高压输电线路红外检测应用

2022-09-11

输电线路高压电气设备由于故障引起的发热和温升, 可利用红外热像仪进行检测, 通过红外图谱反映其温度分布, 通过专业分析软件显示任何一点、一线温度值, 并据此诊断外部及内部缺陷。对运行中的输电设备进行红外检测, 具有不停电、远距离、安全可靠、准确高效等优点。在当前供电局努力提高供电可靠率, 提升服务质量的背景下, 红外检测技术在输电线路维护部门的得到广泛的应用。红外检测工作是输电线路管理部门每年必做的一项重要工作, 是实现带电检测和设备状态检修的最有效手段之一。

1 红外热成像检测技术的基本原理

热力学温度高于0K (热力学温标0K=-273.15℃) 任何物体, 每时每刻都因自身分子运动而辐射出红外线。红外线波长在0.75µm～1000µm之间, 按波长范围可分为近红外 (0.75µm～3µm) 、中红外 (3µm～6µm) 、远红外 (6µm～15µm) 、极远红外 (15µm～1000µm) 。根据斯忒藩-玻尔兹曼定律, 物体表面每一辐射单元的辐射能量与该面元热力学温度的四次方成正比:

式中:Μ为辐射单元的热辐射能量, W/m2;

σ为辐射单元表面发射率;

δ为斯忒藩-玻尔兹曼常量, 5.67×10-8W/ (m2. 4) ;

T为辐射单元表面温度, K。

由于物体表面由许许多多单元组成, 所以物体表面都存在一个热辐射能量场, 相应有一个温度分布场。利用红外热像仪可对物体表面红外辐射的强弱进行探测, 以便于观察物体表面形状轮廓及温度分布情况。红外检测技术就是利用红外图像的亮暗反映出物体表面表面温度高低的特点, 通过对物体表面及温度场的检测来判断设备是否有缺陷。

由物体所发出的紅外辐射在穿过大气到达测量系统时会受到衰减, 衰减主要与辐射的波长有关。红外线在大气中穿透比较好的波段, 通常称为“大气窗口”。红外热成像检测技术, 就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1μm～5μm之间, 而长波窗口则是在8μm～14μm之间, 对于电力设备由于大多目标尺寸小辐射能量低, 一般的缺陷温度低于500K, 所以应选择长波窗口, 同时太阳光发射的红外波长集中在短波, 在5μm以后辐射变弱, 所以目前电力系统采用的红外测温仪可以在白天使用。

2 输电设备发热的原因及实例分析

2.1 电流效应引起的发热实例分析

根据焦耳-楞次定律, 电流效应引起电阻损耗的功率为P=I2R, 发热功率与电流平方成正比。发热的特点是随着线路电流的增大, 发热程度将剧增。此类发热主要是发生在导线的接续部位。缺陷引起设备升温往往较高, 特别是线路负荷较重时, 如果不及时处理最终可能造成掉线事故。

图1是2008年一次日常测温过程中发现的220kV隆小线#31塔C相小号侧下导线耐张线夹管体发热图片, 管体温度80.1℃, 与正常管体温度差52.9℃, 当时线路电流380A。经过停电处理后, 锯开发热管体, 发现导线或压接管没有清刷干净, 脏污物质粘贴在管内, 导致导线与耐张线夹接触电阻较大, 是造成发热主要原因。在日常的测温过程中发现的输电设备的发热缺陷大多都是由此类发热引起 (见图1) 。

根据日常的测温统计, 造成输电设备接续部位发热的原因主要以下: (1) 接续部位长时间运行后发生锈蚀或氧化, 形成氧化层后使接触面电阻增大。 (2) 施工时压接管或导线没有按规定清洗干净, 紧固螺丝没加弹簧垫圈或没有拧紧螺丝等。 (3) 涂擦了复合导电脂, 但封闭不好或长时间后发生氧化或老化, 使接触电阻变大而发热。 (4) 导线连接部位在长期的震动、抖动或在风力作用下摆动, 导体压接螺丝松动而引起发热。随着线路的运行时间越长, 此类缺陷越突出。

2.2 电压效应引起的发热实例分析

电压效应引起的发热, 主要是电气绝缘介质由于交变电场的作用, 使介质极化方向不断改变而消化电能并引起的发热, 介质损耗的功率Ρ=U2ωCtanδ, 发热功率与电压、介质损耗角正切值等成正比。输电设备电压效应引起的发热主要发生在电缆终端或接头处。此类缺陷发热可能引起设备升温不大, 但不能因此忽视其潜在的危害性, 其绝缘内部存在的缺陷可能已很严重, 应尽快停电处理。

在2006年对110kV小永线#19塔A相电缆终端头红外测温时, 发现A相终端头在其下部位置 (应力锥附近) 温度偏高, 发亮点SP01温度32.9℃, 正常部分SP02点温度为28.1℃, 局部温差达4.8K, 大大超过了电缆头同类比较时相间温差不应超过0.5K的规定。电缆终端头的绝缘关键部位就是预制附件与交联电缆绝缘的界面, 即应力锥附近。停电更换后, 把拆下的终端送武高所进行解剖检查, 发现在应力锥顶部内侧有脱漆的痕迹 (见图2) 。

3 日常检测工作过程中的注意事项

(1) 被摄物体的负载率必须达到30%以上必要时应等待迎峰度夏时的高峰负荷。监测时的负荷越高, 对发现缺陷更为有利。

(2) 为了避免直射阳光会掩盖缺陷的干扰尽量选择在日出之前、日落之后或阴天进行。若不能避免阳光直设, 也要做到拍摄角度不与被测物的反射光重叠。并且检测目标及环境的温度不宜低于5℃, 空气湿度不宜大于85%, 不应在有雷、雨、雾、雪及风速超过05m/s的环境下进行检测。

(3) 为了从众多的正常设备中区分出存在缺陷的设备, 必须适当提高图像的背景温度使存在缺陷的设备成像突出显现。

(4) 现场拍摄发现存在缺陷设备时, 在条件允许下, 应多角度拍摄, 最大限度地反映缺陷状况, 以便能获取一张清晰红外图谱照片, 为后续数据分析工作准备。

(5) 作为历史档案保存的红外图谱照片, 拍摄地点角度尽量统一, 并应记录好线路的电流及环境温度情况。

(6) 对于耐张线夹发热的红外图谱, 数据分析工作时要正确区分是耐张线线夹管体发热还是与跳线连接引流板发热。

红外检测技术是非接触的间接测温技术, 与其他技术相比, 具有不可比拟的优点, 但同时也有局限性。红外检测技术所反映的被测体表面温度, 测量值受到多种因素的影响 (环境温度、表面反射率和背景温度等) , 检测设备健康状况时应考虑这些因素, 对读数进行修正, 使测量值尽可能准确。特别应注意的是, 温度只是用来进行缺陷检测的几个重要参数之一, 但不是唯一参数, 故应综合多方面数据, 进行分析后做出结论。