紅外監(jiān)測與電纜運行管理

1、紅外監(jiān)測與電纜運行管理俞瑾華（上海電纜輸配電公司）摘要紅外監(jiān)測技術(shù)在電纜運行管理領(lǐng)域已運用多年，運用這項技術(shù)能在正常運行情況下對運行電纜進行監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，并為預(yù)測電纜線路絕緣性能提供技術(shù)支持。本文以紅外技術(shù)原理出發(fā)，以運行管理方面的實例為基礎(chǔ)，總結(jié)過熱缺陷的診斷方法，歸納電纜發(fā)熱類型及開展紅外工作的關(guān)鍵事項。關(guān)鍵詞紅外監(jiān)測電纜運行管理紅外監(jiān)測技術(shù)運用在電纜運行管理領(lǐng)域已有多年，從最初的使用點式測溫儀對電纜連接點的簡單溫度讀取，到目前已得以廣泛運用的非致冷型焦平面紅外熱像儀對全部被測物體進行溫度數(shù)據(jù)采集，從220kv至10kv的多層次電纜管理得到普及運用。紅外監(jiān)測技術(shù)對發(fā)現(xiàn)由電流致熱型缺陷

2、引起的接點發(fā)熱和由于電壓致熱型缺陷引起的絕緣隱患有比較明顯的優(yōu)勢，同時由于其非接觸、不停電、不解體的工作方式，能夠最大限度的發(fā)現(xiàn)并確診缺陷，使得對電纜設(shè)備的壽命檢修成為可能。在當前電力供應(yīng)比較緊缺的情況下，確保電網(wǎng)穩(wěn)定，提高運行經(jīng)濟效益，降低維修成本，將缺陷隱患消滅在萌芽狀態(tài)具有積極意義。1紅外測溫的基本原理1.1基本關(guān)系式熱力學(xué)溫度高于0 k（273.15 ）的任何物體，每時每刻都因自身分子運動而輻射出紅外線。紅外線是一種電磁波，其波長在0.751 000m之間，按波長范圍分為近紅外（0.753m）、中紅外（36m）、遠紅外（615m）、極遠紅外（151 000m）。根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律

3、，物體表面每一輻射單元的熱輻射能量與該面元熱力學(xué)溫度的四次方成正比：m= t4.式中：m輻射單元的熱輻射能量，w/m2；輻射單元表面發(fā)射率；斯忒藩-玻爾茲曼常量，5.6710-8w/（m2.k4）；t輻射單元表面溫度，k。由于物體表面由很多單元組成，所以物體表面都存在一個熱輻射能量場，相應(yīng)有一個溫度分布場。利用紅外熱像儀可對物體表面紅外輻射的強弱進行探測，形成紅外圖譜，以判斷物體表面形狀輪廓及溫度分布情況。紅外診斷技術(shù)就是利用紅外圖像的亮暗反映出物體表面溫度高低的特點，通過對物體表面溫度及溫度場的監(jiān)測來判斷設(shè)備是否存在缺陷。 1.2紅外診斷技術(shù)的特點紅外技術(shù)對運行電纜設(shè)備進行非接觸監(jiān)測，通過紅

4、外圖譜反映其溫度分布，通過專業(yè)分析軟件顯示任何一點、一線溫度值，并據(jù)此診斷外部及內(nèi)部缺陷。值得注意的是，紅外圖譜不能測試低值絕緣紙，對設(shè)備外殼由金屬包裹的如gis終端、電纜中間接頭等無法發(fā)揮作用。利用紅外測溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測溫方式(如熱電偶、不同熔點的蠟片等放置在被測物表面或體內(nèi))相比，可實現(xiàn)在一定距離內(nèi)實時、定量、在線監(jiān)測發(fā)熱點的溫度，通過掃描，還可以繪出設(shè)備在運行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高，便于現(xiàn)場使用。紅外測溫儀的量程寬（-202000），分辨率高（0.05）的特點更為其他測溫方式所不及。電氣設(shè)備紅外診斷方法基本有以下5種：（1）表面溫度判斷法；（2）相對溫差判斷法；（3）同類比較法

5、；（4）熱譜圖分析法；（5）檔案分析法。第一種方法直接利用紅外儀器的測量值對照gb76390交流高壓電器在長期工作時的發(fā)熱標準，根據(jù)設(shè)備最高允許溫度或溫升值的規(guī)定進行判斷。而其它4種方法實質(zhì)上都是基于進行比較的策略。對運行的電纜設(shè)備進行紅外測溫，多數(shù)情況下是通過比較方法來判斷的，比較的對象可以是同一張圖譜中的溫度正常相，也可以是歷史檔案圖譜中的溫度記錄。在進行歷史數(shù)據(jù)比較時，參考的對象應(yīng)包括環(huán)境溫度、負荷數(shù)據(jù)、拍攝條件等數(shù)據(jù)。2電纜設(shè)備的發(fā)熱來源電纜設(shè)備在運行時，由于電流、電壓的作用，將產(chǎn)生以下2種主要來源的發(fā)熱。2.1電流致熱電流作用引起的設(shè)備發(fā)熱，主要發(fā)熱點為電纜出線樁頭與其它電氣連接點。

6、按照焦耳定律，當電流通過電阻時將產(chǎn)生熱能，這是電流效應(yīng)引起的發(fā)熱，其發(fā)熱功率為：p=kfi2r（w）式中：p為發(fā)熱功率（w） i為電流強度（a） r為電器或載流導(dǎo)體的直流電阻（） kf為附加損耗數(shù)發(fā)熱功率與電流的平方數(shù)成正比，當電纜樁頭與其它電氣連接點連接不緊密時，隨著輸送電流的增大，發(fā)熱量將大大增加，紅外圖譜顯示發(fā)熱現(xiàn)象以點狀溫升為代表。圖2電流致熱缺陷 35kv#2主變綠相電纜樁頭連接松動導(dǎo)致發(fā)熱經(jīng)過長時期運行，電纜樁頭與其它電氣設(shè)備的連接點有可能因接觸不良，引起過熱，紅外圖譜表現(xiàn)為電纜樁頭連接部位溫度明顯升高，長時間運行會造成接觸電阻增大，連接點碳化。此類缺陷占全部電纜紅外缺陷的80%以

7、上。2.2電壓致熱 電壓致熱缺陷是指電壓作用引起的設(shè)備的發(fā)熱缺陷。電纜線路介質(zhì)損耗也是發(fā)熱源之一，由于介質(zhì)損耗與電壓平方成正比，在高壓和超高壓運行電纜中，該類缺陷更為典型。在電纜終端或接頭處，如果局部介質(zhì)損耗角正切（tg）偏大，有可能導(dǎo)致局部區(qū)域溫度偏高。電氣絕緣介質(zhì)由于交變電場的作用，使介質(zhì)極化方向不斷改變而消耗電能并引起發(fā)熱。由此產(chǎn)生的發(fā)熱功率為：pu2ctg式中 u為施加的電壓； 為交變電壓角頻率； c為介質(zhì)的等值電容；tg為介質(zhì)損耗角正切值。圖3電壓致熱缺陷 35kv交聯(lián)電纜熱縮終端終端 熱縮管內(nèi)有空氣殘留圖4電壓致熱缺陷 220kv電纜終端絕緣缺陷圖3、圖4為典型電壓致熱缺陷紅外照片

8、。由于電壓致熱缺陷具有隱蔽性大，危害性強，后果嚴重的特點，更應(yīng)引起足夠重視。與電流致熱缺陷相比，電壓致熱缺陷的發(fā)熱點溫升有可能不很大，一般僅十幾度，但不能因此忽視其潛在的危害性，其絕緣內(nèi)部存在的缺陷有可能已很嚴重，在系統(tǒng)允許情況下，應(yīng)盡快停電將缺陷消除。圖4為220kv電纜終端，在應(yīng)力控制部分有局部溫度升高。發(fā)亮點為40.8度而正常溫度為37.5度。而此位置基本就位于終端的應(yīng)力錐根部處。此種電纜終端是用預(yù)制裝配式終端來進行應(yīng)力控制，其應(yīng)力錐是由乙丙橡膠或硅橡膠制成，套在經(jīng)過特殊絕緣屏蔽處理的電纜表面以保證終端內(nèi)部、外部的絕緣配合。圖5220kv電纜終端裝配圖預(yù)制式中斷的絕緣關(guān)鍵部位就是預(yù)制附件

9、與交聯(lián)電纜絕緣的界面，在此位置出現(xiàn)溫升，則可能有以下幾種原因：（1）預(yù)制件本生原因。（2）交聯(lián)電纜絕緣圓整度不夠。為使預(yù)制件的橡膠應(yīng)力錐及橡膠絕緣件與交聯(lián)電纜絕緣界面有均勻的徑向力，電纜絕緣應(yīng)盡量圓整，在應(yīng)力錐安裝處，電纜絕緣外徑的測量應(yīng)進行多點測量，從而測得直徑間的差值應(yīng)小于0.5mm，同時打磨后的絕緣外徑應(yīng)控制在允許值內(nèi)。（3）交聯(lián)電纜絕緣表面處理不良。交聯(lián)電纜絕緣表面的光滑程度與預(yù)制件應(yīng)力錐根部擊穿強度有關(guān)。絕緣表面的粗糙度決定了其表面的微孔尺寸，根據(jù)施工要求，絕緣表面處理用的砂紙目數(shù)應(yīng)在600目以上。（4）絕緣屏蔽延伸處理欠佳。由于電纜屏蔽層有一定厚度，影響預(yù)制橡膠應(yīng)力錐和橡膠蕉絕緣件

10、的平整套入。為保證絕緣屏蔽層和預(yù)制件內(nèi)部評比曾的接觸良好，應(yīng)對絕緣屏蔽層做延伸處理。在做特殊絕緣屏蔽處理時，若方法運用不當，也將在運行過程中產(chǎn)生局部溫升現(xiàn)象。3電纜設(shè)備的運行數(shù)據(jù)管理運用紅外技術(shù)可對各電壓等級的運行電纜進行有系統(tǒng)的技術(shù)管理，經(jīng)過多年實踐摸索，紅外測溫技術(shù)已在220kv10kv電纜運行上進行了全覆蓋，尤其是35kv以上等級，所有具備測溫條件的終端，都建立了紅外測溫檔案，并有專人進行數(shù)據(jù)整理與分析。在發(fā)現(xiàn)幾個終端接點接觸不良缺陷的同時，對確保電纜可用率、保障電網(wǎng)安全運行都提供依據(jù)。而通過建立運行檔案，將不同外界條件下的電纜紅外圖譜定期分析比較，對積累運行數(shù)據(jù)，判斷隱藏缺陷，提高設(shè)備

11、健康水平有很實際的意義。圖5電纜隧道內(nèi)不同載流量電纜運行溫度對比除了通常的對電纜終端進行紅外監(jiān)測外，也可對運行電纜的整體溫升情況進行監(jiān)控。圖5為在正常運行狀態(tài)下，電纜隧道內(nèi)220kv截面為2500mm2電纜的紅外圖譜。左側(cè)電纜載流量為115.4a，右側(cè)電纜載流量為為847.7a，兩者運行溫度相差約4c。4紅外監(jiān)測技術(shù)的分析管理4.1人員因素占據(jù)首位紅外監(jiān)測工作的開展成敗與操作人員的技能水平密切相關(guān)。誠然，一臺操作便捷的紅外測溫儀器必不可少，但從現(xiàn)場拍攝中的具體拍攝位置、角度、距離的選擇，到對拍攝物體對焦確定，直至后期數(shù)據(jù)對比、與歷史檔案的判別分析，每一步都離不開操作人員經(jīng)驗與判斷。作為一名合格

12、的紅外儀器操作員，其必須同時具有理論和實踐雙重經(jīng)驗，不僅要熟識紅外儀器的工作原理、技術(shù)參數(shù)和性能，在了解儀器的工作原理、性能指標、操作程序和調(diào)試方法同時，還必須對被測設(shè)備的運行狀況、結(jié)構(gòu)特點、有較為全面的了解。同時一名合格的操作員還必須具有沉著、細致的工作作風。目前，較為先進紅外熱像儀都已具備了自動對焦功能，但在具體實踐中，為獲得清晰明了的紅外圖譜，往往還是需要手動對焦，并從多角度拍攝，再在后期分析中選取最為清晰的照片。其整個過程與專業(yè)攝影師的人像攝影頗為類似。4.2拍攝環(huán)境直接影響圖譜數(shù)據(jù)（1）被攝物體的負載率必須達到30以上，必要時應(yīng)等待高峰負荷。監(jiān)測時的負荷越高，對發(fā)現(xiàn)缺陷更為有利。（2

13、）盡量避免在直射陽光下操作。直射陽光會掩蓋缺陷，最好的操作條件是在足夠的負荷下，在晚上和陰天時進行。若不能避免陽光直設(shè)，也要做到拍攝角度不與被測物的反射光重疊。（3）拍攝點應(yīng)避免以變壓器的散熱器或其它有熱輻射的電氣設(shè)備作為背景，以免干擾測溫準確度。（4）現(xiàn)場拍攝發(fā)現(xiàn)存在缺陷時，在條件允許下，可多角度拍攝，最大限度地反映缺陷狀況。（5）當紅外測溫儀具備拍攝可見光照片性能時，發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)保留可見光照片。（6）作為歷史檔案保存的紅外圖譜照片，拍攝地點角度盡量統(tǒng)一，有條件的話也應(yīng)記錄負荷情況。（7）查找不正常的溫度，不僅要注意熱點，也要注意冷點。（8）避免儀器在強磁場環(huán)境下工作。熱像圖會發(fā)生比較嚴重的失

14、真，影響圖象效果，對儀器本身也會造成不可挽回的后果。紅外診斷技術(shù)是非接觸的間接測溫技術(shù)，與其他技術(shù)相比，其具有不可比擬的優(yōu)點，但同時也有其局限性的一面。紅外診斷技術(shù)所反映的被測體表面溫度，測量值受到多種因素的影響（環(huán)境溫度、表面反射率和背景溫度等），診斷設(shè)備健康狀況時應(yīng)考慮這些因素，對讀數(shù)進行修正，使測量值盡可能準確。特別應(yīng)注意的是，溫度只是用來進行缺陷診斷的幾個重要參數(shù)之一，但不是唯一參數(shù)。例如在較低負荷條件下，即使設(shè)備有嚴重缺陷，紅外圖譜顯示的溫度也不一定很高，此時僅靠溫度來解釋問題就可能導(dǎo)致片面的結(jié)論，故應(yīng)綜合多方面數(shù)據(jù)，進行分析后做出結(jié)論。5結(jié)束語紅外監(jiān)測技術(shù)的推廣普及使大量設(shè)備缺陷消除在萌芽狀態(tài)，同時也使壽命