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1、基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究申请学位级别：工程硕士硕士专业：控制工程指导教师： xxx2011.3.11基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究摘要在工程实践中，电气设备由于经常运行在恶劣的工作环境下，事故频发，不仅损坏设备，影响正常生产，也对工作人员的生命安全造成了极大的威胁。为了确保设备运行的安全，故障的诊断是非常重要的。随着社会进步，红外热成像技术得到了充分的发展，其应用范围也越来越广泛，特别是对于电气设备潜在故障的诊断，红外热成像技术具有高安全性、非接触性和无需停止工作就能进行检测等许多优点。以红外热成像技术为基础的电气设备潜在故障诊断成为一个非常有实用价值的研究课题。红外
2、热成像技术在工程中的应用，首先是通过红外热像仪采集电气设备的信息，再进一步对信息进行分析，就可以对设备的故障进行诊断。本文在红外热辐射的理论基础上引出红外热成像诊断的基本理论，利用红外热成像技术对电气设备潜在故障进行分析、诊断。具体内容包括电气设备红外图像的采集和故障诊断两大方面。图像采集方面，对影响图像采集的因素进行了分析研究，制定了相应的措施，为提高红外图像采集的准确性提供了重要的依据；故障诊断方面，首先利用软件提取热像仪采集的信息，再通过诊断故障系统对信息进行判断，确定电气设备的状态，同时诊系统也可对设备内在故障进行分析和制定应对的措施。论文的最后以实际的电气设备红外诊断为例，分析研究了
3、红外热成像技术的具体应用。本文的红外图像的采集和故障诊断系统，在实践应用中取得了良好的效果。通过红外热成像诊断，能够及时发现设备中内在的问题，通过采取相应的措施，避免了设备发生问题；同时通过对图像的分析，可以充分了解设备的状态，实际作业中可以适当调整设备的保养时间和项目，提高了设备的有效利用率，降低了维护方面的成本。本文的故障诊断系统与实际相结合，具有很强的可操作性，提高了设备潜在故障诊断的可靠性，降低了设备故障的发生概率。关键词：红外热成像技术；采集；故障诊断 Faults Analysis and Application of Electric Based on Infrared Ther
4、mographic TechniqueAbstractIn practical project，accidents of electric happened a lot due to the long running and poor working environmentIt not only damages electric and affects production，but also poses a serious threat to human safetyIn order to ensure the safety of electric，the importance of diag
5、nosing in advance is obviousWith the development of technology，infrared thermographic technique has been fully developed and widely applied，especially in the fields of electric faults diagnosingInfrared thermographic technique has many advantages，such as high safety，noncontact and nostopping during
6、the productionThe research on faults diagnoses of electric based on infrared thermographic techniqueis is quite meaningfulInfrared thermographic technique is applied to acquire infrared images，and then get the diagnosis of faults through analyzing the infrared imagesThis paper propose the basic prin
7、ciples of infrared thermal imaging diagnosing on the basis of infraredthermal radiation and explains infrared thermal imaging diagnosing of electricIt includes the acquisition of electric infrared images and diagnosis of faultsAs to image acquisition，this paper lists out factors that may affect the
8、infrared image acquisition first，and then implements corresponding actionsThis process is quite important to improving accuracy of infrared image acquisitionIn diagnosis aspect，this paper first uses software to acquire infrared images from the infrared acquisition device，and then analyze the image u
9、sing the diagnosis system to get the electric working status，meanwhile，analyzes the faults and solves themThe last part of this paper takes infrared imagediagnosis of electric in practice as example and presents the practical application of infrared thermographic techniqueThe infrared image acquisit
10、ion and diagnosis system presented in this paper has got good results in practiceInfrared thermographic diagnosis technique Can help workers find electric faults in advance and take actions to avoid production haltBesides，we can fully supervise the working status of electric through these infrared i
11、mages SO that to enhanceutilization of equipment and reduce maintenances costs by flexible adjustment in maintainingtime and itemsin this paper Faults diagnosis system presented has been applied in practical operation，which improving the reliability of faults diagnosis and reducing the occurrencepro
12、bability of equipment faultsKey Words：Infrared Thermographic Technique； Acquisition；Fault Diagnosisxx大学学位论文度创性声明独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：基于红外热成像原理
13、的电气设备故障诊断研究作者签名：xxx日期2011.3.11xx大学版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于xx大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：基于红外热成像原理的电气设备故障诊断研究作者签名：李金丽导师签名：日期：2011.3.111绪论随着科学的发展和技术的进步，厂矿企业的现代化水平日益提高【1】，电气设备的工作强度不断增大，自动化程度、生产效率也越
14、来越高。同时设备也变得更加复杂，各个部分的关联性也更加密切，往往某处微小的故障就会导致一系列的连锁反应，轻则部分部件受损，重则发生整个设备损坏或人员伤亡等重大的事故。这样不仅造成了企业的经济损失，也影响了正常的运行和员工的人身安全。因此，在安全管理上，对于设备的缺陷、故障的检测和诊断技术日益获得了重视和发展。机械故障诊断技术是指通过对设备在运行中(或相对静态条件下)状态信息的分析和处理，结合诊断对象的历史状况，识别设备及其部件的实时技术状况，并预知有关异常、故障和预测其未来技术状况，从而确定必要对策的技术【2】。为了进行电气设备的故障诊断，就需要了解设备的工作状况，而实际上设备的故障绝大多数的
15、表现形式都是局部或整体过热或温度分布异常，以此对应的是红外图像的变化，因此通过对设备的红外图像分析和研究就可以对设备的故障进行诊断。红外热成像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，是近年发展起来的一种新的无损检测方法，具有无损、快速、非接触等优点。通俗地讲是通过红外热像仪探测出物体表面温度分布，进而判断设备的工作状况。近年来红外热像仪作为一种非破坏性检测技术，已广泛应用于电力、石油化工、冶金、交通、建筑等众多领域。红外热像仪是基于红外热成像技术将设备的热信息瞬间可视化的设备，通
16、过红外热像仪可以方便的获取设备的红外图像，利用专业的软件，使检测人员能够充分了解设备的温度分布信息，从而为掌握设备的工作状态、有效的发现和诊断设备的潜在故障提供了必要的保障。依据具体的问题采取相应的措施，可以起到降低设备的突发性故障，确保设备的正常工作的作用。目前，红外热像仪在设备的预防性维护、故障的事前检测等方面发挥了巨大的作用。1.2国内外的研究现状红外热成像检测也称为热无损检测(Thermal Non Destructive Testing，TNDT)，是建立在传热学理论上的一种方法。由于检测速度快、面积大、范围广，并且对检测物体无任何影响，所以红外无损检测的应用越来越广泛【3】。在国外
17、，早在1949年Leslie等人就首次提出利用红外技术探测高压输电线路过热接头的思想，并描述了利用电阻测辐射热计制成的红外辐射计探测过热接头的具体方法。此后，随着红外探测元器件和仪器系统的发展，1965年开始应用较先进的红外辐射热像仪测量工业及输热管道温度，检测电动机、变压器和电缆等设备过热接头，从此，正式开辟了应用红外热像仪检测设备热故障的新领域，并在此基础上，不断改进和完善红外热像仪，扩大使用范围，逐步提高在实际中的使用效果【4】。此外，20世纪60年代初还研制了利用蒸发照相原理工作的红外成像仪，迈出红外成像探测的第一步。随着红外行扫描器和军用光机扫描式红外前视系统的迅速发展与逐步完善，很
18、快诞生了民用光机扫描式红外热像仪代替了蒸发照相原理的红外成像仪。接着，一些国家迅速把它应用于电气设备众多裸露电气接头及各种高压电气设备故障的检测和输热管道漏热检测。而近年来美国多家大公司(如：GE、GM、波音、福特、洛克希德、西屋等)及政府机构(如：NASA、FAA、空军、海军)等已经在广泛应用和推广该项技术【5】。我国红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展滞后于国外，而市场需求却持续强劲，无论在民用还是军用领域都有巨大的发展空间【6】，但近几年发展很快。国内设备故障红外诊断的发展大体上可归纳为如下几个阶段：第一阶段(1986年以前)为调查研究、基础研究和可行性试验阶段，这个
19、阶段的主要特点是：使用的检测仪器以红外辐射测温仪为主，检测的对象以外部裸露的电气接头过热故障为主。在60年代前半期，国内一些电力研究院所就进行了广泛的调查研究工作，力图开展红外诊断研究。但是，由于多种原因，花费近十年的时间也未取得明显进展。随着国内红外技术的发展，70年代中期，前东北电力技改局电网调度研究所和华东电管局电力中心试验所等单位，一方面研制适用于电气设备故障监测的红外辐射测温仪，另一方面也着手进行了电气设备热故障的检测试验。与此同时，原水电部西安热工研究所等单位，开始了光机扫描式红外热像仪的研制和输电线路劣化绝缘子的红外监测试验研究，都取得了良好的效果，及时发现和排除了不少事故隐患，
20、有效地防止了一些重大事故的发生。高等院校也进行了某些基础研究工作。第二阶段(1987-991)为航测试验阶段。这个阶段的特点是：为改善电气设备故障红外诊断的技术装备条件，首先在几个电力中试所开始引进国外较先进的红外热像仪；主要检测对象除仍以电气设备外部裸露接头热故障为主以外，着重对高压输电线路导线连接件及劣化线路绝缘子进行直升飞机红外航测试验研究，取得了不少成功的经验。并对高压电气设备内部故障的监测也做了一些工作。国内专业红外科研单位，积极进行光机扫描红外热像仪和红外热电视的研制，并有多种样机通过有关部门的鉴定。第三阶段(1992-1995)为生产性试验阶段。这个阶段的特点是：第一，除专业电力
21、科研单位以外，有些生产单位如供电局，看到了红外诊断的技术潜力，开始购置仪器进行现场生产性检测试验。第二，电力工业部西安热工研究院和一些省电力中试所，把以往只对电气设备外部裸露接头故障诊断的研究，扩展到对各类高压电气设备内部故障诊断的研究。通过理论分析、模拟试验和大量现场监测结果的统计分析，搞清了各类电气设备内部故障的红外热成像特征，为在生产实践中推广红外诊断技术奠定了可靠的基础。第三，在检测手段上，更多地购置了先进的红外热像仪，并且，国产红外热电视也开始试用，并在基层单位取得了一席之地。第四阶段(1996至今)为应用、推广和建立诊断标准阶段。这个阶段的重要特点是得到各级领导的重视，行业主管部门
22、开始以行政手段推广应用红外诊断技术，各网省局普遍投资购置红外诊断仪器，并着手制订电气设备故障红外诊断的行业标准。为更好地规范和指导红外热成像技术在电力工业中的应用，在对一些设备的典型故障进行现场实测和模拟试验的基础上，国家经贸委1999年颁布实施了“带电设备红外诊断技术应用导则”DLT6641999)，其中包含有40幅典型故障的热像图谱【7】。虽然红外诊断技术在我国电力行业的发展取得了可喜的进步，但是当今的设备故障红外诊断技术水平在设备诊断工程学的角度来看还处于经验层次的初级阶段。因此，为了促进红外诊断技术的迅速发展，今后主要以诊断标准化、诊断数学、诊断智能化的方向进行研究。另外红外自动诊断检
23、测技术还不成熟，大多依靠人工手持红外热像仪来判断故障。1.3选题背景因电气设备故障导致的的事故经常会造成大量的财产损失，同时也对人身安全构成了严重的威胁。因此人们越来越关注电气设备的安全运行，这也成为实际生产中必须解决的问题。目前，我国大多企业为了确保电气设备的安全运行，都定期停机进行维修和检测，这在一定程度上减少了设备发生故障的概率，提高了运行的安全系数，延长了设备的使用年限。但随着对设备故障的研究水平的提高，人们又逐步认识到停机进行维修和检查存在着一定的缺陷，一些潜在的故障在停机状态下难以发现，并且一些不必要的维修和检测，不仅浪费了时间，也浪费了维护成本。同时，在进行定期的维修检测过程中，
24、人为因素也可能造成一些新的故障和隐患。因此，将预防性定期停机维护和检测过渡到“在线状态检测已经成为提高生产率的一条重要途径，也符合现代设备管理的需要。随着红外热成像技术的发展，基于红外热成像的设备在线检测得到了普遍的应用，其应用方面越来越广泛，特别是对于电气设备的潜在故障检测，红外热成像具有非接触、安全、快速、大面积扫描和不需停机就能进行检测等诸多优点，通过红外热像仪获取的设备红外图像为基础的故障诊断成为一个非常有意义的研究方向。1.4总体框架本文的内容是以电气设备的红外热图像的获取、处理为基础，通过红外图像分析设备故障，及时采取相应的对策，通过事前预防等方法，降低设备的故障率，确保设备的安全
25、。同时，也可以为制定设备的维修保养计划提供重要的参考依据，降低企业的维护成本和维护时间。本文的结构安排如图11，主要内容包括以下方面：第一章是引言部分，主要介绍该课题的国内外的研究现状及选题背景。第二章介绍红外探测器的发展历史及研究内容和意义。第三章是热成像仪设备介绍与红外诊断原理。第四章则是设备的概况，原理，故障及识别，红外热成像技术在实际中的具体应用实例分析。第五章结论部分是对全文的总结及以后工作的展望。图1.1 文章结构选题背景及课题的意义 红外发展史和意义1绪论2 红外热成像设备发展历史及研究意义红外诊断原理3 热成像仪设备介绍与红外诊断原理红外诊断实例应用4 设备概况、原理、故障及识
26、别，具体分析全文总结5 结论 第二章2 电气设备故障及红外检测方法研究电气设备多故障从红外监测与诊断上可以外部故障和内部故障，不言而喻，外部故障是指裸露在设备外部各部位发生的故障（如长期暴露在大气环境中工作的裸露电气接头故障、设备表面污秽以及金属封装的设备箱体涡流过热等）。这类故障因能直接暴露在红外检测仪器的现场范围内，红外检测时很容易地获得直观的有关故障信息。而内部故障则是指封闭在固体绝缘、油绝缘及设备壳体内部的各种故障。由于这类故障部位受到绝缘介质或设备壳体的阻挡，所以通常难以像外部故障那样从设备外部直接获得直观的有关故障信息。但是，根据各种电气设备的内部结构和运行工况，依据传热学理论，分
27、析传导、对流和辐射三种热交换形式沿不同传热路径的传热贡献（多数情况下只考虑金属导电回路、绝缘油和气体介质等引起的传导和对流），并结合模拟试验、大量现场检测实例的统计分析和解体验证，也能够获得电气设备内部故障在设备外部显现的温度分布规律或热像特征，从而对设备内部故障的性质、部位及严重程度做出判断。为此，必须分析研究电气设备故障的主要模式、产生原因和出现热分布异常的机理与规律。2.1 电气设备主要故障模式在电力系统的各种设备中，往往由于出现故障而导致设备运行的温度状态发生异常。通常，电气设备的缺陷故障的发生总要伴随相应的热量损耗的产生：接触性故障遵循P=12R规律，其发热是由电流作用在导电电阻上产
28、生的，此类发热主要出现在导电部件的联结、连接及接触处。如果由于某种原因引起导流回路连接故障，就会引起接触电阻增大，当负荷电流通过时，必然导致局部过热；介质性故障遵循P=U，珊-Ctga规律，其发热是通过电压作用产生的，此类发热主要出现在电容器、互感器、充油套管内部介质损耗及其瓷套管劣化等问题上。如果电气设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起绝缘介质损耗增大，在运行电压作用下也会出现过热；因绝缘表面脏污、受潮等因素导致的表面泄露电流增大而引起的发热功率遵循P=U2IR规律，其发热是由泄漏电流引起的，此类发热主要出现在瓷瓶及瓷套管因污秽、受潮等因素导致的泄漏电流增大问题上。具有磁回路的电气
29、设备，由于磁回路漏磁、磁饱和或铁心片间绝缘局部短路造成铁损增大，会引起局部环流或涡流发热：还有些电气设备(如避雷器和交流输电线路绝缘瓷瓶)，因故障而改变电压分布状况或增大泄漏电流，同样会导致设备运行中出现温度分布异常。以下内容可参照上述黄底色部分适当简化，公式保留（1）电阻损耗（铜损）增大故障众所周知，电力系统导电回路中的金属导体都存在相应的电阻，因此，当通过负荷电流时，必然有一部分电能按焦耳-楞茨定律以热损耗的形式消耗掉。由此产生的发热功率为：（2-1）式中P发热功率（W ）；Kf 附加损耗系数；I 通过的负荷电流（A）；R载流导体的直流电阻值（W）。Kf表明在交流电路中计及趋肤效应和邻近效
30、应时使电阻增大的系数。当导体的直径、导电系数和导磁率越大，以及通过的电流频率越高时，趋肤效应和邻近效应越显著，附加损耗系数f K 值也就越大。因此，在大截面积母线中，其影响往往不可忽略。但是，对于多股绞线或空心导体，通常均可认为Kf =1 。式（2-1）表明，如果在一定应力作用下使导体局部拉长、变细，或多股绞线断股，或因松股而增加表面层氧化，均会减小金属导体的导流截面积，从而造成增大导体自身局部电阻和电阻损耗的发热功率。对于导电回路中的导体连接部位而言，式（2-1）中的电阻值R应该用连接部位的接触电阻R j 代替。并在取K f = 1的情况下，可把式（2-1），改写为以下形式：P = I2 R
31、f （2-2）在理想情况下，假如导电回路中的各种连接件、接头或触头接触电阻低于相连接导体部分的电阻，那么，连接部位的电阻损耗发热不会高于（甚至低于）相邻载流导体的发热。然而，一旦某些连接件、接头或触头因连接不良，造成接触电阻增大，则从式（2-2）看出，该连接部位与周围导体部位相比，就会产生更多的电阻损耗发热功率和更高的温升，从而造成局部过热。运行实践表明，引起导电回路不良连接的主要原因有以下几种： 导电回路连接结构设计不合理。 安装施工不严格，不符合工艺要求。如连接件的电接触表面未除净氧化层及其他污垢，焊接质量差，紧固螺母没拧到位，未加弹簧垫圈，由于长期运行引起弹簧老化，或者由于连接件内被连接
32、的导线不等径等。 导线在风力舞动下或者外界引起的振动等机械力作用下，以及线路周期性加载及环境温度的周期性变化，也会使连接部位周期性冷缩热胀，导致连接松弛。 长期裸露在大气环境中工作，因受雨、雪、雾、有害气体及酸、碱、盐等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀，造成接头电接触表面氧化等。 电气设备内部触头表面氧化，多次分合后在触头间残存有机物或碳化物，触头弹簧断裂或退化老化，或因触头调整不当，或因分合时电弧的电腐蚀与等离子体蒸气对触头的磨损及烧蚀，造成触头有效接触面积减小等。接触电阻R j由接触点的收缩电阻和薄膜电阻两部分构成。其中，接触点的收缩电阻R s本质上仍是金属电阻，它是由于经接触点的电流线收缩所致。其
33、大小可用下列经验公式表示：（2-3）式中F j 接触压力（kgf ，1kgf = 9.8N ）；n 取决于触头接触形式的指数（如尖端-平面、球形-平面及球球形接触，n=0.5；母线接触，n=0.50.75；平面-平面、多板刷-平面接触，n=1）；k 与触头材料性质有关的常数（如对于无氧化物的铜-铜接触，k = 0.08 0.14；铜-镀锡的铜，k = 0.07 0.1；无氧化物的铜-铜爪形接触，k = 0.28、刷形接触，k = 0.1；无氧化物的铝-铝接触，k = 3 6.7；铝-铜接触，k = 0.98 4.4等）29。除在真空中以外，接触表面往往覆盖一层厚的气体薄膜、氧化物、硫化物及由触
34、头材料与周围介质反应后的生成物。触头接触时，若机械方面不能穿透这些表面薄膜，就会影响接触面有效导电。由于有裂缝和隧道效应，当这些薄膜存在时也能导通很小的电流，但压降较高，电阻较大。对于大电流而言，若能穿破这些较厚的膜，则膜形成的电阻不太重要。此时的接触电阻主要取决于收缩电阻s R 。在空气中，触头上约有4050. 厚的薄膜，为穿破这层薄膜使其导通，一是靠触头闭合时使接触面产生相对运动，由剪切或滑动作用使薄膜破裂；二是采用足够大的接触压力。当压力超过能使薄膜产生临界变形的量值时，则可忽略薄膜电阻，接触电阻也仅为表面收缩电阻。在空气中，氧化是使接头或触头工作性能劣化的关键因素。在油中使用的触头会出
35、现污染薄膜，这种薄膜逐渐形成，不断使个别接触点丧失导流能力，并使触头温度缓慢增加。一旦接触点减少到某一临界值时，接触面积将迅速减小，接触电阻将急剧增大。另外，在输电回路中的任何一个接头或连接件，不论是松动还是弹簧退化与老化，都会造成接触压力降低，引起接触电阻和发热功率骤增。而且，在连接件的接触处，由于电力线的收缩，还会产生一个两倍于工频的脉动的轴向电动力，其大小为：（2-4）式中I m 通过接触部位的交变电流幅值（A）；r 1 ， r 2 两个连接件的电接触半径。轴向电动力F D 的作用方向与连接件的接触压力方向刚好相反，力图使连接件分开。除影响接触电阻值的上述诸因素以外，接触电阻还将随温度变
36、化。这是因为，除薄膜电阻部分以外，接触电阻本质上仍是金属电阻，所以其阻值必然与温度有关。但是，随着接头或触头温度升高，除了材料的电阻系数增大外，材料还有因软化使有效接触面积增加的作用。因此，接触电阻随温度变化的性质要小于金属导体。试验表明，当运行温度在200C以下时，接触电阻与温度的变化关系可以表示为下列形式：（2-5）式中R j0 在0C时的接触电阻（W）；a 接触金属的电阻温度系数（1/ C ）；q 运行温度（C）。通过上述分析不难看出，一旦由于某种原因使导电回路电气连接件、接头或触头构成不良连接，则会导致接触电阻增大，电阻损耗发热功率增加，产生局部过热，温度升高，进而加速相互连接的金属导
37、体电接触表面氧化。这样，又进一步增大接触电阻，形成恶性循环。由式（2-1）或式（2-2）看出，对于电阻损耗（铜损）增大故障而言，其发热功率与通过的负荷电流平方成正比，而与系统运行电压无关。因此，称这种故障发热为电流效应引起的发热。（2）介质损耗（介损）增大故障众所周知，除导电回路以外，由固体或液体（如油等）电介质构成的绝缘结构也是许多高压电气设备的重要组成部分。用作电器内部或载流导体附近电气绝缘的电介质材料，在交变电压作用下引起的能量损耗，通常称为介质损耗，由此产生的损耗发热功率表示为： （2-6）式中U 施加的电压（V ）；w交变电压的角频率；C介质的等值电容（F ）； 绝缘介质损耗因数或介
38、质损耗角正切值。由于绝缘电介质因介质损耗产生的发热功率与所施加的工作电压平方成正比，而与负荷电流大小无关。因此，称这种损耗发热为电压效应引起的发热。式（2-6）表明，即使在正常状态下，电气设备内部和导体周围的绝缘介质在交变电压作用下，也会有介质损耗发热。当绝缘介质的绝缘性能出现故障时，会引起绝缘的介质损耗（或绝缘介质损耗因数 ）增大，因此导致介质损耗发热功率增加，设备运行温度升高。引起绝缘电介质材料介质损耗增大的主要原因包括： 固体绝缘材料材质不佳或老化。许多高压电气设备中的导电体绝缘材料材质不佳，或因在长期运行中由于高温作用与氧化作用而发生老化，甚至出现开裂或脱落，导致绝缘性能劣化，发软或变
39、脆，或分解或进水受潮等。 液体绝缘介质性能劣化、受潮以及绝缘介质本身的化学变化（如绝缘油受热与氧化，产生有机酸和蜡状物等）。介质损耗的微观本质是电介质在交变电压作用下将产生两种损耗，一种是电导引起的损耗，另一种是由极性电介质中偶极子的周期性转向极化和夹层介质界面极化引起的极化损耗。在直流电压作用下，由于介质中没有周期性转向极化过程存在。因此，当外加电压低于产生局部放电的电压时，介质中只有由电导引起的损耗，不需要引入介质损耗的概念。对于工程用液体介质而言，其电导率主要取决于两个因素：一是杂质；二是温度。例如，变压器运行一段时间后，其中的变压器油就会产生很多杂质。这是由于受潮、固体绝缘纤维（如棉纱
40、、纸板或木材等）脱落入油中，以及油本身受热和氧化作用产生的有机酸和蜡状物引起的。这些杂质使液体介质的电导串大大增加，其中以水分的影响最为显著。至于电导率随温度的变化，将遵循下列的指数规律：s = Ae-j /kT （2-7）式中s 电介质的电导率（1/Wm）；A与液体介质性质有关的常数；j电导率的活性化能量（对于矿物油和硅油而言，j = 0.41eV ）；k玻耳兹曼常数；T 介质的热力学温度（K）。因此，在介质中单位体积产生的电导损耗为：P = s E2 （2-8）固体介质中的电导率与温度的关系也可以用式（2-7）表示，不过常数A和j与液体的取值不同。例如，聚乙烯的j 0.3 1.5eV ，一
41、般高分子材料的j 0.3 2eV 。在300K 温度时，s = (10-13 10-18 ) / (Wm)，可把式（2-7）做如下变化：s = Ae-j/kT = Ae-j/k (273+q ) = Ae-j(273-q )/(2732 -q 2 )k式中q 为摄氏温度（C ），所以，当q 273C时，xx_大学硕士学位论文16/273 /27320s = Ae-j kTejq k = s eaq （2-9）a = j / 2732 k/2730s = Ae-j k式中a 温度指数；0 s 介质在0C时的电导率。由式（2-7）式（2-9）看出，由于介质电导率随温度的升高按指数规律增加（即具有负
42、的电阻温度系数）。因此，温度越高，介质的电导损耗越大。当在绝缘介质两端施加交变电压时，产生的介质损耗功率由式（2-6）表示。由于介质损耗功率与所施电压及试样尺寸有关，不同试样之间难以相互比较，所以，通常用介质损耗因数tgd 来衡量介质品质的好坏。它是介质材料本身的特性，与材料尺寸无关（其中介质损耗角d 是功率因数角j的余角），其大小由电介质的介电常数e = e - je 的实部和虚部来决定：tg ede=（2-10）其中，实数部分r e = e 为介质的相对介电常数，它表征电介质的极化程度，而虚数部分：r e = e tgd = e tgd （2-11）称为介质的损耗指数，表示在单位电场作用下
43、，电场每交变一次方向，单位体积电介质产生的介质损耗功率。因此，由式（2-6）、式（2-10）和式（2-11）表明，介质损耗发热功率与所施加的交变电压平方、角频率以及介质损耗因数成正比。所以，当在高频高电压场合下使用电介质时，如果电介质材料的介质损耗因数tgd 较大，则会使介质损耗功率显著增大，引起绝缘介质温度升高，导致介质的电气绝缘性能下降。如果进一步考虑到介质的电导损耗随温度变化的特性具有负温度系数，则也会造成恶性循环过程。介质损耗的大小，除了与不同种类电介质的性质有关以外，还与温度有较复杂的关系。对于中性或弱极性液体介质而言，损耗主要起因于电导。因此，损耗较小，与温度的关系也和电导相似。例
44、如，变压器油在20C 时，介质损耗因数tgd 0.5%，而在70C时，一般tgd 2.5%，用于充油高压电缆的电缆油在100C时tgd 0.15%。而对于极性液体介质（如蓖麻油和氯化联苯等），以及极性液体与中性液体的混合油而言，电导损耗和极化损耗同时存在。因此，损耗与温度、频率都有依赖关系，如图2-1 所示30。也就是说，当介质温度1 q q 时，由于温度较低，电导损耗和极化损耗都很小。随着温度升高，液体黏度减小，偶极子转向极化增强，使极化损耗明显增加。同时，电导损耗也随着温度的上升而略有增加。所以，在这个温度范围内，介质损耗因数tgd 随温度上升而增大，直至q = q1时达到最大值为止。在1
45、 2 q q q 时，电导损耗随温度升高而急剧增加，极化损耗已不占主要成分。所以，在这种情况下，总的tgd 重新随温度升高而增大。上述的tgd -q 曲线随着施加电压的频率增加，整个曲线将会向右（高温方向）移动。而且，图2-1 中的两个特征温度值1 q 和2 q 也随液体介质的成分而变化。图2-1 极性液体介质tg值与温度的关系Fig.2-1 Polar liquid medium tgthe relationship between value and temperature（3）铁磁损耗（铁损）增大故障对于由绕组或磁回路组成的高压电气设备，由于铁芯的磁滞、涡流而产生的电能损耗称为铁磁损耗或
46、铁损。如果由于设备结构设计不合理、运行不正常，或者由于铁芯材质不良，铁芯片间绝缘受损，出现局部或多点短路，可分别引起回路磁滞或磁饱和，或在铁芯片间短路处产生短路环流，增大铁损并导致局部过热。另外，对于内部带铁芯绕组的高压电气设备（如变压器和电抗器等），如果出现磁回路漏磁，还会在铁制箱体产生涡流发热。由于交变磁场的作用，电器内部或载流导体附近的非磁性导电材料制成的零部件，有时也会产生涡流损耗，因而导致电能损耗增加和运行温度升高。此类发热属于电磁效应引起的发热。（4）电压分布异常和泄漏电流增大故障有些高压电气设备（如避雷器和输电线路绝缘子等）在正常运行状态下，都有一定的电压分布和泄漏电流，但是，当
47、出现某些故障时，将改变其分布电压d U 和泄漏电流g I 的大小，并导致其表面温度分布异常。此时的发热虽然仍属于电压效应发热，但发热功率不同于式（2-6）给出的结果，而是由分布电压与泄漏电流的相乘积决定：P =Ud Ig （2-12）（5）缺油及其它故障油浸高压电气设备由于渗漏或其它原因（如变压器套管未排气）而造成缺油或假油位，严重时可以引起油面放电，并导致表面温度分布异常。这种热特征，除放电时引起发热外，通常主要是由于设备内部油位面上下介质（如空气和油）热物性参数值不相同所致。除了上述各种主要故障模式以外，高压电气设备还有由于特殊运行方式，如过负荷、电压变化过大、单相运行等原因引起的故障。此外还有由于
