（机械工程专业论文）基于红外热像技术的变压器内部故障诊断研究.pdf

摘要 本文论述了基于红外热像技术的变压器内部故障诊断方法，详尽分析了变压器 内部结构及故障发热机理，阐述了红外热像技术的原理及应用。以红外热像仪检测 到的变压器表面温度分布数据为附加边界条件，应用传热学理论从而确定变压器内 部故障的性质及位置。通过对变压器内部故障的红外热像典型图谱分析，为实现变 压器预知性维修提供了可靠的理论依据，探讨了基于红外热像技术的变压器内部故 障诊断的研究。 关键词：变压器红外热像仪故障诊断 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ed i a g n o s i so fi n t e r i o rb r e a k d o w ni nt h et r a n s f o r m e ru s i n gt h e t e c h n i q u e o fi n f r a r e dt h e r m o v i s i o n ，t h i sp a p e re x p l o r e st h et h e o r ya n du s eo ft h e t e c h n i q u e o fi n f r a r e dt h e r m o v i s i o n b ye x p o u n d i n g t h ei n n e rs t r u c t u r ea n dt h e m e c h a n i s mc a u s e db yt h eb r e a k d o w no ft r a n s f o r m e r i na d d i t i o n ，t h ea u t h o ra p p l i e st h e t h e o r yo fh e a tc o n d u c t i o nt od e f i n et h en a t u r ea n dl o c a t i o no fi n s i d eb r e a k d o w no ft h e t r a n s f o r l t l e rb ym e a n so ft h ed a t ao b t a i n e df r o mt h ed i s t r i b u t i o no fs u r f a c et e m p e r a t u r e o nt h et r a n s f o r m e rm e a s u r e d b y t h ei n f r a r e dt h e r m o v i o r t h e r e f o r ei tp r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s i sf o ra c c o m p l i s h i n gap r e d i c t a b l em a i n t e n a n c et ot h et r a n s f o r m e ra sw e l la sa r e s e a r c ha p p r o a c ht ot h ed i a g n o s i st ot h ei n s i d eb r e a k d o w ni nt h et r a n s f o r m e r k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ；i n f a r e dt h e r m o v i s i o n ；b r e a k d o w nd i a g n o s i s i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽 窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿意承担由 此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：与卜字嗜 2 0 0 4 年9 月8 日 武汉大学工程硕士学位论文 1概论 本章主要论述电力变压器及其状态维修的发展状况，概述基于红外热像技术的 电力变压器的内部故障诊断的基本原理及发展趋势，阐述本课题的目的及意义。 1 1电力变压器及其状态维修 电力变压器是应用极其广泛的主要电气设备。它在电能的生产、输送、分配和 使用这一连续过程中起着关键性的作用。提高电力变压器运行可靠性与有效度，减 小故障率，对提高电力系统的运行经济性有着非常重要的意义。 1 1 1 设备的可靠性与故障的基本概念 设备的可靠性是指设备在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能 的能力。相反，设备丧失规定的功能，则称为故障。 我们在日常生活中，常把质量与可靠性等同起来，其实它们是有区别的，可靠 性是反映设备或产品能否经久耐用的质量指标之一。质量指标还包括如性能、时间 性、适应性、经济性、有效性等。可靠性是用可靠度或可靠寿命来度量。可靠度是 指在规定的使用条件下和规定时间内，设备不发生故障的概率。而可靠寿命则是指 在规定的可靠度下设备的工作时间。 1 1 2 设备有效度【2 1 与维修的关系 对于故障设备，分为可修复设备和不可修复设备。可修复故障设备是指设备出 现故障后，该设备并没有完全失效或报废，经过维修后仍可延长设备的正常工作时 间。因此，对于可修复设各来说，就有一个在某时刻经过维修而维持其规定功能的 属性，该属性用有效度来度量。 一= 丽示m t 丽t f 1 0 0 ( 1 - 1 )m t t f + m t t r 式中：a 一有效度，它反映可修复设备在规定时刻保持其功能的概率，或表示在某 统计时期内，设备保持其功能的时间所占的比例。 武汉大学工程硕士学位论文 m t t f 设备的平均无故障时间。 m t t r 一平均停修时间。 式f t - 1 ) 表明，为了提高设备的有效度，必须从延长设备的平均无故障时间和缩 短平均停修时间两方面入手。但是，提高设备可靠性总是有限的。即使可靠性再高 的设备也不可避免地要出现故障。为此，缩短平均停修时间势在必行。这就迫使人 们在进行新型设备的设计和选型上注意可诊断性设计。同时开发先进的诊断技术， 从而达到缩短维修时间和提高设备有效度的目的。 1 1 3 设备的维修管理制度的发展与红外诊断的提出 设备的维修管理制度的发展可分为三个阶段：第一阶段是第二次世界大战前的 一段时期，基本上采用事后维修策略。第二阶段是第二次世界大战n - 十世纪六十 年代，设备的预防维修迅速得到完善和广泛推广，即定期维修策略。第三阶段是从 二十世纪六十年代到现在，这几十年时间，各个领域的科学技术都得到了迅猛的发 展。随着各种机器设备的现代化程度的提高，其结构也变得越来越复杂，在复杂的 设备中，许多零部件的失效是随机的。为了适应新时期的需要，发展了一种视情维 修。它是随着状态监测技术和监测仪器的发展，根据设备所处的状态来决定维修时 间的维修方法，即状态维修e 3 4 1 。 现代设备状态维修的技术基础是故障信息的状态监测与故障诊断。为了实现状 态维修，一方面是采用传统的接触式故障信息监测；另一方面是根据许多设备故障 均会产生温度异常的特点，利用现代红外测温技术，发展非接触式红外在线监测与 诊断技术。在1 9 9 0 年国际大电网会议上，电力设备运行状态的红外监测与故障诊 断，得到了足够的重视和肯定【3 4 】。 1 2 红外热像技术的基本原理及在电力设备中的应用 基于红外热像技术的电力设备状态监测技术，是综合红外技术、传热学、电机 学、设备故障诊断技术于一体的方法。 由于现代红外技术不断成熟和日臻完善，利用红外检测的远距离、不接触，准 确、实时、快速等特点发展起来的电力设备状态监测技术，备受国内外电力行业的 重视而得到迅速发展。 2 武汉大学工程硕士学位论文 1 2 1 红外热像诊断技术的基本原理 红外诊断技术5 1 是利用红外物理【6 、78 1 9 】的理论和研究成果，根据设备诊断工 作的具体需要，把红外辐射特性的分析应用于设备状态诊断【1 0 ”1 2 1 的一个综合应 用工程技术。因此，红外诊断技术是红外技术 ”“4 的一个组成部分，同时又是设 备状态诊断的一个重要的手段。 物体的绝对温度只要大于零，就会发射出入眼看不见的红外红外辐射能量，而 且物体的温度越高，发射的红外辐射能量越强。物体的热状态是用温度这个物理_ ! | 蓍 来表示的，不同的温度表征着物体不同的热状态，其热辐射也不同。红外热像仪就 是检测设备运行中发射的红外辐射能量，并转换成相应的电信号，再经过专门的电 信号处理系统处理，就可以以图像的形式显示运行设备表面的温度分布及其包含的 设备运行状态信息【1 51 6 1 1 ”。根据不同设备的不同性质、不同部位和不同故障程度， 在设备表面产生的不同的温升值及不同的空间分布特征，分析处理红外热像仪监测 到的上述设备运行状态信息，就能够对设备中潜伏的故障或事故隐患属性、具体位 置和严重程度作出定量的判定。这就是红外热像诊断技术的基本原理。 1 2 2 红外热像技术的主要内容及技术特点 红外热像技术是应用红外热像仪获取设备表面红外辐射强度分布的热像，形象 而直观地描绘出设备表面的温度分布场，为快速、准确地普查运行设备，并诊断出 设备的热状态异常部位。红外热像仪是二十世纪六十年代早期美国德克萨兰仪器公 司在红外前视系统的基础上增加了测温功能而研制成功的。近几十年的主要研究内 容是： ( i ) 热像显示装置的研制与应用： ( 2 ) 设备热状态精密诊断：使用成套的精密红外热成像系统对设备的热状态参数 进行采集、分析、处理和贮存，并在专家系统馏9 i 的配合下，更直接地做出结论： ( 3 ) 光导纤维材料的应用：通过预置的光纤，可以更加精确设备内部温度，获 得设备内部温度三维分布，为定量性诊断打下坚实的基础。 红外热像技术与其它诊断技术及常规测温相比，具有如下优点： ( 1 ) 操作安全。由于进行红外诊断时不需要与设备直接接触，所以操作十分安 全。这一优点在带电设备、转动设备、高空设备的诊断中表现大为突出。 武汉大学工程硕士学位论文 ( 2 1 不停运、不取样、不解体。做到了省时、省力，降低设备维修费用，大大 提高了设备的运行有效度。 f 3 1 可实现大面积快速扫描成像，状态显示快捷、灵敏、形象、直观。监测效 率高，劳动强度低。 ( 4 1 红外诊断适用面广，效益、投资比高。 ( 5 ) 易于进行计算机分析，促进向智能化方向发展。 红外热像技术还有以下几点不足： ( 1 1 标定较困难。使用红外热像仪可以显示出设备热状态的微小差异和细微变 化，但很难准确地确定出设备上某一点确切的温度值。这主要是因为辐射测温准确 度受被检测表面发射率及环境条件的影响。 ( 2 ) 难于确定设备内部的热状态。设备的红外辐射主要是设备表面的红外辐 射，主要反映设备表面的热状态，而不能直接反映出设备内部的热状态。 1 2 3 红外热像技术在电力设备中的应用 电力设备和其它任何设备一样，都具有一定的温度( 即高于绝对零度) ，处于一 定的热状态中。设备在运行中处于何种热状态，宜接反映了设备工作是否正常。正 常运行的电力设备，由于电流、电压的作用，将产生发热。这种发热，主要包括电 流效应引起的发热( 其反映在载流电力设备中) 和电压效应引起的发热( 其常反映电 力设备内部损耗的变化) 。当电力设备发生缺陷或故障时，在缺陷部位的温升将发 生明显的变化。尤以电流效应引起的发热，将可能急剧增加。在电力系统的各种电 气设备中，导流回路部分存在大量接头、触头或连接件，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； 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：具有磁回路的电气设备，由于磁回路漏磁、磁饱 和或铁芯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。这些温度或热状态的变化为红 外热像技术在电力设备中的应用提供了充分的特征参数。 在国外，早在二十世纪八十年代，已将红外热像技术广泛应用于电力设备的故 武汉大学工程硕士学位论文 障诊断及l s 机巡线中。而且成立有专门的协会、学会，以及专门的检测机构，并从 事红外诊断的有偿服务。国内省级及以上的电力试验和研究机构，近几年应用红外 热像仪器检测电力设备的缺陷比较普遍，并在实践中取得了相当成效和经验，在某 些基层电力企业( 如供电局和大型发电厂) 也有了较广泛的应用。 1 3 本课题的提出与目标 1 3 1 本课题的提出 自二十世纪九十年代以来，我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大。电力 变压器是电网中最重要的设备之一，也是变电站的核心设备，它的运行状况直接关 系到系统的安全运行。随着电压等级的提高，变压器容量日益增大，目前我国已开 发生产出容量为7 5 0 m v a 5 0 0 k v 的特大型电力变压器。由于电力变压器自身的造 价十分昂贵，因电力变压器事故所带来的损失往往也是巨大的。为此，监测电力变 压器运行状态，及时发现潜在故障，有着充分的必要性。 红外热像技术自问世以来，因此无损检测的特点，在电力待业应用日盏广泛， 在具体实践中，获得了明显的技术经济效益。但是，如果从设备诊断工程学的高度 来评价目前的电力设各故障红外诊断技术水平，应该说尚处于经验层次的初级阶 段。对于电力变压器内部故障的红外诊断的标准化，则有待进一步的研究。 1 3 2 本文所进行的主要工作 阐述电力变压器结构及工作原理，确定电力变压器主要内部故障分布。分析其 故障发热机理，应用传热学理论，建立数学模型，确定内部故障对于红外检测的特 征参数。结合典型图谱分析，对电力变压器内部故障红外检测的标准化进行探讨。 武汉大学工程硕士学位论文 2电力变压器的基本原理与结构 变压器是借助于电磁感应，以相同的频率在两个或更多的绕组之间变换电压或 电流的一种静止电气设备2 0 、2 ”。 2 1 电力变压器的运行原理 电力变压器在其磁路构成的铁心柱上分别装有一次绕组及二次绕组。通常将接 于电源侧的绕组称为一次绕组，将负载侧的绕组称为二次绕组。当一次绕组接通交 流电源时，在# l , l j t i 电压的作用下，一次绕组中有交瀛电流流过，并在铁心中产生交 交磁通，其频率和外加电压的频率一样。这个交变磁通同时交链一次、二次绕组， 根据电磁感应定律，便在二次绕组内感应出电动势。二次绕组有了电动势，便向负 载供电，实现了能量传递。 根据电磁感应原理【2 ，变压器一、二次绕组中产生的感应电动势分别为： e l = 4 4 4 f l n i bs 1 0 4 e 2 = 4 4 4 f l n 2 b 。s 1 0 。 式中：b 。一铁，c , , 中i l ；k 的磁通密度，r ； s 一铁心截面积，c m 2 ； 厂一电源频率，胁； 一一次绕组匝数： ，一二次绕组匝数； ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 由式( 2 - 蚺( 2 - 2 ) 相比得： 巨匠= m n 2( 2 - 3 ) 由此可见，变压器一、二次电动势之比等于一、二次绕组匝数之比。由于变压 器绕组有阻抗，即一次电压略大于e l ，而二次电压u 2 n d , y - e ：。如忽略阻抗压 降，则： 等：争：等( 2 - 4 ) u 2e 2n 2 6 武汉大学工程硕士学位论文 式( 2 4 ) 说明变压器一、二次电压之比近似等于一、二次绕组匝数之比，这个比 值称为变压器的电压比。 变压器通过电磁耦合关系，将一次侧的电能传输到二次侧去，如忽略漏磁因素， 即变压器本身损耗忽略不计，那么，向变压器输入的功率就等于变压器向负载输出 的功率，即： u 2 2 = u i i l ( 2 - 5 ) 妣 毫= 瓷2 瓮 陋a ， 式( 2 6 ) 说明变压器一、二次电流与一、二次绕组匝数成反比。 变压器在实际运行中，一、二次绕组所产生的磁通绝大部分都在铁心内部通过， 但总有一小部分磁通不经过铁心，而在铁心外面形成回路。这部分磁通称为漏磁通， 漏磁通将感应出漏磁电动势。由于漏磁电动势的存在，一、二次绕组和铁一t l , 就消耗 一部分电功率，通常称为功率损耗( 即铜损和铁损) 。另外，由于漏磁通的存在，还 会产生附加损耗。正是这些损耗的存在，变压器在运行中就会产生热量而发热。 2 2 电力变压器的基本结构 电力变压器的基本结构包含五大部分，即铁心、绕组、油箱、器身和附件。 2 2 1 铁, b t 2 j 】 铁心在变压器中构成一个闭合的磁路，又是安装绕组的骨架，对变压器电磁性 能和机械强度是极为重要的部件。铁心是由铁磁材料制成的框形闭合结构。为了减 少涡流损耗，变压器铁心由很薄的附有绝缘层的硅钢片叠积或卷绕而成。 除铁心本体外还包括以下附属零件： 紧固件：铁心的紧固结构可以使铁心层间紧密，保证铁。t 5 横截面的填充系数、 形状和尺寸，减小反复磁化时的横向振动，降低变压器噪声，同时也是为了使线圈 和器身在运输和运行中保持机械稳定。 绝缘零件：为了减少紧固件和铁轭叠片中的涡流损耗，必须将紧固螺杆、夹件、 外壳与铁心进行绝缘。 接地线：为了消除铁心和金属附件在线圈电场作用下产生的电位，以及它们之 武汉大学工程硕士学位论文 间的电位差，避免造成游离放电，铁心和金属附件的接地要确保电气接通，但要注 意只能是一点接地，而不允许形成任何短路。 2 2 2 绕组 2 4 2 5 变压器绕组是变压器输入和输出电能的电气回路，它与外部电网直接相联，是 变压器中最重要的部件。 绕组匝数的改变可以改变电压。当绕组与铁心套装在一起时，既组成变压器本 身，又构成电磁感应系统，可以得到所容许的各种电压和电流。变压器绕组是由导 线绕制而成的。导线有铜导线和铝导线，每层导线之间覆盖不同类型的绝缘层，即 导线直接与各种绝缘层组合成一个整体，这些绝缘层的作用是构成绕组的匝绝缘。 绕组的基本结构是采用包有绝缘层的导线缠绕在有槽的绝缘骨架上，构成圆柱 形或方形绕组，并包括：出线端、调压分接头、绝缘筒、撑条、垫块、端圈和层间 绝缘纸等。用于高电压上的绕组还包括电容环等。 不同容量和不同电压等级的变压器绕组，其绕制形式、匝数、导线截面、匝绝 缘厚度、并联导线的根数、绕向、绕组联接图以及绝缘结构亦各不相同。 绕组必须具有足够的电气强度、耐热强度和机械强度，以保证变压器安全可靠 地运行。 变压器绕组的电气强度是指其绝缘( 其中最重要的是线圈的绝缘) 必须能够承 受大气过电压、操作过电压【26 1 、暂态过电压、和长期工作电压的作用。 变压器的耐热强度包含两方面：其一，在长期工作电流产生的热作用下，绕组 绝缘的使用寿命应不小于二十年；其二，变压器在运行条件下，在任意线端发生突 然短路，线圈应能承受住此短路电流所产生的热作用而无损伤。 变压器的机械强度是指线圈能够承受线端或系统发生突然短路，短路电流最大 值，。所产生的电动力的瞬时作用。变压器运行中，线端或系统发生突然短路，短 路电流值最大可达k ：2 7 】 1 f = 1 8 , 2 1 t = 2 5 5 1 ( 2 - 7 ) k 是短路电流的稳定值，。与短路电流的非周期衰减分量迭加后的最大值。 2 2 3 油箱及其附件 油浸式变压器的油箱既是变压器器身的外壳和浸油的容器，又是变压器总装的 8 武汉大学工程硕士学位论文 骨架。因此，变压器油箱起到机械支撑、冷却散热和绝缘保护的作用。 油箱外表装有信号式温度计、吸湿嚣、贮油柜、油表、安全气道、瓦斯继电器、 调压分按开关、放油阀门和高、低压套管以及散热器等零部件。 2 3 电力变压器的分类 变压器是变控电源电压的一种电气设备，在国民经济各部门中应用很广，为了 适应不同的使用目的和工作条件，变压器的类型很多，而且各种类型的变压器在结 构上、性能上的差异也很大。通常按变压器的不同用途、不同容量、绕组个数、相 数、调压方式、冷却介质、冷却方式、铁心形式等等进行分类。一般将电力变压器 按冷却介质分为油浸式和干式两大类。 油浸式变压器用作升压变压器、降压变压器、联络变压器、和配电变压器。应 用极其广泛。干式变压器自1 9 8 9 年我国第二次城网改造会议后，随着城市建设的 迅速发展而得到很大发展。1 9 9 5 年已发展到年产量6 0 0 0 m v a 占配电变压器产量的 1 3 ，它们被越来越多地应用在高层建筑以及商业中心、石油、化工等对防火与安 全有更高要求的部门【28 1 。 2 4 电力变压器内部故障机理分析 对于电力变压器，与其它电气设备相比，其故障是较少的，但由于操作或维护 不当，也容易发生故障。最常见的故障大多发生在绕组、铁心、套管、分接开关等 部件上。而导线接头发热及铁心多点接地更带有普遍性。 变压器内部故障按形成的原因和发展的过程，分为由电气回路缺陷构成的突发 故障和由铁心、开关、并联导线绝缘损伤等局部过热构成的缓慢发展的潜伏性故障 两大类。对于第一类故障，一般采用瓦斯、差动或速断过流等继电保护装置进行保 护，实现故障快速隔离【2 9 】。对于第二类故障，因其潜伏性，多采用故障诊断的方法 及时发现处理。 2 4 1 电力变压器绕组故障的机理分析 电力变压器绕组故障主要是器身中绕组及绝缘物发生故障，表现在各部分绝缘 老化，绕组受潮，绕组层问、匝间、相问、高低压绕组间发生接地、断路、短路、 武汉大学3 - 程硕士学位论文 击穿或烧毁故障；系统短路、冲击电流等造成的绕组机械损伤。 电力变压器在运行中绕组绝缘故障，在结构上可分为纵绝缘和全绝缘故障 3 0 , 3 1 1 ，其次是因套管顶部连接帽结构不良，向变压器内渗水引起绕组绝缘故障。 1 绕组纵绝缘故障 纵绝缘故障主要是指匝间绝缘和段间绝缘故障。这类故障大多数发生在某一段 时期内制造的变压器上，其原因是由于匝绝缘裕度不够和制造工艺不良。对于纠结 式绕组变压器来说，匝间的工作电压高，有的高达数千伏，段间有的高达近万伏， 在设计时匝绝缘厚度选的薄，或选用了质量较差的普通电缆纸：在工艺上包扎不均 匀，有重叠、跑层现象，导线不够光洁，甚至有毛刺刺伤绝缘等等。都是造成纵绝 缘故障的起因。 2 绕组主绝缘故障 主绝缘故障主要是指绕组对地和相间绝缘故障。绕组主绝缘故障，危害较大的 是绝缘围屏纸板产生树枝状放电烧伤。从爬电的部位来看，绝大部分发生在高压绕 组外部围屏上，极少数发生在紧靠端部高、低压绕组之间的绝缘围屏上。从烧损的 纸板分析，属于高能量局部放电现象，逐渐形成树枝状炭化通道，进而引起对地或 相间击穿短路。 3 进水受潮引起的绝缘故障 这种故障主要是套管顶部连接帽密封不良，水分沿导线进入绕组绝缘内，引起 击穿故障。这类故障最多时约占总绝缘故障的2 0 左右，套管端部密封不良的主要 原因是结构不良。套管顶部连接帽接线板与带螺纹的引线鼻子相连接，这个帽兼有 密封和导电双重作用，从而带来很多弊病。首先是细螺纹制造公差太大，接触不良， 引起过热。其次是固定引线的铜销钉过长，用于帽上接线板还必须与外部母线连接 相吻合，致使密封垫无法压紧，稍有松动就会向内漏水。据统计这类故障大多发生 在每年的3 8 月，南方地区在1 2 月也有发生，这说明主要是雨季迸水造成的。绕 组烧坏部位一般在引线附近，这说明水是沿套管引线进入的。 4 绕组绝缘的热老化 3 2 , 3 3 】 变压器运行时，绕组和铁心中的电能损耗转变为热能，使变压器各部分的温度 升高。在油浸式变压器中，绕组和铁心的热量先传给油，然后通过外壳散发到周围 介质中。试验表明，绕组温度最热点在高度方向的7 0 7 5 处，而沿径向则在绕 武汉大学工程硕士学位论文 组厚度( 由内径算起) 的1 3 处3 ”。 在热的长期作用下发生的老化成为热老化，绕组绝缘的热老化往往是决定变压 器寿命的主要因素。 有机绝缘材料热老化的主要过程是在热的作用下绝缘发生了热降解。通常所谓 的热老化是指在热和氧协同长期作用下发生的老化，即氧化老化。热氧化老化初期 通常会出现过氧化氢物，而至分解产生自然基，然后引发出一系列氧化和断链化学 反应，使分子量下降，含氧基团浓度增加，并不断挥发出低分子产物，结晶度也随 之改变。随着绝缘物质结构的变化，其电气性能和机械性能都逐渐劣化。 随着温度上升，绝缘的热老化速度迅速增加。热老化速度决定于化学反应速度， 后者遵循a r r h e n i u s 方程： v = v oe x p ( 一嚣)( 2 - 8 ) 凡 式中：v 一化学反应速度，即单位时间内发生化学反应的物质质量； y 。一常数； k 一玻耳兹曼常数； 矽一该种化学反应的活化能； r 一绝对温度，足。 通常认为，由热老化决定的绝缘寿命与其化学反应速度成反比例关系。由此可 得绝缘寿命与其温度的关系。试验表明，对于变压器常用的a 级绝缘，绕组温度 每增加6 。c ，则绝缘使用年限将缩短一半，此即绝缘老化的六度规则。 为了使变压器能安全经济运行，变压器国家标准规定了在一定使用条件下各部 分的温升极限。 变压器各部分稳升，分别用下列符号表示： 0 一，一绕组( 或铁心) 对油的温升； r 。一油对空气的温升； f 。一绕组( 或铁心) 对空气的温升。 下列各式显然成立： 7 “2 f y t + 7 j 0 = 以+ r b = o k + 4 。竹。j ( 2 9 ) 武汉大学_ t - 程硕士学位论文 式中：口0 ，0 。一油、绕组和空气的温度。 此外，还应区分最大温升和平均温升。绕组和油的最大温升是指其最热处的温 升，而绕组或油的平均温升则是指整个绕组或全部油的平均温升。 变压器国家标准：温升极限，是基于以下条件来规定的：变压器在环境温度为 2 0 。c 下带额定负荷长期运行，使用期限约为2 0 年，对应的变压器绕组绝缘的最热 点温度约为9 8 。c 。 对于自然循环和一般的强迫油循环变压器，绕组最热点温度高出绕组平均温度 约1 3 。c ，而对于导向强迫油循环变压器，则约高出8 。c 。因此，对于自然油循环和 一般强迫油循环变压器，保证正常使用期限下，绕组的平均温升极限为 9 8 2 0 1 3 = 6 5 ( 。c ) ；同理，可求出导向强迫油循环变压器的绕组平均温升极限为 7 0 。c 。 5 三相绕组的直流电阻不平衡故障 对于各类三相变压器，不论是一次绕组还是二次绕组，如呈现出三相直流电阻 不平衡现象，则说明绕组及同绕组相联结的引线、套管、分接开关有故障。其故障 现象为：( 1 ) 绕组出现局部发热严重；( 2 ) 绕组的三相电流及电压不平衡；( 3 ) 变压 器送电后跳闸；( 4 ) 变压器出现单相运行。故障原因为：( 1 ) 三相绕组中有一相或 两相存在匝间短路；( 2 ) 变压器无载调压分接开关错位：( 3 ) 一组绕组某一个或几 个并联支路引线头断开，断开这一相因导线截面减小，直流电阻增大，造成三相不 平衡；( 4 ) 一相绕组某一个或几个并联支路引线头和所接套管引接头开焊。 6 绕组局部放电故障 变压器局部放电的基本原因乃是绝缘中某一部分受到过高的放电场强作用，使 绝缘老化而放电。局部放电是变压器其他电气故障的先兆，如不及时解决，将引发 出变压器油及绕组绝缘一系列故障，导致绝缘击穿 ( 1 ) 绕组内部局部放电，主要原因是绕组或变压器油受潮或受到水分的侵入， 绕组间、绕组同铁心或箱壁问绝缘距离小，绕组内部焊接不良或接触不良。 ( 2 ) 绕组引线同瓷套管间的放电，主要原因是二者联结质量不佳，如紧固不牢、 接触面氧化、锈蚀、接触不良。 ( 3 ) 瓷套管本身局部放电，主要原因是瓷套裙边上积沉的油污多；又如油纸电 容式套管组装后由于密封不严，有潮气或水分侵入的结果。 武汉大学工程硕士学位论文 2 a 2 电力变压器铁心故障的机理分析 电力变压器铁心均是由电工硅钢带经裁剪、冲孔或全斜剪切成一定尺寸的叠 片，按一定规范要求，叠成一定厚度，再用夹具和紧固零件紧固后构成的。 变压器投入运行后，在绕组周围便建立起较强的磁场，铁心，紧固铁心的金属 夹件及零件，在磁场的作用下而产生感应电势，由于铁心距绕组的距离不等，感应 的电势也不同，形成电位差，即铁心具有较高的对地电位。因此就会引起对地断续 放电，由此将会引起变压器较多的故障。为防止这一类故障的出现，变压器的铁心 必须有一点牢靠接地。构成两点或多点接地，将是一神异常接地现象，它将导致铁 心及整个变压器产生一系列故障。乃至铁心或整个变压器烧毁。 另外，铁心叠片加工不合理，叠压不符合要求，或电工硅钢带材质不佳，均能 导致铁心过热，铁损耗增大，最终使铁心出现各种故障。 1 铁心多点接地故障 铁心发生多点接地，在铁心中产生涡流，铁损增加，铁心局部过热。多点接地 严重时，又较长时间未处理，变压器连续运行将导致油及绕组也过热，使油纸绝缘 逐渐老化，会引起铁心叠片间绝缘老化而脱落，将引起更大的铁心过热，铁心将烧 毁。铁心过热还会使器身中木质垫块及夹件碳化。严重的多点接地会使接地线烧断， 使变压器失去了正常的一点接地，后果不可设想。多点接地也会引起放电现象。 多点接地的原因主要有以下几点： ( 1 ) 制造变压器或更换铁心大修时，选用的硅钢片质量有问题，如硅钢带表面 粗糙不光滑，热轧钢片涂的绝缘漆膜脱落，冷轧钢片的绝缘氧化膜附着力差也会脱 落，造成片间短路，形成多点接地。 ( 2 ) 硅钢片保管不当，长期受潮，使表面锈蚀严重，漆膜或氧化膜脱落，造成 多点接地。 ( 3 ) 铁心加工工艺不合理，如毛刺超标，剪切中放的不平，夹有细小的金属颗 粒或硬质非金属微粒，将叠片压出一个个小凹坑，另一面则成小凸点，叠装后也将 叠片绝缘层破坏，造成片间短路。 ( 4 ) 叠压不当，叠压系数取的过大，压力过大，破坏了片间绝缘。 ( 5 ) 运行维护不当，变压器长期过载运行使片闯绝缘老化平时不巡视和检查， 使铁心局部过热严重，片间绝缘遭破坏造成多点接地。 武汉大学工程硕士学位论文 2 变压器铁心过热故障 引起变压器铁心过热的故障原因有多方面，如绕组短路、过载运行、油循环不 畅或箱内油量少、油恶化、铁心本身接地不良、铁心片间短路、铁轭螺杆接地、铁 心漏磁以及前面所述的铁心异常接地等。 ( 1 ) 铁心局部短路过热 此类故障多发生在铁心和夹件上。主要原因有：紧固螺栓拧偏斜使铁心局部短 路过热；穿心螺杆绝缘破裂或过热碳化：铁质夹件夹紧位置不当，碰到铁心； 由于用了过长的穿心螺杆座套，使座套伸向铁心与铁一i x , 碰撞，造成铁心局部短路等。 ( 2 ) 铁心接地不良 此类故障使铁。t 5 , 局部过热，有特征气体出现。变压器内部有间歇放电现象，并 且有清脆的响声从内部传出来。主要原因有：铁心叠片未紧固，有松散现象； 铁心叠片和接地铜片未夹紧；低压引线对外壳放电或对铁轭放电。 ( 3 ) 铁心片间短路 变压器铁心硅钢片片间应绝缘良好，铁损耗小；如片间绝缘受损伤，片间电阻 将变小，将影响层间电流，空载损耗增大，铁心过热。主要原因有：更换铁心大 修时，裁剪叠片边缘毛刺大，叠压后造成片间短路；铁心受潮，叠片锈蚀，绝缘 漆膜脱落，造成片间短路；叠装不合理，受压过大，破坏了片间绝缘层。 ( 4 ) 铁心冷却油道堵塞 变压器内撑条松动，歪斜把油道堵住，使油流不通畅。当变压器继续带负荷运 行时，油循环冷却作用差，发出的热量得不到及时对流冷却，使变压器绕组及铁心 过热。 ( 5 ) 电源电压高铁心发热故障 变压器运行电压超过额定电压7 ，铁心磁通高度饱和，使铁心过热显著，波 及到油、绕组和箱体过热。 武汉大学工程硕士学位论文 3 红外热像技术的基本原理 本章首先论述红外设备原理，然后进一步论述红外热像仪的工作原理和故障信 息采集，以及影响因素。红外技术是研究红外辐射的产生、传递、转换、探测，并 实现在实际工作中应用的一门技术。 3 1红外辐射的基础知识 当物体受热时，其分子内原子的相对振动，分子的转动，以及晶体中原子的振 动均随温度升高而加剧。物体受热使物体内的原子或分子从受热中获得能量，从低 能态跃迁至高能态，在回到低能态的过程中发射出多种频率的辐射能，这类辐射称 之为热辐射。 热辐射也是一种电磁波3 5 3 6 1 ，一般： 波长小于o 0 0 0 1u m 称为y 射线 波长0 0 0 0 1 0 o lum 称为x 射线 波长0 0 l 一0 3 8um 称为紫外线 波长0 3 8 - 0 7 6um 称为可见光 波长0 7 6 1 0 0 0 um 称为红外线 波长1 0 0 0 t am 1 0 6 m 称为无线电波 交流电力传输线上的电磁波的频率为5 0 h z 或6 0 h z 为最低频波长为6 x 1 0 6 或 5 x 1 0 6 m 。 其中红外线具有的热辐射特性最强，经具有电磁波的共同特狂，都以横波的形 式在空间传播，并且在真空中都有相同的传播速度： c = u 3 x 1 0 8 m s ( 3 - 1 ) 式中：九一波长( m ) ； u 一频率( h z ) 。 通常把波长在o 7 6 0 2 5um 间的电磁波称为近红外，o 2 5l am 2 5pm 、 2 5um 1 0 0 0 um 的电磁波分别称为中红外与远红外。 武汉大学工程硕士学位论文 3 2 红外辐射的基本定律 当辐射能q 。入射到物体上时，一部分能量通过表面透入物体，其余能量被反 射。透入物体表面的这部分能量，一部分被吸收，另一部分被透过物体。如果用 函，q 。、q 藏示被反射、被吸收和透过的能量，则有： q 一+ q a + q - = q o( 3 2 ) 或p + + t = 1 式中：q 。q o = p qa q o = o q q o = t p 、a 、t 分别称为反射率、吸收率和透过率。 当p = 1 时，则n = t = o ，说明入射到物体上的辐射能全部被反射，此类物体称 之为“绝对白体”。 当c l = 1 时，则p = t = o ，说明入射到物体表面上的辐射能全部被吸收，具有这 种性质的物体称之为“绝对黑体”，或简称“黑体”。 当t = 1 时，则n = p = o ，即入射到物体表面上的辐射能全部穿透过去了，具有 这种性质的物体称之为“绝对透明体”。 自然界中并不存在绝对自体、绝对黑体和绝对透明体，这些概念是为了研究辐 射现象而假设的。物体的吸收率、反射率和透过率的大小，取决于物体本身的性质， 物体表面状况，入射波长和物体所处温度等。 3 2 1 普朗克辐射定律 一个绝对温度为t 的黑体，单位表面积在波长 附近、单位波长间隔内，向整 个半球空间发射的辐射功率( 简称为光谱辐射度) m 抽( t ) ，与波长 、温度t 满足下 列关系： m a b ( t ) 2 孚赤铆强吣脚h 】_ 1 p s ) 式中：c 一真空中的光速，c = 3 x 1 0 8 m s ： 1 6 武汉大学工程硕士学位论文 h 一普朗克常数，h = 6 ，6 2 5 6 x 1 0 氆w t s 2 ； k 玻尔兹曼常数，k = 1 3 8 0 5 4 x 1 0 “w s k ； c i 一第一辐射常数，c l = 2 nh c 2 = 37 4 1 5 x 1 0 8 w um 4 m 2 ； c 2 一第二辐射常数，c 2 = h c k = l 。4 3 8 8 x 1 0 4 um ，k 。 式( 3 3 ) 就是辐射的普朗克辐射定律，它给出了黑体在温度t 时的辐射光谱分布 特征： 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随波长连续变化，且只有一个极大值。 随温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度升高， 黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加。 在任一指定波长处，与较高温度捐应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 3 2 2 维恩位移定律 为了确定与黑体光谱辐射度极大值相对应的波长 。随温度的变化关系，可把 表达式( 3 3 ) 对波长 求微商，并令其等于零，解该方程式则可得到： m t = 2 8 9 7 8um k ( 3 - 4 ) 该关系式称为维恩位移定律，它表明黑体辐射光谱分布的峰值波长九。随其绝 对温度t 成反比移动。 3 - 2 3 斯蒂芬玻尔兹曼定律 这是个描述黑体辐射能量与其温度之间关系的定律，是反映黑体单位表面积 向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率( 简称全辐射度) 随其温度的变化规 律。因此，该定律的数学表达式可由式( 3 3 ) 对波长积分得到： m b ( r ) = m ( n 以= 。? 名 e x p ( c c 2 l d 2 面j = 若暑r 4 = 叮4 ( 3 _ 5 ) 式中：d = 5 6 7 1 0 一w ( m 2 k 4 ) ，称为斯蒂芬一玻尔兹曼常数。 该定律表明，凡是温度高于开氏零度( 2 7 3 1 6 ) 的物体，都会自发地向外发射 红外热辐射，而且黑体单位面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。 武汉大学工程硕士学位论文 3 2 4 兰贝特余弦定律 普朗克定律阐述了物体沿半球方向辐射的总能量，而兰贝特定律给出了各个方 向辐射能的分布。兰贝特定律指出：黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对 于辐射表面法线夹角中的余弦成正比，即 i 。= i oc o s 妒( 3 - 6 ) 式中i + ：在与辐射表面法线夹角为中方向上的辐射强度； i o ：在辐射表面法线方向( 中= 0 ) 的辐射强度。 对于单位辐射面积的黑体而言，在法线方向的辐射强度可表示为 ，o = a t 4 疗( 3 - 7 ) 将i 。的值代入式( 3 6 ) ，得 ，。= 三订4 c o s ( 3 - 8 ) 刀 这个结果表明，黑体或漫辐射物体在辐射表面法线方向的辐射最强。 3 2 5 基尔霍夫定律 该定律确定了发射率e ( 亦称黑度系数) 与吸收率a 之间的关系。 发射率是指热辐射体的辐射通量与处于相同温度的黑体的辐射通量之比，即 e ( t ) = m ( t ) m 6 ( 丁)( 3 - 9 ) 基尔霍夫定律是利用热力学第二定律导出的【3 2 1 ( t ) = o ( t )( 3 - 1 0 ) 这就是说：任何物体在温度平衡情况下，其吸收率等于发射率。 上述几个辐射定律是在黑体辐射中推导出来的，对于那些光谱发射率恒小于l ， 且不随波长变化而改变的物体，我们称为灰体。对于灰体，上述辐射定律都是适用 的，但要考虑发射率的影响。 3 3 辐射规律对选择红外检测仪器提出的要求 上述辐射定律不仅指出了被测物体的红外辐射与其表面温度的关系和正确选 择检测方向的原则，而且还为红外检测仪器工作波长范围的选择，提出了原则性的 要求。 武汉大学工程硕士学位论文 3 3 i 接收辐射信号最大原则 任何红外检测，总是希望红外仪器接收的被测目标红外辐射信号越大越好。为 此，除根据兰贝特余弦定律选择最佳检测方向以外，还要求根据目标辐射的光谱分 布选择红外仪器的响应波长范围。 在o 的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射能中所占的份额，称为黑体 辐射函数。黑体辐射函数为 ，：紫：学( 3 - 1 1 ) 屯舢2 丽2 2 矿 将式( 3 3 ) 代入上式，得 瓦t 。z ，2 r j 蔷 p e r 4 ) = r 7 c 盯ac 五，5 c e x 。c 嘉，一，) d c 五， = 厂( a t ) ( 3 - 1 2 ) 即黑体辐射函数f b ( 。x ) 是波长与温度乘积 t 的函数。f b ( o x ) 可直接由黑体辐 射数表f 3 3 】查出。 在入l 九2 的波长范围内黑体的波段辐射函数为 ：竺! ! ! 三! 塑二竺竺! 三! 竺 m 。( ，) 2 e ( 2 ) 一e ( o ( 3 一1 3 ) 根据式( 3 - 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) ，可分别计算2 7 ( 3 0 0 k ) 、2 2 7 。c ( 5 0 0 k ) ) 及5 2 7 。c ( 8 0 0 k ) 黑体目标在九t = 3um 2 = 5p i y l 和九l _ 8u n l 一 2 = 1 4 t l m 发射的辐射各占总辐射中 的比例为： f b o ”m 5u m ) ( 3 0 0 k ) = f ( 1 5 0 0 ) f ( 9 0 0 ) = 1 2 7 6 f b ( 3u m 。5u m ) ( 5 0 0 k ) = f ( 2 5 0 0 ) 一f 0 5 0 0 ) = 1 4 8 5 f b f 3 - m 5 um ) ( 8 0 0 k ) = f ( 4 0 0 0 ) - f ( 2 4 0 0 ) = 3 4 0 6 f b ( 8u 一1 4 “m ) ( 3 0 0 k ) = f ( 4 2 0 0 ) 一t ( 2 4 0 0 ) = 3 7 5 8 f b ( 8 um 一1 4um ) ( 5 0 0 k ) = t ( 7 0 0 0 ) - f ( 4 0 0 0 ) = 3 2 7 2 f b ( 8u 一1 4u m ) ( 8 0 0 砭) = f ( 1 1 2 0 0 ) 一f ( 6 4 0 0 ) = 1 6 5 6 武汉大学工程硕士学位论文 c 一= 掣糕严 仔 其余特征接近相同。因此，从式( 3 - 1 4 ) 可以看出，取得目标( 故障部位) 与背景( 良好 为适当选择红外检测仪器的响应波长，以便使光谱辐射度随温度的变化率达到最大 值。为此，可将普朗克辐射公式( 3 3 ) 对温度t 求偏导。即光谱辐射度对温度的变化 警；斜砒仃) 壶扣帚协 上式中的最后近似式，是在通常环境温度附近有e 。孙 1 ，则 型o t = 岔c le c 统务五五r 2 为了求得学的最大值例嗽z = 砉贝 o m x ( t ) ：! 生 o t c i e 。 将上式对x 求导数，并令其结果为0 ，可得x = 6 2 0 - ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 武汉大学工程硕士学位论文 将x 值代回xt ，得 五。r o = 2 4 1 l ( f l m k )( 3 - 1 8 ) 即：与光谱辐射度随温度变化率达到最大值相应的波& c 应满足上式。 对于检测温度在2 7 1 2 7 。c ( 3 0 0 4 0 0 k ) 的电气设备而言，选择中心响应波长 c = 8un l 的红外热像仪，即使目标与背景温差较小，也可获得尽可能高的辐射对比