張萼輝 上海鐵路局科研所

牽引變電所設備熱缺陷溫度診斷判據(jù)研究

張萼輝 上海鐵路局科研所

制定可靠的溫度診斷判據(jù)是預警牽引變電所設備熱缺陷的先決條件。針對電流、電壓致熱型設備的缺陷溫升特征進行分析，從而提出表面溫度、相對溫度變化率、同相設備溫差以及同類設備溫度超限等判據(jù)，并對判據(jù)進行實例化驗證。

牽引變電所；熱缺陷；判據(jù)；診斷

1 引言

紅外熱成像技術已廣泛應用于電力系統(tǒng)帶電設備的溫度信息采集工作。如何通過設備溫度信息準確反映帶電設備缺陷，是實現(xiàn)牽引變電所帶電設備缺陷自動監(jiān)測的難點之一。目前電力企業(yè)遵循的主要標準是DL/T664-2008《帶電設備紅外診斷應用導則》，此規(guī)范針對電流、電壓致熱型設備分別給出了溫度、相對溫差及缺陷分類的診斷判據(jù)，較為適用于手持式等數(shù)據(jù)量較小的紅外熱像監(jiān)測，且每種缺陷均采用單一判據(jù)進行診斷，難以滿足在線式紅外熱成像自動監(jiān)測的需要。

此外，與電力系統(tǒng)不同的是，牽引供電系統(tǒng)負荷有其自身特點。一方面由于牽引變二次側(cè)的單相輸出，一次側(cè)的三相電流不平衡成為常態(tài)；另一方面，牽引供電系統(tǒng)負荷與車輛運行工況的變化密切相關，波動較大。直接套用電力標準難以保證設備缺陷診斷的精度。

我所開發(fā)的牽引變電所紅外熱成像智能溫度預警系統(tǒng)，可對牽引供電設備運行狀態(tài)的熱分布進行全天候、連續(xù)、實時紅外數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采集的大數(shù)據(jù)量為多種溫度診斷判據(jù)的綜合利用提供了有力支撐。因此，不僅有必要、而且有條件制定基于牽引變電所紅外熱成像智能溫度預警系統(tǒng)的缺陷診斷判據(jù)。

2 電流致熱型設備

電流致熱型設備包括進線端子、隔離開關、SF6斷路器、電流互感器等。其發(fā)熱主要是電阻損耗：

其發(fā)熱功率與電流的平方以及電阻成正比，供電臂上不發(fā)生短路的情況下電流一般不會突增。電流致熱型設備發(fā)生缺陷一般是由電阻增大引起，主要原因有：電氣接頭連接不良、觸頭接觸不良、斷股等。這些缺陷與設備設計、安裝不當、運行維護不當或設備老化有關。

2.1 電流熱缺陷溫升特征

電流致熱型設備的熱缺陷可以分為外部熱缺陷和內(nèi)部熱缺陷,其溫升特征有所不同。對于外部熱缺陷，其缺陷的致熱部位是裸露的，大部分是由于電氣接頭老化導致接觸電阻增大，缺陷表面溫度可直接測量。因老化是一個長期過程，接觸電阻逐漸增大，其溫升是一個單調(diào)的緩慢上升過程。

內(nèi)部熱缺陷由于其致熱部位被封閉,小部分熱量可能通過導體傳遞到外部，大部分需通過油、SF6或絕緣紙等介質(zhì)傳到其表面，所以其測量值比實際溫度值要小。對于可能發(fā)生內(nèi)部熱缺陷的設備，如斷路器、電流互感器等監(jiān)測節(jié)點，需利用多種判據(jù)進行綜合診斷。

2.2 外部熱缺陷診斷判據(jù)

對于外部熱缺陷，首先應制定表面溫度超限判據(jù)，此判據(jù)可直接引用DL/T664-2008《帶電設備紅外診斷應用導則》中相關條款（見表1）。

表1 電流致熱型設備外部熱缺陷診斷判據(jù)

對于相間溫差，必須注意到在設備完好的情況下，即使牽引變一次側(cè)發(fā)生三相不平衡，設備的溫度差異也較小。如若相間溫差不大，可忽略三相不平衡的影響；若實測相間溫差大于一般缺陷閾值，必須在相關供電臂上電流大于100A時重新測試一次，以確認溫差是由于設備接觸電阻增大導致。

若設備開始發(fā)生老化，其阻值增大是一個長期緩慢過程，很長一段時間內(nèi)，其最大相間溫差都不會超過一般缺陷的閾值。但僅根據(jù)上述表面溫度超限判據(jù)，是無法在缺陷初始階段發(fā)現(xiàn)問題的。因此，必須同時使用相對溫度變化率超限判據(jù)以發(fā)現(xiàn)早期缺陷，公式如下：

式中：

△T為相對溫度變化率；

τ1為前一時刻相對溫差，τ2為后一時刻相對溫差，K；T1為前一時刻實測溫度，T10為前一時刻環(huán)境參照體溫度，℃；

T2為后一時刻實測溫度，T20為后一時刻環(huán)境參照體溫度，℃；

Time為時間跨度，s。

設置合理的相對溫度變化率閾值，若連續(xù)幾個周期△T都大于此值，即認為設備發(fā)生了熱缺陷，即使最大相間溫差小于一般缺陷閾值，系統(tǒng)也會報警，可及早發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.3 內(nèi)部熱缺陷診斷判據(jù)

內(nèi)部熱缺陷主要發(fā)生在斷路器和電流互感器內(nèi)。同樣引用電力標準作為表面溫度超限判據(jù)作為參考（見表2）。

表2 電流致熱型設備內(nèi)部熱缺陷診斷判據(jù)

對比外部熱缺陷診斷判據(jù)，可看出內(nèi)部熱缺陷各級診斷判據(jù)的閾值都要低，這是由其溫升特征決定。內(nèi)部熱缺陷的熱量只有一部分能傳導至外部，其溫升不如外部熱缺陷靈敏，若受到外部風力情況干擾，更是難以判斷。因此相對溫度變化率超限判據(jù)不適用于內(nèi)部熱缺陷的診斷。

同時，內(nèi)部熱缺陷的熱量需經(jīng)過介質(zhì)傳遞，作為與內(nèi)部電流大小正相關的外部溫度參數(shù)，介質(zhì)相當于一個延遲和積分環(huán)節(jié)，因此三相電流不平衡不再是一個可忽略的因素。在牽引變一次側(cè)不同的相上，即使設備具有相同的內(nèi)部缺陷，如果電流大小及流經(jīng)時間不同，外部溫度也會有較大差異，因此如表2所示一般缺陷采用相間溫差是不合適的，必須選擇與監(jiān)測對象同相的設備溫度作為基準值計算溫差。

圖1為牽引變電所紅外熱成像智能溫度預警系統(tǒng)中歷史溫度曲線顯示界面。曲線表示的是9天內(nèi)牽引變一次側(cè)A相上可能發(fā)生內(nèi)部熱缺陷的設備溫度值，可看出其隨環(huán)境溫度變化的一致性非常好，因此可將這些溫度的算術平均值作為同相設備溫度值使用。此即為同相設備溫差超限判據(jù)。

紅外熱像儀的特點是絕對溫度值測量精度偏低，但在合適的環(huán)境溫度下，其相對誤差小于0.05℃。因此，使用同相設備溫差超限判據(jù)判斷內(nèi)部熱缺陷，不僅充分利用了紅外熱像儀熱靈敏度高的優(yōu)勢，還可抑制風速、外界溫度等干擾，提高診斷的準確性。

圖1 多設備節(jié)點溫度-時間曲線

3 電壓致熱型設備

電壓致熱型設備通常指電壓互感器、避雷器、電容式套管等。電壓致熱缺陷主要是因受潮、老化等因素引起絕緣介質(zhì)不良所致，其在電場中產(chǎn)生極化損耗或電導損耗引起發(fā)熱，局部放電也會產(chǎn)生額外熱量。電壓致熱缺陷一般與運行電壓的平方成正比，與負荷電流大小無關。因此牽引變電所三相電流不平衡不會導致電壓致熱型設備的溫度差異。其發(fā)熱功率由式3決定：

式中：

U為運行電壓，V；XC為耦合容抗，Ω；

ω為系統(tǒng)角頻率，rad/s；

C為電容量，F(xiàn)；

tanθ為耦合電容介質(zhì)損耗的正切值。

3.1 電壓熱缺陷溫升特征

電壓致熱設備存在缺陷時，往往表現(xiàn)出局部或整體性的溫度異常。由于發(fā)熱部位大多處于內(nèi)部，且損耗不大（發(fā)熱功率從幾瓦到幾十瓦不等，個別可達幾百瓦），缺陷不易在外部以溫度明顯變化的形式表現(xiàn)。

這類設備的共同點是：一般發(fā)熱不大，溫升值比較穩(wěn)定，在無風條件下溫升為：避雷器0.5～10K，耦合電容器1～5K，電磁型電壓互感器4K～6K。在有風條件下，其正常溫升比上述數(shù)值要低得多。

3.2 電壓熱缺陷診斷判據(jù)

電力行業(yè)標準DL/T664-2008《帶電設備紅外診斷應用導則》中提出的溫升或溫差判據(jù)，是電壓致熱型設備的最大允許溫升及同類之間的允許溫差值，應基于此導則細化溫度超限判據(jù)（見表3）。

表3 電壓致熱型設備熱缺陷診斷判據(jù)

電壓致熱型設備發(fā)熱量小，傳導到外部的熱量還要打折扣，因此測得的溫度值與致熱部位的實際溫度相差很大。若按表面溫度超限判據(jù)進行診斷，會出現(xiàn)嚴重誤差；同時，相對溫差超限判據(jù)也不適用于缺陷發(fā)熱部位溫升小于1K的電壓致熱型設備。

對于這類故障，宜采用同類設備溫差超限判據(jù)。利用被測對象的溫度值與其它兩相上相同設備的溫度值進行比較，判斷溫差是否超過閾值，從而診斷設備是否發(fā)生故障。由于紅外熱像儀的相對測溫精度達到0.05℃，因此對于1K的溫升，系統(tǒng)有足夠的分辨率可以區(qū)分。

4 結(jié)束語

牽引變電所室外帶電設備種類較多，缺陷和溫升特征也各有特點。針對這些特點，制定合理的溫度超限判據(jù)，是對設備缺陷進行可靠診斷的基礎。根據(jù)本文分析所制定的溫度超限判據(jù)，已在我所開發(fā)的“牽引變電所紅外熱成像智能溫度預警系統(tǒng)”中得到應用，在系統(tǒng)應用過程中，溫度超限診斷及預警功能運行穩(wěn)定可靠。目前在不斷積累數(shù)據(jù)，優(yōu)化判斷閾值，以期進一步提高診斷及預警的精度。

[1]DL/T664-2008《帶電設備紅外診斷應用導則》.

[2]張曉霞.變電站電壓致熱型設備的紅外測溫診斷[J].電力與能源.2010 (25)∶757-758.

[3]賴岳雄,潘月多.對電流致熱型設備紅外診斷技術探討[J].廣東電力. 2004(4)∶49-52.

責任編輯：王華 張建強
來稿日期：2014-01-27