基于红外热像检测技术的35 kV穿墙套管发热故障分析与处理

陈 月，孙 进，徐友刚，张佳栋，王梓萌，陈胤之

(1. 国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201700；2. 国网江西省电力有限公司宜春市袁州区供电分公司，江西 宜春 336000)

电力设备在长期运行中会因接触不良、绝缘老化等原因产生发热现象，若不及时处理，会造成电力设备发热异常甚至发热故障，严重影响电力系统的安全可靠运行。因此，需要根据相关技术标准采取有效的技术手段对电力设备定期进行运行维护，及时发现和处理各类发热现象，确保电力设备健康稳定运行。

近年来，红外检测与诊断技术发展迅速且日趋成熟，其中红外热像检测技术作为一种远距离、非接触、精准、安全、易操作且实时高效的技术手段，被广泛应用于电力设备状态检修和带电检测中，能够及时发现和精准诊断电力设备的发热缺陷[1]。红外热像检测技术可为运维人员及时停电和制定消缺方案提供可靠依据，从而保障电网的安全稳定运行。

1 红外热像检测原理

1.1 红外辐射基本原理

根据光学基本知识，把波长介于0.75～1 000 μm的电磁波称为红外线。根据热力学理论，自然界一切温度高于绝缘零度的物体，都不停地向各个方向辐射肉眼不可见且带有物体温度特征信息的红外线，同时发射能量，这种现象被称为红外辐射。辐射是物体自身的分子和原子无间断、无规则运动而向外发射出的能量。其辐射量与物体的表面辐射率和温度密切相关。物体表面辐射率越大，红外辐射也越大；反之，表面辐射率越小，红外辐射也越小。温度也一样，同一物体温度高时的辐射比温度低时的辐射要大。

根据斯蒂芬-波尔兹曼定律，物体的红外辐射量与物体表面辐射率和表面积成正比，与表面绝对温度四次方成正比，对应公式如下：

W=εδAT4

(1)

式中W——物体热辐射总功率，W；ε——物体发射系数(辐射率)；δ——斯蒂芬-波尔兹曼常数；A——物体表面积，cm2；T——物体的绝对温度，K。

由式1可知，只要能够检测出物体的红外辐射能量和表面积，再确认物体的表面辐射率，就可以推算出物体表面的发射温度，这也是红外检测技术的基本原理[2]。

1.2 红外热像仪工作原理

现阶段，红外热像仪是红外检测和红外诊断技术所应用的最先进仪器，可将不可见的红外辐射转换成可见的图像，所使用的波段一般为：长波8～14 μm；短波3～5 μm。

红外热像仪主要由光学系统(红外探测器)、信号处理单元、图像处理系统、微型计算机和显示器等组成。光学系统吸收物体辐射的红外线能量，并将其转换为相应的电信号；电信号经信号处理器、图像处理系统、微型计算机转换成能在显示器看到的物体红外图像。红外热像仪的工作原理如图1所示。

图1 红外热像仪工作原理

1.3 红外热像仪使用方法

在使用红外热像仪之前，首先要对其有初步的认识，要熟悉和了解其主要参数。主要包含：温度分辨率、空间分辨率、像素(像元数)、温度测量范围、热灵敏度、采用帧速率和工作波段等。其中，温度分辨率是一项重要的指标，其参数大小决定了红外成像设备在其测量范围内热成像灵敏度的高低，也就是红外热像仪判别物体温度的能力。其次，需要查看红外热像仪管理资料的完整性，包含出厂合格证、操作说明书及是否在校验周期内，确保其处于完好保存状态。

红外热像仪开机后，需完成自身和温度的自检，当热图像稳定且数据显示正常后可以开始检测。检测类型一般有两种，分为定量检测和定性检测：定量检测是在拍摄的热图像上加上温度的测量；定性检测是拍摄优质的热图像进行分析。

为保证红外热像仪操作正确、成像质量高及诊断精准，在使用时需采取下列措施：手动或自动选择测温量程；记录影响精确测温的目标和环境温度等因素；合理调整与被测物体的距离；适当调整测量方位和改变焦距；保证仪器拍摄平稳以及降低检测环境影响等。对于初学者，需通过基础理论学习、现场实际操作、分析诊断培训等，充分掌握红外热像仪的使用方法和基本技巧。

2 电力设备红外热像检测技术

2.1 电力设备发热机理

通常情况下，电网中电力设备正常运行时在电流电压的作用下会产生发热现象，主要有电阻损耗、介质损耗和铁损等发热形式。在一定的、允许的温度范围内，发热既不会对电力设备产生危害，也不会影响其运行寿命。

若发热加剧，达到一定温度值或超过设备允许运行温度值，则会威胁设备的安全稳定运行，成为热故障。

电力设备因结构性能不同、用途不同、运行环境不同等而使得热故障种类繁多，一般可分为电流型热故障(接触型)、电压型热故障、综合型热故障、机械磨损型热故障和电力设备部件老化热故障等，有时也分为可在电力设备外部直接观测到的外部故障和封闭在设备壳体内部无法直接观测到的内部故障。

根据热力学理论，设备热故障发热部位的热分布图像应与正常运行部位不同，因此可通过红外检测技术进行热故障识别和诊断。

2.2 红外热像检测技术的应用

现阶段，红外热像仪主要有便携式成像仪、手持式成像仪、线路适用型成像仪及在线型热成像仪等，根据检测精度、成像要求和实时在线监测等不同需求而用于不同类型电力设备的温度测量。正常情况下，红外热像仪的测温范围为-20～500 ℃，电力设备用红外热像仪测量的温度范围是-20～300 ℃，满足电网中各类型电力设备的测量需求。

目前，各电力公司将红外热像仪测温技术广泛应用于一次设备如变压器、电流互感器、电压互感器、断路器、电容器、GIS组合电器设备、隔离开关、避雷器、绝缘子、电力电缆、电抗器、高压套管、输电线路、防雷接地装置等，同时也应用于二次设备如继电保护和自动装置、控制器、测量仪表、通信系统及各类屏柜等[3-4]。

当电力设备有了热故障，温度最高的热故障区域会向外辐射能量。此时使用红外热像仪对该设备进行扫描，就可以直观地找出最高温度区域，也就是热故障区域，并能在现场直接、准确地测量出热故障区域内任意一点的温度[5]。

运维人员根据检测结果进行热故障诊断，及时制定停电消缺方案，确保电力设备健康稳定运行。

3 应用案例分析

3.1 故障概况

2021年7月6日，国网上海青浦供电公司运维人员利用红外热像仪对某35 kV变电站进行检测时，发现2号主变35 kV侧A相穿墙套管桩头与母排连接处温度为97.8 ℃，B相相同部位温度为53.3 ℃，C相相同部位温度为55.4 ℃，现场环境温度31 ℃，湿度80%。

红外热像图中红色方框内为最高温度发热点位置，如图2所示。

图2 2号主变35 kV穿墙套管红外热像图

该35 kV穿墙套管外绝缘为瓷质，额定电流400 A，爬电比距25 mm·kV-1，投运于1994年，历年大修和试验结果均合格，实景如图3所示。

图3 2号主变35 kV穿墙套管实景图

为排除操作不当和环境影响，检测人员进行多次检测，结果均一样。于是将检测结果上报公司运检部并根据DL/T 664—2016《带电设备红外诊断 应用规范》附录H中电流致热型设备缺陷诊断判据表进行缺陷判别[6]。

该发热部位属于金属部件与金属部件的连接，热像特征为以线夹和接头为中心的热像，热点明显。由红外热像仪可推算出：A相套管桩头与母排连接处的热点温度满足90 ℃≤热点温度≤130 ℃；相对温差为(97.8-53.3)/(97.8-31.0)×100%=66.62%；诊断为严重缺陷。

3.2 故障处理

2021年7月16日，公司运检部对2号主变35 kV穿墙套管进行停电消缺。

检修人员将该35 kV侧A相穿墙套管拆除后解体发现：穿墙套管下侧的垫片断裂，套管内部管壁受潮严重，母排已经整体受潮氧化呈铜绿色，如图4所示。

图4 A相穿墙套管母排受潮氧化严重

随后检修人员对2号主变35 kV侧A相穿墙套管进行更换、母排进行除锈等处理，试验合格后投入运行。次日对2号主变35 kV穿墙套管再次进行红外热像仪复测，结果如图5所示。图5显示，结果正常，A相穿墙套管缺陷消除。

图5 2号主变35 kV穿墙套管复测红外热像图

3.3 故障分析

检测人员分析发现近期连续降雨加上气温偏高，空气总体湿度大。由于A相穿墙套管下侧的垫片断裂导致湿气进入套管内部，长期运行使得母排氧化、接触不良，导致电阻的增加，从而引起发热，温度升高又会进一步加剧母排的氧化，导致电阻进一步增大，如此形成恶性循环，最终形成热故障缺陷。通过红外热像仪能够准确、直观地发现该热故障，再根据DL/T 664—2016《带电设备红外诊断应用规范》进行诊断并判别缺陷类型，避免停电事故的发生。

因此，在对电力设备日常巡视和状态检测时，可利用红外热像仪对变压器、断路器、隔离开关、套管及母排连接处等易发热部位加强检测，提高电力设备热故障检出率，提升电网状态检修效率。

4 结语

近年来，红外热像技术作为一种高效便捷的带电检测技术广泛用于电力设备状态检修和故障诊断。本文介绍了红外热像技术的基本原理、使用方法和电力设备热故障的理论知识，通过红外热像仪发现一起电力设备发热故障并进行分析与处理，表明红外热像技术能够助力运维人员及时发现电力设备发热缺陷，有效降低了电力设备故障发生率，提升了电网状态检修效率，进一步保证了电力设备的安全稳定运行。