紅外測溫技術在配電設備狀態檢修中的應用研究

夏志雄

（國網孝感供電公司，湖北 孝感 432100）

配電設備作為電力系統與供電線路中的主要結構，主要承擔電能轉換、電力調度等方面的責任。目前，大部分電力企業進行配電設備運行狀態的檢查以周期巡檢、缺陷巡檢為主。通過此種方式，可保證配電設備具有可持續、穩定運行的優勢。但此種檢修方式僅適用于對配電設備外觀缺陷的檢測，對于配電設備中的一些隱蔽性故障卻束手無策。隨著現代化技術在設備檢修作業中的應用，電力企業首次提出了在此項工作中引進紅外測溫技術，通過對設備表面溫度的及時感知，掌握運行中的異常溫度差。在此項工作中，使用輔助傳感器對配電設備的運行狀態進行檢測。目前，關于此方面內容的研究在電力企業中尚處于理論研究階段，仍未有完善的指導方案為此項工作提出技術指導。因此，本文將在現有工作的基礎上，引進紅外測溫技術，設計一種基于此項技術的配電設備狀態檢修方法，為電力企業的持續化發展與建設提供專項技術作為指導。

1 紅外測溫診斷方法

當前，常用的紅外線溫度檢測技術主要有：測定表面溫度、相對溫差的測定、同類比較、熱譜圖分析法和檔案分析法。

（1）表面溫度判斷法。根據紅外線測溫的基本理論，對電氣設備進行了表面溫度的測定，并與有關規范進行比較，發現其超限程度、設備重要性、設備的力學性能等指標均可作為電氣設備質量的依據。

（2）相對溫差判斷法。利用紅外測溫的基本理論，通過對功率器件的溫升進行測溫，通過以下公式求出器件的相對溫差，從而確定器件的故障等級。

式中， μt、 E2E1E0分別表示溫差值、發熱點溫度、正常溫度和參照體溫度。

（3）同類比較法。在三相電流對稱、三相設備相等的前提下，采用相似的方法可以檢測電流激勵設備相應位置的溫度，從而確定設備有無故障。如果三相裝置在同一時段出現了不同的溫度變化，則可以將其與其他類型的裝置進行對比，如果三相負載不均勻，則應進一步研究負載的發生。一般而言，當溫度相差大于30%時，即可判定有重要的電氣裝置不正常。

（4）熱譜圖分析法。該方法是通過比較相同類型的裝置的常規和非常規工況下的熱譜曲線，通過二者的比較來判定其是否有故障。

將配電設備的紅外輻射過程作為一個紅外線反饋信號檢測的過程，當發射端在對檢測目標進行紅外探測時，發射的信號將以功率的方式進行傳輸，但信號的功率會在大氣中傳輸發生衰退或驟減，為了避免此種現象造成信號的衰減，需要輔助使用光學檢測儀器，將其聚焦在探測器中，將目標檢測對象反饋的信號作為可以直接處理的電信號，并在接收端通過對信號放大處理的方式，對輻射信號以二維熱圖像的方式，進行目標溫度場展示。

在檢測過程中明確，任何一種物質在運動或運行過程中都會輻射一定的熱量，可將此種熱量作為熱紅外能量，而配電設備本身又是一個具有溫度的設備，運行時會隨時隨地散發紅外熱量。對此種熱量進行成像表達，可以將其描述為一種電磁波，此類電磁波的有效范圍在0.78~1000.0pm，其中可見光的波長有效范圍在0.38~0.78pm。根據大量的理論與實踐證明，配電設備外表面的溫度會在其運行中高于熱力學溫度（熱力學溫度取值為-273.0℃）。因此，對設備表面進行探測，便是對紅外設備不同輻射產生溫度場的探測?？梢栽谡莆赵O備外表面溫度場的變化后，對其表面具體測點溫度的推測，通過此種方式，獲得配電設備外表面熱紅外特征，從而實現對配電設備運行溫度的實時檢測。

2 配電設備狀態缺陷類別劃分

通過紅外測溫技術實現對配電設備外表面溫度場的實時感知后，可以通過反饋信號局部過熱信息的表達方式，進行熱故障信息的描述。此時，熱故障中心顯示的溫度點便是熱力場的中心分布點，通過此種方式，可以從設備溫度熱力圖中進行設備故障的判斷及其嚴重程度。為了進一步感知配電設備狀態缺陷，下述將根據設備制熱缺陷的產生機理，對缺陷類別進行劃分。

配電設備在運行中，其介質材料或銜接線路可以在整體線路中起到控制電能、電壓、電流等綜合流向的作用。因此，配電設備在交流電壓的支撐下運行，產生的損耗量也可被稱為介質性損耗，可將此種損耗分為設備電導損耗與極化損耗兩種類型，前者是指配電設備中的載電粒子在電壓的作用下發生定向移動，從而消耗有功電能的過程。后者是指配電設備在運行中由于異常電力行為出現的無功供電行為，對配電設備介質損耗量的計算可用下述公式表示。

式中，P表示為配電設備介質損耗量，計算單位為W；U表示為配電設備交流電壓，計算單位為V；ω表示為電流余量，計算單位為I；C表示為電力負荷；t表示為設備常態化運行時間，計算單位為s；g表示為電壓與電流的余角；δ表示為電能交互行為發生頻率。通過上述計算公式可以看出，配電設備在運行中發生的紅外溫度缺陷可以通過基礎參數的計算得出。設定P的有效取值范圍，根據計算中不同參數的最小值與最大值，得到P的最小值與最大值。比對計算結果與配電設備不同檢測點的損耗量，即可初步掌握設備的狀態類別。

3 設備故障匹配與檢修

掌握配電設備在測量中得到的多項參數具體值，進行設備狀態與故障的匹配。此次研究提出的匹配方法為溫度診斷法，提出的診斷方法大多用于常規性狀態與異常的檢測，即由于配電設備在運行中電壓或電流值超標造成的溫度場異常。當檢測中出現隨著配電設備運行時間的增加溫度增加的現象時，說明此時的故障屬于電壓與電流故障，計算此時的損耗量，實現對配電設備故障的匹配，將此過程表示為下述計算公式。

式中，RI表示為電阻電流，計算單位為A；CI表示為配電設備連接線路電流，計算單位為A；γ表示為配電設備電流與電壓故障。針對滿足上述計算公式（2）需求的狀態，可以直接采用現場電力負荷調試的方式進行不同線路的檢修。

除上述提出的方法外，還可以通過相對溫度電流差計算的方式，進行配電設備在正常情況下與非正常情況下異常行為的累加，通過對累加結果的分析，掌握設備的階段性缺陷。但在基于此種方式的故障匹配處理時，應注意對輻射反饋信號在傳遞中可能受到不同實體表面光滑度與形狀的影響。因此，在匹配故障時，應做好對實體表面缺陷的識別，并采用信號補償的方式，實現對配電設備狀態的精準診斷。在此基礎上，采用不同縮小檢測范圍的方式，將異?，F象圈定在一個相對較小的范圍，以此種方式，便可以實現對故障現象的精準檢測與處理。

4 實例應用分析

為證明本文提出的紅外測溫技術可以在電力企業中起到輔助配電設備檢修的作用，在完成上述設計后，下面將通過實踐的方式，對設計方法的可行性進行證明。

首先針對基于紅外測溫技術的配電設備狀態檢修環境進行選擇，以某變電運維班作為依托，已知在該班組當中存在某330.0kV變電站1號電容器組異響且聲音較大的問題。為了探究異?，F象產生的根本原因，引入紅外測溫技術，針對其配電設備的運行狀態進行檢修。已知該變電站中使用的電容器型號為GE Grid Solutions，額定電壓為220.0V，絕緣耐壓為2500.0Vac/m，斷開容量為250.0V/10.0A。該型號電容器保護和自動化功能均能夠通過邏輯編程實現，同時兼有遙測、遙控、遙信等功能。在GE Grid Solutions電容器上配備了測量模塊，能夠實現各種測量，計量精度均能夠達到0.5級。為了驗證本文檢修方法的可行性，首先針對電容器組各相支撐絕緣子絕緣電阻值進行測定，測定結果記錄如表1所示。

表1 檢修方法對支撐絕緣子絕緣電阻值的測定結果

從表1中得到的測量結果可以看出，在對絕緣電阻A相進行測定時，其電阻值為4.50MΩ嚴重不符合電容器標準運行要求，說明在1號電容器A相上存在絕緣性能劣化的問題。通過上述得出的測定結果可以初步判斷，本文提出的引入紅外測溫技術的配電設備狀態檢修方法能夠實現對變電站電容器異常絕緣性能檢測。同時，通過得出的測定結果可以看出，在百能電站交流電場的作用下，介質損耗會逐漸增加，造成了電容器絕緣子異常發熱現象，同時，也會造成與該絕緣子相連接的固定扁鐵產生對地放電。針對這一缺陷問題，若不進行及時修復則會造成配電設備接地故障問題產生，影響變電站的正常運行。

在上述論述基礎上，初步實現對紅外測溫技術在配電設備狀態檢修當中應用可行性的驗證，為了進一步探究該檢修方法的應用優勢，選擇針對變電站配電設備的雙極平衡閥側套管的溫度進行測定，按照本文上述檢修流程對其溫度進行測定，并將其與實際套管溫度進行對比。通過對3種存在不同缺陷問題的套管溫度進行測定，并計算得出本文檢修方法測定結果的相對溫差值，以此實現對檢修方法檢修精度的比較。相對溫差的計算公式為：

式中，λ表示為相對溫差值；2τ表示為利用紅外測溫技術測定得到的套管溫度；1τ表示為實際雙極平抗閥側套管溫度。根據公式（4）計算得出在3種不同缺陷問題下的測定結果相對溫差值，并將其記錄如表2所示。

表2 本文檢修方法套管溫度測定結果表

從表2得出的結果可以看出，利用本文提出的檢修方法對套管溫度進行測定，測定結果的相對溫差均在1.50%以下，說明具備了一定測定精度，證明將紅外測溫技術應用到配電設備狀態檢修當中能夠為其檢修方案的制定提供更有利的數據依據，確保配電檢修合理。

5 結語

本文對基于紅外測溫技術的配電設備狀態檢修方法展開設計。完成設計后，為了證明此次研究的技術具有一定可行性，選擇市場內某電力企業作為實驗單位，通過實例應用的方式，證明了本次設計的檢修方法與引進的技術，可以實現對配電設備狀態的精準識別與檢修處理。但若正式將此方法投入電力企業中推廣使用，還需要進一步研究，從不同方面進行方法的測試，掌握此方法使用存在的局限性，并以此為依據，提出對應的整改策略。以此種方式，為我國電力企業與供電單位的可持續發展與建設提供專項技術指導，保障終端為用戶提供供電與配電服務的優質性。