检测等诸多优点,通过红外热像仪获取的设备红外图像为基础的故障诊断成为一个非常有意义的研究方向。 6 xx大学工程硕士学位论文 1.4总体框架 本文的内容是以电气设备的红外热图像的获取、处理为基础,通过红外图像分析设备故障,及时采取相应的对策,通过事前预防等方法,降低设备的故障率,确保设备的安全。同时,也可以为制定设备的维修保养提供重要的参考依据,降低企业的维护成本和维护时间。本文的结构安排如图1(1,主要内容包括以下方面: 第一章是引言部分,主要介绍该课题的国内外的研究现状及选题背景。 第二章介绍红外探测器的发展历史及研究内容和意义。 第三章是热成像仪设备介绍与红外诊断原理。 第四章则是设备的概况,原理,故障及识别,红外热成像技术在实际中的具体应用实例分析。 第五章结论部分是对全文的总结及以后工作的展望。 图1.1 文章结构 选题背景及课题的意义 1绪论 红外发展史和意义 2 红外热成像设备发展历史及研究意义 3 热成像仪设备介绍与红外诊断原理 红外诊断原理 4 设备概况、原理、故障及识别,具体分析 红外诊断实例应用 5 结论 全文总结 第二章 2 电气设备故障及红外检测方法研究 电气设备多故障从红外监测与诊断上可以外部故障和内部故障,不言而喻,外部故障是指裸露在设备外部各部位发生的故障(如长期暴露在大气环境中工作的裸露电气接头故障、设备表面污秽以及金属封装的设备箱体涡流过热等)。这 7 xx大学工程硕士学位论文 类故障因能直接暴露在红外检测仪器的现场范围内,红外检测时很容易地获得直观的有关故障信息。而内部故障则是指封闭在固体绝缘、油绝缘及设备壳体内部的各种故障。由于这类故障部位受到绝缘介质或设备壳体的阻挡,所以通常难以像外部故障那样从设备外部直接获得直观的有关故障信息。但是,根据各种电气设备的内部结构和运行工况,依据传热学理论,分析传导、对流和辐射三种热交换形式沿不同传热路径的传热贡献(多数情况下只考虑金属导电回路、绝缘油和气体介质等引起的传导和对流),并结合模拟试验、大量现场检测实例的统计分析和解体验证,也能够获得电气设备内部故障在设备外部显现的温度分布规律或热像特征,从而对设备内部故障的性质、部位及严重程度做出判断。为此,必须分析研究电气设备故障的主要模式、产生原因和出现热分布异常的机理与规律。 2.1 电气设备主要故障模式 在电力系统的各种设备中,往往由于出现故障而导致设备运行的温度状态发生异常。通常,电气设备的缺陷故障的发生总要伴随相应的热量损耗的产生: ?接触性故障遵循P=12R规律,其发热是由电流作用在导电电阻上产生的,此类发热主要出现在导电部件的联结、连接及接触处。如果由于某种原因引起导流回路连接故障,就会引起接触电阻增大,当负荷电流通过时,必然导致局部过热; -C?tga规律,其发热是通过电压作用产生的,?介质性故障遵循P=U,?珊 此类发热主要出现在电容器、互感器、充油套管内部介质损耗及其瓷套管劣化等问题上。如果电气设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障,将会引起绝缘介质损耗增大,在运行电压作用下也会出现过热; ?因绝缘表面脏污、受潮等因素导致的表面泄露电流增大而引起的发热功率遵循P=U2?I?R规律,其发热是由泄漏电流引起的,此类发热主要出现在瓷瓶及瓷套管因污秽、受潮等因素导致的泄漏电流增大问题上。 ?具有磁回路的电气设备,由于磁回路漏磁、磁饱和或铁心片间绝缘局部短 路造成铁损增大,会引起局部环流或涡流发热: ?还有些电气设备(如避雷器和交流输电线路绝缘瓷瓶),因故障而改变电压分布状况或增大泄漏电流,同样会导致设备运行中出现温度分布异常。 以下内容可参照上述黄底色部分适当简化,公式保留 (1)电阻损耗(铜损)增大故障 众所周知,电力系统导电回路中的金属导体都存在相应的电阻,因此,当通过负荷电流时,必然有一部分电能按焦耳-楞茨定律以热损耗的形式消耗掉。由此 产生的发热功率为: (2-1) 式中P—发热功率(W ); K —附加损耗系数; f I —通过的负荷电流(A); R—载流导体的直流电阻值(,)。 K表明在交流电路中计及趋肤效应和邻近效应时使电阻增大的系数。当导体的直f 径、导电系数和导磁率越大,以及通过的电流频率越高时,趋肤效应和邻近效应越显著,附加损耗系数f K 值也就越大。因此,在大截面积母线中,其影响往往不可忽略。但是,对于多股绞线或空心导体,通常均可认为K ,, 。 f 8 xx大学工程硕士学位论文 式(2-1)表明,如果在一定应力作用下使导体局部拉长、变细,或多股绞线断股,或因松股而增加表面层氧化,均会减小金属导体的导流截面积,从而造成增大导体自身局部电阻和电阻损耗的发热功率。 对于导电回路中的导体连接部位而言,式(2-1)中的电阻值R应该用连接部 j 代替。并在取K f , 1的情况下,可把式(2-1),改写为以下形式: 位的接触电阻R 2P , I R(2-2) f 在理想情况下,假如导电回路中的各种连接件、接头或触头接触电阻低于相 连接导体部分的电阻,那么,连接部位的电阻损耗发热不会高于(甚至低于)相 邻载流导体的发热。然而,一旦某些连接件、接头或触头因连接不良,造成接触 电阻增大,则从式(2-2)看出,该连接部位与周围导体部位相比,就会产生更多的电阻损耗发热功率和更高的温升,从而造成局部过热。运行实践表明,引起导 电回路不良连接的主要原因有以下几种: ? 导电回路连接结构设计不合理。 ? 安装施工不严格,不符合工艺要求。如连接件的电接触表面未除净氧化层及其他污垢,焊接质量差,紧固螺母没拧到位,未加弹簧垫圈,由于长期运行引起弹簧老化,或者由于连接件内被连接的导线不等径等。 导线在风力舞动下或者外界引起的振动等机械力作用下,以及线路周期? 性加载及环境温度的周期性变化,也会使连接部位周期性冷缩热胀,导致连接松弛。 ? 长期裸露在大气环境中工作,因受雨、雪、雾、有害气体及酸、碱、盐等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀,造成接头电接触表面氧化等。 ? 电气设备内部触头表面氧化,多次分合后在触头间残存有机物或碳化物, 触头弹簧断裂或退化老化,或因触头调整不当,或因分合时电弧的电腐蚀与等离 子体蒸气对触头的磨损及烧蚀,造成触头有效接触面积减小等。 接触电阻R j由接触点的收缩电阻和薄膜电阻两部分构成。其中,接触点的收 缩电阻R s本质上仍是金属电阻,它是由于经接触点的电流线收缩所致。其大小可用下列经验公式表示: (2-3) 式中F —接触压力(kgf ,1kgf , 9.8N ); j n —取决于触头接触形式的指数(如尖端-平面、球形-平面及球—球形接触,n=0.5;母线接触,n=0.5~0.75;平面-平面、多板刷-平面接触,n=1); k —与触头材料性质有关的常数(如对于无氧化物的铜-铜接触, k , 0.08 ~ 0.14;铜-镀锡的铜,k , 0.07 ~ 0.1;无氧化物的铜-铜爪形接触, k , 0.28、刷形接触,k , 0.1;无氧化物的铝-铝接触,k , 3 ~ 6.7;铝-铜 接触,k , 0.98 ~ 4.4等)[29]。 除在真空中以外,接触表面往往覆盖一层厚的气体薄膜、氧化物、硫化物及 由触头材料与周围介质反应后的生成物。触头接触时,若机械方面不能穿透这些 表面薄膜,就会影响接触面有效导电。由于有裂缝和隧道效应,当这些薄膜存在 时也能导通很小的电流,但压降较高,电阻较大。对于大电流而言,若能穿破这 些较厚的膜,则膜形成的电阻不太重要。此时的接触电阻主要取决于收缩电阻s 9 xx大学工程硕士学位论文 R 。 40~50. 厚的薄膜,为穿破这层薄膜使其导通,一是靠 在空气中,触头上约有 触头闭合时使接触面产生相对运动,由剪切或滑动作用使薄膜破裂;二是采用足 够大的接触压力。当压力超过能使薄膜产生临界变形的量值时,则可忽略薄膜电 阻,接触电阻也仅为表面收缩电阻。 在空气中,氧化是使接头或触头工作性能劣化的关键因素。在油中使用的触 头会出现污染薄膜,这种薄膜逐渐形成,不断使个别接触点丧失导流能力,并使 触头温度缓慢增加。一旦接触点减少到某一临界值时,接触面积将迅速减小,接 触电阻将急剧增大。 另外,在输电回路中的任何一个接头或连接件,不论是松动还是弹簧退化与 老化,都会造成接触压力降低,引起接触电阻和发热功率骤增。而且,在连接件 的接触处,由于电力线的收缩,还会产生一个两倍于工频的脉动的轴向电动力, 其大小为: (2-4) 式中I m —通过接触部位的交变电流幅值(A); —两个连接件的电接触半径。 r , r12 轴向电动力F D 的作用方向与连接件的接触压力方向刚好相反,力图使连接件分开。 除影响接触电阻值的上述诸因素以外,接触电阻还将随温度变化。这是因为, 除薄膜电阻部分以外,接触电阻本质上仍是金属电阻,所以其阻值必然与温度有 关。但是,随着接头或触头温度升高,除了材料的电阻系数增大外,材料还有因 软化使有效接触面积增加的作用。因此,接触电阻随温度变化的性质要小于金属 导体。试验表明,当运行温度在200:C以下时,接触电阻与温度的变化关系可以表示为下列形式: (2-5) 式中R j0 —在0:C时的接触电阻(,); a —接触金属的电阻温度系数(1/ C : ); q —运行温度(:C)。 通过上述分析不难看出,一旦由于某种原因使导电回路电气连接件、接头或 触头构成不良连接,则会导致接触电阻增大,电阻损耗发热功率增加,产生局部 过热,温度升高,进而加速相互连接的金属导体电接触表面氧化。这样,又进一 步增大接触电阻,形成恶性循环。 由式(2-1)或式(2-2)看出,对于电阻损耗(铜损)增大故障而言,其发热功率与通过的负荷电流平方成正比,而与系统运行电压无关。因此,称这种故障发热为电流效应引起的发热。 (2)介质损耗(介损)增大故障 众所周知,除导电回路以外,由固体或液体(如油等)电介质构成的绝缘结 构也是许多高压电气设备的重要组成部分。用作电器内部或载流导体附近电气绝 缘的电介质材料,在交变电压作用下引起的能量损耗,通常称为介质损耗,由此 产生的损耗发热功率表示为: 10 xx大学工程硕士学位论文 (2-6) 式中U —施加的电压(V ); w—交变电压的角频率; C—介质的等值电容(F ); —绝缘介质损耗因数或介质损耗角正切值。 由于绝缘电介质因介质损耗产生的发热功率与所施加的工作电压平方成正比,而与负荷电流大小无关。因此,称这种损耗发热为电压效应引起的发热。 式(2-6)表明,即使在正常状态下,电气设备内部和导体周围的绝缘介质在交变电压作用下,也会有介质损耗发热。当绝缘介质的绝缘性能出现故障时,会引起绝缘的介质损耗(或绝缘介质损耗因数 )增大,因此导致介质损耗发热功率增加,设备运行温度升高。 引起绝缘电介质材料介质损耗增大的主要原因包括: ? 固体绝缘材料材质不佳或老化。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料材质不佳,或因在长期运行中由于高温作用与氧化作用而发生老化,甚至出现开裂或脱落,导致绝缘性能劣化,发软或变脆,或分解或进水受潮等。 ? 液体绝缘介质性能劣化、受潮以及绝缘介质本身的化学变化(如绝缘油受热与氧化,产生有机酸和蜡状物等)。 介质损耗的微观本质是电介质在交变电压作用下将产生两种损耗,一种是电导引起的损耗,另一种是由极性电介质中偶极子的周期性转向极化和夹层介质界面极化引起的极化损耗。在直流电压作用下,由于介质中没有周期性转向极化过程存在。因此,当外加电压低于产生局部放电的电压时,介质中只有由电导引起的损耗,不需要引入介质损耗的概念。对于工程用液体介质而言,其电导率主要取决于两个因素:一是杂质;二是温度。例如,变压器运行一段时间后,其中的变压器油就会产生很多杂质。这是由于受潮、固体绝缘纤维(如棉纱、纸板或木材等)脱落入油中,以及油本身受热和氧化作用产生的有机酸和蜡状物引起的。这些杂质使液体介质的电导串大大增加,其中以水分的影响最为显著。至于电导率随温度的变化,将遵循下列的指数规律: s , Ae,j /kT (2-7) 式中s —电介质的电导率(1/,,m); A—与液体介质性质有关的常数; j—电导率的活性化能量(对于矿物油和硅油而言,j , 0.41eV ); k—玻耳兹曼常数; T —介质的热力学温度(K)。 因此,在介质中单位体积产生的电导损耗为: P , s E2 (2-8) 固体介质中的电导率与温度的关系也可以用式(2-7)表示,不过常数A和j与 液体的取值不同。例如,聚乙烯的j , 0.3 ~ 1.5eV ,一般高分子材料的j , 0.3 ~ 2eV 。 在300K 温度时,s , (10,13 ~ 10,18 ) / (,,m),可把式(2-7)做如下变化: s , Ae,j/kT , Ae,j/k (273,q ) , Ae,j(273,q )/(2732 ,q 2 )k 11 xx大学工程硕士学位论文 式中q 为摄氏温度(:C ),所以,当q ,, 273:C时, xx__________大学硕士学位论文 16 /273 /2732 0 s , Ae,j kTejq k , s eaq (2-9) a , j / 2732 k /273 0 s , Ae,j k 式中a —温度指数; 0 s —介质在0:C时的电导率。 由式(2-7)~式(2-9)看出,由于介质电导率随温度的升高按指数规律增加 (即具有负的电阻温度系数)。因此,温度越高,介质的电导损耗越大。 当在绝缘介质两端施加交变电压时,产生的介质损耗功率由式(2-6)表示。 由于介质损耗功率与所施电压及试样尺寸有关,不同试样之间难以相互比较,所 以,通常用介质损耗因数tgd 来衡量介质品质的好坏。它是介质材料本身的特性, 与材料尺寸无关(其中介质损耗角d 是功率因数角j的余角),其大小由电介质的 介电常数e , e , , je ,的实部和虚部来决定: tg e d e , , , (2-10) 其中,实数部分r e , , e 为介质的相对介电常数,它表征电介质的极化程度,而虚数 部分: r e , , e ,tgd , e tgd (2-11) 称为介质的损耗指数,表示在单位电场作用下,电场每交变一次方向,单位 体积电介质产生的介质损耗功率。因此,由式(2-6)、式(2-10)和式(2-11) 表明,介质损耗发热功率与所施加的交变电压平方、角频率以及介质损耗因数成 正比。所以,当在高频高电压场合下使用电介质时,如果电介质材料的介质损耗 因数tgd 较大,则会使介质损耗功率显著增大,引起绝缘介质温度升高,导致介质 的电气绝缘性能下降。如果进一步考虑到介质的电导损耗随温度变化的特性具有 负温度系数,则也会造成恶性循环过程。 介质损耗的大小,除了与不同种类电介质的性质有关以外,还与温度有较复 杂的关系。对于中性或弱极性液体介质而言,损耗主要起因于电导。因此,损耗 较小,与温度的关系也和电导相似。例如,变压器油在20:C 时,介质损耗因数 tgd , 0.5%,而在70:C时,一般tgd , 2.5%,用于充油高压电缆的电缆油在100:C 时tgd , 0.15%。而对于极性液体介质(如蓖麻油和氯化联苯等),以及极性液体 12 xx大学工程硕士学位论文 与中性液体的混合油而言,电导损耗和极化损耗同时存在。因此,损耗与温度、 [30]。也就是说,当介质温度1 q ,q 时,由于温频率都有依赖关系,如图2-1 所示 度较低,电导损耗和极化损耗都很小。随着温度升高,液体黏度减小,偶极子转向 极化增强,使极化损耗明显增加。同时,电导损耗也随着温度的上升而略有增加。 所以,在这个温度范围内,介质损耗因数tgd 随温度上升而增大,直至q , q1时达 到最大值为止。在1 2 q , q , q 的温度范围内,由于分子热运动明显加快,妨碍了偶 极子在电场作用下有规则的排列,致使极化强度反而减弱,因此,极化损耗随温 度升高而减小。由于在这个温度范围内极化损耗的减小比电导损耗的增加更快, 所以,总的tgd 曲线随温度升高而下降,并在2 q , q 温度时出现tgd 的极小值。但 是,当2 q , q 时,电导损耗随温度升高而急剧增加,极化损耗已不占主要成分。所 以,在这种情况下,总的tgd 重新随温度升高而增大。上述的tgd ,q 曲线随着施加 电压的频率增加,整个曲线将会向右(高温方向)移动。而且,图2-1 中的两个特 征温度值1 q 和2 q 也随液体介质的成分而变化。 图2-1 极性液体介质tgδ值与温度的关系 Fig.2-1 Polar liquid medium tgδthe relationship between value and temperature (3)铁磁损耗(铁损)增大故障 对于由绕组或磁回路组成的高压电气设备,由于铁芯的磁滞、涡流而产生的 电能损耗称为铁磁损耗或铁损。如果由于设备结构设计不合理、运行不正常,或 者由于铁芯材质不良,铁芯片间绝缘受损,出现局部或多点短路,可分别引起回 路磁滞或磁饱和,或在铁芯片间短路处产生短路环流,增大铁损并导致局部过热。 另外,对于内部带铁芯绕组的高压电气设备(如变压器和电抗器等),如果出现 磁回路漏磁,还会在铁制箱体产生涡流发热。由于交变磁场的作用,电器内部或 载流导体附近的非磁性导电材料制成的零部件,有时也会产生涡流损耗,因而导 致电能损耗增加和运行温度升高。此类发热属于电磁效应引起的发热。 (4)电压分布异常和泄漏电流增大故障 有些高压电气设备(如避雷器和输电线路绝缘子等)在正常运行状态下,都 有一定的电压分布和泄漏电流,但是,当出现某些故障时,将改变其分布电压d U 和泄漏电流g I 的大小,并导致其表面温度分布异常。此时的发热虽然仍属于电压效应发热,但发热功率不同于式(2-6)给出的结果,而是由分布电压与泄漏电流的相乘积决定: P ,Ud Ig (2-12) (5)缺油及其它故障 油浸高压电气设备由于渗漏或其它原因(如变压器套管未排气)而造成缺油 或假油位,严重时可以引起油面放电,并导致表面温度分布异常。这种热特征, 除放电时引起发热外,通常主要是由于设备内部油位面上下介质(如空气和油) 热物性参数值不相同所致。 除了上述各种主要故障模式以外,高压电气设备还有由于特殊运行方式,如 13 xx大学工程硕士学位论文 过负荷、电压变化过大、单相运行等原因引起的故障。此外还有由于设备冷却系 统设计不合理、堵塞及散热条件差等引起的热故障。 电气设备故障往往都以设备相关部位的温度或热状态变化为征兆表现出来,因此,通过监测电气设备的这种状态变化,可以对设备故障做出诊断。电气设备故障红外诊断的前提,是用红外方法监测到设备运行状态的变化及故障信息。运行良好的电气设备按其基本结构特点,一般都伴随着正常的温升及热分布,然而具有某种缺陷的电气设备在运行中将出现异常的温升及热分布。因此我们可以从温升及热分布正常与否来判断某台设备有无缺陷。利用红外热成像仪对设备进行红外成像,将物体发出的红外辐射转变为可见的热分布图像,从而获得设备的温度及热分布,即设备热像图,通过直接观察记录这种红外热图的变异,由此可以分析判断设备可能存在的各种故障缺陷。 3(2电气设备故障的发展与演变 3(2(1故障产生与演变的特点 除了少数突变事件(如地震破坏、突然遭受雷击或者线路出现短路,骤然大幅 度过电压或过负荷)引起的突发性事故以外,对于绝大多数电气设备而言,各种故障模式都是逐步发生和发展的,并且经过一段时间的恶性循环过程之后才会酿成具有重大损失的事故。因此,首先应该弄清楚主要故障模式产生与发展的特点。 ?随机性 所谓设备故障的随机性,是指设备发生故障以及故障的分布和影响因素往往是 随机的。 ?阶段性 所谓故障的阶段性是指除突发、间歇和漂移等故障外,绝大多数故障的发展演变过程,在时间上都可以分为三个阶段,即设备零件功能(或性能)劣化的潜伏期、发展期和损坏期。 在潜伏期,多数劣化因子对零(部)件材料的作用是很微弱的,有些甚至是微观变化过程,因此用通常的检测手段很难察觉出来。而且,在潜伏期内,微观缺陷的发展演变往往十分缓慢,因而可能被设备的其他故障或换修所掩盖。当劣化因子足够强大,而且微观缺陷积累到一定程度时,逐渐加速微观破坏而进人发展期。发展期的特点是损伤有明显的发展速度,而且在宏观上显露出缺陷的形貌特征,因此,在这个阶段可以用适当的手段检测到故障的存在,只是故障的严重性尚未达到危急程度而已。这个阶段的时间函数规律可用相应的数学模型进行描述,并可用作寿命预测的依据。 损坏期的特点是劣化因子强度达到劣化零件所能承受的极限,故障恶化到使零部件面临失效的阶段。损坏期的特征信息就是事故I临危报警的依据。损坏期历程长短不等,该阶段历程越短的故障危险性越大,因此,对这类故障进行在线监测的必要性与紧急处理的难度也越大。 ?隐蔽性 故障发展在时间上的阶段性,必然在空间尺度上表现为从微观到宏观,从局部到整体,从隐蔽到显露的发展过程。也就是说,故障在潜伏阶段和发展的初期往往是很隐蔽地进行着,只有到了事故发生后才被发现,但又往往忽略其微观机理。故障发生在时间和空间上的隐蔽性给故障分析带来很大困难,因此,人们提 14 xx大学工程硕士学位论文 出了故障寻因的阶段性和故障定位的层次性问题。 ?多发性 设备故障的多发性是指故障的继发与并发的组合。也就是说,前述故障演变的三个阶段是指单一故障,但对于实际中设备(尤其组件和整机),某一种故障发展到一定程度后可能引发另一个(或几个)故障的发生,被引发的故障还可能引起其他故障,形成故障因果链。 3(2(2电气设备性能在故障状态下的劣化 电气设备出现故障之后,若不及时诊断和排除,则这些故障将逐渐演变发展, 最终恶化而形成事故或设备损坏甚至报废。从目前大量的事故统计和调查分析来看,除了设备突然遭受雷击或线路出现短路而引起突发性的事故以外,电气设备多数故障都是逐步发生和发展的,并经过一段时间的恶性循环后,才酿成重大损失的事故。设备带故障运行,将造成各方面性能的劣化,这些劣化主要有以下几个方面: ?机械性能劣化 固体介质材料的性能与温度有密切的关系,其机械强度在高温下将大幅度下降。金属材料的工作温度高于其再结晶的温度,且工作应力高于弹性极限时,金属材料将发生蠕变,导致其金属特性失效甚至断裂。因此,作为载流导体的金属构件,当长期处于高温过热故障状态下运行时,其机械强度将明显降低。严重时会导致塑性变形,在自重和风力的作用下,拉长变细直至拉断而形成事故。 ?理化性能劣化 设备故障引发的高温,将使设备内部或周围的绝缘介质或其他材料发生物理性能和化学性能的劣化。譬如绝缘材料发生软化而不再能够承受外力作用,绝缘油分解而使绝缘强度下降,绝缘油汽化而导致火险,绝缘塑料发生脆化而断裂,绝缘油及绝缘材料发生化学分解、炭化、氧化甚至着火燃烧等。这些都将无一例外地极大缩短绝缘贪质的正常工作寿命。 ?电气性能劣化 主要指载流导体的导电性能和绝缘材料的绝缘性能的劣化。当载流导体接触电阻过大而引起发热、温度升高,温度升高又反过来促使导体的导电电阻进一步增大。从而形成恶性循环,促使温度进一步升高,进而形成事故。绝缘介质经常处于高温下运行,将造成电气绝缘性能的下降,并可能导致击穿。 另外,还有许多情况,虽然设备故障本身发热并不剧烈,但可能预示着极其严重的故障隐患。在多数情况下表现为设备的内部隐患,这时的发热很微弱,且这种发热本身也许并不造成设备的性能劣化,但采用红外成像技术诊断此类故障具有十分重要的意义。譬如,祸合电容器绝缘油受潮,介损过大,这时通过红外成像检测,发现受潮设备的非正常温升也许只有2,3 oc,但潜伏着十分危险的故障隐患,可以及时排除或检修。 建议此处另起一章 2.2红外探测原理 2.2.1红外线研究简史 15 xx大学工程硕士学位论文 1672年,人们发现太阳光(白光)是由各种颜色的光复合而成,同时,牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单的著名结论。使用分光棱镜就把太阳光(白光)分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。1800年,英国物理学家F. W. 赫胥尔从热的观点来研究各种色光时,发现了红外线。他在研究各种色光的热量时,有意地把暗室的唯一的窗户用暗板堵住,并在板上开了一个矩形孔,孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过棱镜时,便被分解为彩色光带,并用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。为了与环境温度进行比较,赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用的温度计来测定周围环境温度。试验中,他偶然发现一个奇怪的现象:放在光带红光外的一支温度计,比室内其他温度的批示数值高。经过反复试验,这个所谓热量最多的高温区,总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的“热线”位于红色光外侧,叫做红外线。红外线是一种电磁波,具有与无线电波及可见光一样的本质,红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃,对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。 温度在绝对零度以上的物体,都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布,经电子系统处理,传至显示屏上,得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法,便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。红外光是电磁波的一种,它具 ,m之间,位于无有与无线电波及可见光一样的本质。红外光的波长在0.76,100线电波与可见光之间。任何温度在绝对零度以上的物体,都会因自身的分子运动而辐射出红外光。由于大气中的分子会对某些波段的红外光由吸收,因此并不是所有的红外光都能在大气中传播,但是有三个大气窗口的红外光透过率接近100%,它们是、、。图1.1是三个大气吸收窗口。 1~3,m3~5,m8~12,m 16 xx大学工程硕士学位论文 图2.1大气吸收窗口 2.2.2红外探测器 红外探测器是一种将红外辐射能量转化为电信号的传感器,广泛的用于卫星探测、夜视、成像、监视、制导等方面。它通常可分为热和光两种探测器。 热探测器吸收红外辐射使自身温度升高,从而改变一些与温度有关的参数,如电导率等。这种探测器可以在整个红外辐射区工作,但由于需要加热整个器件来感应辐射,其响应速度非常低。最早的热红外探测器是1800年英国天文学家威廉赫歇发明的水银温度计, 随后发明了热电偶、热电堆,1880年美国的Langley发明了测热辐射计。 光探测器(又称量子探测器)吸收红外辐射将直接导致某种量子事件的发生,例如光电子发生、半导体材料中的带间跃迁及子带跃迁等。由于它的响应速度主要是由吸收光子的速度决定,而无需加热整个器件,所以其响应非常快、探测率很高。不过通常必须冷却到80K以下的低温以减少热噪声。1917年Case研制出第一只光子探测器――硫化铊光电导探测器,这种探测器比热探测器灵敏度高,响应快。第二次世界大战中,人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力,开始对红外技术极为重视。20世纪40年代,以PbS为代表的光电导型红外探测器问世,随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。二次大战后,半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展。到1960年前后先后出现了与三个大气窗口相对应的PbS、InSbGe,Hg等材料系的红外探测器。 1959年Lawso研制出HgCdTe长波长红外探测器,这是红外技术史上的一次重要进展和飞跃。它是目前性能最好,也是最广泛应用的?,?族红外探测器。它具有很多优势:(1)利用带间吸收,因此具有极高的探测率和量子效率。(2)通过调节合金组份,可以使材料的禁带宽度连续变化,实现1的红外1,m~20,m探测。(3)HgCdTe材料的膨胀系数与通常的衬底比较接近,易于与集成电路结合做成大规模多元阵列。(4)工作温度相对较高,可在77K或者更高温度下工作。 目前HgCdTe材料的红外探测器性能已经非常好。能覆盖三个大气窗口。单 17 xx大学工程硕士学位论文 1412(1,3,m),元器件的黑体探测器已经达到,10cmHz/W,10cmHz/W 11(3,5,m),(8,14,m)。面阵方面,短波和中波都已经做出,10cmHz/W 2048?2048的焦平面器件。长波也已经实现256?256的焦平面阵列。 随着微电子学和半导体技术的发展,出现了很多利用新原理、新材料的红外探测器件。InxGa1-xAs材料制备的雪崩二极管红外探测器,工作在室温条件下, ,8主要探测波长在,暗电流密度低达,黑体探测率可达0.9~1.7,m3,10A/cm 15,是目前光纤通信中最主要的光探测器。已经成为红外探测器的10cmHz/W 一个重要发展方向。2005年S. Ozer等人报道了(640,512)InP/InGaAs长波0.530.47红外QWIP FPA,在77K时NETD~40 mK ,其性能与AlGaAs/GaAs QWIP FPAs 相当。 2.3电气设备热故障分类及课题的研究内容和意义 电气设备热故障是多种多样的,但一般可分为以下两类:接触热故障(如导体连接件接触不良,电流流过时发热)和设备原件变质老化。接触不良热故障又分为设备内部热故障和外部热故障两种。 外部热故障主要指长期暴露在大气中的各种裸露接头(包括隔离刀闸的刀刃与转动接头等)、压接管、压板和隔离断路器刀口等,由于受到各种有害气体侵蚀及灰尘影响,或因材质不佳和施工质量不合格,或由于风力引起的摇摆和周期性负荷变化引起的冲击,均可导致连接部位的接触电阻增大,出现局部过热并降低机械强度。若不及时处理,可酿成烧毁或拉断等事故;内部热故障主要指设备内部导电回路接触不良、互感器内部接头松动、变压器绕组和电机定子线棒焊接处接触不良等;内部零部件老化指阀型避雷器并联电阻劣化或损坏等。另外,设备的油循环受阻,假油位等,也可能引起热故障或冷故障。例如,散热器上下阀门未打开,使整个变压器温度上升,而有时个别未打开的散热器又出现温度低的冷故障,加油循环潜油泵损坏等。 根据电力单位提供的长期实验数据和大量观察的综合统计,绝大多数变压器故障部位都伴有发热现象,表2.2为各类设备故障数占总故障数综合统计的百分比: 2.2电气设备发热故障综合统计表 类别 设备名称 常见热源占总类别 设备名常见热源部位 占总故 18 xx大学工程硕士学位论文 部位 故障称 障数(%) 数(%) 44 3.3 隔离开关 接头、触头 断路器 触头 接头支撑变压器 19 2.5 穿墙套管 将军帽、缺油 板 套管 电流互 6.5 0.7 线夹 夹线口 顶帽、绝缘 感器 变压器套内部热电压互 4 0.3 接头 线圈磁路故障 外部热 管 故障 感器 故障 电流互感耦合电 3 0.6 接头 绝缘缺陷 器 容 断路器套阈型避均压电阻开路 4 1.2 接头 管 雷针 受潮 2.3 2.7 电抗器 接头 电缆头 绝缘、接头 1.2 4.5 阻波器 接头 其他 由表2.2可知,90,以上的电气设备发生故障时都有明显的热源部位并伴有热现象,因此,监测变压器是否发热异常即可以判断出绝大多数的变压器故障类型,为进一步的设备检查提供重要依据。由此可见,对电气设备的温度进行密切监测,是保障电气设备可靠运行的必备手段。 检测热故障的传统方法是停电测量电阻值(如变压器和电机通过定期测量绕组直流电阻来判断是否存在接头接触不良),在易发热处贴示温片,根据示温片颜色改变,判断是否过热,设备带电时用绑有石蜡的绝缘杆,将石蜡和街头相接触,若石蜡融化则判定为过热点。对设备内部热点采用埋设测温电阻法,但该方法只能测整体温度或个别热点温度,而最受关注的最高温度点却可能测不出来。例如,测量变压器壳体上层油温,侧到的只是整体温度;对电机绕组和铁芯,温度检测虽然也能反映整体温度,但个别点的温度以及最高点温度难以测量。由上可知,测出最热点温度的目的难以实现;另外,测试时还可能需要设备停电,发热点温度也难以量化,而且测量时还有一定的危险。总之,虽然传统测温方法有一定作用,但其局限性也是相当明显的。 19 xx大学工程硕士学位论文 随着红外技术的发展,红外测温技术越来越成熟,红外测温技术是利用红外探测技术获取设备的红外辐射状态的热信息,然后转换成温度进行显示的技术。它是一种非接触式精确测温方式,与其它的无损检测方法相比,红外热成像技术 【】8: 有如下特点 (1)测量速度快。因为红外探测器通过物体表面发射的红外辐射能来测得物体表面的温度,所以响应极快,能测得迅速变化的温度场。 (2)非接触性。拍摄红外图片时,红外摄像仪与被测物体是保持一定距离的,对被测温度场无干扰,操作方便、安全。 (3)测量结果直观形象。热像图以彩色或黑白的图像形式对结果进行输出,从图上可以方便地读取各点的温度值,并且热像图中还包含有丰富的与被测物体有关的其它信息。 (4)测温范围广。由于是采用辐射测温,与玻璃测温计和热电偶测温计相比,测温范围大大扩展,理论上可从绝对零度到无穷大。 (5)测量精度高。 (6)易于实现自动化和实时观测。 电力系统红外成像技术的初始阶段,用来测裸露接头过热,效果显著,发现了大量过热点,经过及时处理,阻止了很多事故发生。广大检测人员没有满足于检测外部接头热故障的结果,又深入研究高压设备内部热故障的传热,表面热场分布,并进行模拟实验研究和大量现场监测统计分析,逐步掌握了各种高压设备内部热故障的热场分布规律与表面红外热成像特征。目前,除少数内部热故障外,大多数内部热故障均可在设备外壳有温度相应,适用于红外成像技术诊断。现在,红外成像技术基本上覆盖了以下电气设备的热故障: 1、电气设备内外导流回路热故障 2、高压设备内部绝缘故障导致的热故障 3、变压器、互感器等内部充油设备缺油、油循环不畅的那个引起的热故障 4、变压器铁芯损耗、我流损耗增加等引起的热故障 5、电压分布异常和泄漏电流增大引起的热故障 6、各种动作设备(如分接开关、断路器、潜油泵等)由于磨损引起的热故 障 20 xx大学工程硕士学位论文 本文研究的主要内容是基于红外热成像技术,利用红外热像仪对设备的故障进行诊断、分析并通过采取相应的措施,提高设备正常运行时间,减少停产事故和维护成本。通过对电气设备进行红外检测,收集其红外热辐射图像,针对不同部位的红外图像信息进行分析研究,确定其故障。通过对设备事前的故障诊断,能够及时发现设备中潜在的问题,避免发生事故而造成设备损坏和影响企业的生产。同时,通过红外热成像诊断可以充分掌握设备的工作状态,对于不存在故障隐患、运行良好的设备,可以减少其不必要的维修保养,节约时间,节省设备的维护成本,提高了设备的有效利用率。 本文主要拟通过以下几个方面对电气设备进行红外诊断,通过对红外诊断能够充分了解设备的运行状态,找出设备潜在的故障,有效的将事故防患于未然。 (1)电气设备红外图像的获取 在设备红外图像的获取中需要考虑多方面因素的影响,要尽量降低外界因素的影响,最大程度真实的反映出设备的红外热信息。同时,受技术条件和外界因素的影响,在进行设备红外图像的获取过程中要充分考虑时间、环境等多方面因素,避免无法获取正确的红外图像或图像发生较大的误差。 (2)红外热信息的处理及分析 红外图像是反映设备状态的基本信息,通过专业软件的处理,可以充分了解设备的温度分布状况。另外,在软件的处理过程中要充分考虑到设备表面发射率等方面的参数影响,同时通过软件掌握设备各部分的红外分布状况图也是掌握温度分布状况不可缺少的。再通过建立的故障诊断数据库对温度的状况进行诊断,解析出设备的故障。 (3)故障的处理 故障诊断数据库不仅可以分析出设备的故障,也能分析出导致故障的原因、可能导致的危害和应采取的措施。根据实际状况采取相应措施,可能需要停机进行维修、更换零部件或加强监控等。同时对于那些现状还不需维护的地方,通过定期的红外诊断,能充分了解设备的状态,可以有效的发挥设备的效率、降低维护成本。 通过对电气设备的红外诊断,可以充分了解电气设备的工作状况,避免了设备故障带来损失的同时,也降低了不必要的维护成本。其主要意义有: 21 xx大学工程硕士学位论文 (1)通过对设备的检测,能够及时发现潜在故障,减少和避免重大事故发生,不但能获得巨大的经济效益,也能获得很好的社会效益。 (2)通过对设备工作状况的检测,可以充分掌握设备的状态,减少维修时间,降低维修费用,提高生产效率和经济效益,延长设备寿命,防止因不必要的拆卸而使设备精度降低。 (3)通过设备故障诊断系统的建立,规范了设备从红外图像获取到故障的具体判别依据。本文拟通过红外诊断,加强以上方面的设备管理,预防事故于未然,降低设备的维护时间和成本,确保设备的正常运行。 第三章 3 红外热成像设备简介 3.1 红外热成像的基本原理 红外热成像技术是研究物体红外辐射的产生、传递、转换、探测并实现在实际工作应用中的一门技术。当物体受热时,其分子内原子的相对振动,分子的转动以及晶体中原子的振动均随温度升高而加剧。受热使物体内的原子或分子从受热中获得能量,从低能态跃迁至高能态,在回到低能态的过程中发射出多种频率 【9】的辐射能,这类辐射称之为热辐射,热辐射是一种电磁波。在自然界中任何 【10】温度高于绝对零度(-273(15?)的物体都是红外辐射源。因为,这种红外线辐射载有物体的特征信息,这就为利用红外热成像技术诊断电气设备故障提供了客观的基础。 红外热成像技术是一种被动红外夜视技术,其原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度(-273? ) 的物体每时每刻都辐射出红外线,同时这种红外线辐射都载有物体的特征信息,这就为利用红外技术判别各种被测目标的温度高度和热分布场提供了客观的基础。利用这一特性,红外热像仪的物镜接收电气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,将电气设备的红外能转变成电能,再经一系列的电信号处理,形成热图像视频信号,传至显示屏幕上,就得到与物体表面热分布相对应的热像图,即红外图像,从而一一对应地模拟出物体表面温度的空间分布。其工作的过程如图3.1所示 22 xx大学工程硕士学位论文 图3.1 红外热像仪简单工作示意图 电力系统的各类电气设备,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。 红外热像仪就是利用电气设备的这一特性,测定电气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,找出电气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。 3.2设备的红外图像的获取及处理技术 3.2.1红外图像的采集 红外图像的采集过程是被测目标的红外辐射能量通过红外热像仪的探测器转化成电信号,再经过放大处理,转换成标准视频信号,红外热图像通过监视器显示出来,并记录在热像仪存储卡内。红外数据采集的核心是红外成像系统,它包括了从红外热探测器采集目标场景的红外辐射,到光电转换和图像处理与信号的输出。其工作如图3.2。 23 xx大学工程硕士学位论文 图3.2红外图像采集原理图 Fig.3.2 Schematic diagram of infrared image acquisition 红外热像仪的工作过程是借助红外辐射信号把被测物体表面温度分布,经接收光学系统和光机扫描机在红外探测器上构成像,再由探测器将其转换为视频电信号。这个微弱的视频电信号经前置放大器和进一步放大处理后,送至终端显示器,被测物体表面温度分布的热图像被显示出来,同时图像被存储。 (1)红外热像仪的光机扫描与信息采集原理 热像仪光学系统借助光机扫描机构依次扫过被测物体,来自物体的每个像素的红外辐射信号被探测器转换成电信号,经过放大处理后,在显示器上进行显像。反映物体空间温度分布信息的红外辐射能量的新号被热像仪接收,再经过信号转换、预处理、放大和线性化等过程,变成与物体温度相应的可读的温度信息。 (2)温度信息转换与处理原理 红外热像仪摄像头输出信号的预处理要求和方式取决于所使用的红外探测器类型。 ?单元探测器。红外热像仪通过单元探测器完成光电信号的转换功能,从摄像头输出的电信号就是单一物体图像的视频信号。 ?多元列阵探测器。采用多元列阵探测器时,需经过延迟积分或取样等处理,才能把摄像头的输出信号变成单一的物体视频信号。 ?带有内处理功能的探测器。带有内处理功能的扫积型探测器或IR CCD,摄像头输出信号已是经过预处理的信号。 另外,探测器输出信号电平是目标温度的函数,这个函数取决于目标的辐射特性、探测元件的光谱响应和热像仪光谱透射特性,是非线性函数。为了热图像的显示判读方便和直接进行温度值显示,要把送到显示端的温度信号变成与目标温度呈线性的关系,因此要对探测器输出电压信号作线性化变换和校正处理。此外,控制电压与显像管的辉度之间还存在着非线性关系,需要进行校正才能使控制电平线性地显示出相应的辉度。通常,线性化电路可以采用非线性电位计或电阻网络、二极管等电路构成。 (3)物体热图像的形成与显示 视频信号经过放大、处理和线性化后,可以线性地反映出物体各部分的温度 24 xx大学工程硕士学位论文 信息,显示的任务就是各部分温度高低的量值和热图像要根据物体的视频信号标示出。由于视频信号是时序信号,所以要经过同步复扫描才能将它转变成二维空间的物体温度分布热图像。热图像的形成、清晰度和图像的显示模式是热图像显示的基本问题。 ?热图像的形成。热图像的形成过程就是把时序视频信号经同步复扫描转换成二维空间景物温度场图像的过程。 ?灰度和假彩色显示。热像仪在正常显示时是以较暗的灰度对应较低的物体温度,在相反显示时则以较暗灰度对应较高物体温度。 ?各种显示模式。热像仪除用正常灰度或假彩色显示物体整体热图像外,还能根据需要完成其它模式的显示。 3.2.2红外图像的优化处理 通常,先进的红外热像仪都配置有完整的图像处理系统,运用其中的图像分析软件,在采集红外热图像的同时,把测量参数记录到图像信息中去,可以随时测量并显示出目标及其热图像上任意位置点温度值的精确结果和区域分析结果等。并且,针对采集的红外图像也配置专门的处理软件,通过计算机和处理软件对采集的红外图像进行显示、处理,包括物体的表面发射率的设定、标记检测物体的热光标、冷光标,将红外图像与可见光图像进行比较,以便了解设备各部分的温度分布状况等。通过这些方面的处理,就可以充分了解设备的热分布信息分布状况,再通过对热分布信息分布状况的分析、研究,就可实现对机械设各潜在故障的正确诊断。 红外热成像技术利用红外探测器将不可见的红外辐射转换成可见图像,通过对设备表面温度场进行测定,进而评估其状态。热成像技术的发展与红外探测器技术的发展密切相关,红外探测器技术的发展经历了从单元到多元、致冷到非致冷的发展过程,探测技术的每次进步都在不同程度上推动了热成像技术从一个台 【11】阶跃进到另一个新高度。红外辐射的能量可用物体表面的温度来度量,辐射的能量愈大,表明物体的表面温度愈高。反之,表明物体表面的温度愈低。温度是反映物体冷热程度的物理量,温度的数值是通过温标来表示的,有了温标,物体的冷热程度,才能准确客观地表示出来。 25 xx大学工程硕士学位论文 通常电气设备在发生故障前往往相关部位的温度会出现异常的变化,因此,通过监测设备的这种温度异常状态的变化,就可以对设备的工作状态进行了解,从而确定设备中潜在的故障。设备故障红外诊断的前提,是用红外方法监测设备运行状态的变化及故障信息。运行良好的设备按其基本结构特点,一般都伴随着正常的温升及热分布,然而当设备潜在故障时在运行中将出现异常的温升及热分布。因此我们可以从温升及热分布正常与否来判断设备是否存在或潜在故障。利用红外热像仪对设备进行红外成像,将物体发出的红外辐射转变为可见的热分布图像,从而获得设备的温度及热分布,即设备的热图像,通过这种热图像的变异,可以分析、判断设备中可能存在的各种故障。红外热成像检测技术在电力系统故障诊断中的应用,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。 3.2红外热像仪的分类 用红外热成像技术,探测目标物体的红外辐射,并通过光电转换、信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,我们称为红外 热成像仪。 3.2.1便携式红外热像仪 能满足精确检测的要求,有能满足现场测试要求的测量精度和测温范围,性能指标较高,具有较高的温度分辨率及空间分辨率,具有大气条件的修正模型,图像清晰、稳定,操作简便,有目镜取景器,分析软件功能丰富. 3.2.2手持(枪)式红外热像仪 能满足一般检测的要求,有最高点温度自动跟踪,采用LCD显示屏,可无取景器,仪器轻便,操作简单,图像比较清晰、稳定。 26 xx大学工程硕士学位论文 3.2.3线路适用型红外热像仪 满足红外热像仪的基本功能要求,配备有中、长焦距镜头,空间分辨率达到使用要求。 当采用飞机巡线检测时,红外热成像仪应具备远距离窄视野镜头和普通宽视野镜头,并且检测人员可根据要求方便切换。 热像仪 3.2.4在线型 将热像探头固定在被检测设备附近,进行在线测试,并将信号反馈到主控系统。要求有外部供电接口,连续稳定工作时间长,并能满足全天候的环境使用条件,其信号和接口可根据系统要求定制。 3.3红外热像仪的检测特点为: 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,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 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 27 xx大学工程硕士学位论文 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。 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。 4 非接触检测,检测面积大 红外热像仪在检测电气设备热点故障时,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气设备。对那些悬空的高压线,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。 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气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。 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。 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。 第四章 28 xx大学工程硕士学位论文 红外热像仪在电气设备故障诊断中的实践 本文采用的是浙江大立科技股份有限公司DL700C型热像仪,其测量范围、精度等如表4.2所示。该红外热像仪具有手动调焦、全屏可见光、双存贮器、检测灵敏度高、图像清晰、测温精确、可靠性好等诸多特点,使用方便可以在较广的领域内对温度的状态进行监视。在电力故障诊断等领域具有领先优势。DL700C型热像仪采用最先进的320?240/384?288非制冷整体热敏电阻焦平面探测器,维护方便;工作在8,14um波段,避免阳光反射干扰;配合高速DSP实时图像处理系统,通过红外热像仪对检测物体的红外辐射进行采集,形成所需的红外热图像,之后将红外热像仪的USB接口与计算机相连,将红外热图像传输入计算机中。 表4.2 DL700C型热像仪的功能参数 Tab(4.2 Function parameters of DL700C thermal imager 型号 DL700C 视场角/最小焦距 20??15?/0.5m 空间分辨率 1.13mrad 热灵敏度 0.08? (在30?时) 帧频 50/60Hz 图像性能 聚焦 手动 探测器类型 非制冷焦平面微热型探测器 像素 320?240 数码变焦功能 1~8倍连续数码变焦 (以0.1为步进) 波长范围 8,14um 模拟视频输出 PAL/NTSC 数字视频输出 VGA 图像显示 寻像器 高分辨率彩色LCD 液晶显示屏 4”彩色高分辨率VGA液晶屏,可接遥控手柄 ,20?-- +220?(挡位1) 测温范围 +200?-- +1200?(挡位2) 精度 ?2?,?2%(读数范围) 测温校正 自动/手动,内置黑体 点测温 实时4点,可全屏移动 测量 自动捕捉点 实时1点,静态3点,区域最高温、最低温捕捉 测量线温分析 实时水平、垂直或斜线 模式 实时1个矩形,静态3个矩形,最高温、最低温捕区域分析 捉,平均温度测量,可全屏移动、调整大小 等温分析 有,实时分析 29 xx大学工程硕士学位论文 温差分析 有,实时分析 温度报警 实时高低温报警(颜色) 调色板 调色板(铁红,彩虹,黑白,黑白反转等9条) 菜单 控制 图像调整 自动调整(连续/手动),手动对比度、亮度调整 设置功能 日期/时间,温度单位?/?,语言 0.1至1.0辐射率可调,或通过预定义的物质辐射辐射率校正 率表校正辐射率 环境温度校正 自动,根据输入的环境温度 测量距离校正 自动,根据输入的距离 测量 相对湿度校正 自动,根据相对湿度 存储卡 内置64M存储器,128M CF卡,可存储1200幅图像 类型 存储方式 手动/自动单帧图像存储 图像存储 S/N改善 图像平均(?2、?4、?8、?16),图像滤波 文件 标准带14位测量数据图像 语音注释 40秒语音记录,随图像一同存储(内置麦克风) 等级 二级 激光指示 器 类型 半导体AlGanInP二极管:1mW/635nm红色 电池类型 锂电池,可充电,可现场更换 电源系统 电池工作时间 单节2小时连续工作 充电类型 智能充电器 操作温度 ,20? -- +50? 存储温度 ,40? -- +70? 环境参数 湿度 工作及存储:?95,(非冷凝) 电磁兼容 EN 61326:1997+A1;1998+A2;2001+A3;2003 重量 1.75Kg包括电池 尺寸 245mm x 120mm x131mm 物理特性 三角架尺寸 1/4" -20 手提箱 塑胶 电源接口 有 音频输出 有 接口 模拟视频输出 PAL/NTSC 数字视频输出 VGA USB 图像,测量数据,语音传送至计算机 3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 3(1诊断机理 3(3红外成像技术对电气设备外部故障的诊断 采用红外成像技术可以有效地诊断如下各种外部缺陷: ?各种裸露接头、线夹、导电板外连接以及软连接不良引起的过热缺陷。其 主要原因有连接处氧化及连接禁锢螺丝松弛等因数导致其导电部件电阻增 30 xx大学工程硕士学位论文 大,在电 流的作用下过热。其热像图谱实例如图3(1所示: (a)llOkV变压器A、C相套管外联结不良Co)lOkV断路器引流铝排联结不良 (c)110kV导线松股及线夹连接不良(d)llOkV导线T型线夹连接不良 图3,1连结不良引起的过热缺陷 Fj驴(1 Hot flaw caused by impropcrcontact ?刀闸的刀口与触指以及转动帽与球头结合不良而引起的刀口过热和转动体 重庆大学工程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 过热。这种缺陷是由于结合体结合不紧密或结合面产生氧化层等因素导致接触电阻 增大,在电流的作用下引起过热。其热像图谱实例如图3(2所示。 (a)110kV刀闸转动球头结合不良(b)110kV刀闸握手结合不矗 (c)35kV刀闸静触头座连接不良(d)aokV刀闸静触头座结合不赵 (e)110kV刀闸转动球头结合不良(f)35kV隔离刀闸A、C相铝排联结不良 图3(2刀闸结合体连结不紧引起发热的热像图 Fi醇(2 Thermal image chart caused by the knire switch improper contact ?支持绝缘予发热缺陷。正常的支持绝缘子在靠近导体处有轻微发热,异常 绝缘子则表现为整体或局部明显发热。 ?穿墙套管支撑板发热。大电流穿墙套管的支撑铁板未开口,引起较大的涡 流损耗而发热。其热像图谱实例如图313所示。 ?导线松股或断股引起的导线阻值不均匀而发热。其热像图谱实例如图3(4 重庆大学工程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 所示。 图3(3 35kV穿墙套管联结不良图3(4 110kV引流导线松股 Fi93(3 35kV bushing improper contact Fi93(4 110kV drainage conductor looseness ?变压器类设备箱体上因漏磁产生的涡流损耗而引起的过热。这种缺陷主要 因设计不合理使得漏磁在螺栓或箱体上感应出涡流而引起过热。其热像特征是以漏 磁通穿过而形成环流的区域为中心的热谱图。其热像图谱实例如图3(5和图3(6所示。 图3(5变压器涡流损耗引起箱体发热 Fi93,5Radiationofthe box bodycaused by the transformer eddy cnITent loss 图3(6变压器箱体顶部过热 Fj93(6Radiation oftopoftransformerbox body 3(4红外成像技术对电气设备内部故障的诊断 电气设备的内部故障热传导延伸出的过热情况,缺陷比较隐蔽,目前并没有固 定的规律可遵循。其过热故障点密封在绝缘材料或金属外壳中,由于红外线的穿透 能力较弱,基本不能穿透绝缘材料和设备外壳,因而无法直接用红外热像仪检测到 31 xx大学工程硕士学位论文 设备内部热缺陷。但内部热缺陷一般都发热时间较长而且比较稳定,故障点的热量 可以通过热传导和对流,与故障点周围的导体或绝缘材料发生热传递,引起这些部 位的温度升高,尤其是与之有电气连接的导体,从而弓婕湿著的湿升效应。以此通 过对设备的红外检测、热像图的综合分析可以发现其内部是否存在发热缺陷。其发 热情况可能因为内部电气接头不怠或内部介质损耗劣化,或内部分布电压不良或泄 漏电流过大而引起,表现形式不一。采用红外诊断技术可有效诊断电气设备的内部 缺陷主要有以下几方面情形: 24 重庆大学工程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 ?各种内部连接不良引起的内部过热。这种缺陷主要出现在变压器套管的根 部或头部的将军帽内的连接不良、CT的一次接线内连接不良、少油开关内部触头 座固定不良引起的内部过热缺陷。 ?各种断路器的内部触头接触不良引起的触头过热。由于接触不良,导致接 触电阻增大,在电流作用下引起过热。这种缺陷主要出现在少油断路器的动静触头 和中间触头以及多油断路器的动静触头上。 ?充油设备的内部油绝缘不良。此类缺陷表现为油介质损耗增大,在电压作 用下导致设备本体过热。其主要出现在PT、CT、电容器及独立充油套管上。 ?充油设备缺油。运行中的充油设备中的油介质一般是热量的携带体。所以 在设备油位分界处其外壳有一明显的程度不一的温度梯度。灵敏度较高的红外仪可 清晰看到该温度分界线,由此可知道真实油位。其主要反映在变压器高低压侧套管、 PT、CT及耦合电容器。 ?避雷器内部受潮及阀片老化。由于避雷器的内部结构因型号各异而有所差 别,因此诊断此类故障应结合避雷器的具体结构特点分析。如是否有并联电阻以及 阀片特性等影响因素。 ?瓷瓶的劣化及污秽缺陷。通常劣化瓷瓶的局部过热较重,而污秽时局部过 热较轻。此类缺陷主要发生在支柱瓷瓶和线路瓷瓶上。 内部故障的诊断比较复杂,现场检测要耐心细致,而且还必须掌握内部故障属 性与对应的红外热像图的特征关系。内部故障按其属性大体可归结为内部导电体连 接或联结不良、绝缘介质不良以及一些非常规性的特殊故障三大类。以下分别简述 其热像特征。 32 xx大学工程硕士学位论文 3(4(1内部导电体连接不良故障 由于内部导电体连接不良,导致接触电阻增大,在电流负荷的作用下过热,发 热功率遵循P=12ft规律。这类故障虽然发热源位子设备内部,但由于热传导作用, 使设备外部呈现一定的过热特征,因而与正常相比较,其外部某处局部过热。这类 缺陷多发生在断路器、cT和套管内部,可以通过热像图的发热特征进行诊断。 ?电机定子绕组接头质量不良 其检测方法分为外加电流法和停杌直接检测法。诊断方法参见附录2,判断依 据见下表3(1,其热像图谱实例如图3(7所示。 重庆大学:[程硕士学位论文3红外成像技术对电气设各故障的诊断分析 表3(1定子绕组接头质量诊断判断依据 分析 序号判断依据说明 方法 (1)温度低且分布集中的接头质量良好; 直方(2)温度高且分布离散的接头有缺陷; 1 适用于接头结构一致的电机 图法(3)温度高且远离连续分布区的接头有重 大缺陷 (1)k为电机额定电流; 温差?T超过下列数值为有缺陷: (2)i用于接头结构复杂的电机; 数据(1)Is=0(5k时,绝缘头为10K,裸露头为(3)根据接头结构分类统计测温 2 统计5K; 结果; 法(2)当Is为其他值时,绝缘头为10KX 21s (4)去掉明显的高温值,取其余温 几(裸露头5KX2Is皿度值的加权平均值T。,求出各接 头的温差?T=T(丁D 图3(7透平型发电机定子线棒焊接不良 Fi93(7 Stator strand stick of turbine generator welding improper contact ?少油断路器内部导电体连接不良 少油断路器内部导电体连接不良主要表现在上动、静触头或中间触头接触不 良,导致断路器发热。当上动、静触头接触不良时,其热像是以引线根部为发热中 心的上部整体过热的热像图,且外部热像特征是顶部温度最高,其次为基座砝兰, 再次是瓷套。当中间触头接触不良时,其热像是以断口下部基座砝兰为过热中心的 热像图,且外部特征为基座砝兰温度最高,其次是顶帽,再次是瓷套。其热像图谱 33 xx大学工程硕士学位论文 实例如图3(8所示。 当静触头基座接触不良时,其热像是一个以顶帽中部为最高温度的热谱图,且 瓷套下砝兰的温度稍高于瓷套外表的温度。 ?CT一次接线内部连接不良 里堕盔堂三堡堡主兰焦堡苎!堑!!盛堡垫查型皇皇塑鱼塑堕塑堡堑坌堑 图3(8少油断路器中间触头接触不良 Fi舒(8Themiddlecontactoffewoil circuit breakersimpropercontact CT一次接线内部连接不良,在电流的作用下导致过热,其热像是以一次接线 根部为发热中心,CT头部整体过热的热像图,最高温度在这些线头及顶部油面处。 其热像图谱实例如图3(9所示。 图3(9 CT一次接线内部连接不良 Fi93(9 Interiorconnection ofCTwiringimproper ?高压套管头内部导电杆连接不良 高压套管头内部导电杆连接不良而导致套管过热,其热像是以套管顶帽出线头 为集中发热中心,套管头局部严重过热的热像图。其热像图谱实例如图3(10所示。 图3(10套管头部内部发热 ri93(10 Interior radiationofbushingtop 重鏖查堂王程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 3(4(2内绝缘不良故障 电气设备内部绝缘不良,在电压的作用下发热,发热功率遵循P=U2(?(C(t譬。 规律。其电气试验通常表现为介质损耗增大,这类故障常出现在充油设备中,譬如 PT、CT、耦合电容器等。红外技术诊断可通过三相比较法进行。 ?电机定子铁心绝缘质量不良 试验方法参见附录2,判断依据见D,(d'l'596(1996表1第10项。其热像图谱实 例如图3(11所示。 圈3(11透平型发电机定子铁心绝缘不良 Fi93(11 ImproperinsulationofTheturbinegenerator statorironcorc ?变压器内部异常发热 当变压器内部出现异常发热时,有可能引起箱体局部温度升高。这种热谱图不 具有环流形状。其热像图谱实例如图3(12所示。 图3(12冷水泵局部发热 Fi醇(12 Partially radiation ofpump ?PT内绝缘不良 PT内绝缘不良,其热像特征是以PT顶部为发热中心而整体过热的热像图。 ?cT内绝缘不良 CT内绝缘不良,其热像是以CT头部过热而本体也较热的热像图。但整个CT 34 xx大学工程硕士学位论文 重庆大学工程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 不存在明显的过热中心。 ?耦合电容器内绝缘不良 耦合电容器内绝缘不良,其热像是以耦合电容器整体过热的热像图,整个电容 器本体发热均匀,无明显的发热中心。其热像图谱实例如图3(13所示。 图3(13 110kV耦合电容器内部损耗异常 Fj西(13 Abnormal interior loss of the 110kVcoupling capacitor ?绝缘子串内绝缘不良 对绝缘子的故障检测主要集中在零值绝缘子和低值绝缘子的检测上。 正常绝缘子由于电压分布的不均匀性,其热像表现为不对称的马鞍形,靠线路 侧的绝缘子温度相对较高,相邻绝缘子间的温差较小。当存在低值绝缘予,其绝缘 电阻降至300,10MQ时,其发热功率大于正常绝缘子,温度升高,其热像特征是 以铁帽为发热中心的热像图;当存在零值绝缘子,劣化绝缘子的电阻值进一步降低 时,发热功率呈下降趋势。在某一阻值(5,10MQ)时,其发热功率又接近于正常绝 缘子,这时为检测盲点。劣化绝缘子的电阻值进一步降低至接近于零时,其发热功 率为零,与正常绝缘子相比温度很低,其热像特征为铁帽温升偏低;当存在的是污 秽绝缘子时,由于表面污秽电流增大,形成发热。其热像表现为以磁盘为发热区的 热像图。其热像图谱实例如图3(14所示; 图3(14含低值绝缘子的瓷瓶串 Fi93(14 Porcelain insulator string contained low value insulak)r 重庆火学工程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 ?阻波器内避雷器损坏 正常的避雷器基本不发热。若明显发热则说明避雷器已损坏。 ?电力电缆内绝缘故障 电缆头局部绝缘不良,指电缆头因加工不良或长期运行造成绝缘局部损伤、受 潮、劣化等缺陷。其热像特征是电缆头交叉处出现局部绝缘区域温升偏大。 电缆头整体绝缘不良,指电缆头因加工不良或长期运行造成绝缘整体受潮、劣 化等缺陷。其热像特征是整个电缆头温度偏高。其热像图谱实例如图3(15所示。 图3(15电缆头部绝缘局部劣化 Fi够(15 Insuh_ciaa partial detCr[oration ofelectric cable forehead 3(4(3非常规性特殊故障 电气设备的某些非常规性特殊故障主要是以油为绝缘介质的设备由于密封 35 xx大学工程硕士学位论文 不 良、瓷套裂伤等而发生渗漏油、少油缺油的故障。这类故障常规性试验难以发现。 但红外成像技术诊断却非常有效。这是由于一般电气设备在正常运行情况下会伴随 发热(正常发热)现象,而内部油又是热的良好携带者,因此当设备缺油时,设备的 热像图上出现以油位为标志的明显的上冷下热分界线的热像图。这类故障主要出现 在耦合电容器、PT、套管等电气设备。某些设备因密封不良使内部受潮而出现热分 布不均匀的情况,这类故障主要出现在避雷器设备。另外,变压器冷却装置及油路 系统异常,如散热管道堵塞或阀门未开而引起无热油循环的部分管道或散热器在红 外热谱图上呈现低温区。 ?耦合电容器缺油少油故障 缺油的耦合电容器油位通常低于几个瓷裙。这类缺陷可从热像图上直观发现。 ?cT缺油故障 CT缺油故障常发生在llOkV级,其热像呈现以顶帽暗淡的热像图。其热像图 谱实例如图3(16所示。 重庆大学1==程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 图3(16 llOkVCT缺油 Fi酪(16 110kVCTlackofoil ?套管缺油故障 缺油套管的热像图也是以油位为标志的具有上下冷热分界线的热像图。且在油 面上通常出现过热区,其热像直观明显。其热像图谱实例如图3(17所示。 图3(17变压器C相套管缺油 Fi93(17 ThetransformerC曲ase bushinglackofoil ?避雷器内部受潮故障 避雷器整体内部受潮,其热像呈现为相对于其他相整体过热的热像图。避雷器 内部局部受潮,则其热像呈现为局部过热而局部热像暗淡的热像特征。此时受潮部 位恰恰在热像暗淡处。其热像图谱实例如图3(18所示。 图3(18避雷器内部受潮 Fi酚(18 The an'ester interior affected with damp 31 重庆大学T程硕士学位论文3红外成像技术对电气设备故障的诊断分析 诊断电气设备的内部故障,温度仅是可供参考的一方面,更重要的是设备的温 度分布情况。因此,红外检测与诊断分析工作人员必须熟悉被检设备的内部 36 xx大学工程硕士学位论文 结构和 工作原理,并具有相当的实践经验以及红外理论基本知识,正确掌握各类设备缺陷 的热像特征及其细微差别,以准确判断设备的内部缺陷故障性质。 3(5,J、结 ?阐明了红外技术诊断电气设备故障的机理,故障的演变与发展、性能劣化 过程,进一步揭示了温升、热分布的变异是大多电气设备故障的先兆。为红外检测 分析方法在电力系统中的推广应用提供了科学依据。 ?分别对电气设备外部及内部故障的各种类型、热像特征进行了详尽论述, 为红外诊断的实践提供了重要的分析判断依据。 重庆大学:【程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 4红外技术诊断的判别方法和 影响其诊断准确性的主要因素 4(1红外诊断技术方法与判断依据 对电气设备缺陷状态的准确判断并进行故障处理是我们应用红外诊断技术的 根本目的,把正常的设备判断为不正常,或把有缺陷的设备判定为正常,都将给电力 安全生产造成不必要的损失。因此,要不断提高准确判断力,除了加强基本能力和 技术经验的提高外,必须掌握对设备诊断综合分析的基本方法和结果处理。 在电气设备的红外诊断中,根据不同的气象条件,环境温度,负荷电流,发热 部位等对现场测温可能造成的影响,应进行对比分析,采取不同的推导方法并迸行 综合分析判断。 ?表面温度判断法 根据测得的设备表面温度值,对照GB763的有关规定,凡温度(温升)超过标准 者可根据设备温度超标的程度、设备负荷率大小、设备的重要性以及设备承受机械 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。 ?相对温差判断法 对电流致热型设备,若发现设备的导流部分热态异常,应从不同方位进行复测。 求出最热点的温度值,按以下公式 6 l-(‘1?T 2),1 1?100,=(TI—T2),仃l-T0)?100, (4(1) 式中,一,和T。为发热点的温升和温度; t 2和T2为正常相对应点的温升和温度: T0为环境参照体的温度。 37 xx大学工程硕士学位论文 计算出相对温差值,然后按表4(1的规定判断设备缺陷的性质。 表4(1 部分电流致热型设备的相对温差判据 相对温差值(,) 设备类型 ,般缺陷重火缺陷紧急缺陷 SR断路器?20 ?80 ?95 真空断路器?20 ?80 ?95 充油套管?20 ?80 ?95 高压开关柜?35 ?80 ?95 空气断路器?50 ?80 ?95 隔离开关?35 ?80 ?95 其他导流设备?35 ?舳?95 当发热点的温升值小于10K时,不宣按表4—1的规定确定设备缺陷的性质。对 重庆大学工程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 于负荷率小、温升小但相对温差大的设备,如果有条件改变负荷率,可增大负荷电 流后进行复测,以确定设备缺陷的性质。当无法进行此类复测时,可暂定为一般缺 陷,并注意监视。 ?同类比较法 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,可判断设备是否正常。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。 ?热谱图分析法 根据同类设备在正常状态和异常状态下的热谱图的差异来判断设备是否正常。 ?档案分析法 分析同一设备在不同时期的检测数据(譬如温升、相对温差和热谱图),找出设 备致热参数的变化趋势和变化速率,以判断设备是否正常。 ?纵向比较法 38 xx大学工程硕士学位论文 纵向比较法一方面是与原始数据及前次测试数据比较分析。进行实测温度比较 时,应换算到前后相同条件下的温度变化进行分析判断,以便迸一步掌握缺陷的起 因,是属于应处理而未处理又发展的缺陷,抑或是新出现的缺陷。这种情况下,应 特别注意前后不同运行负荷对红外检测结果的影响。在实际负荷下测量的温度,应 按下式核算到额定荷载下的温升,或在同一负荷下进行比较分析。 Tz=(PJP0‘?Tl (4(2) 式中,Tl实际负荷测出的温度,T2额定荷载下的温度,Pl实际负荷,P2额定负荷。 另一方面是对同一设备的不同部位进行比较分析。同一设备在正常情况下外表 温度的分布是比较均匀和有规律的,当外表不同部位出现温差变化或异常,会反映 出内部缺陷、短路故障,绕组故障、磁路故障等,当整体温度升高,常常反映出受 潮缺陷,介损增大和线圈短路等。 红外技术在我国电力生产中的普及,目前尚处于起步发展阶段。对于电气设备 的外部缺陷检测和诊断,相对灵敏、准确、可靠,效果显著,分析判断简单易行。 但对于电气设备的内部缺陷,由于发热机理或热量传递途径的复杂性,尽管在实际 应用中发现和诊断了不少缺陷问题,但目前仍未建立统一的标准和绝对准确的规律, 只是现有经验的局部总结。因此,必须在实践中不断探索、发展和完善,并通过现 重庆大学工程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 场检测的大量热图谱的积累,逐步建立热图像分析处理系统,最终达到掌握通过设 备表面温度及热分布场的变化推断设备内部温度变化的规律,从而制定相对准确的 内部缺陷判断标准,同时根据设备的热缺陷状态检测缺陷的发展程度,以合理安排 维修或维修周期,实现依据设备状态指导维修,并形成专家诊断系统,弥补传统预 防性维修的缺陷和不足。 4(2影响检测准确性的因素与对策 在电气设备即时表面温度的测量上,红外热像仪是一种快速有效的方法。但要 精确测量,必须注意到设备的温度不是直接测量而得到的,而是红外线辐射 39 xx大学工程硕士学位论文 能投射到 热像仪上,这种辐射能与设备温度之间有函数关系,所以设备表面的温度是从测量到 的红外线辐射能计算出来的。但在实际的测量中,红外线检测器接收到的辐射能, 不仅来自所测设备,也有来自设备周围环境、大气层及热像仪本身等。这样会使得测 量结果产生误判断,或者使测试工作根本无法进行下去。因此,在电气设备的红外 诊断中,了解影响温度测量准确性的因素并采取相应的措施是红外诊断技术中一项 很重要的技术内容。 4(2(1 目标设备发射率的影响与对策 物体对于给定的入射辐射存在着吸收、反射和透射,且吸收率a,反射率P和 透射率T之和必然等于I,即 q+P+t=1 (4(3) 而且,其反射和透射部分不变。因此,在热平衡条件下,被物体吸收的辐射能 量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定,在热平衡条件下,物体的 吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率e: a(1)=e(T) (4(4) 其实由基尔霍夫定律,我们也可以推断出以上公式: M(叫a(ag--地fr) (4(5) efr)=n(D 《1)=M(D,Mo? (4(6) 则对于一个不透明的物体: e 03=1-n(_r) (4(7) 当e=l时,即为理想黑体。而e=O时,即表示完全透明体。 因此,我们在检测时,应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下,我们 不了解发射率,那么只有用相间比较法来判别故障。而对于电气设备,其发射率一 般在O(85(0(95之间。 任何红外检测仪器都是通过测量设备表面红外辐射功率来获得设备温度(或故 重庆大学工程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法羊|『影响其诊断准确性的主要因素 障1信息的。然而,在红外仪器接收目标红外辐射功率相同的情况下,因设备表面发 射率不同,将得到不同的温度测量结果。当仪器接收相同辐射功率时,发射率e越 低的物体,显示的温度越高。因为物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态 40 xx大学工程硕士学位论文 (如表面氧化情况、涂层材料、粗糙程度及污秽状况等),所以,即使由同种材料制 成的相同设备部件(如变压器三相套管),或同一部件在不同时期,尽管实际温度相 同,但因表面状态不同,仍可显示不同测温结果。这必将给检测结果和诊断判别带 来不统一。而且,在同一设备不同相的部件之间也难以做有无故障的比较。 为克服发射率影响,可采取如下措施: 1)对于设有“发射率(e)修正”功能的红外检测仪器(如大多数红外测温仪),在检 测之前首先从有关资料中查出被测设备部件表面的发射率值,或事先由实验测量与 被测设备表面状态相同的部件发射率,以便检测中用作发射率修正。若检测仪器本 身没有“发射率(e)修正”功能,则在对检测结果进行分析处理时,应用上述发射率 值进行发射率修正,以便获得被测设备表面的真实温度。 2)为使检测结果具有良好的可比性,对经常检测的设备部位或进行互比的同类 设备部位(如高压套管、高压断路器金具等),可在表面涂敷适当漆料(使发射率e一1) 来增大和稳定发射率值。在这种情况下,检测前应了解三相相同部位表面漆层是否 有不均匀性脱落或污秽。一旦出现表面不一致性,则应重新涂刷新漆层,阱求均一 的发射率值。 4(2(2运行状态的影响与对策 电流效应发热的故障(如导流回路故障),发热功率与负荷电流值的平万成正比; 而属于受压效应发热的故障(如绝缘故障等),发热功率与运行电压值的平方成正比。 因此,如果电气设备未在额定电压和额定负荷电流状态下运行,即使已经存在严重 故障,也不会有足够的发热功率使其表面产生应有的故障热特征。另外,除电气设 备外部故障以外,许多电气设备存在内部故障发热,而设备本身有一定热容量,或 因设备热传导性能较差(如避雷器及其他瓷套封装的电气设备等),即使设备在额定 电压下满负荷运行,内部故障发热也需经过一定时间(通常几小时1,才能使其表面 产生稳定温升。即使电气设备存在外部导流回路故障(如架空高压输电线路导线连接 故障),当负荷很低时,设备各部件温度与环境温度几乎相等,尽管存在连 41 xx大学工程硕士学位论文 接故障, 也不容易以过热温升的形式暴露出来。例如,当线路导线电流密度为0(12A,mm2 时,虽然勉强在红外热像中分辨出导线上的连接故障,但在这种负荷状态下,导线 与地面背景温度已经相差无几了。 为减小运行状态的影响,可采取如下对策: 1)当检测导流回路故障时,尽量让设备在满负荷状态下运行,或负荷电流越大 重庆大学上程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 越好,在不得已情况下,要保障负荷率不低于30,;当检测输电线路故障时,线路 导线电流密度应不低于O(5A,ram2,最好能达到1A,mm2左右的水平;当检测 设备绝缘故障时,应保障在额定电压下运行,负荷电流越小越好,负荷电流为零最 好。 2)为使设备有稳定温升,设备应在稳定运行状态下通电足够时间后再进行检 测。如对高压套管而言,至少应通电3h以上;而对避雷器或耦合电容器等设备, 至少通电运行6h(最好24h),方可着手检测。 综上所述,为减少各种不利因素的影响,提高检测准确性,防止漏检或虚惊, 在进行检测时,必须保证表4(2所列的基本作业条件。 表4(2电气设各故障红外检测的基本条件要求 作业方式地面作业巡线航测 天气阴天、无雨、无雾,或无阳光晴天与地面作业相同 环境温度无严格限制,但要稳定、无剧变6-21? 时间黎明、傍晚、夜间或阴天的白天黎明或阴天的白天 相对湿度近距离检测可无要求?85,。干燥季节最好 风力?3级,最好无风?3级最好无风 导流故障检测。最好满负荷运行,至 少负荷率不低于30,;绝缘故障检与地面检测导流故障相同(电流密 运行状态 测,应在额定电压下运行,负荷电流度不低于0(5A,mm21 越小越好 通屯时间一般不少于3小时,稳定运行稳定运行至少几十分钟 设备表面发射率互比表面发射率均一稳定 检测距离在保证安全前提下尽量近些20-30m 4(2(3太阳和背景辐射的影晌与对策 当在户外进行电气设备故障红外检测时,检测仪器接收到的红外辐射,除包括 被测设备相应部位自身的辐射以外,还会包括设备其他部位、背景的辐射及直接入 42 xx大学工程硕士学位论文 射或经背景反射与散射的太阳辐射,这些来自目标以外的辐射都将给故障检测带来 误差。例如,当检测电厂或变电站户外设备时,太阳辐射可引起设备产生10,15? 的附加温升f该附加温升将随季节、时间、地理位置、气象条件及遮挡情况变化)。 另外,被测目标附近的大面积高温背景(如运行中的主变压器、阳光照射后的大面积 墙壁等)辐射,以及局部强辐射(大功率照明设备),都能严重改变故障设备的温度分 布,影响被测部位的红外热像特征,有时甚至可以显示虚假的目标热像,造成漏检 重庆大举:E程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响黧诊断准确性的主要阁索 或虚惊判断。 为减小太阳辐射与背景辐射的影响,可以采取如下对策: ?检测户外设备及架空高压输电线路时,应尽量选择在无阳光照射的阴天,或 在晴朗天气的日出前与日落一段时间后。这样,既可防止直接人射、反射和散射太 阳辐射的影响,也可减少因太阳照射引起的目标附加温升和过高背景辐射的影响。 对户内设备进行检测时,要关掉照明灯:邻近有其他运行中的高温设备时,应进行 遮挡或选择合适的检测方向,避开它们的辐射影响。 ?对有高反射的设备表面,在不影响表面绝缘的前提下,应采取涂敷无光黑漆 等措旋来减少对太阳辐射及周围高温物体辐射的影响,或改变角度,选择能避开反 射的最佳方向检测。 ?可在红外检测仪器光学系统中加装适当的红外滤光片,以便滤除太阳辐射 和其他背景辐射。 ?选择距离系数合适的红#I-N温仪或镜头焦距适宜的热像仪式热电视保障被 测目标部位能充满仪器视场,从而减少背景辐射干扰。 4(2(4环境温度的影响与对策 在夏季,有过高的大气环境温度,在热平衡状态下,即使设备未投人运行也会 有较高温度。因此,设备温度的绝对测量往往会给出虚假的热故障表现。而在严冬 因大气温度过低,设备与环境温差越大散热也越快,因而缩d,Y故障点与正常部位 之间的温差,不利于过热故障的暴露与识别。 环境温度影响的另一种表现形式就是它的不稳定性。因许多设备(如避雷器 43 xx大学工程硕士学位论文 等) 都有较大热容量,要使内部故障发热传递到表面需要较长时间f模拟试验研究表明, 110kV及以上等级氧化锌避雷器需要5h以上,普通阀型避雷器虽可短些,但其他避 雷器一般需4,6h以上才能达到稳定1,因此,若环境温度不稳定,内部故障发热引 起的表面温度变化来不及与环境大气达到稳定平衡,势必影响检测的准确性。因此, 当环境温度剧烈变化时对检测的影响很大。 为减小环境温度影响,可采取如下对策: ?避开环境温度过高或过低的时间进行检测。 ?变电站等地面设备可选择在日出前或日落后3h检测。这样,既可防止太阳 辐射的影响,又可保障有较稳定的环境温度。 ?选择理想的环境温度参照体。环境温度变化是不可避免的,所以,检测时选 择不发热的相似物(或未投运的同类设备)表面来采集环境温度参数(如:当检测避雷 器时,以附近的支柱绝缘子或中性点避雷器表面温度作环境温度参照体),则可在一 定程度上弥补因环境温度变化带来的检测误差。 重庆大学一【程硕+学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 4(2(5气象条件的影晌与对策 不良气象条件f如雾、雨、雪和大风),会给故障检测带来不利影响。雾、雨、雪 天气不仅影响巡航检测的正常飞行,而且也会因线路导线及其他设备表面积存雪水 的融化与蒸发而增大散热量。这必然会降低故障部位与正常部位之间的特征性温差, 尤其对于劣化绝缘子的检测,雨天或雾天因绝缘予串表面严重潮湿,绝缘电阻普遍 相应降低,缩小了良好与劣化绝缘予间的温差和绝缘子串上马鞍形温度分布的不对 称性。同时,因绝缘子本身发热量不大,在淋雨过程中和雨后蒸发,带走部分热量, 使得绝缘子之间温差降低。实际检测表明,原来在热像上发亮的低值瓷瓶不再发亮 了,而原来特别暗的零值瓷瓶热像,与其他良好瓷瓶热像色调(或灰度)也相差无几 了。由此可见,因受雨淋湿的劣化绝缘子仍处在“冷”状态,其故障热特征尚未显示 出来,因此,雨中或雨过天晴立即进行检测,不会取得良好效果。与此类似,其他 44 xx大学工程硕士学位论文 设备也会出现相似结果。一 风力(风速)是影响设备表面对流散热的重要因索,风速越大、对流散热量越多。 并且,与环境大气温差越大,对流散热量也越多。因此,随着风速增大,不仅降低 良好设备表面相对环境大气的温升,而且也降低电气设备有无故障部位或相间(如故 障接头与线路导线、故障相套管与无故障相套管、绝缘子串中劣化与良好瓷瓶)温差, 使得故障检测与识别变得更加困难。 为防止气象条件影响,可采取如下对策: ?选择无雾、无雨雪天气进行检测。 ?选择无风f风速小于0(Im,s,最好小于或等于O(05m,s)的天崖做定量检测, 最大风力不得超过三级。难以满足上述条件时,需对检测结果做风速修正。表4_3 给出了风力(风速)等级及判别方法。 表4(3风力(风速)等级及特征 风力等级风速(m,s) 地面特征 0 0棚(2 静烟直上 l 0(3,1(5 烟能表示方向,树枝略有摆动,但风向标不能转动 2 1(6以。3 人脸感觉有风,树叶有微响,旗帜开始飘动,风向标能转动 3 3(4,5(4 树叶和微枝摆动不息,旌旗展开 4 5(5—7(9 能吹起地面灰尘和纸张,小树枝摇动 5 8(O一10(7 有叶的小树摇摆,内陆水面有水波 6 10(8—13(8 大树枝摇动(电线呼呼有声,举伞困难 7 13(9—17,l 全树摇动,迎风步行不便 4。2(6大气衰减的影响与对策 大气中以水蒸汽及面2为主的气体分子对一定波长的红外线有选择性的吸收作 重庆人学工程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确性的主要因素 用,以及大气尘埃的其他悬浮粒子的散射作用使红外辐射在传输过程中能量衰减。而 且,因C02、CH4和CO是大气中含量固定的不变组分,所以,设备辐射能量的传 输衰减随着检测仪器到被测设备之间距离的增大而增加。与此不同,水蒸气是大气 中含量不定的可变组分,因此,水蒸气吸收引起的辐射衰减不仅随检测距离的增大 而增加,还随大气湿度增加而增加。 被测电气设备发射的红外辐射能量经大气传输到检测仪器时,会受到传输路径 大气中水蒸气、C02、cH4及CO等气体分子的吸收和空气中悬浮微粒的散射而 45 xx大学工程硕士学位论文 衰减。 被测设备红外辐射能量在传输过程中的衰减,降低了被测设备辐射的透过率,这不 仅减小了被测设备故障部位与正常部位之间(或相间)的辐射对比度,缩小两者的特 征性温差,而且也因检测仪器接收的故障目标辐射能量减少,使得仪器显示出来的 温度总低于被测故障部位的实际温度值,从而造成障漏检或误判断,尤其检澳4温升 较低的设备故障时,这是很不利的。 为减少大气衰减对红外检测的影响,应采取如下对策: ?尽量安排在天气较干燥和清洁的季节(如春秋季)检测,并要求相对湿度不超 过85,。当检测距离很近时,可对大气湿度放宽要求。 ?在不影响安全的条件下,尽量缩小检测距离。否则,应对检测结果进行合理 的距离修正。 4(2(7距离的影响与对策 理想的热像装置必须能够在观看的视觉内,即使物体非常微小也能量测到同样 物体的温度。被测目标物体的距离只有满足红外测温仪光学目标的范围,方可对物 体进行准确测温。目标物体的距离太远,仪器接收到的辐射能减少,对温升较小的 设备检测十分不利,同时仪器的距离系数不能满足远距离目标物体的检测要求时, 在这种被测物体小于光学目标的条件下测温,一般都会造成较大的误差。 因此,红外测温设备所标示的精度指标,只有在满足其相应规定的距离系数范 围内才有意义。 4(3红外诊断的软件补偿 被测设备表面的温度是从测量到的辐射能计算出来。事实上,红外线检测器接 受到的辐射能,不仅来自被测设备,也来自该设备周界环境、大气层及热像仪本身。 除了采用上述的方法来提高检测准确度外,在测量到的辐射能转换成温度前,所有 其他的辐射能必须经过热像仪补偿,这样测量到的温度才是真正设备温度的函数, 而不是距离、放射率或热像仪内部温度的函数。 目前较先进的热像仪在测量时必须考虑到所有辐射能量的有效补偿,并以软体 40 重庆大学一[程硕士学位论文4红外技术诊断的判别方法和影响其诊断准确 46 xx大学工程硕士学位论文 性的主要因素 模式建入到仪器内,输入参数包括放射率(即发射率)、距离、大气温度、相对湿度 及物体的背景(周围环境)温度。 公式如下: l—a--l(Tobj)?t?,+I(Tsur)?(1一,)?T+I(Tatm)?(1一t)(4(8) 式中,I(D:辐射能量值(在温度T时,黑体发散出的辐射能所对应的讯号值) t:热像仪在光谱范围内的平均大气穿透率 Iinca:热像仪量测到的总辐射能 e:放射率(热像仪在光谱范围内,物体的平均放射率) Tatm:物体与热像仪之间的大气温度 Tsur:背景温度(反射到物体的背景周围环境的平均温度) 忽略放射率及大气穿透的光谱变化而将放射率及大气穿透率在全部的光谱范围 内视为常数。由此假设,热像仪接收到的辐射能可分为三部分: 1)物体经过大气衰竭后的辐射能 2)反射到物体及经过大气衰竭的背景辐射能 31大气放射出的辐射能 因此在热像仪内建入软体模式补偿辐射能在大气中的衰减量,其量测的误差就 会降低许多。热像仪若要做到准确的测量,就必须具备正确补偿系统的设计,而仪 器就必须具有下列重要的特性: 1)量测状况的软体执行模式。操作者可以补偿测量时因放射率、大气、物体 背景反射温度等等变数影响。 2)大气穿透模式设计。使量测时因物体距离的影响降至最低,而大气模式必 须能计算穿透率与距离、大气温度及相对湿度的函数关系。 3)温度量测值的稳定性要高,量测时才不至于受热像仪操作环境的影响。系 统必须具有两个温度参考源的设计,以作为仪器的偏移补偿。系统内应同时具有温 度感应器及微处理器,以计算补偿真正物体的辐射能量。 4(4小结 ?提出了电气设备故障红外诊断分析判断的多种技术方法,是红外技术检测 工作结束后综合分析评判设备健康运行状态的分析方法。并指出建立热像分析软件 系统的必要性。 ?对影响电气设备红外技术诊断结果的各种可能因素进行了分析探讨,并针 对这些干扰因数,提出了相应的对策,以提高检测的准确性和置信度。 ?分析了热像仪内部软体补偿模式,经过热像仪补偿测量到的温度才是真正 物体温度的函数,而不是距离、放射率或热像仪内部温度的函数。 41__ 4.3红外热像仪的应用 47 xx大学工程硕士学位论文 4.3.1 应用范围 1、电气装置:可发现接头接触不良或松动,不平衡负荷,过热,过载等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火。 图4.3 10KV油纸电缆终端电容放电红外热图像 图4.4 220kV隔离开关触头过热红外热图像 2、变压器:可以发现的隐患有接头松动,接触不良(抽头变换器),过载,套管过热,冷却管堵塞不畅,三相负载不平衡。其影响为产生电弧、短路、烧毁、起火。 48 xx大学工程硕士学位论文 4.5 变压器螺栓发热红外热像图 3、电动机、发电机:可以发现的隐患是轴承温度过高,不平衡负载,绕组短路或开路,碳刷、滑环和集流环发热,过载过热,冷却管路堵塞。其影响为有问题的轴承可以引起绕组线圈或铁芯的损坏;有毛病的碳刷可以损坏集流环和滑环,进而损坏绕组线圈,还可能引起驱动目标的损坏。 图4.6 电动机异常发热红外热像图 49 xx大学工程硕士学位论文 图4.7 发电机异常发热可见光图像 4、电气设备维修检查,节能检测。 4.3.2检测仪器要求 1、 一般检测 仪器在开机后需进行内部温度校准,待图像稳定后即可开始工作。 一般先远距离对所有被测设备进行全面扫描,若发现有异常,再有针对性的近距离对异常部位和重点被测设备进行准确检测。仪器的色标温度量程宜设置在环境温度加10K,20K左右的温升范围。有伪彩色显示功能的仪器,宜选择彩色显示方式,调节图像使其具有清晰的温度层次显示,并结合区域温度跟踪、热点跟踪等数值测温手段进行检测。应充分利用仪器的有关功能,如自动跟踪、图像平均等,以达到最佳检测效果。环境温度发生较大变化时,应对仪器重新进行内部温度校准。作为一般检测,被检测设备的辐射率一般取0.9左右。 2、 精确检测 检测温升所用的环境温度参照体应尽可能选择与被测设备类似的物体,且最好能在同一视场或同一方向中选择。在安全距离允许的条件下,红外仪器宜尽量靠近被测设备,使被测设备(或目标)尽量充满整个仪器的视场,以提高仪器对被测设备表面细节的分辨能力及测温准确度,必要时,可使用中、长焦距镜头。线路检测一般需使用中、长焦距镜头。为了准确测温或方便跟踪,应事先设定几个不同的方向和角度,确定最佳检测位置,并可作上标记,以供今后的复测用,提高互比性和工作效率。正确选择被测设备的辐射率,特别要考虑金属材料表面氧化对选取辐射率的影响。将大气温度、相对湿度、测量距离等补偿参数输入,进 50 xx大学工程硕士学位论文 行必要修正,并选择适当的测温范围。记录被检设备的实际负荷电流、额定电流、运行电压,被检物体温度及环境参照体的温度值。 4.4具体设备及工作内容 xx电厂购买了一台浙江大立科技股份有限公司生产的DL700C型红外热像仪 ,用于测量电厂电气设备的不正常发热现象 ,通过几年的使用 ,取得了较好的效果。 红外热像仪检测范围 : 1)变压器 变压器是变电所的核心设备,在正常情况下,自身发热量较大,内部出现热故障时,其热量远小于正常情况下自身发热量,且对外传到较少,变压器表面温升变化不明显,用红外热像仪测量温度变化,较难发现变压器内部故障。当变压器进出线接触面氧化、紧固螺丝松动、安装不当等原因 ,使接触电阻变大引起发热时,利用红外热成像仪可以看到明显的发热点。 2)隔离开关、断路器、母线、穿墙套管 隔离开关、断路器的接头、触头接触不良、穿墙套管接头不良、母线材质缺陷及接头不良都能引起发热故障,通过红外热像图,对比各相发热温度 ,很容易判断发现发热故障点。 3)电缆头 当电缆头制作工艺不良、电缆头受潮、内部绝缘老化时 ,使内部绝缘介质损耗增大而发热,通过红外热像图,能够看到在电缆三叉头的根部有高于电缆的发热现象。内部接线和出线接头接触不良时 ,通过热像图 ,能看到发热点。 4)避雷器 避雷器内部元件缺陷、受潮、老化、非线性变异引起分布电压和泄漏电流发生变化,因避雷器故障发热与负荷无关,通过热像图比较 ,较易判断故障。 5)支柱绝缘子、绝缘子串 由于制造缺陷或外界的作用 ,绝缘子的绝缘性能会不断劣化 ,使泄漏电流不断增大引起发热,通过比较相同绝缘子的红外热像图 ,能判断出故障绝缘子。 4.4.1 红外线热成像技术在电厂变电设备的应用情况 带电设备的红外诊断技术是一门新兴的学科。它是利用带电设备的致热效应,采 51 xx大学工程硕士学位论文 用专用仪器获取从设备表面发出的红外辐射信息,进而判断设备状况和缺陷性质的一门综合技术。红外检测技术具有不需停电、远距离、准确高效等优点,克服了定期计划检修的盲目性,具有很高的安全性和经济价值。随着用电需求的日益增长,我局变电设备的负荷不断创新高。同时,设备热缺陷引起的故障及事故也不断涌现。为了及时有效地发现设备的热缺陷,我局积极地应用红外热成像技术对电气设备进行状态检测,并取得了优异的效果。就2008 年的红外检测工作,我部66 个变电站共发现设备热缺陷300 多宗,其中紧急、重大缺陷50 多宗,有效地将设备缺陷消灭在萌芽状态,对保障电气设备乃至电网的安全运行起到积极作用。 浙江大立科技股份有限公司生产的DL700C型红外热像仪,是一台软、硬件齐备,功能可靠的精密仪器。该成像仪可以将被测目标的红外辐射信号放大处理后转换成标准视频信号,并通过仪器自带的监测器实时显示当前设备的热像图,图像以图片格式存放并可以通过电脑软件作进一步分析和编制报告。我们将红外诊断工作纳入设备维护的一个重点工作,每年安排检修班组进行两次全面的测温工作,即每年在夏季高负荷来临前普测一次,夏季用电高峰期再对可疑设备进行复测。对运行中存在热缺陷或大修后的设备,结合变电站夜巡进行跟踪测试。设立专门负责人,建立和健全设备台帐记录及设备热缺陷档案,包括设备运行参数、现场热缺陷纪录、设备照片、设备热图象、分析处理记录等。对设备热缺陷进行分类管理,根据热缺陷的不同类型进行相应的检修处理,以保证电气设备的安全运行。 4.4.2机械故障诊断(mechanical fault diagnosis),包括电气设备、工程结构和工艺过程的故障诊断,即对异常状态检测、异常状态原因的识别以及包括对异常状态预测在内的各种技术的总称。故障诊断技术是保障电气设备安全运行的基本措施之一,它能够在电气设备故障初期对故障的发展情况作出分析和预测。其目的是在充分掌握电气设备实际状况的基础上,制定合理的维修策略,以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力,延长其服役期限和使用寿命,降低电气设备全寿命周期费用。 电气设备是电力系统的主设备,常常处于高电压、大电流、高温的工作状态下,同时还受到日晒、雨淋、潮湿的考验,并且长期连续运行在恶劣的环境中。 52 xx大学工程硕士学位论文 所以设备非常容易产生劣化和缺陷,甚至形成事故。为了保证安全、可靠的发供电,必须大力开展设备故障检测和故障诊断。由于传统的检测方法效率较低,所以更加先进、成熟的检测方法成为一种迫切的需要。故障诊断技术自20世纪70年代兴起以来,在各产业部门和技术领域发展很快,并取得了很大成效,促进了设备维修体制的一次变革。随着科学技术的不断发展没生产设备的维修体制先后经历了以下三种方式: 1、事后维修(breakdown maintenance): 等设备无法正常工作时再进行维修 2、预防维修 (preventive maintenance):预先制定计划,定期进行检修和更换 3、状态维修 (condition/predictive maintenance)根据设备状态来确定维修工作的内容和时间,制定维修方案. 通常所说的电气设备主要是指电力系统中承担发电、变电、输电及用电作用的高压设备,如发电机、变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、电容器、高压套管、避雷器以及各种电动机等。 由于电气设备一般由电路、磁路、绝缘、机械、通风和散热等多个部分组成,因而对其进行故障诊断往往涉及较多的知识领域,如高压电技术、机械诊断学、电子测量学、信息工程技术、计算机技术等。 4.4.3热成像监测的有效性 红外成像技术应用电力系统后,很快推广到各基层单位,而且又通过深入的研究工作,不断取得新的成果和成效,将来还会进一步扩大诊断范围。但是,目前红外成像技术还不能应用于检测大型发电机、变压器和GIS设备等内部少数故障。这些大型设备初期的热故障,如初期局部放点和接头的接触电阻略有增加,发热量很小,另外,热故障点距外表面太远时,上述两种原因导致热量传播到外壳表面,难以产生明显的热特征相应,因而难以检测到。强油循环的变压器由于热交换比较特殊,使其内部的一些热故障,如绕组断线,局部放电,围屏和绝缘纸板爬电,引线接触不良。绝缘件受潮和老化,分接头接触不良和过渡电阻烧坏等,因油强迫循环改变了热故障在表面形成的原始热场分布,因而很难再外壳产 53 xx大学工程硕士学位论文 生和内部热故障相对应的热场分布,红外检测暂时无能为力。绝缘子串中间部分,即使是劣瓷瓶,由于电压分布和热场分布等低于低谷,用红外成像暂时也难以准确诊断。 尽管红外成像技术在店里系统应用时间不长,但由于其所具有的非接触式、不需要停电、安全、准确、实时性强、应用方面等有点,在电力系统得到大力的推广。 4.4.4红外成像技术在电力系统的具体应用 1、各种裸露接头热故障检测方法和标准 当电气设备各种紧夹件、裸露接头及隔离断路器刀口等接触不良时,运行时流过的大电流会导致发热加剧,引起温度和温升大为升高,甚至最后烧断;另外,如果是弹簧夹紧件,高温使弹簧的弹性退化,失去弹性同样会造成接头接触不良,久而久之被烧断。这两种热故障开始时不严重,但会使金属表面加速氧化,接触电阻成倍增加,发热更严重,接触电阻更大,温度更高,形成恶性循环,最后导致烧断的事故发生。 外部热故障的特点是:以过热点的高温形成一个特定的热场,向外辐射能量。红外成像仪把这一热场直观的反映在荧光屏上,由荧光屏热像图找出最高温度点,即热故障点;另外,成像仪配有现场计算机,设定某些特定参数后可在现场直接测量热场的任意一点的温度值。诊断标准如图所示 外部热故障检测标准(热点与最低温度点温差) 故障类型 设备存在疑设备存在热设备存在热设备存在严设备存在恶热点位置 点 隐患 故障 重热故障 性热故障 各种外部裸10---15 15---25 25---40 40---6- 60?以上 露接头、将军 帽 隔离开关 10---15 15---20 20---35 35---55 55?以上 关节、套管膨 胀器 断路器 10---15 15---20 20---35 35---55 55?以上 建议处理意查明原因后安排处理 必须安排处马上停电处一定停电及 54 xx大学工程硕士学位论文 见 处理 理 理 时处理 4.4.5电力变压器外部热故障检测标准 大型变压器采用强油循环。由于强油循环的结果,使其内部一些热故障(绕组和铁芯)在外壳产生的原始热场被破坏,所以对这类热故障的诊断目前尚有难度。但变压器外表暴露的热故障,还是可以用红外成像仪检测的,可以将获得的热像图作为诊断依据。对于正常变压器,其外壳热像图是一个水平线温度均匀分布的温度场,高中低套管的温度三相基本平衡,潜油泵也不应该有特殊的过热点,箱体螺栓的温差也不应该过大。其热像图诊断标准是:箱体同一水平线的最高和最低温度不应该大于10?。各螺栓中最高的温度点与平均温度之差不应该大于15?;平均温度与环境温度之差不应大于55?;潜油泵与本台变压器其他运行的潜油泵平均温度之差不应大于30?,变压器套管将军帽温度,对环境温度的温升不应该大于70?,且三相平衡;对散热器,如果某一台温度比其他的低很多, 4.4.6红外热成像故障诊断的实际应用 红外热成像技术的应用涉及多方面,在实际中也越来越得到了广泛的应用,特别是随着技术的成熟,近年来高精度、高质量的红外热成像设备不断产生,在工程机械的检测等领域越来越受到重视。本文以红外热成像技术为基础,利用红外热像仪对电气设备的进行检测,不仅可以及时发现设各中存在的潜在故障,同时通过红外图像也对设备状态有了充分的了解,为设备的维护保养计划提供了重要的依据。降低了设备的维护保养成本,达到了增加设备寿命、增加设备有效使用率的效果。以下为工程实践中红外诊断的实例,包括设备的红外图像获取过程和如何进行故障诊断两大方面。 在实际工程中,对于运转设备往往缺少必要的检测手段,一般是通过定期的维护保养来确保其正常运转和检查其磨损等情况。红外检测运用于运转设备工作状态的检测,不仅快速、安全,还可进行在线监测,在真实反映运转设备工作状态的同时,也避免了停机所造成的工作效率下降。通过红外热成像检测,保证了设备的正常运转,也为定期维护保养提供了重要的依据。通过事前采取相应的措 55 xx大学工程硕士学位论文 施,防止了运转设备因维护不良等导致设备严重损坏的事故。以下为关于运转设备检测的具体分析实例。 4.8电动机的红外图像图 4.9电动机的可见光图像 使用红外热像仪对处于稳定运转状态下的设备进行检测,尽量避免刚开始就进行检测,一般需要在设备运转30分钟状态稳定后再开始检测。以电机为例,在进行电机检测时,考虑到一些因素的影响,并采取相应的措施,确定无误后利用红外热像仪对需要检测的部位进行拍摄。为了确保拍摄的准确性,可以改变角度,多拍摄几张红外图片。将拍摄的红外图片利用计算机进行处理,为了将红外图像与物体的实际影像进行对应,可将拍摄的图片复制一份,将一份图片利用软件进行相应的处理,另一份图片转换成物体的可见光图片,将两幅图片放在一起对比,能够充分确定设备各部分的状态。图4.8、图4.9为拍摄后的图片经软件处理后的红外图像与可见光对照图片。 一般情况下,根据得到的结果不同,需要采取不同的措施,通常对于运转设备的措施主要为加强定期维护保养和及时更换已经磨损的部件(轴承等)。 (1)定期的维护、保养。通过红外热成像检测可以及时发现运转设备的异常过热点,而这些异常高温点往往是由于维护保养不善等原因造成的,对应的措施就需要及时停机进行维护保养等。并且对于维护保养后的状态也可以通过红外热成像检测做到时时把握设备的运转状况。 (2)对设备中严重磨损的部件及时进行更换。通过更换不仅保证了设备继续运行,也防止了由于这些部件的磨损导致设备损坏的危险。 4.4.6电气设备的潜在故障诊断 随着科技的进步,机械设各的自动化程度也越来越高,而电气方面的安全往往是确保电气设备正常运行的重要因素。许多设备的故障往往都是由于电气方面 56 xx大学工程硕士学位论文 的安全隐患造成的。因此,电气方面的潜在故障检测是不可缺少的一个环节,通过红外热成像检测可以及时发现设备中潜在的问题。以下图像是电气设备的检测实例。 使用红外热像仪对电气设备的接头等部进行测量,测量过程中要保证所测设备表面无遮挡物,确定无误后利用红外热像仪对需要检测的部位进行拍摄。图4 10、图4(11为获取的380V刀闸触头红外热成像图片与可见光对照图片。 4.10 380V刀闸触头发热 4.11 380V刀闸触头可见光图 4.12励磁机空气冷却器风罩 4.13励磁机空气冷却器风罩 4.14发电机刷架部分碳刷过热 4.15发电机刷架部分碳刷过热 57 xx大学工程硕士学位论文 4.16主励磁机刷架部分碳刷过热 4.17主励磁机刷架部分碳刷过热 4.18脱硫浆液循环泵电动机首端异常过热 4.19 脱硫浆液循环泵电动机首端异常过热 4.20保险座连接螺栓发热 4.21 保险座连接螺栓发热 4.22 380V刀闸触头发热 4.23 380V刀闸触头发热 58 xx大学工程硕士学位论文 4.24 10kV刀闸上口接触不良发热 4.25 10kV刀闸上口接触不良发热 4.26 35kV穿墙套管瓷瓶脏污发热 4.27 35kV穿墙套管瓷瓶脏污发热 1、内部故障 对于电力变压器,与其它电气设备相比,其故障是较少的,但由于操作或维护不当,也容易发生故障。最常见的故障大多发生在绕组、铁心、套管、分接开关等部件上。而导线接头发热及铁心多点接地更带有普遍性。变压器内部故障按形成的原因和发展的过程,分为由电气回路缺陷构成的突发故障和由铁心、开关、并联导线绝缘损伤等局部过热构成的缓慢发展的潜伏性故障两大类。 电力变压器绕组故障主要是器身中绕组及绝缘物发生故障,表现在各部分绝缘老化,绕组受潮,绕组层问、匝间、相问、高低压绕组间发生接地、断路、短路、击穿或烧毁故障;系统短路、冲击电流等造成的绕组机械损伤。电力变压器在运行中绕组绝缘故障,在结构上可分为纵绝缘和全绝缘故障,其次是因套管顶部连接帽结构不良,向变压器内渗水引起绕组绝缘故障。 在输配电系统中,有大量的触头、开关等,常常由于接触不良、腐蚀或内部异常等各种原因,出现异常过热点,严重影响安全用电。通常随着通、断电流负载和环境温度的变化,都会导致电气接头反复变热(膨胀)和冷却(收缩)。随着时 59 xx大学工程硕士学位论文 间的推移,这种冷热循环逐渐使接头松动。由于松动的接头具有较高的电阻,因此会消耗能量而发热。与此类似,接头上的尘土、污物、积碳和腐蚀也会带来较高的电阻而发热。通过红外热像仪可以及时检测到这些异常的过热现象,并且在电气设备正常工作的状态下就可以测量。通过测量可以及时发现问题,对松动的接头及时进行紧固,防止继续松动造成打火发生短路造成设备严重损伤的为危险。 对于电气设备的缺陷一般有以下几方面的原因,所以在进行电气设备红外检测的同时,也要注意这几方面,需要加强电气设备的日常维护管理。 (1)长期暴露在空气中的部件,由于温度湿度的影响,或表面结垢而引起的接触不良。 (2)由于外力作用所引起的部件损伤,因而使得导电截面积减少而产生发热。如接头连接不良,螺栓、垫圈未压紧或过紧。 (3)长期运行腐蚀氧化。大气中活性气体、灰尘引起的腐蚀;元器件材质不良,加工安装工艺不好造成导体损伤;机械振动等原因所造成的导体实际截面降低。 (4)负荷电流不稳或超标等。 (5) 由于电器内部本身故障,如内部连接部件接触不良导致的电阻过大。 电气设备潜在故障的红外热诊断的基本步骤为: (1)利用红外热像仪采集设备表面的温度数据是实现设备潜在故障诊断的首要工作。 (2)使用计算机和专业软件显示、处理红外图像,根据被诊断设备的不同来设定不同的参数,将设备的可见光图像与红外图像进行对比,确定设备不同部位的热分布状态。 (3)建立设备红外图像故障诊断系统,对采集的红外图像提取高温点,通过诊断系统判断设备的工作状态。 (4)根据红外图像故障诊断系统,输入诊断设备的检索条件,诊断设备潜在故障的原因和对策等,依据不同的问题采取不同的措施,降低设备的潜在故障,保证设备的安全和正常的生产。 总之,红外热成像诊断是以红外热成像技术为基础,利用红外热像仪采集物 60 xx大学工程硕士学位论文 体表面的温度信息,使用专业软件对温度信息进行显示、处理,再通过故障诊断系统判断设备的工作状况,实现对设备潜在故障的识别和诊断。 4.4.7热成像技术的设备故障检测的实施效果 针对电气设备故障频发的企业,利用红外热像仪定期进行故障诊断,可以有效发现设备中的潜在问题,通过事前采取相应的措施,避免了设备故障的发生。在实际应用中,针对电气设备故障次数较多的3家企业实施了故障检测,对于存在的问题反馈给企业,并采取相应的措施。通过对检测结果的跟踪确认,发现实施检测并进行对策后企业设备故障次数明显减少。下表4(1为检测前6个月和检测后6个月的企业中设备发生故障的比照情况。【30】 红外热成像故障诊断的实施状况 检测前故障次数检测后故障次数 企业 故障降低率(%) /6个月 /6个月 A企业 5 3 40 B企业 8 2 75 C企业 4 3 25 D企业 17 8 53 从此可以看出,实施红外热成像诊断后,企业中的设备故障次数有很大的降低。但是并不能完全保证不出现故障。经过对进行检测仍出现故障的设备进行统计、分析发现大致原因如下: (1)由于受检测能力限制,没能对所有设备进行检测,有的没进行检测的设备发生故障,所以在实际检测中如何有效的选择需要检测的设备也是非常重要的。 (2)推测可能受检测环境等条件限制没能有效的发现问题,因此针对影响检测的因素应充分考虑检测当时的具体情况,尽量最大程度的反应设备的真实运行情况。 (3)推测随着时间的推移,设备的工作负荷因生产需要处于变化中,其中一些部件不断劣化导致事故的发生。因此应根据具体设备的符合等不同制定不同的检测间隔,以有效的发现设备中潜在的问题,及时采取相应的措施。 61 xx大学工程硕士学位论文 (4)故障诊断失误,因检测系统只制定了部分设备的判断基准,对于诊断系统中没有的设备只能依据类似设备和实际经验进行判断,存在着较大的误差。因此针对诊断系统还必须进行充实,也需要通过实际中的检测的效果不断进行改进、完善。 红外热成像诊断作为设备故障诊断的一种有效手段,在一定程度上降低了设备潜在的故障。但因受环境和设备能力等因素影响,也存在一定的局限性,但随着技术的进步,相信红外热成像技术在设备故障诊断方面的应用会越来越广,越来越成熟。 4.5红外成像检测的注意事项 为了保证红外成像监测结果正确,必须注意以下几点: 1、防止太阳照射与背景辐射影响 监测户外设备应选择在阴天吗,日出前或日落后一段时间内,最好在晚上,检测户内设备时,应关闭照明灯。当附近有高温设备时,应进行遮挡或选择合适的检测方向。 2、防止环境温度的影响 应避开环境温度过高或过低的夏季和冬季,在春季4、5月份和秋季9、10月份进行监测,对于变电站,选择日出前或日落后3小时检测,选择理想的环境温度参照提,如不发热的相似设备表面,用来采集环境温度参数,这可在一定程度上弥补环境温度变化带来的检测误差。 3、防止气象条件的影响 应选择无雾、无雨、云天气进行,尽量在无风的天气检测;实在不行,则进行风速修正。 4、防止大气中物质的影响 和悬浮微粒,使其衰减,因此优于红外线的传输路径大气中存在水汽、CO、CH4 监测应尽量安排在大气较干燥的季节(春、秋季),并且湿度不超过85%,在保证安全条件下,监测距离尽量缩短为5米左右。 5、防止发射率的影响 检测和负荷电流有段的设备时,应选择在满负荷下检测;监测和电压有关的绝缘时,应保证在额定电压下,电流越小越好;检测温升时,应使设备大到稳定状态。 62 xx大学工程硕士学位论文 综上所述,为了正确检测电气设备热故障,应按下表进行操作 红外检测的基本要求 工作方式 地面作业 大气 无严格限制,但要稳定,无剧变 时间 黎明、傍晚、夜间或阴天的白天 相对湿度 近距离检测无要求,但不宜大于85% 风力 不大于3级,最好无风 设备运行状态 导流热故障,最好满负荷欲行,负荷至少不低于30%;绝 缘热故障,应在额定电压下进行,电流越小越好 通电时间 在稳定后,一般需4小时 检测距离 在保证人身和设备安全的前提下,尽量靠近被测设备 设备表面发射率 互比表面发射率均一、稳定 第五章结论 红外热成像技术作为一种无损检测手段,以其非接触、快速、灵敏度高、操作安全和大面积扫描等独特优势,在工业设备内部缺陷或故障诊断中受到了广泛关注。 本文中结合红外测温技术和导热问题,对设备内部故障与红外测温的原理进行了分析,通过红外测温确定设备的潜在故障,得出主要结论如下: (1)本文针对影响红外测温的主要因素和措施进行了归纳总结,对红外检测的实施制定了具体的实施步骤,起到了降低了外部因素的影响,提高了红外图像的采集精度。 (2)建立了红外图像的故障诊断系统。根据采集的红外温度信息,通过故障诊断系统,判断设备的运行状态,并对存在异常的设备给出了的原因分析,制定了相应的对应措施,对于处理设备异常给出了重要的指导方法。 (3)通过了具体的实践应用,验证了故障分析系统的可行性,对于判断设备潜在故障具有重要的意义。 63 xx大学工程硕士学位论文 通过红外热成像故障诊断技术不仅可以及时发现设备中潜在的故障,起到有效避免设备故障的作用,还可以了解设备的红外热信息,充分把握设备的工作状态,减低设备的维修保养成本。但在以下方面还需进一步完善。 (1)受天气等外界因素影响较大,有时不能有效的获取图像或导致图像失真。 (2)只能进行表面的测量,对于内部被遮挡的无法进行测量。 (3)受工作温度条件限制,对于环境温度恶劣(小于负20?或大于50?)的情况无法进行测量。 (4)需要一定的专业知识,才能进行正确的判断,对技术人员的专业能力要求相对较高。 (5)对于获取的红外图像的故障诊断系统是根据国外的相关标准和经过实践经验为基础建立的,诊断系统的数据库有待进一步完善,并且今后需要通过大量的实践来进行检验和修正。 致谢 在本文完成之际,要衷心感谢我的导师董爱华教授,在整个论文的开题到撰写的过程中,都贯穿了董老师的耐心帮助和指导,并且在论文完成之前,得到了董老师的很多宝贵意见,使得论文的内容更加完善,论理更加分明。 感谢王国东老师在论文的书写过程中给予的帮助和指导,特别是关于论文的标准书写格式、注意点及外文的翻译方面都得到的王老师的大力帮助。 感谢xx大学的各位老师与我的同学高林、乔应旭,是你们帮我在论文的写作中提供了大量的帮助,使我顺利完成学业。 感谢本论文所引用的参考文献的各位作者们,通过借鉴前人的经验使得我自己能将实际与理论进行了较好的结合。 ,在论文故障诊断系统的硬件图片获取实现上给与了重要感谢我的朋友xxx 的帮助。 最后感谢评阅的各位导师对本论文的评审,谢谢你们的帮助和指导。通过以上的各位的指导和帮助,使得我个人得到了很好的锻炼,能力得到的提升,而这也正是我就读的真正目的,再次忠心的感谢各位 64 xx大学工程硕士学位论文 参考文献 [1]周东华,胡艳艳(动态系统的故障诊断技术IN](自动化学报,2009,(6):748( [2]宋小鹏,潘宏侠(机械故障诊断技术研究[J](机械管理开发,2006,(8):10( [3]葛孚宁(基于红外测温的设备内部缺陷诊断[J](机电工程技术,2008,37(7):36( [4]陈衡,侯善敬(电气设备故障红外诊断[M](中国电力出版社,1999( [5]Patrick 0(Moore(Infrared and Thermal Testing[A](Non—destructive Testing Handbook[M](Published by the&neri—can Society for Nondestructive(2001( [6]倪国强,秦庆旺,肖蔓君,高昆(中国红外成像技术发展的若干思考[N](科技导报,2008(26(22):88( [7]李国华,吴立新,吴淼,曲敬信(红外热像技术及其应用的研究进展[J](红外与激光工程,2004((6):228—230( [8]袁仁续,赵鸣(红外热像技术在无损检测中的应用研究进展[N](福州大学学报(自然科学版),2005,(10):203( [9]王海英(大学基础物理学[M](北京:高等教育出版社,2002( [10]刘莹,张记龙(材料的红外无损检测技术及其进展[N](华北工学院测试技术学报,2001,(4):275—279( [11]李晓刚,付冬梅(红外热像检测与诊断技术[M](北京:中国电力出版社,2006( [12]红外热成像系统在高速公路监控系统中的应用 刘凤杰《交通标准化》2010年8月下半月刊?总第227期 148 刘新全,邢英杰,孙鹏.基于红外热成像技术的电气设备潜在故障分析与 [30] 应用. 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2009,47 65 xx大学工程硕士学位论文 66
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