红外热成像技术在发电厂变压器运维中的应用

陈 聪 王云阳 梁 辰 徐俊元 王晓剑 何天磊

（1、中电华创电力技术研究有限公司，上海200086 2、中电华创（苏州）电力技术研究有限公司，江苏 苏州215123 3、中国船舶重工集团公司第七○三研究所，黑龙江 哈尔滨150001）

在发电厂升压站及其他高压设备出现故障时，故障部位会伴随表现出热状态异常现象，而红外故障检测可实现对被测物体的表面温度变化情况以及热量分布的实时获取，可对高压设备进行实时检测，同时红外热成像技术具有非接触式红外诊断的特点[1]，使得红外热成像技术在应用于高压电气设备热故障检测时具有更高效、更方便、更准确的优点。因此红外成像技术在电力系统得到广泛使用，现场运维人员是否能够准确判断变压器运行状态，对变压器状态检修策略的制定有着重要意义。

1 红外技术介绍

1.1 红外检测技术的实现原理

红外检测技术原理是通过被测设备发射红外辐射信号获得该设备表面热状态信息。由于发电厂中高压电气设备出现接触电阻过大或者其他内部故障时，故障部位会伴随表现出热状态异常现象，故障部位表面温度远高于正常状态下的温度，这种故障统称为热故障。因此当发电厂变压器等设备出现热故障时，可利用红外检测技术获得被检设备表面热状态信息，通过对被测设备的热故障进行分析来确定内部故障的成因及应对措施。

1.2 红外热成像仪简介

红外热成像仪是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过光谱滤波、空间滤波，使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，对被测物的红外热像进行扫描并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理，转换成标准视频信号通过电视屏或监视器显示红外热像图[2-3]。

热像仪由两个基本部分组成:光学器件和探测器。光学器件将物体发出的红外辐射聚集到探测器上，探测器把入射的辐射转换成电信号，进而被处理成可见图像，即热图。如图1 所示。

图1 热像仪工作原理图

2 缺陷情况

2020 年4 月18 日至4 月19 日，某发电公司运维人员在500kV 升压站内，对联络变压器进行红外热成像检测，发现联络变存在一处过热缺陷：

联络变C 相中压套管与导线连接处存在过热现象，热点温度为75.4℃，与同一被测设备不同部位相比，热点处温差为51.9K，热点处温升为58.5K，温度场有一定梯度。4 月19 日同一时间段，电气专业对过热异常相进行了复测，热点温度为65.2℃，与同一被测设备不同部位相比，热点处温差为41K，热点处温升为45.4K，温度场有一定梯度。

3 事件经过

3.1 图像分析

500kV 升压站联络变压器为三相分体变压器，联络变压器经三相对比过热点有两处，其中C 相中压套管与导线连接处存在过热现象如图2。

图2 故障点的红外图像

针对于此处过热，运维人员分别于4 月18 日及4 月19 日前后2 天进行拍摄，环境温度分别为16.9℃、19.8℃；红外热成像仪辐射率设置为0.9；相对湿度分别为45.3%、41.9%；目标距离为2m；负荷电流分别为1057 A、863.6A，正常相如图3 所示。

图3 正常相红外图像

3.2 数据分析

（1）4 月18 日数据分析

a.热点温度：T1=75.4（℃）

b.正常相对应点温度：T2=23.5（℃）

c.被测设备区域的环境温度：T0=16.9（℃）

d.温度差：ΔT=T1-T2=51.9（K）

e.温升：τ=T1-T0=58.5（K）

f.相对温差：δ=(τ1-τ2）/τ1=（T1-T2）/（T1-T0）×100%=88.71%

（2）4 月19 日复测数据分析

a.热点温度：T1=65.2（℃）

b.正常相对应点温度：T2=24.2（℃）

c.被测设备区域的环境温度：T0=19.8（℃）

d.温度差：ΔT=T1-T2=41（K）

e.温升：τ=T1-T0=45.4（K）

f.相对温差：δ=（T1-T2）/（T1-T0）×100%=90.3%

4 原因分析及解体验证

4.1 原因分析

此次联络变压器中压套管接头处过热问题，依据DL/T 664-2016《带电设备红外诊断应用规范》对测试结果的计算分析可知属于电流致热型设备缺陷，缺陷等级为严重缺陷。但热点温度未达到紧急缺陷温度值。

初步判断因导线散股或线夹松动造成联络变C 相中压套管与导线连接处温度过高，亦不排除由于接线松动、支撑材料受高温变形等因素影响。从热成像图中可见，接近中压套管线夹处附近导线成螺旋状过热分布，线夹左侧与导线接线处温度最高，热点温度最高为4 月18 日拍摄的75.4℃，最高温升为57.5K。受视场与空间分辨率限制，为了更清晰的表征发热点的温度分布，在所选择的温度范围内[4-5]，调节电平值和跨度值优化图像，并提高图像的对比度。经过对拍摄图片的这些处理后效果见图4。

图4 故障相特写

4.2 解体验证

经发电厂上报调度申请停电，6 月初进行变压器的缺陷消除。在检修过程中，将线夹拆解时，发现导线与线夹之间紧固程度低，并在拆下线夹后发现线夹存在裂纹，以至于在受到很小的外力后线夹断裂[6]。

通过发电厂结合停电检修处理，验证了之前的分析，并有效地避免了事故进一步扩大给发电厂造成经济损失。检修中拆下的线夹图片如图5 所示。

图5 断裂的线夹

4.3 总结

（1）红外热检测技术可有效、及时地发现高压设备故障，运维人员对红外测温熟练掌握可及时发现潜伏性故障，有效提高发电厂设备可靠性。

（2）在精确测温过程中要进行复测，并记录环境温度及负荷电流等情况。

（3）判断设备缺陷要结合电压致热性与电流致热性缺陷进行判断。