红外测温技术在GIS故障诊断中的应用

红外测温技术作为带电检测的一种重要手段，具有不停电、不接触、不解体、不取样等一系列优点，已广泛应用在电力系统中。目前红外测温技术不断成熟，红外测温仪的测量精度及图像分辨率均能达到精确测温的要求，通过红外测温技术，分析诊断GIS设备热缺陷必将成为开展设备状态检测的重要手段。文章基于红外测温原理，分析GIS设备内部与外部热缺陷的机理及表现形式，提出相应地诊断依据，并通过实例进行分析验证，总结出有效地检测和诊断方法，以达到对现场实际提供有效指导价值的目的。

一、红外测温基本原理

任何温度高于绝对零度（-273℃）的物体都会向外辐射红外线，红外辐射能量与温度成一定的函数关系。见式（1）

式（1）中：W为发热体发生功率，W；ε为辐射率；δ为玻尔兹曼常数；A为发射体表而积，㎝²；T为发射体的绝对温度，K。

由式（1）可知，已知发射体表而的发射率，通过检测红外辐射能量，就可推断出发射体的温度。红外热像仪测温的原理见图1

从图1中可知，辐射能量通过仪器的透镜、滤光片，会聚到探测器，探测器将辐射能转换成电信号，经过放大器、A/D转换器的处理，最后显示出温度值或将热分布转化为图像显示。

二、红外测温在GIS内部缺陷中的应用

1、内部热缺陷机理

GIS设备内部热缺陷的原因通常包括内部导体连接不良，如螺栓未达到力矩要求，触指弹簧压力不够等，断路器或隔离开关合闸不到位，内部绝缘件受潮、老化等。

内部热缺陷的诊断是通过分析比较设备外部温度分布场和温度的变化来实现的。热分布图的主要表现为:

（1）发热部位多位于导体对接处、断路器和隔离开关的动静触头结合处等部位。

（2）受热对流上升效应的影响，发热特征是罐体上部温度明显高于下部温度，一般水平罐体的特征是罐体顶部最热，往四周温度逐渐递减。

（3）内部热缺陷热辐射而积较大，在罐体上表现为一定区域内存在热特征图像。

针对常见的内部导电杆发热缺陷，笔者认为：一旦发现便应视为严重缺陷，尤其是罐体上部温度达到50℃，罐体温升超过40℃或罐体上下部位温差超过20℃时应列为危急缺陷。

2、实例分析

2014年8月，对某500kV变电站进行例行红外测温时，发现220 kV分段Ⅱ22F开关A相开关与CT连接母线筒壁发热，热分布图及相应部位见图2、3。

从图2可以看出，A相高位筒体最高温度为45.4℃(环境温度约为25℃)，较底部筒体高出6.2℃ ,热分布图符合内部发热特征，现场初步分析可能为内部导电体接触不良，若不及时处理可能导致触头烧损引起电弧，造成击穿甚至爆炸，严重影响区域电网的安全稳定运行。

设备停运后，对分段Ⅱ22F间隔进行诊断试验分析，具体诊断项目如下:

（1）对22F筒体发热气室进行SF。气体组份测试，未检测出SO₂、H₂S等典型放电气体，试验结果正常；

（2）发热部位进行X光透视检查，检查结果未见异常；

（3）回路电阻测试，从22F断路器两侧开关之间进行回路电阻测试，测试结果见表1

设备解体后，对内部情况进行检查后发现，该发热主要有两个原因造成：

触指与导电杆接触不均匀。检查电连接触指有发黑痕迹，触指内部情况见图4。由图4可判断为装配时涂抹导电膏，触指导流受热焦化发黑；现场检查发黑触指分布集中在底部下端，判断该位置触指与导电杆接触不均匀。由于早期制造工艺原因，触指不能与导电杆有效全部接触，导致电流不能均匀通过触指（27片），造成局部触指发热。

电连接导电座与触指座接触不良。解体发现导电座与触指座接触不好见图5，检查电连接内部的螺栓有3个螺栓力矩未达到25N·m要求，导致接触不良发热，且出现导电膏受热不均烧蚀凝固发黑的现象。

三、红外测温在GIS外部缺陷中的应用

1、外部热缺陷机理

GIS外壳接地分两种方式：分段绝缘及全链多点接地。由于多点接地具有外部漏磁少、感应电压低等优点，其可靠性和安全性均高于一点接地方式，因此目前使用的GIS设备基本全部采用多点接地方式，但该方式下，对于三相分箱母线，受电磁感应影响，会产生较大环流，一般能达到内部导体电流值的70%-90%。一旦出现GIS外壳接地点接触不良、法兰间接触不良、三相短接排与法兰而接触不良、法兰而紧固螺栓力矩不合格等问题时，便会造成严重发热。罐体环流引起外部发热虽不直接影响GIS运行，但长期高温影响GIS绝缘件寿命，并容易使密封件过早老化，密封性能下降，引起漏气，因此罐体环流引起法兰等部位发热不应忽视，按照设备接头类红外热像诊断标准判断。

外部热缺陷热分布图主要表现为:

（1）发热多发生在外壳多点接地且三相分箱的设备中，发热部位多位于导流排连接而、法兰而固定螺栓等位置；

（2）热辐射而积小，发热部位突出，具有明显的温升现象，现场容易检测；

（3）温升与设备负荷具有明显的对应关系，即可看成近似的正比关系。

2、实例分析

（1）实例1

2014年5月，某变电站对220 kV GIS设备进行例行红外测温，发现某条线路出线气室罐体底部与支柱座连接部位有发热现象，与相邻线路的同部位的温差为20K，热分布图符合外部发热特征，其罐体外部发热图见图6。

经检查分析，该GIS为三相不共箱设备，罐体为多点接地，受内部导体电磁感应影响，外壳在相邻两接地点会产生电压差并形成环流，且环流较大，图6中发热部位为出线罐体的接地点，检查发现，该接地点部位由于接触而紧固不牢，造成连接而虚接现象，停电前测量环流值约为530A，在较大环流作用下，受较大接触电阻影响，造成该部位的过热现象。

（2）实例2

2014年3月，某500kV变电站在红外测温时发现，500kV GIS设备某一CT外壳处有一发热点，发热点部位突出、而积较小，该热点与外壳其他部位温差达12K，热分布图符合外部发热特征，见图7。

该CT的二次线圈为外置式结构，即二次线圈位于气室之外，外部为一铝合金外罩，用以保护内部二次线圈，外罩与上下法兰进行了绝缘处理，仅通过一根等电位线与地相连，以保持地电位。设备停运后，经现场检查发现，该CT外罩与下法兰的绝缘接触而有一处受到破坏，导致与法兰而直接接触，造成外罩通过该点和等电位线两处接地，从而出现环流，最终导致了发热现象。

四、结语

随着红外测温技术及红外测温仪器的不断发展和成熟，红外测温在GIS设备中的应用越来越广，且由于具备抗电磁干扰能力强、不接触带电设备、热图像形象直观以及故障诊断和缺陷类型识别能力强等一系列优点，因此作为一项有效地带电检测手段，红外测温必将为GIS设备的状态检测提供重要的技术支撑。

文中基于红外测温原理提出了GIS设备内部与外部发热缺陷的机理及表现特征，并给出相应的分析诊断依据，对于现场检测时如何区分内外部故障以及如何判断故障原因和类型提供参考，并结合实例分析不同类型的发热缺陷，进一步验证红外测温技术在GIS缺陷分析中的有效性和准确性，为指导现场实际提供了较高的参考价值。