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1、红外监测与电缆运行管理俞瑾华（上海电缆输配电公司）摘要红外监测技术在电缆运行管理领域已运用多年，运用这项技术能在正常运行情况下对运行电缆进行监测、发现设备缺陷，并为预测电缆线路绝缘性能提供技术支持。本文以红外技术原理出发，以运行管理方面的实例为基础，总结过热缺陷的诊断方法，归纳电缆发热类型及开展红外工作的关键事项。关键词红外监测电缆运行管理红外监测技术运用在电缆运行管理领域已有多年，从最初的使用点式测温仪对电缆连接点的简单温度读取，到目前已得以广泛运用的非致冷型焦平面红外热像仪对全部被测物体进行温度数据采集，从220kV至10kV的多层次电缆管理得到普及运用。红外监测技术对发现由电流致热型缺陷
2、引起的接点发热和由于电压致热型缺陷引起的绝缘隐患有比较明显的优势，同时由于其非接触、不停电、不解体的工作方式，能够最大限度的发现并确诊缺陷，使得对电缆设备的寿命检修成为可能。在当前电力供应比较紧缺的情况下，确保电网稳定，提高运行经济效益，降低维修成本，将缺陷隐患消灭在萌芽状态具有积极意义。1红外测温的基本原理1.1基本关系式热力学温度高于0 K（273.15 ）的任何物体，每时每刻都因自身分子运动而辐射出红外线。红外线是一种电磁波，其波长在0.751 000m之间，按波长范围分为近红外（0.753m）、中红外（36m）、远红外（615m）、极远红外（151 000m）。根据斯忒藩-玻尔兹曼定律
3、，物体表面每一辐射单元的热辐射能量与该面元热力学温度的四次方成正比：M= T4.式中：M辐射单元的热辐射能量，W/m2；辐射单元表面发射率；斯忒藩-玻尔兹曼常量，5.6710-8W/（m2.K4）；T辐射单元表面温度，K。由于物体表面由很多单元组成，所以物体表面都存在一个热辐射能量场，相应有一个温度分布场。利用红外热像仪可对物体表面红外辐射的强弱进行探测，形成红外图谱，以判断物体表面形状轮廓及温度分布情况。红外诊断技术就是利用红外图像的亮暗反映出物体表面温度高低的特点，通过对物体表面温度及温度场的监测来判断设备是否存在缺陷。 1.2红外诊断技术的特点红外技术对运行电缆设备进行非接触监测，通过红
4、外图谱反映其温度分布，通过专业分析软件显示任何一点、一线温度值，并据此诊断外部及内部缺陷。值得注意的是，红外图谱不能测试低值绝缘纸，对设备外壳由金属包裹的如GIS终端、电缆中间接头等无法发挥作用。利用红外测温技术与传统的测温方式(如热电偶、不同熔点的蜡片等放置在被测物表面或体内)相比，可实现在一定距离内实时、定量、在线监测发热点的温度，通过扫描，还可以绘出设备在运行中的温度梯度热像图，而且灵敏度高，便于现场使用。红外测温仪的量程宽（-202000），分辨率高（0.05）的特点更为其他测温方式所不及。电气设备红外诊断方法基本有以下5种：（1）表面温度判断法；（2）相对温差判断法；（3）同类比较法
5、；（4）热谱图分析法；（5）档案分析法。第一种方法直接利用红外仪器的测量值对照GB76390交流高压电器在长期工作时的发热标准，根据设备最高允许温度或温升值的规定进行判断。而其它4种方法实质上都是基于进行比较的策略。对运行的电缆设备进行红外测温，多数情况下是通过比较方法来判断的，比较的对象可以是同一张图谱中的温度正常相，也可以是历史档案图谱中的温度记录。在进行历史数据比较时，参考的对象应包括环境温度、负荷数据、拍摄条件等数据。2电缆设备的发热来源电缆设备在运行时，由于电流、电压的作用，将产生以下2种主要来源的发热。2.1电流致热电流作用引起的设备发热，主要发热点为电缆出线桩头与其它电气连接点。
6、按照焦耳定律，当电流通过电阻时将产生热能，这是电流效应引起的发热，其发热功率为：P=KfI2R（W）式中：P为发热功率（W） I为电流强度（A） R为电器或载流导体的直流电阻（） Kf为附加损耗数发热功率与电流的平方数成正比，当电缆桩头与其它电气连接点连接不紧密时，随着输送电流的增大，发热量将大大增加，红外图谱显示发热现象以点状温升为代表。图2电流致热缺陷 35kV#2主变绿相电缆桩头连接松动导致发热经过长时期运行，电缆桩头与其它电气设备的连接点有可能因接触不良，引起过热，红外图谱表现为电缆桩头连接部位温度明显升高，长时间运行会造成接触电阻增大，连接点碳化。此类缺陷占全部电缆红外缺陷的80%以
7、上。2.2电压致热 电压致热缺陷是指电压作用引起的设备的发热缺陷。电缆线路介质损耗也是发热源之一，由于介质损耗与电压平方成正比，在高压和超高压运行电缆中，该类缺陷更为典型。在电缆终端或接头处，如果局部介质损耗角正切（tg）偏大，有可能导致局部区域温度偏高。电气绝缘介质由于交变电场的作用，使介质极化方向不断改变而消耗电能并引起发热。由此产生的发热功率为：PU2Ctg式中 U为施加的电压； 为交变电压角频率； C为介质的等值电容；tg为介质损耗角正切值。图3电压致热缺陷 35KV交联电缆热缩终端终端 热缩管内有空气残留图4电压致热缺陷 220kV电缆终端绝缘缺陷图3、图4为典型电压致热缺陷红外照片
8、。由于电压致热缺陷具有隐蔽性大，危害性强，后果严重的特点，更应引起足够重视。与电流致热缺陷相比，电压致热缺陷的发热点温升有可能不很大，一般仅十几度，但不能因此忽视其潜在的危害性，其绝缘内部存在的缺陷有可能已很严重，在系统允许情况下，应尽快停电将缺陷消除。图4为220kV电缆终端，在应力控制部分有局部温度升高。发亮点为40.8度而正常温度为37.5度。而此位置基本就位于终端的应力锥根部处。此种电缆终端是用预制装配式终端来进行应力控制，其应力锥是由乙丙橡胶或硅橡胶制成，套在经过特殊绝缘屏蔽处理的电缆表面以保证终端内部、外部的绝缘配合。图5220kV电缆终端装配图预制式中断的绝缘关键部位就是预制附件
9、与交联电缆绝缘的界面，在此位置出现温升，则可能有以下几种原因：（1）预制件本生原因。（2）交联电缆绝缘圆整度不够。为使预制件的橡胶应力锥及橡胶绝缘件与交联电缆绝缘界面有均匀的径向力，电缆绝缘应尽量圆整，在应力锥安装处，电缆绝缘外径的测量应进行多点测量，从而测得直径间的差值应小于0.5mm，同时打磨后的绝缘外径应控制在允许值内。（3）交联电缆绝缘表面处理不良。交联电缆绝缘表面的光滑程度与预制件应力锥根部击穿强度有关。绝缘表面的粗糙度决定了其表面的微孔尺寸，根据施工要求，绝缘表面处理用的砂纸目数应在600目以上。（4）绝缘屏蔽延伸处理欠佳。由于电缆屏蔽层有一定厚度，影响预制橡胶应力锥和橡胶蕉绝缘件
10、的平整套入。为保证绝缘屏蔽层和预制件内部评比曾的接触良好，应对绝缘屏蔽层做延伸处理。在做特殊绝缘屏蔽处理时，若方法运用不当，也将在运行过程中产生局部温升现象。3电缆设备的运行数据管理运用红外技术可对各电压等级的运行电缆进行有系统的技术管理，经过多年实践摸索，红外测温技术已在220kV10kV电缆运行上进行了全覆盖，尤其是35kV以上等级，所有具备测温条件的终端，都建立了红外测温档案，并有专人进行数据整理与分析。在发现几个终端接点接触不良缺陷的同时，对确保电缆可用率、保障电网安全运行都提供依据。而通过建立运行档案，将不同外界条件下的电缆红外图谱定期分析比较，对积累运行数据，判断隐藏缺陷，提高设备
11、健康水平有很实际的意义。图5电缆隧道内不同载流量电缆运行温度对比除了通常的对电缆终端进行红外监测外，也可对运行电缆的整体温升情况进行监控。图5为在正常运行状态下，电缆隧道内220kV截面为2500mm2电缆的红外图谱。左侧电缆载流量为115.4A，右侧电缆载流量为为847.7A，两者运行温度相差约4C。4红外监测技术的分析管理4.1人员因素占据首位红外监测工作的开展成败与操作人员的技能水平密切相关。诚然，一台操作便捷的红外测温仪器必不可少，但从现场拍摄中的具体拍摄位置、角度、距离的选择，到对拍摄物体对焦确定，直至后期数据对比、与历史档案的判别分析，每一步都离不开操作人员经验与判断。作为一名合格
12、的红外仪器操作员，其必须同时具有理论和实践双重经验，不仅要熟识红外仪器的工作原理、技术参数和性能，在了解仪器的工作原理、性能指标、操作程序和调试方法同时，还必须对被测设备的运行状况、结构特点、有较为全面的了解。同时一名合格的操作员还必须具有沉着、细致的工作作风。目前，较为先进红外热像仪都已具备了自动对焦功能，但在具体实践中，为获得清晰明了的红外图谱，往往还是需要手动对焦，并从多角度拍摄，再在后期分析中选取最为清晰的照片。其整个过程与专业摄影师的人像摄影颇为类似。4.2拍摄环境直接影响图谱数据（1）被摄物体的负载率必须达到30以上，必要时应等待高峰负荷。监测时的负荷越高，对发现缺陷更为有利。（2
13、）尽量避免在直射阳光下操作。直射阳光会掩盖缺陷，最好的操作条件是在足够的负荷下，在晚上和阴天时进行。若不能避免阳光直设，也要做到拍摄角度不与被测物的反射光重叠。（3）拍摄点应避免以变压器的散热器或其它有热辐射的电气设备作为背景，以免干扰测温准确度。（4）现场拍摄发现存在缺陷时，在条件允许下，可多角度拍摄，最大限度地反映缺陷状况。（5）当红外测温仪具备拍摄可见光照片性能时，发现缺陷应保留可见光照片。（6）作为历史档案保存的红外图谱照片，拍摄地点角度尽量统一，有条件的话也应记录负荷情况。（7）查找不正常的温度，不仅要注意热点，也要注意冷点。（8）避免仪器在强磁场环境下工作。热像图会发生比较严重的失
14、真，影响图象效果，对仪器本身也会造成不可挽回的后果。红外诊断技术是非接触的间接测温技术，与其他技术相比，其具有不可比拟的优点，但同时也有其局限性的一面。红外诊断技术所反映的被测体表面温度，测量值受到多种因素的影响（环境温度、表面反射率和背景温度等），诊断设备健康状况时应考虑这些因素，对读数进行修正，使测量值尽可能准确。特别应注意的是，温度只是用来进行缺陷诊断的几个重要参数之一，但不是唯一参数。例如在较低负荷条件下，即使设备有严重缺陷，红外图谱显示的温度也不一定很高，此时仅靠温度来解释问题就可能导致片面的结论，故应综合多方面数据，进行分析后做出结论。5结束语红外监测技术的推广普及使大量设备缺陷消除在萌芽状态，同时也使寿命检修成为可能。尤其是对数量巨大的电缆终端，红外诊断技术为缺陷发现、日常维护提供了一个新的监测手段，在减少了设备停役检修的次数，节省维护检修开支的同时，有重点地消除隐患，为确保电网安全可靠运行提供依据。参考文献1DL/T596-1996 电力设备预防性试验规程2DL/T664-1999 带电设备红外诊断技术应用导则作者简介俞瑾华，现为上海电缆输配电公司运行部运行专职，长期从事红外技术普及推广工作，负责红外图谱的诊断及消缺方案的制订等。
