封閉高壓開關(guān)設備發(fā)熱問題的紅外成像診斷技術(shù)推廣交流材料

1、目 錄,一 成果名稱二 推廣范圍三 集團先期使用情況四 效益測算五 關(guān)鍵設備或技術(shù)六 技術(shù)原理七 推廣方案八 其它注意事項九 適用標準,,一 成果名稱封閉高壓開關(guān)設備發(fā)熱問題的紅外成像診斷技術(shù)二 推廣范圍建議在集團公司6-35KV封閉高壓開關(guān)推廣使用。,,三 集團先期使用情況帶電設備紅外診斷是利用紅外測溫儀器對運行中的電氣設備的狀態(tài)進行監(jiān)測，診斷是否存在過熱性缺陷（故障

2、）以及存在的缺陷性質(zhì)嚴重程度，作出結(jié)論，提出相應反事故對策。因此它屬于設備故障診斷的范疇。由于設備故障監(jiān)測和診斷技術(shù)水平確定了設備維修機制。所以帶電設備紅外診斷及其它電氣設備的狀態(tài)監(jiān)測和診斷，使電氣設備維修機制從“定期預防維修”逐步走向“狀態(tài)維修或預知維修”。帶電設備紅外診斷技術(shù)的應用和推廣，已產(chǎn)生明顯效果，受到人們重視。技術(shù)本身也在不斷發(fā)展之中，還有許多認識需要進一步完善和提高。,,作為電力系統(tǒng)開展紅外診斷的推薦性技術(shù)標準和工作標準

3、的DL/T664-1999《帶電設備紅外診斷技術(shù)應用導則》，在國內(nèi)外沒有類似標準的情況下編寫完成，，為電力單位紅外檢測的推廣和應用，起了極大作用?！秾t》介紹了電氣設備過熱性缺陷的成因，并且從熱源位置將缺陷劃分為外部缺陷和內(nèi)部缺陷。這兩種缺陷在對檢測人員素質(zhì)要求；檢測儀器技術(shù)性能要求；檢測時機要求；檢測方法要求；工況判別要求；缺陷性質(zhì)嚴重程度的判據(jù)等各方面均不相同。因而必須分別檢測和處理。而且判斷方法不同，不能混淆。所以，兩類缺陷要分

4、別組織檢測和診斷。,,目前生產(chǎn)現(xiàn)場有大量運行中的封閉開關(guān)設備由于外殼的阻隔,其紅外發(fā)熱診斷基本沒有開展，或者通過外科表面的溫度檢測來間接估計、判斷內(nèi)部的發(fā)熱問題，屬于定性判別的初步診斷。密閉的高壓柜卻讓紅外檢查束手無策，由于不能準確的了解柜體內(nèi)部發(fā)熱狀況，事故就這樣在毫無防備的情況下發(fā)生。故而檢測和監(jiān)視全封閉的高壓開關(guān)設備內(nèi)部的工作溫度，尤其是觸點、母線排連接等處，提前發(fā)現(xiàn)和排除熱故障隱患，對電力系統(tǒng)的安全可靠運行非常重要和必要的。,致

5、熱效應部位裸露，能用紅外檢測儀器直接檢測出的缺陷稱為外部缺陷。,,外部缺陷的定義：致熱效應部位裸露，能用紅外檢測儀器直接檢測出的缺陷稱為外部缺陷。例如：高壓電氣設備出線接頭、裸露刀閘刀口和觸頭、T型線夾、母線銅排、穿墻套管；配電線路、高壓輸電線路的接續(xù)管、跳線線夾等設備或部件產(chǎn)生的缺陷。特點：能直接測量，且檢測結(jié)果真實反映發(fā)熱狀態(tài)?，F(xiàn)場檢測KL’特別大。,致熱效應部位裸露，能用紅外檢測儀器直接檢測出的缺陷稱為外部缺陷。,,內(nèi)部缺陷的

6、定義：致熱效應部位被封閉，不能用紅外檢測儀器直接檢測，只能通過設備表面場溫度進行比較、分析和計算才能確定的缺陷。例如：變壓器內(nèi)部鐵芯、線圈、封閉開關(guān)內(nèi)部連接處發(fā)熱；互感器、避雷器內(nèi)部發(fā)熱。特點：不能直接檢測發(fā)熱真實狀態(tài)，只能從設備表面間接測定。,,近年來，電力系統(tǒng)已發(fā)生多起因設備過熱而發(fā)生火災和大面積停電事故。據(jù)統(tǒng)計分析，我國每年發(fā)生的電力事故，有40％是由高壓電氣設備過熱所致；而在采用高壓開關(guān)柜和電力電纜的供電系統(tǒng)中，有70％以上

7、的電纜運行故障是因為連接部位接觸電阻變大、過負荷等引起接頭溫度過高所致。因此，對高壓開關(guān)柜連接點的溫度變化進行監(jiān)測及預警是非常必要的。,,根據(jù)《2004年國家電網(wǎng)公司高壓開關(guān)運行分析》一文中指出：“……載流故障主要集中在12-40.5KV中高壓開關(guān)設備上，存在的問題主要集中在觸頭過熱，引線過熱，常擴大為絕緣故障……導致過熱以至起弧燒壞設備。”國家電網(wǎng)公司生技[2005]400號文《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大事故措施》中將“觸頭、出線座

8、”定為“重點部位”要求指出“特別是重負荷或高溫期間加強對運行設備溫升的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施?！?,高壓開關(guān)觸頭和母線排連接處處于高電壓、高溫度、高磁場以及極強的電磁干擾環(huán)境中，傳統(tǒng)的測溫方法如熱電偶法、測溫探頭法、光纖法等易受到這些因素的干擾和影響，因而無法對這些位置進行直接接觸測量，從而也就無法真正得到高壓開關(guān)柜的真實工作狀態(tài)，以致設備內(nèi)部局部過熱卻仍在“帶病”運行。由于傳統(tǒng)的測溫方法耗時費力,效率低下,然而通過紅外窗口測溫新

9、技術(shù)的開展就顯得非常有必要,將內(nèi)部缺變?yōu)橥獠咳毕?，提高可視化既提高了檢測的針對性,又節(jié)省了大量的人力、物力、財力,而且能對電氣設備的安全運行多提供一層保障,對安全生產(chǎn)有著重要的意義。,,目前使用的開關(guān)柜主要有為KYN、XGN、GGA。其中KYN占了開關(guān)柜總數(shù)量80%以上，它們有一個共同特性：一次設備全封閉或半封閉在金屬外殼里面。目前主要通過檢測柜體的表面溫度，反映內(nèi)部設備的發(fā)熱狀況，存在誤判、或判斷滯后的情況。,6KV電源進線柜的發(fā)熱,

10、,2010年，大唐信陽發(fā)電有限責任公司根據(jù)現(xiàn)場實際需要，通過與四川大學電氣工程實驗室協(xié)作，在1、2號機組6KV廠用電進線開關(guān)、饋線開關(guān)、電壓互感器開關(guān)、母聯(lián)斷路器開關(guān)柜體上各加裝了1個多光譜觀測窗，與紅外熱成像儀配合，通過1年的時間，特別是冬夏兩季大負荷期間收集了大量的紅外熱成像圖譜，建立起封閉式開關(guān)柜的紅外熱成像數(shù)據(jù)庫，取得了較好的效果。,,四 效益測算 本項目通過使用可以透過紫外線、可見光、紅外線的光學窗口與紅外熱成像儀配

11、合，結(jié)合現(xiàn)場溫度實測，進行了故障分析預測及失效判據(jù)的研究，完成損耗發(fā)熱計算的有限元法參數(shù)化建模，得出其熱成像異常的判據(jù)，可在不中斷、不干擾設備運行的前提下，及時準確地掌握設備內(nèi)部發(fā)熱情況。在后續(xù)研究工作中，將仿真計算與現(xiàn)場實測進一步結(jié)合，利用現(xiàn)有封閉開關(guān)設備，獲取更加豐富的計算和實測結(jié)果，掌握了封閉設備內(nèi)部發(fā)熱部件的損耗和溫度分布規(guī)律，為封閉開關(guān)設備狀態(tài)檢修的開展提供更為具體實用的參考。,,投資成本分析1 紅外成像儀模塊購買10（

12、萬元/臺）2 紅外觀測窗口試制9（萬元）單臺開關(guān)300元，每臺機組按30臺開關(guān)計算3技術(shù)服務費 1（萬元）4安裝及試驗所需材料費1（萬元）5委托試驗，租用實驗設備費、現(xiàn)場實驗費3（萬元）,,將多光譜觀測窗安裝于封閉設備外殼的適當位置，不僅能作為普通的觀測窗檢視封閉設備內(nèi)部情況，而且與紅外熱成像儀配合可方便安全地實現(xiàn)封閉開關(guān)柜內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)、母線排、電纜接頭等導電接觸面溫度的大面

13、積、大范圍紅外發(fā)熱監(jiān)測，為狀態(tài)檢修提供有力依據(jù)。另外，還可用紫外成像儀觀察封閉高壓開關(guān)設備的電暈放電現(xiàn)象，從而實現(xiàn)絕緣缺陷和污穢的在線檢測。而高強度金屬外框、蓋板、密封膠圈則可以很好的滿足電氣設備安全及密封的要求?？蓮V泛應用于6KV-40.5KV的電氣設備上，即可利用普通的紅外測溫儀可以直接測量。,,五 關(guān)鍵設備或技術(shù)研究人員通過多光譜觀察窗配合紅外熱成像儀對現(xiàn)場封閉式高壓開關(guān)柜內(nèi)圖譜進行收集，并計算機模擬多種情況下的電磁場和流場，

14、進行了全面的分析研究，從廣度來說研究是比較全面而準確的。國外電力設備運營商大都采用紅外窗口的技術(shù)進行高壓開關(guān)柜內(nèi)溫度的直觀測量。安裝后即保證了設備的安全運行檢測；又能在不停電的情況下對現(xiàn)場設備進行連續(xù)的紅外無損檢測及分析，為電氣設備運行提供有效保證。,,紅外窗口由于其特殊的材質(zhì)具有透紅外線、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全等優(yōu)點特別適用安裝在高壓開關(guān)柜上，輕松實現(xiàn)開關(guān)柜紅外成像測溫，徹底解決高壓開關(guān)柜觸頭過熱隱患。還可用紫外成像儀觀察封閉高壓

15、開關(guān)設備的電暈放電現(xiàn)象，從而實現(xiàn)絕緣缺陷和污穢在線檢測。紅外窗口的光學晶體包含有3層鍍膜：第一層為氟化憶（YF3），第二層為氟化鏡（YbF3）,第三層為氟化憫（LaF3），可以透過紫外線、可見光、紅外線。,,,,技術(shù)參數(shù)要求紅外測溫窗口技術(shù)參數(shù)符合3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設備和控制設備二次附屬設施的安全要求。晶體材料工作波段0.15-14微米，覆蓋可見光、紅外線、紫外線全光譜；紅外線（8～14微米）透過率：0-

16、250°C時大于85%。,,晶體材料測溫范圍-20°C～500°C。晶體規(guī)格直徑≥60mm 厚度≥2mm最大可視直徑≥55mm 防護等級：戶內(nèi)設備IP44，戶外設備IP54以上。,,額定絕緣水平AC 40kV晶體抗壓強度滿足IK07防護等級要求。 結(jié)構(gòu)要求紅外測溫窗口應包含晶體材料、鑲接法蘭、保護蓋、密封圈等幾部分。其中，鋁合金法蘭鑲接光學晶體材料，晶體材料設計有密封圈。保護蓋

17、能夠耐受電弧沖擊。,,1 型式試驗要求1.1 燃弧試驗安裝在開關(guān)柜的紅外測溫窗口，應通過內(nèi)部燃弧試驗。1.2 沖擊試驗晶體材料應滿足GB/T 20138-2006中防護等級IK07的試驗要求。1.3 絕緣試驗承受40kV、1min的工頻電壓，無閃絡放電現(xiàn)象。1.4 紅外線透過率試驗0.15-14微米，覆蓋可見光、紅外線、紫外線全光譜；紅外線（8～14微米）透過率：0-250°C時大于85%。,,出廠試驗要求

18、2.1 外觀檢查檢查產(chǎn)品外觀，晶體無劃痕、裂紋、氣泡、結(jié)晶顆粒。產(chǎn)品直徑、厚度符合廠家規(guī)定。2.2 紅外透過率試驗0.15-14微米，覆蓋可見光、紅外線、紫外線全光譜；紅外線（8～14微米）透過率：0-250°C時大于85%。,,,,,,,,剖視圖中紅圈的部位安裝多光譜觀測窗?？杀O(jiān)測母排、電纜接頭、PT/CT接頭。,,檢測儀器要求手持（槍）式紅外熱像儀能滿足一般檢測要求，有最高點溫度自動跟蹤，采用LCD顯示屏，可無

19、取景器，操作簡單，儀器輕便，圖像比較清晰、穩(wěn)定。 便攜式紅外熱像儀能滿足精確檢測的要求，測量精度和測量溫度范圍滿足現(xiàn)場測試要求，性能指標較高，具有較高的溫度分辨率及空間分辨率，具有大氣條件的修正模型，操作簡便，圖像清晰、穩(wěn)定，有目鏡取景器，分析軟件功能豐富。,,六 技術(shù)原理物體的溫度在1000℃以下時，熱輻射最強的是紅外輻射。,,溫度不同,輻射波長不同,輻射能量不同,,,紅外輻射范圍內(nèi)，電氣設備熱缺陷均在紅外診斷范圍內(nèi),紅外檢測

20、反映溫度高低的直接原因,,在紅外檢測中，根據(jù)致熱效應的來源，大體上把電氣設備分為三大類：電壓致熱型——由于電壓效應引起發(fā)熱的設備。如電壓互感器（PT、 CVT）、避雷器、絕緣子、耦合電容器（OY）、均壓電容器等。通常反映設備的內(nèi)部缺陷（如介損增大、內(nèi)部絕緣不良、泄漏電流增大等）和外部缺陷（如表面污穢、裂紋等）。電流致熱型——由于電流效應引起發(fā)熱的設備。如隔離開關(guān)、斷路器的接頭、觸頭，CT的外部接頭，導線及壓接頭，阻波器等。通常反

21、映設備的外部缺陷（如接觸不良），但斷路器的熱故障有時反映的是內(nèi)部故障（觸頭接觸不良）。綜合致熱型 ——既有電壓效應，又有電流效應，或者電磁效應引起發(fā)熱的設備。 其熱故障可以由介損增大引起，也可以由內(nèi)部連接不良引起。如電流互感器、套管、補償電容器等的內(nèi)部過熱。,,紅外線是一種電磁波。自然界任何物體只要溫度高于絕對零度(-273.16 C?)都會產(chǎn)生電磁波，即都會產(chǎn)生紅外輻射。不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不

22、同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強度都不同。我們所利用的是：紅外輻射能反映溫度高低。紅外線在大氣中有部分波段（(1-3 µm；3.5-5 µm；8-14 µm )：穿透好、衰減小、“暢通無阻”——“大氣窗口”——能準確反映溫度高低。,,根據(jù)KYN型開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進行紅外測溫,,根據(jù)KYN型開關(guān)柜結(jié)構(gòu)進行紅外測溫,,探頭到目標的距離直接關(guān)系到測量斑直徑大小，所以要根據(jù)探頭到目標的距離，算出相對應的D：S，選擇相關(guān)

23、尺寸透鏡。光學透鏡要濾除可見光及近紅外光，減少外界非目標光源對測量結(jié)果的影響。按照紅外熱相規(guī)則，結(jié)合柜內(nèi)溫度區(qū)間為300度以內(nèi)，取8～14μm光譜響應波段，這個波段的光譜能有效避免大氣塵埃和水汽對紅外線傳輸中的衰減，具有很強針對性的紅外輻射探測能力。,,母排連接處發(fā)熱的典型圖譜，最高螺絲溫度79.2 ℃,,七 推廣方案（一）紅外觀測窗口的安裝位置應盡可能多地觀測柜內(nèi)設備溫度，根據(jù)所需觀測設備的距離和角度，計算視角的范圍，選擇窗口的

24、直徑和安裝數(shù)量。按照不同開關(guān)柜類型，建議安裝位置如下：（1）進線柜對于采用“主變隔離柜”+“主變斷路器柜”結(jié)構(gòu)，且受開關(guān)柜結(jié)構(gòu)所限。安裝位置及數(shù)量宜滿足以下要求：主變隔離柜裝設1塊，安裝于隔離手車隔室，要求能盡可能多地觀測電流互感器接線頭、隔離手車觸頭、母排塔接處的溫度。斷路器柜裝設1塊，安裝于斷路器隔室，要求能盡可能多地觀測電流互感器接線樁頭、斷路器手車觸頭、母排塔接處的溫度。對于采用“進線附柜”+“主變斷路器柜”結(jié)構(gòu)，宜裝設

25、1塊，安裝于電流互感器隔室，要求盡可能多地觀測電流互感器接線樁頭、隔離開關(guān)、斷路器手車下觸頭處的溫度。,,（2）電纜出線柜宜裝設1塊，安裝于電纜隔室，要求能盡可能多地觀測電流互感器接線樁頭、斷路器手車下觸頭、母排塔接處的溫度。（3）電壓互感器柜宜裝設1塊，安裝于互感器隔室，要求能盡可能多地觀測電壓互感器接線頭、隔離手車下觸頭、母排塔接處的溫度。,,（4）母聯(lián)斷路器（隔離）柜母聯(lián)斷路器柜宜裝設1塊，安裝于聯(lián)絡套管隔室，要求能盡可能

26、多地觀測斷路器手車下觸頭、母排塔接處的溫度。母聯(lián)隔離柜宜裝設1塊，安裝于聯(lián)絡套管隔室，要求能盡可能多地觀測隔離手車下觸頭、母排塔接處的溫度。,,（二）檢測方法擰開紅觀察窗外蓋，外蓋內(nèi)側(cè)有磁鐵，可將外蓋吸附于電氣設備外殼上；儀器在開機后需進行內(nèi)部溫度校準，待圖像穩(wěn)定后即可開始工作；進行觀測，檢測前應根據(jù)說明書對校正紅外熱成像儀輻射率：一般在0.85—0.95之間（見下表）。常用材料的發(fā)射率（）材 料金屬導體帶漆金屬電

27、 瓷絕緣片發(fā)射率（）0.90—0.950.940.90—0.920.91—0.94,,應充分利用儀器的有關(guān)功能，如圖像平均、自動跟蹤等，以達到最佳檢測效果；儀器的色標溫度量程宜設置在環(huán)境溫度加10K-20K左右的溫升范圍內(nèi)。調(diào)整紅外熱成像儀焦距至被測設備的紅外圖像完整，圖像輪廓線清晰：調(diào)整對比度至圖像過熱點清晰，故障相與非故障相對比明顯。適當調(diào)整觀測角度，擴展測量視野和范圍，以滿足大面積、大范圍的測量需求；,,一般先遠距

28、離對被測設備進行全面掃描，確保被測設備無被遮蔽，發(fā)現(xiàn)有異常后，再針對性地近距離對異常部位和重點被測設備進行準確檢測；全面掃描。高壓室內(nèi)檢測應避開燈光的直射，最好閉燈檢測；最好在高峰負荷下進行。否則，一般應在不低于30%的額定負荷下進行，同時應充分考慮小負荷電流對測試結(jié)果的影響。,,異常、重點部位準確掃描重點部位：斷路器滅弧室、隔離刀閘的動靜觸頭、母排的連接處、電纜頭等。 異常部位：在全面掃描中，同類型部件溫度比其它相明顯偏高，或

29、與環(huán)境溫度相比，溫升接近或超出設備運行規(guī)定值的設備部位。對異常、重點部位近距離測溫，得到異常點的準確溫度，便于對測量結(jié)果進行分析，對異常原因進行診斷。,,紅外檢測的判斷方法（1）表面溫度判斷法主要適用于電流致熱型和電磁效應引起發(fā)熱的設備； 根據(jù)測得的設備表面溫度值，對照GB/T 11022中高壓開關(guān)設備和控制設備各種部件、材料及絕緣介質(zhì)的溫度和溫升極限的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合環(huán)境氣候條件、負荷大小進行分析判斷。,,（2） 同類比較判斷法

30、根據(jù)同開關(guān)三相設備、同相設備之間對應部位的溫差進行比較分析；對于電流致熱型設備，應結(jié)合相對溫差判斷法進行判斷。（3）相對溫差判斷法特別是對小負荷電流致熱型設備，如FC饋線開關(guān)，采用相對溫差判斷法可降低小負荷缺陷的漏判率。相對溫差：兩個相應測點之間的溫差與其中較熱點的溫升之比的百分數(shù)。相對溫差δ，可用下式求出：δτ=(τ1-τ2)/τ1×100%=（T1-T2）/（T1-T0）×100%式中：τ1和T1———

31、—發(fā)熱點的溫升和溫度τ2和T2————正常相對應點的溫升和溫度τ0————環(huán)境參照體的溫度,,設備類型 相對溫差值  % 一般缺陷 嚴重缺陷 視同危急缺陷真空斷路器≥20 ≥80 ≥95高壓開關(guān)柜≥35 ≥80 ≥95隔離開關(guān) ≥35 ≥80 ≥95其它導流設備≥35 ≥80

32、≥95當發(fā)熱點的溫升值小于10℃時，不宜按照上表的規(guī)定確定設備缺陷的性質(zhì)，對于負荷率小、溫升小但相對溫差大的設備，如果有條件改變負荷率，可以增大負荷電流后進行復測，以確定設備缺陷的性質(zhì)。當無法改變負荷率時，可以暫定為一般缺陷，并注意監(jiān)視。,,紅外檢測的判斷方法（3）檔案分析判斷法 分析同一設備不同時期的溫度場分布，找出設備致熱參數(shù)的變化，判斷設備是否正常。（4） 實時分析判斷法 在一段時間內(nèi)使用紅外熱像儀連續(xù)檢測某被測設備