紅外監(jiān)測(cè)與電纜運(yùn)行管理

1、紅外監(jiān)測(cè)與電纜運(yùn)行管理俞瑾華（上海電纜輸配電公司）摘要紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)在電纜運(yùn)行管理領(lǐng)域已運(yùn)用多年，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)能在正常運(yùn)行情況下對(duì)運(yùn)行電纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)、發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，并為預(yù)測(cè)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(yùn)行管理方面的實(shí)例為基礎(chǔ)，總結(jié)過(guò)熱缺陷的診斷方法，歸納電纜發(fā)熱類(lèi)型及開(kāi)展紅外工作的關(guān)鍵事項(xiàng)。關(guān)鍵詞紅外監(jiān)測(cè)電纜運(yùn)行管理紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用在電纜運(yùn)行管理領(lǐng)域已有多年，從最初的使用點(diǎn)式測(cè)溫儀對(duì)電纜連接點(diǎn)的簡(jiǎn)單溫度讀取，到目前已得以廣泛運(yùn)用的非致冷型焦平面紅外熱像儀對(duì)全部被測(cè)物體進(jìn)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(yùn)用。紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)發(fā)現(xiàn)由電流致熱型缺陷

2、引起的接點(diǎn)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(shì)，同時(shí)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(duì)電纜設(shè)備的壽命檢修成為可能。在當(dāng)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(yùn)行經(jīng)濟(jì)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(cè)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(shí)每刻都因自身分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。紅外線是一種電磁波，其波長(zhǎng)在0.751 000m之間，按波長(zhǎng)范圍分為近紅外（0.753m）、中紅外（36m）、遠(yuǎn)紅外（615m）、極遠(yuǎn)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，5.67×10-8w/（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(gè)熱輻射能量場(chǎng)，相應(yīng)有一個(gè)溫度分布場(chǎng)。利用紅外熱像儀可對(duì)物體表面紅外輻射的強(qiáng)弱進(jìn)行探測(cè)，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(diǎn)，通過(guò)對(duì)物體表面溫度及溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)來(lái)判斷設(shè)備是否存在缺陷。 1.2紅外診斷技術(shù)的特點(diǎn)紅外技術(shù)對(duì)運(yùn)行電纜設(shè)備進(jìn)行非接觸

4、監(jiān)測(cè)，通過(guò)紅外圖譜反映其溫度分布，通過(guò)專(zhuān)業(yè)分析軟件顯示任何一點(diǎn)、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(cè)試低值絕緣紙，對(duì)設(shè)備外殼由金屬包裹的如gis終端、電纜中間接頭等無(wú)法發(fā)揮作用。利用紅外測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式(如熱電偶、不同熔點(diǎn)的蠟片等放置在被測(cè)物表面或體內(nèi))相比，可實(shí)現(xiàn)在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線監(jiān)測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度，通過(guò)掃描，還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高，便于現(xiàn)場(chǎng)使用。紅外測(cè)溫儀的量程寬（-202000），分辨率高（0.05）的特點(diǎn)更為其他測(cè)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(duì)溫差判斷法；（3

5、）同類(lèi)比較法；（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(cè)量值對(duì)照gb76390交流高壓電器在長(zhǎng)期工作時(shí)的發(fā)熱標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)備最高允許溫度或溫升值的規(guī)定進(jìn)行判斷。而其它4種方法實(shí)質(zhì)上都是基于進(jìn)行比較的策略。對(duì)運(yùn)行的電纜設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫，多數(shù)情況下是通過(guò)比較方法來(lái)判斷的，比較的對(duì)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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)比較時(shí)，參考的對(duì)象應(yīng)包括環(huán)境溫度、負(fù)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(lái)源電纜設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，由于電流、電壓的作用，將產(chǎn)生以下2種主要來(lái)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(diǎn)為電纜出線樁頭與其它

6、電氣連接點(diǎn)。按照焦耳定律，當(dāng)電流通過(guò)電阻時(shí)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(qiáng)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(dāng)電纜樁頭與其它電氣連接點(diǎn)連接不緊密時(shí)，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(diǎn)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(dòng)導(dǎo)致發(fā)熱經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)期運(yùn)行，電纜樁頭與其它電氣設(shè)備的連接點(diǎn)有可能因接觸不良，引起過(guò)熱，紅外圖譜表現(xiàn)為電纜樁頭連接部位溫度明顯升高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成接觸電阻增大，連接點(diǎn)碳化。此類(lèi)缺陷占全部電纜紅外缺

7、陷的80%以上。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(yùn)行電纜中，該類(lèi)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(chǎng)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

8、缺陷紅外照片。由于電壓致熱缺陷具有隱蔽性大，危害性強(qiáng)，后果嚴(yán)重的特點(diǎn)，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(diǎn)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?chē)?yán)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(diǎn)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(lái)進(jìn)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(guò)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

9、就是預(yù)制附件與交聯(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(cè)量應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，從而測(cè)得直徑間的差值應(yīng)小于0.5mm，同時(shí)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(qiáng)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

10、橡膠蕉絕緣件的平整套入。為保證絕緣屏蔽層和預(yù)制件內(nèi)部評(píng)比曾的接觸良好，應(yīng)對(duì)絕緣屏蔽層做延伸處理。在做特殊絕緣屏蔽處理時(shí)，若方法運(yùn)用不當(dāng)，也將在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生局部溫升現(xiàn)象。3電纜設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)管理運(yùn)用紅外技術(shù)可對(duì)各電壓等級(jí)的運(yùn)行電纜進(jìn)行有系統(tǒng)的技術(shù)管理，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐摸索，紅外測(cè)溫技術(shù)已在220kv10kv電纜運(yùn)行上進(jìn)行了全覆蓋，尤其是35kv以上等級(jí)，所有具備測(cè)溫條件的終端，都建立了紅外測(cè)溫檔案，并有專(zhuān)人進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析。在發(fā)現(xiàn)幾個(gè)終端接點(diǎn)接觸不良缺陷的同時(shí)，對(duì)確保電纜可用率、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行都提供依據(jù)。而通過(guò)建立運(yùn)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(duì)積累運(yùn)行數(shù)據(jù)，判斷隱藏缺

11、陷，提高設(shè)備健康水平有很實(shí)際的意義。圖5電纜隧道內(nèi)不同載流量電纜運(yùn)行溫度對(duì)比除了通常的對(duì)電纜終端進(jìn)行紅外監(jiān)測(cè)外，也可對(duì)運(yùn)行電纜的整體溫升情況進(jìn)行監(jiān)控。圖5為在正常運(yùn)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(yùn)行溫度相差約4ºc。4紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)的分析管理4.1人員因素占據(jù)首位紅外監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展成敗與操作人員的技能水平密切相關(guān)。誠(chéng)然，一臺(tái)操作便捷的紅外測(cè)溫儀器必不可少，但從現(xiàn)場(chǎng)拍攝中的具體拍攝位置、角度、距離的選擇，到對(duì)拍攝物體對(duì)焦確定，直至后期數(shù)據(jù)對(duì)比、與歷史檔案的判別分析，每一步都離不開(kāi)操作人員

12、經(jīng)驗(yàn)與判斷。作為一名合格的紅外儀器操作員，其必須同時(shí)具有理論和實(shí)踐雙重經(jīng)驗(yàn)，不僅要熟識(shí)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(biāo)、操作程序和調(diào)試方法同時(shí)，還必須對(duì)被測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、有較為全面的了解。同時(shí)一名合格的操作員還必須具有沉著、細(xì)致的工作作風(fēng)。目前，較為先進(jìn)紅外熱像儀都已具備了自動(dòng)對(duì)焦功能，但在具體實(shí)踐中，為獲得清晰明了的紅外圖譜，往往還是需要手動(dòng)對(duì)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(gè)過(guò)程與專(zhuān)業(yè)攝影師的人像攝影頗為類(lèi)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(fù)載率必須達(dá)到30以上，必要時(shí)應(yīng)等待高峰負(fù)荷。監(jiān)測(cè)時(shí)的負(fù)荷越高，

13、對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷更為有利。（2）盡量避免在直射陽(yáng)光下操作。直射陽(yáng)光會(huì)掩蓋缺陷，最好的操作條件是在足夠的負(fù)荷下，在晚上和陰天時(shí)進(jìn)行。若不能避免陽(yáng)光直設(shè)，也要做到拍攝角度不與被測(cè)物的反射光重疊。（3）拍攝點(diǎn)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(cè)溫準(zhǔn)確度。（4）現(xiàn)場(chǎng)拍攝發(fā)現(xiàn)存在缺陷時(shí)，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(dāng)紅外測(cè)溫儀具備拍攝可見(jiàn)光照片性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)保留可見(jiàn)光照片。（6）作為歷史檔案保存的紅外圖譜照片，拍攝地點(diǎn)角度盡量統(tǒng)一，有條件的話(huà)也應(yīng)記錄負(fù)荷情況。（7）查找不正常的溫度，不僅要注意熱點(diǎn)，也要注意冷點(diǎn)。（8）避免儀器在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下工作。

14、熱像圖會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的失真，影響圖象效果，對(duì)儀器本身也會(huì)造成不可挽回的后果。紅外診斷技術(shù)是非接觸的間接測(cè)溫技術(shù)，與其他技術(shù)相比，其具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有其局限性的一面。紅外診斷技術(shù)所反映的被測(cè)體表面溫度，測(cè)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(shí)應(yīng)考慮這些因素，對(duì)讀數(shù)進(jìn)行修正，使測(cè)量值盡可能準(zhǔn)確。特別應(yīng)注意的是，溫度只是用來(lái)進(jìn)行缺陷診斷的幾個(gè)重要參數(shù)之一，但不是唯一參數(shù)。例如在較低負(fù)荷條件下，即使設(shè)備有嚴(yán)重缺陷，紅外圖譜顯示的溫度也不一定很高，此時(shí)僅靠溫度來(lái)解釋問(wèn)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(jìn)行分析后做出結(jié)論。5結(jié)束語(yǔ)紅外監(jiān)測(cè)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(shí)