红外成像技术在大型发电厂的应用
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【摘 要】 红外诊断技术是一种诊断电气设备故障的非接触式的检测手段，可以显示故障部位和故障的严重程度，能够进行设备缺陷热分布场的分析，比传统的预防性试验相比，不仅减少了设备停电时间，更能有效的检测出与运行电压、负荷电流有关的设备缺陷，可准确判断内部、外部故障的具体部位，在对电气设备运行工况的状态诊断中发挥了巨大的作用。本文就红外成像在电厂的应用情况做一些初步分析和研究，同时提出了几点建议。
【关键词】 红外热成像仪 发射率 电流致热型设备缺陷 电压致热型设备缺陷 相对误差法；热像特征（热谱图）
1 前言
总所周知，电气设备会由于某些电气元部件运行中逐渐出现松动、破裂、锈蚀等造成接触电阻增加，致使电气元部件温度升高，出现热异常现象，所以电气设备的发热性缺陷大都不是突发性的，会经历一个发生、发展到事故的过程。目前，对一些有发展性的缺陷用传统手段较难准确发现，特别是一些在运行中较易发热的设备缺陷，要到设备发热到一定的程度后（一般都已造成运行设备不同程度的损坏）才能被发现，延误了设备缺陷的及时发现和处理。应用红外热成像技术对电气设备进行检测能及时有效地发现和识别运行中设备的发热部位及隐患，为分析缺陷的原因及缺陷的程度提供了科学依据，与传统的测温方式（如热电偶、不同熔点的蜡片等放置在被测物表面或体内）相比，热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高，不受电磁场干扰，便于现场使用。它可以在-20℃～2000℃的宽量程内以0.05℃的高分辨率检测电气设备的热致故障，揭示出如导线接头或线夹发热，以及电气设备中的局部过热点等等。所以，红外测温和热成像设备得以广泛使用，以利于采取合理可靠的处理措施，杜绝恶性、突发性设备事故发生。
由于红外成像设备的性能、使用操作、数据分析有较高的要求，因此，检测人员素质、检测仪器性能、受检对象情况、检测位置的选择、检测条件（环境影响）、数据分析水平等对诸多因素影响着红外成像设备检测的准确性。因此，本文针对近几年来红外热成像技术在大型发电厂的应用情况做一些初步分析和研究。
2 大型发电机的红外测温和热成像工作情况。
以前对于发电机出线与封闭母线接头处的测温，多采用贴示温片或装设测温元件的测温方法，只能判断接头处的整体温度，而不能判断由于个别连接片接触不良而造成的局部发热缺陷。现在采用热成像测温和分析，可以在发电机接头的观察孔装设如硒化锌（ ZnSe）或氟化钡（BaF2）等既可透红外辐射又可透过可见光的光学材料作为窗口材料，使用红外成像仪采用温度判断法来诊断设备正常与否。
对于全封闭的发电机本体可用红外成像仪对发电机端盖因漏磁所引起的涡流损耗发热、轴承发热、冷却系统局部堵塞等缺陷进行检测准确定位。
在发电机的检修工作中，若发现定子直流电阻超标的情况，传统的做法是打开汽励两侧线圈并头套来确定定子绕组接头接触不良缺陷位置，此方法工作量大、工作时间长、劳动强度强。可在发电机定子绕组中加入试验电流（一般0.3～0.5额定电流），待温升稳定后对记录所有绕组接头的热谱图并分析，此方法可通过寻找温升异常的接头来定位接触电阻偏大的定子绕组接头。
3 红外测温和热成像法对大型变压器故障的分析
电力变压器作为电气系统的核心，是发电厂的主设备。在正常运行时，变压器的热像图特征：①顶部是高温区，温度逐渐向下减弱；②套管升高座附近温度最高；③本体呈现一个明亮的红外热图像。无论负载轻重，变压器自身都存在一定的损耗，通过同类比较法和档案分析法对变压器各部件的热像检测对比，可有效发现变压器多种缺陷。
3.1 铁芯局部发热缺陷
变压器铁芯局部发热是由于铁芯迭片片间短路或铁芯多点接地造成的，这2种原因引起的铁芯局部发热都在变压器内部，因此只有对低厂变、励磁变等干式变压器和固体绝缘的干式PT、CT等设备才能采用红外检测发现此类缺陷。对于主变等大容量油浸变压器而言，由于故障点产生的热功率无法有效地传导到箱体表面，故在运行中无法通过红外成像技术发现此类缺陷。此时建议采用在变压器空载和带负荷时用钳形表测量其铁芯接地引下线和上、下油箱的接地线电流并做记录，以分析如变压器漏磁增大，铁芯接地等；
3.2 箱体局部过热
导致变压器箱体局部过热可能有2种原因。
①由漏磁在箱体产生的涡流损耗引起发热，这种发热特征是的温度较高，伴有钟罩螺栓过热发红等现象，红外成像温度在100℃～300℃。②是由于发热区域附近的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的，由于其发热时间长而且比较稳定，故障点的热量可以通过热传导和对流传导与周围的导体或绝缘材料发生热量传递，引起这些部位的温度升高。因此这种发热特征是发热点的温度较低通常仅比附近箱体表面高出几摄氏度。此类发热故障与变压器因涡流损耗引起发热的最大不同就是其热像图不具有环流形状，并且绝缘不良引起的局部发热多同时伴有变压器油的气化，可以结合油色谱分析来具体判断故障性质。
3.3 变压器油回路异常
利用热成像仪扫描变压器散热器表面温度是否均匀，可判断变压器油回路有无堵塞情况，其原理就是根据金属容器与绝缘油的热比值不同的物理特性。同理可用扫描油枕表面温度的分界面的方法来判断油枕内的实际油位。
4 红外测温和热成像法对开展电缆故障的诊断
从电缆事故统计可知，电缆故障多发生在终端和中间接头处，其原因是由于接触过热或工艺不良导致电缆绝缘损坏后发生击穿。在红外成像图中，若电缆终端整体温度高于其他负荷基本相近的电缆终端，根据DL/T 664-2008提供的相对温差计算公式计算，当计算得出δt>20时，可认为该电缆终端绝缘整体受潮缺陷。若电缆终端有局部温度过高的现象，可能是由于制作油浸电缆头浇灌或交联电缆热缩头包扎不良、压接头几何尺寸不对称等原因造成的电缆终端三叉口处过热缺陷，而产生以电缆终端三叉口处某点为中心的局部发热。电缆中间接头发热多是由于中间接头连接时接管压接不紧或接触面氧化腐蚀等造成局部过热缺陷，根据红外热像图能很容易分辨出发热部位，并根据DL/T 664-2008中规定判断其故障性质。
5 红外测温和热成像法对电动机故障情况的诊断分析
电动机设备故障主要发生在接线桩头、轴承和联轴器、定子铁芯与绕组、换向器等部位。由于安装调整不到位、轴承受力不正常、油量不足等原因都能引起轴承摩擦损耗增大，导致发热。因此用温度判别法和同类比较法相结合，来检测电动机运行中的轴承温度，能取到很好的预防效果。
6 红外测温和热成像法对GIS等全封闭设备情况的分析
红外线由于其在固体中穿透能力极其微弱的局限性，因此对于全封闭结构的中压真空断路器、GIS以及相配套固体绝缘的TV、TA等设备，由于其内部热量分布无法用红外成像的方法来分辨，只能采用其他方法，如在线局放、SF6泄漏密度在线监测等方法来判定其状态良好与否。
7 对大型发电厂红外测温和热成像应用做一个建议：
（1）目前，在大多数电厂都采用对运行中的设备全年开展1次红外测温检测，而在我单位技术人员实际工作中发现此周期间隔太长，无法有效及时的发现故障设备以及跟踪发展趋势，建议每季度检测1次，在夏季与冬季的负荷高峰期间每月检测1次，以便及时掌握设备的实际运行状态。同时，对检测设备有异常的重要设备，应加强监测，改为一周一次。有条件时，可装设在线红外热成像监测设备。
（2）建议对电厂投运初期将所有的一次设备红外热像图收集起来，建立基础图库，在以后的检测工作中产生的热像图不断充实进图库中，进行定期分析对比，以掌握设备运行状态、绝缘老化情况和热故障发展的趋势。
（3）由于红外成像仪所检测的设备操作复杂，且其测试中易受到温度、湿度、风速、阳光照射等因素的干扰，故建议针对大型重要设备分设备编写相应的作业指导书，对工作人员的具体工作和分析方法作出详细的指导，如在每次工作中检测人员站立的位置（应相同），检测的时间（应相似），检测的气候环境应遵守DL/T 664-2008中规定并对检测值做出修正等都应在作业指导书中体现，以防止测试条件的不同和分析方法的错误造成的得出错误结论。
（4）红外热成像技术可准确判断设备接头发热等外部缺陷，但对于设备内部缺陷的诊断还存在一定的难度，建议在判断内部缺陷时依据DL/T 664-2008红外规范的要求，灵活运用各种适合的分析诊断方法，同时结合具体设备的工况、内部结构进行综合分析诊断，参考电力设备预防性试验，通过应用不同的判断法避免对缺陷性质定性不准。特别对高压套管器、避雷器、耦合电容器等电压致热型设备，2℃左右的微小温差决不能忽视，这样才能准确分析、诊断出设备的内部热缺陷。
8 结语
总之，红外热像仪作为一种先进的检测手段，虽然检测的都是物体的表面温度，但可以通过研究电气设备内部故障的特点，结合其他先进的设备（如在线红外热成像监测设备、局部放电在线监测、油化色谱在线监测、特征气体在线监测、在线故障特征波形分析等）、测试方法和计算机辅助分析方法（如编写计算机辅助分析软件和建立计算机专家智能库等），扬长避短，结合设备大小修和特殊试验，以充分利用非损伤的方法更好地对电气设备的状态做出评估，防止过度的耐压等破坏性试验对设备造成的损伤，减少停电检修的损失。
参考文献：
[1]朱育理.红外热成像技术在发电厂中的应用《江苏电机工程》2011年第02期.