电力设备的红外诊断方法之相对温差法

发展到目前为止,电力设备采用红外诊断故障的方法,基本可归结下述5种。

(一) 温度判断法

这种方法是遵照已有的标准,对显示温度过热的部位按《交流高压电器在长期工作时的发热》(GB 763—90)中的有关规定进行诊断。这种方法可以判定部分设备的故障情况,但还没能充分表现出红外诊断技术可超前诊断的优越性,下述的“相对温差”法就可弥补温度判断法的不足。

(二) 相对温差法

此法是为排除负荷及环境温度不同时对红外诊断结果的影响而提出的。当环境温度低,尤其是负荷电流小的情况下,设备的温度值并没有超过GB 763—90的规定,但大量事实证明此时的温度值并不能说明该设备没有缺陷或故障存在,往往在负荷增长之后,或环境温度上升后,就会引发设备事故。故对电流型设备还可采用“相对温差”法来判别故障存在与否。

“相对温差”是指设备状况相同或基本相同(指设备型号、安装地点、环境温度、表面状况和负荷电流等)的两个对应测点之间的温差,与其中较热测点温升的比值,其数学表达式为

式中 τ1——温度较高测点的温升,K;

τ2——温度较低测点的温升,K。

通常,当Δτ≥35%时,就可以诊断该设备存在缺陷,应予以跟踪监测,必要时要安排计划检修。

(三) 同类比较法

同类比较法是指在同类设备之间进行比较,所谓“同类”设备的含义是指同一回路的同型设备和同一设备的三相,即它们的工况、环境温度及背景热噪音相同可比时的同型设备,通常也称做“纵向比较”和“横向比较”。具体作法就是对同类设备的对应部位温度值进行比较,可以比较容易地判断出设备是否正常。在进行同类比较时,要注意不能排除有三相设备同时产生热故障的可能性,虽然这种情况出现的几率相当低。同类比较法适用范围广,包括电流型和电压型设备,也包括对内、外部故障的诊断。

(四) 档案分析法

档案分析法就是将测量结果与设备的红外技术档案相比较而进行分析。它更有利于对重要的、结构复杂的设备进行正确判断。这种方法的基础是要为被诊断的设备建立红外检测技术档案,在诊断设备有无异常时,可分析该设备在不同时期的红外检测结果,包括温度、温升和温度场分布有无变化,掌握设备发热的变化趋势,同时还应参考其他检测结果,如色谱及tanδ 等的变化情况,进行综合判断。

(五) 热像异常诊断方法与判据

1.发电机定子线棒接头焊接缺陷的诊断

诊断方法有两种,即外施电流法和直接测量法。

(1)外施电流法。外施电流法的应用时间,可以在机组交接验收试验时、大修前后转子吊装前或转子抽出后进行。该方法适用于各种型式的机组。

具体实施时,根据情况可外施直流或交流电流,直流源一般多采用直流电焊机,也可使用备用励磁机;电流值以达机组额定电流值一半以上为佳,若受条件限制,当环境温度较高时可酌情减小;电流的增加应分段进行,以10%～20%额定电流值的梯度上升,时间间隔20～30min;在电流增加的过程中,应注意监视机组铁芯、线棒和接头的温度不要超过85℃;当绕组温升达稳定时,对所有线棒接头进行红外测温记录。检测完成后将电流分段减小至零。对检测结果处理分析并诊断,对被诊断为有缺陷的接头进行解体细查,待修复后再行复测。

在采用外施电流法时,若无条件抽出转子时,要采取措施使转子无剩磁;试验环境应无明显的对流通风和各种干扰热源。

(2)直接测量法。采用直接测量法时,可在机组温升试验后、短路试验后、大负荷运行停机后和故障停机后立即进行。这种方法只适用于大型水轮发电机。

实施方法是在机组停机后,尽快进入机组内部,根据停机前的工况和停机后机内的环境温度设定一个检测用最低温度,以快速找出线棒接头的高温点,并及时记录。

定子线棒接头质量缺陷判断方法如下:

(1)直方图法。直方图法是在诊断时,将红外测温数据处理为直方图,对于温度值呈连续分布的接头,可被诊断为正常,对于温度值远离连续分布区域的接头,可诊断为有缺陷。该法适用于线棒接头结构一致的机组。

(2)数据统计法。数据统计法用于接头结构型式复杂的机组,如大型水轮蓄能机组。诊断时要首先根据接头结构分类统计测温结果,去掉最高温度值和显著高于大多数接头的温度值,取剩余的温度值进行加权_平均,取得平均温度值T,当接头温度高于T+ΔT时,可判定该接头有缺陷。对于ΔT,将因外施电流值大小不同而异,也因接头有否绝缘而异。根据普通型和蓄能型水轮发电机及汽轮发电机定子线棒接头质量缺陷的成功诊断,对于包有绝缘的称绝缘接头,而在修理中未包绝缘的接头称为裸接头。大型发电机组的线棒接头绝缘结构,都采用绝缘盒填充绝缘后套装在接头上构成,故在施工中会造成盒内绝缘层厚度十分不均,因而带有大小不同的空气间隙,故施工工艺不良将造成绝缘接头的绝缘层上降温效果差异很大,传导到绝缘头表面的温度也将形成很大的差别,根据实践经验,初步认为ΔT 值有下述规律:

当10%IN＜Iws≤50%IN时

(3)渐伸线辅助判据。当采用外施电流法进行诊断时,由于绕组有个逐渐传热和升温的过程,因绝缘接头的绝缘厚度显著大于线棒渐伸线的绝缘厚度,线棒导体部分传热极快,对于带有缺陷的接头,其产生的热量在没有传至自身的外表面前,早已使自身相应的渐伸线绝缘表面温度升的更高些。据此,可辅助判定带有缺陷的接头在何部位。

2.机组定子铁芯绝缘缺陷的诊断

采用铁损试验法,可在机组交接验收试验时,在修理、更换或重新组装铁芯后和在基建安装中,均可对定子铁芯绝缘缺陷进行诊断。

具体做法是在做铁损试验时,应用热像监测铁芯温度场,在试验结束前记录所有铁芯的热像,而后进行热像处理,提取相关温度数据,判据可依照《规程》(DL/T 596—1996)表1第10项执行,即在1T 的磁密下,齿的最高温升不大于25K,齿的温差不大于15K;对于运行年久的电机可自行规定;但现在不少的诊断实例说明,在铁芯磁密为1T 的工况下,不足以发现铁芯绝缘的很多缺陷,根据制造厂家提供的数据,该数值可适当提高到1.2～1.4T。

铁芯的热像特征一般分为三类。完好的铁芯热像,其温度分布均匀,下线槽与铁芯齿清晰成像,对于一般正常的铁芯,热像中虽有热点和偏热区域,但槽与齿仍可辨,且其温升在允许范围内。而带有缺陷的铁芯,其热像显示槽齿不辨,温升和温差都超出允许范围。

3.电刷和集电环缺陷诊断

在对机组的电刷和集电环进行红外诊断时,其检测时间以机组满负荷时为宜,判别依据首先按标准GB 7064—86,GB 755—87 执行,其温升应符合本身所采用的绝缘等级或邻近绕组所采用的绝缘等级,一般的温升限值为80K,温度限值为120℃;为防患于未然,充分发挥红外诊断的优势,当所检处温升和温度均未超过上述限值时,对于温度分布不均的电刷,应去掉明显的高温值取平均温度值,对于超过平均温度30K 的电刷,应视为不合格。

4.机组端盖、轴承过热及冷却系统堵塞的诊断

对于机组端盖因漏磁造成的局部过热,轴承故障而局部发热和靠近机壳的冷却系统局部堵塞,热像检测均可准确定位。

5.变压器内部热故障的诊断

由于变压器内部结构十分复杂,传热途径多样,当其内部产生过热故障时,仅仅依靠红外检测这种单一手段进行诊断,肯定是相当困难的。但对于那些比较接近设备外壳,或传热途径较为简单、直接的部位发生过热故障时,还是很有可能利用热像诊断的,可以结合油色谱的分析结果,有针对性地对变压器整体进行温度分布的检测。根据热像检测结果可分部位分析,从上到下进行,先从套管及其引出线接头到升高座、三相分接开关、箱体各个部位及散热器等,一一采用相间比较法和档案分析法进行诊断。进行初步诊断后,可根据情况处理,必要时可停运放油,进入变压器内部观察以准确定位故障;也可以采取吊罩后进行空载和短路试验,并用热像再检测的方法进行进一步确诊。

6.变压器 (电抗器)壳体涡流过热

由变压器或电抗器内部磁通泄漏,在其外壳上产生涡流损耗面局部过热,它们的热像特征是以漏磁通穿过壳体而形成环流的区域为中心的热场分布。

7.变压器套管缺陷诊断

变压器套管的内部缺陷一般有三类,一类是因其绝缘不良而使tanδ 增大,其热像显示本体温度高于正常相;第二类是套管内部接触不良,造成接触电阻过大而过热,引起将军帽局部发热;第三类是因套管泄漏或注油时气未排净而造成的缺油现象,其热像显示是在无油处温度偏低,且可显示缺油界面。

8.变压器冷却系统阻塞的诊断

变压器冷却系统中阻塞故障,可在热像图上直观显示,受阻两侧温度场明显有异。

9.少油断路器动静触头接触不良的诊断

少油断路器动静触头接触不良的故障,其热像特征显示为顶帽下部温度Td最高,下法兰的温度Tf次之,瓷套温度Tc最低;在进行相间比较时,若温度比正常相相差高10K 的应判断为有缺陷。

10.少油断路器中间触头接触不良的诊断

少油断路器中间触头接触不良时,其热像特征是其下法兰温度Tf最高,Tc最低,即表现为Tf＞Td＞Tc,相间温差也不应大于10K。

11.少油断路器静触头基座接触不良的诊断

当少油断路器的静触头接触不良时,此时热像显示其顶帽中部温度Td最高,而下法兰与瓷套的温度接近,但仍高于瓷套温度,即为Td＞Tf＞Tc,相间温差也不应大于10K。

12.多油断路器动静触头接触不良诊断

多油断路器动静触头接触不良的热像特征是油箱上部温度高。判定无缺陷的标准是通过相间比较,温差不应大于2K。

13.电磁式电压互感器内部故障诊断

电磁式电压互感器内部故障包括铁芯绝缘缺陷、绕组绝缘缺陷及绝缘介质缺陷。在正常情况下,总损耗很小,其温升也小,故相间温差也很小。若不考虑环境风力的冷却作用,35kV及以上的设备,它们相间的温差不会超过2K,若考虑微风的冷却作用,相间温差还要更小。在进行红外诊断时,可采用相间比较法,同时还应与其他检测手段配合诊断;对于绝缘油不足的缺油现象,热像可清晰显示。

14.电容型电压互感器内部故障诊断

电容型电压互感器的内部故障包括电容器内部缺陷和中间变压器内部缺陷。它们正常的热像特征是三相温升与温差都不大,本体温度分布均匀,不应有局部过热现象。其内部故障的诊断采用相间比较法,电容器部分可参照《规程》对耦合电容器的要求进行,中间变压器部分可参照上述的电磁式电压互感器,即相间温差 (对于35kV及以上的设备)不应超过2K。

15.电流互感器内部故障诊断

电流互感器的内部故障主要是内部连接接触不良和绝缘介质缺陷两类。当设备正常时,热像特征是三相温升温差均很小,当不考虑外部风力对流冷却的作用时,对于35kV及以上的设备,其整体最大相间温差只在1.3K 左右,而实际运行的户外设备,由于微风对流经常存在,故其相间温差更微小。故在诊断电流互感器内部是否存在绝缘缺陷时,仍采用相间比较法;若内部连接接触不良时,可能引起温升,导致其相应的局部表面过热,可达数十度,考虑到互感器顶帽内外部温差可能达30～45K,所以判断电流互感器内部连接不良的最高外部温度值应在55℃以下。

16.避雷器故障诊断

避雷器的型式较多,但不论是普阀式、磁吹式还是金属氧化物避雷器,在正常运行时它们都有轻微发热的元器件,前两者是间隙并联电阻,后者是氧化锌元件本身。尽管因电压等级不同,串联元件数目不同,且各种元件结构相异,但它们的热像特征还是有共同之处的。在正常运行时,它们的发热量都不大,特别在户外自然冷却条件下,避雷器本体温升很小,比周围环境温度高的很少,其热场分布均匀,同一相设备的温度相当均匀,或呈现上下两端温度稍偏低,而中部稍高的现象,但总的最大温差仅在1K 范围内,相间的温差也很小。当避雷器内部存有缺陷时,如元件老化、受潮或并联电阻断裂,则避雷器整体的热像将会出现异变,其热场温度分布出现不均匀,温差增大,温升也显著增高,故障相的最低温度比正常相的高,可能比正常相的最高温度还高,有局部过热或局部温度过低的反常现象。据此,可判断设备存在缺陷,其缺陷严重的程度将与其温度分布不均匀度成正比关系,即温差越大的,其故障也严重,使用寿命也越短。

17.电力电容器内部故障诊断

电力电容器用途多、种类多,但按其结构可分为两大类,一类为铁壳封装的扁方体,其介质损耗功率较大,表面温升较高,它的热像特征是最高温度分布在大侧面的2/3高度处;另一类为瓷套封装的圆形体,介质损耗因数小,温升不高,其最热温度是接近顶部,当串接后,它们的温度分布是上节低,下节高,判别缺陷的方法用相间比较或同类型设备比较法,它们相对应部位的温差应在1.5K左右或更低,耦合电容器也属此类型;当耦合电容器上、中部出现明显的温度梯度时,很可能是内部缺油。

18.电缆内部故障的诊断

电缆内部缺陷包括绝缘不良和导体连接接触不良两种,它们的热像特征都是缺陷的相应外表面部位过热,或是整体过热,或是局部过热。诊断方法是用相间比较法来确定缺陷部位,还可以用电缆允许的最大温升值来判断其失效与否,如表12-11所示。

表12-11　电缆允许的最大温升　单位:K

19.瓷绝缘故障诊断

瓷绝缘一般分为瓷绝缘子和瓷绝缘支柱两类。

正常的瓷绝缘子串的发热很小,它的热分布与其电压分布规律相同,呈不对称的马鞍形,即在绝缘子串的两端部温度偏高,向串的中间逐渐减低,温度是连续分布,相邻绝缘子间温差极小,不超过1K;当绝缘子的性能劣化后,它的绝缘电阻减小,当绝缘电阻降为10～300MΩ 时,称为“低值绝缘子”,当绝缘电阻降为5 MΩ 以下时,称为“零值绝缘子”。对于低值和零值绝缘子,由于它们的绝缘电阻值不同,绝缘子串的电压分布将发生变化,毫无疑问,其发热规律也有相应改变。低值和零值绝缘子热像的一般规律是:低值绝缘子热像特征是钢帽温度较高,相邻片间温差要超过1K;零值绝缘子的热像特征是显示钢帽温度偏低;而当绝缘电阻值介于在5～10 MΩ 之间时,此时的热像显示往往与正常状态的绝缘子不易区别,也可称此时为“检测盲区”,应引起关注;对于污秽瓷绝缘子,它的热像特征表现为瓷盘表面温度偏高。

正常瓷绝缘支柱的热像特征是上部温度较高,下部温度较低热场分布均匀;当支柱绝缘劣化时,其热场分布将发生改变,如可能出现上低下高的温度分布。

20.导流元件和设备外部故障的诊断

导通电流用的连接件在电力系统中占有极其重要的地位,包括各种电力设备的引出线连接件。导通电流的元件设备也很多,如各种导线、母线、隔离开关、熔断器、穿墙套管、阻波器等,它们的结构都很简单,其发热机理主要是由于导体接触不良引起,绝大部分均属于外部故障,即使有外壳封闭遮挡,但诊断都属直观简捷,即它们的过热部位就对应于其故障部位,可一目了然。判断故障严重性的方法有“温度判断法”和“相对温差判断法”。

此外,设备外部故障还有穿墙套管支撑板设计不佳造成涡流过热,阻波器内避雷器劣化,电抗器支持瓷柱地线未开口等设计缺陷造成过热,红外诊断定位极其方便;至于保护和控制回路中也存在大量因接触不良引起的过热,热像显示十分明确,可采用温度判断法立即确诊。