电力设备故障典型发热特征及红外图谱

1、电力设备故障典型发热特征及红外图谱山西省电力公司生技部山西电力科学研究院山西省电力公司从20世纪80年代末开始引进红外热成像仪器用于电力生 产，经过20多年工作实践，积累了大量宝贵的经验，尤其是积累了丰富的电力 设备典型缺陷图谱。有必要对这些经验、资料进行及时的总结，以使分散的经验 资料转变升级为系统的知识。本图谱集不仅是山西省电力公司多年实践经验和研究成果的总结，同时吸收了部分国内同业范围内的研究成果。内容包括各种输变电设备的发热机理、 典型 状态的表面温度场分布特征及红外热像图谱。根据设备种类-缺陷类型的分类标 准进行分类，共分变压器、高压断路器、高压隔离开关、电流互感器、电压互感 器、电

2、力电缆、金属氧化物避雷器、电容器、绝缘子、高压套管及其他设备共十 一大类。针对每类设备的不同类型、性质的缺陷分别描述。各基层单位从事带电设备红外成像测温工作的人员更新频繁，新上岗的人员需要进行必要的培训，本图谱集可以作为新从事红外测温诊断工作的人员的培训 教材。同时，本图谱集是“山西省带电设备红外诊断应用规范实施细则” 的补充, 参照本图谱集收录的各类输变电设备典型缺陷、故障的热像图，可以帮助现场检测人员诊断被测对象的状态。2第一章变压器1.1箱体涡流损耗发热1.2变压器内部异常发热1.3冷却装置及油路系统异常1.4中性点接地接触不良发热第二章高压断路器2.1外部接线连接故障2.2内部触头连接

3、故障2.3断路器操作机构箱异常发热第三章高压隔离开关3.1外部连接接触不良3.2隔离开关刀口（或触头）处过热3.3隔离开关转头部位过热 第四章电压互感器4.1电磁式电压互感器内部故障4.2 CVT电磁单元内部故障 第五章电流互感器5.1外部或内部连接故障5.2受潮或绝缘故障5.3外冗发热5.4二次回路故障第八早电力电缆6.1出线接头接触不良6.2电缆头局部绝缘不良6.3电缆头内部连接不良第七章金属氧化物避雷器7.1阀片受潮或老化7.2避雷器瓷瓶污秽引起发热第八章电力电容器8.1并联电容器（串联电容器）8.2耦合电容器（包含电磁式电压互感器的电容部分） 第九章绝缘子9.1低值绝缘子9.2零值绝缘

4、子9.3污秽绝缘子 第十章高压套管10.1导电回路连接处接触不良10.2套管缺油10.3介质损耗增大10.4套管污秽10.5穿墙套管支撑板发热第十一章其他设备11.1母线连接部位接触不良11.2输电线路线夹部位接触不良11.3导线断股异常发热4第一章变压器电力变压器分干式和油浸式两类，主要为油浸式变压器。变压器故障主要包括外部故障和内部故障。外部故障主要包括导体连接不 良、漏磁引起的箱体涡流和冷却装置故障； 内部故障主要包括线圈、铁心、引线、 分接开关、本体绝缘、支架等部件存在缺陷。因变压器是大热容量设备，传热路径复杂，内部故障的发热信息很难准确传 递到箱体外部，因此红外成像的方法主要诊断变压

5、器的外部故障。1.1箱体涡流损耗发热变压器内磁回路会存在漏磁通，该漏磁通在箱壳上感应电动势并形成以外壳 螺栓为环流路径的环流。热像特征是以漏磁通通过并形成环流的区域 (螺栓)为 最高温度的热场分布。图1为漏磁通引起的螺栓过热故障时的红外热图像。43.9 °C31.2图1220kV变压器漏磁引起的螺栓发热图片描述异常点温度Tmax (C)45.3正常点温度(C)T34.4温差 T (C)10.95#1.2 冷却装置及油路系统异常冷却装置及油路系统异常主要包括管道堵塞、阀门未开、假油位等。管道堵塞或阀门未开，热油循环被阻断，热像特征是在无热油循环的部分管 道或散热器在热像图上呈现低温区，

6、见图 3散热器部分；因油的热传导系数与空气之间的差异，变压器油与相邻空气之间有明显的温 度差，油位热像特征是在热像图上有明显的油气分界面，见图3油枕部分。图片描述异常点温度Tmax (C)27.7正常点温度T(C)40.6温差 T (C)12.9图3220kV变压器散热器油路不通及油枕油位1.3导体外部连接接触不良发热变压器导体外部连接接触不良或松动，接触电阻增大，在电流流过时会产生过热。热像特征是以接触不良部位为最高温度的热场分布。如图4为220kV变压器110kV侧中性点接地连接不良。图4220kV变压器110kV侧中性点接地接触不良发热图片描述过热点温度Tmax (C)42.9环境温度参

7、照体温度T0(C)29.3温升 T (C)13.66第二章高压断路器高压断路器主要包括油断路器、SF6断路器、真空断路器和压缩空气断路器， 目前SF6断路器为应用最多的高压断路器。断路器包括断路器本体和操作机构等。断路器本体发热故障主要有外部接线连接故障和内部触头连接故障两种。外部接线连接故障主要指与外部引线连接部位接触不良。内部触头连接故障主要包括动、静触头接触不良、中间触头、静触头座接触不良等。操作机构还可能发生 机构箱内的加热除湿装置损坏等故障。2.1外部接线连接故障断路器外部接线端子与导线连接不良， 连接部位接触电阻增大，电流流过会 引起过热。热像特征是以故障连接点为最高温度中心的温度

8、分布热像图。图 5 为断路器下引线连接螺栓松动的热像图谱。图5断路器外部引线接触不良图片描述过热点温度Tmax (C)34.8正常相温度 T(C)23.7环境温度参照 体温度(C)172.2内部触头连接故障封闭在断路器内部的触头接触不良，接触电阻增大，导致触头连接部位发热。 热量一部分由静触头座和顶帽、导电杆、中间触头和基座法兰等导体传递； 一部 分由SF6气体经瓷套传出，因气体导热性差，这部分传热所占比例小。呈现出的 热像为顶帽和基座法兰温度高于瓷套表面温度。动静触头接触不良发热时，因其距上部顶帽比到瓷套基座法兰近，上端顶帽 温度高于瓷套基座法兰的温度，热像特征是以上端顶帽为最高温度的分布热

9、图， 图6为断路器内部动静触头连接不良发热。图6 220kV断路器内部动静触头连接不良发热中间触头接触不良发热，因其距瓷套基座法兰比到上部顶帽近，瓷套基座法 兰温度高于上端顶帽的温度。热像特征为下端瓷套基座法兰为最高温度的热图分 布。图7为220kV断路器中间触头连接不良发热图谱。图7 220kV断路器中间触头连接不良发热2.3断路器操作机构箱异常发热断路器操作机构箱内的加热除湿器控制装置损坏，导致加热电路失控而持续工作，进而导致整个机构箱发热。热像图显示整个机构箱整体发热。图8为220kV 断路器操作机构箱除湿加热器损坏失控引起发热。8图片描述过热点温度 Tmax33.8(C)正常相温度T(

10、C)21.6环境温度参照体温 度 T0 (C)17温差 T (C)12.2相对温差各(%)72图8 220kV断路器操作机构箱除湿加热器损坏失控引起发热9第三章咼压隔离开关高压隔离开关结构简单，主要有底座、支柱绝缘子、静触头、导电闸刀、导电罩、转动球头等构成。隔离开关的过热故障比较普遍且突出， 主要有外部引线连接发热、动静触头 发热、导电罩(即转帽)发热、转动球头(或转轴)发热等。隔离开关各结构部件基本外露，过热故障均属于电流致热型外部故障。3.1外部连接接触不良隔离开关外部引线接触不良引起的发热，热像是以故障部位为最高温度的热像图，如图9图9500kV隔离开关接线板发热图片描述过热点温度 T

11、max56.4(C)正常相温度T(C)13环境温度参照体温 度 T0 (C)7温差 T (C)43.4相对温差S (%)8710#3.2隔离开关刀口(或触头)处过热隔离开关闭合不好、表面氧化或有结构缺陷时，刀口处因接触电阻变大而引起过 热，热像特征是刀口处温度最高，如图 10为一 220kV剪刀式隔离开关刀口处接 触电阻增大引起发热。如图11为35kV隔离开关刀闸触头发热。图片描述过热点温度Tmax (C)42.9正常相温度T(C)19.1环境温度参照体温度T0 (C)13.3温差 T (C)23.8相对温差3(%)80#图10220kV剪刀式隔离开关刀口发热#42.2 9C13.8图片描述过

12、热点温度Tmax (C)54.6正常相温度T(C)27.2环境温度参照体 温度TO (C)20温差 T (C)27.4相对温差3(%)89图11 35kV隔离开关刀闸触头接触不良3.3隔离开关转头部位过热隔离开关转头处因转动球头滑动接触不良引起过热，热像特征是转动球头部位温度最高。如图12为110kV隔离开关转头发热。图12110kV隔离开关转头发热图片描述过热点温度Tmax (C)52.4正常相温度T(C)27.4环境温度参照体 温度TO (C)23.7温差 T (C)25相对温差3 (%)8711第四章电压互感器电压互感器有浇注式和油浸式两种。油浸式主要有线圈、铁芯、绝缘构件、 瓷套和储油

13、柜组成。电压互感器是典型的电压致热型设备，发热与负荷关系不大。电压互感器的 故障主要包括整体受潮、内部绝缘老化、局部放电、线圈和铁芯故障等。（注：本章内容只针对电磁式电压互感器和 CVT电磁单元）4.1电磁式电压互感器内部故障电压互感器内部出现绝缘、线圈和铁芯故障时，由于瓷套导热系数小，热量 主要经油自下向上传递到储油柜油面处， 再径向传出。热像特征是以顶部储油柜 油面处为最高温度，成上高下低温度分布的整体发热热像。图13为电磁式电压互感器本体异常发热。12#a）可见光图片b）红外热像图图13电压互感器本体异常发热4.2 CVT电磁单元内部故障CVT电磁单元发生内部故障时，故障产生的热量会使油

14、箱内油温升高。 热像 特征是一个以电压互感器本体顶部为中心上高下低的整体发热热像。图 14为油 箱内部阻尼装置元件击穿导致发热的图谱。#a）可见光图片13b）红外热像图图14 CVT电磁单元异常发热14第五章电流互感器电流互感器主要有浇注式和油浸式两种。 电流互感器一次电流大，发热除绝 缘介质损耗发热外，还有与电流(负荷)相关的铜损发热故障。电流互感器的过热故障主要有外部连接不良过热、 内部接线不良发热、内部 绝缘故障及二次回路故障。为区分内部接线不良发热和内部绝缘故障， 可通过降 负荷观测热像变化，若发热与负荷无关，可判定为绝缘故障。5.1外部连接故障电流互感器外部出线接头连接不良，接触电阻

15、增大，通过电流时会引起发热。 其热像特征是以接触不良处为最高温度中心的热像图。图15为110kV电流互感器外部出线接触不良。图15110kV电流互感器外部出线接触不良图片描述过热点温度Tmax (C)63.9正常相温度T (C)30.6环境温度参照体温度TO (C)17温差 T (C)33.3相对温差S (%)7115#5.2内部连接故障内部电气接头(包括一次线圈紧固螺母、电流变比连接板接头等)连接不 良引起发热故障，一部分热量经导体沿导体方向传播；一部分热量首先传递给油， 再经过油传递到顶部法兰、油箱和瓷套表面散发出去，因瓷套的导热系数小，热 量主要经顶部法兰和油箱散出。热像特征是以顶部油箱

16、油面处和故障部位引出端 子(如绕组端头、串并联出线头等)为最高温度中心的热场分布。图16为35kV电流互感器内部接线发热图谱。图片描述A相温度Ta(C)58.9B相温度Tb(C)54.8C相温度Tc(C)53.5环境温度参照体 温度TO (C)17.7图16 35kV电流互感器内部接线发热5.3 受潮或绝缘故障电流互感器受潮、介损增大会引起整体发热，内部绝缘工艺缺陷和局部放电 会导致局部发热。热像特征是电流互感器本体整体发热或本体局部温度过高，如图17为110kV电流互感器B相介损超标整体发热；图18为110kV电流互感器 外绝缘护套局部放电发热。图17 llOkV电流互感器B相介损超标整体发

17、热图18 110kV电流互感器外绝缘护套局部放电发热图片描述过热点温度Tmax (C)37.3正常相温度(C)T20温差 T (C)17.35.4二次回路故障二次回路故障包括回路端子连接不良、保险器熔断或接触不良等，连接不良 处接触电阻大，通过电流时发热增大；保险器熔断处回路被切断，电流无法流过， 不发热。连接不良故障的热像特征是以故障点为最高温度中心的热像，保险器熔断的热像特征是故障点温度最低。图19为10kV电流互感器二次接触不良发热， 右图为可见光图。图19 10kV电流互感器二次接触不良发热（右图为可见光图）17第六章电力电缆高压电力电缆有油浸纸绝缘电缆、 橡塑电缆、充油电缆和交联聚乙

18、烯绝缘电 缆等。目前，交联聚乙烯电缆为应用最广的电力电缆。电力电缆由电缆本体和电缆接头盒构成。本体内部结构从内到外依次为导 体、绝缘层、护层。电缆接头盒包括中间连接盒与终端附件等。中间连接盒与终 端头是电缆线路易出现故障的薄弱环节。电力电缆的故障主要有本体或电缆头连接不良、绝缘层受潮或老化、内部局部放电等。6.1出线接头接触不良电缆与其它导线联接头因连接不良或表面氧化，造成连接点接触电阻过大引起发热，热像特征是以接头部位为最高温度的热像分布图，如图20。图20 35kV电缆接头接触不良过热点温度 Tmax(C)36.9正常相温度T(C)23.4环境温度参照体温 度(C)21温差(C)13.5相

19、对温差()8418#6.2电缆局部绝缘不良电缆因加工不良或长期运行造成绝缘层局部损伤、受潮、劣化等缺陷，热量从内向外传出，径向温度按指数规律递减。热特征是电缆绝缘损坏处出现局部区域温升偏大，如图21。图21 35kV电缆局部绝缘老化21.9图片描述过热点温度 Tmax26.8(C)正常相温度T(C)22.7环境温度参照体温 度 T0 (C)20温差 T (C)4.1相对温差S (%)606.3 电缆头内部连接不良封闭在绝缘层里的电缆头存在连接故障时，连接点接触电阻增大而引起发 热，热像特征是以电缆头出线鼻端连接部位为中心的热像，如图22 o图22 35kV电缆头内部连接不良过热图片描述过热点温

20、度Tmax (C)34.4正常相温度T(C)26.7环境温度参照体温度T0 (C)23温差 T (C)7.7相对温差3(%)6719第七章金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器主要由氧化锌阀片和外绝缘瓷套组成。金属氧化物避雷器正常运行时有一定的阻性电流分量，热像特征呈现整体轻微发热，最热点一般在中部偏上，且发热基本均匀。金属氧化物避雷器发热故障主要包括内部阀片受潮、老化和外瓷套污秽。7.1阀片受潮或老化避雷器阀片受潮，损耗增大，受潮阀片发热，部分阀片受潮热像特征一般表 现出局部热特征，整个元件阀片受潮表现为整个元件发热； 避雷器阀片老化，损 耗增大，老化阀片发热，避雷器阀片老化一般为整个元件或整相老

21、化，热像特征通常表现为整相或整个元件发热的特征。另外当故障元件受潮或老化严重时，可 能引起正常元件损耗增大，热像特征为正常元件整体发热。如图23为220kV氧化锌避雷器B相阀片受潮发热。图24为110kV氧化锌避雷器上节阀片整体老化 发热。图23220kV氧化锌避雷器 B相受潮发热图24 110kV氧化锌避雷器上节阀片整体老化发热7.2避雷器瓷套污秽引起发热避雷器瓷套污秽（尤其在潮湿的环境中）会引起表面局部泄漏电流变大， 瓷套出现局部发热，热像特征是外部瓷套会显示层次清晰的局部过热区。图25为避雷器瓷套污秽引起局部发热min 7.4 max 19.613.7 eC1816:U - ： jr6.

22、522#图25避雷器污秽引起局部发热#图片描述过热点温度Tmax （C）44.3正常相温度（C）T29.1温差 T (C)15.2第八章电力电容器电力电容器有外部封装容器和内部电容芯子 （电容包）组成。主要包括铁壳 封装的串（并）联电容器和瓷套封装的耦合电容器两种类型。低压串（并）联电容器主要的发热故障有外部连接不良，内部绝缘受潮、老 化、浸渍不良，漏油等。耦合电容器主要为电压致热型故障，主要有绝缘受潮、老化和局部放电等。（注：本章耦合电容器内容可以适用于 CVT电容分压器单元）8.1串（并）联电容器8.1.1外部出线熔丝容量减小（如断股）并联电容器出线熔丝容量减小，熔丝电阻增大，电流流过会引

23、起熔丝发热, 热像特征是容量减小的熔丝整体发热，且靠近电容侧温度最高，如图26。| °C30图26 35kV电容器出线保险熔丝发热8.1.2电容器组联线接触处发热18电容器组同相间或相间连接线连接不良，接触点的电阻增大，弓I起连接部 位发热。热像图谱是以连接不良处为最高温度的分布热图，如图27。图27500kV电容器组联线接触处发热8.1.3电容器内部损耗增大串（并）联电容器绝缘受潮、老化呈现为整体发热的热像。内部有放电时会引局部温升，热特征在电容器外壳上会形成局部过热区域。图28为10kV电容器内部局部放电引起过热。图28 10kV电容器内部局部放电引起过热8.2 耦合电容器（包含

24、电磁式电压互感器的电容部分）耦合电容器受潮、介质老化后，损耗增大，热像特征是整体发热，温度分布自上而下递减，表面温升高于正常状态下的温升。图29为220kV耦合电容器下节介损偏高发热。图29220kV耦合电容器下节介损偏高发热25第九章绝缘子绝缘子包括支柱绝缘子和线路绝缘子。支柱绝缘子有瓷柱和金属附件组成。主要的发热故障有瓷质劣化或表面污秽 等缺陷引起的局部过热。线路绝缘子分为复合绝缘子和瓷质绝缘子。 复合绝缘子由纤维芯棒和伞裙组 成。发热故障主要有芯棒受潮、伞裙老化或破损等。瓷质绝缘子由铁帽、钢脚及 瓷件用水泥胶合构成。瓷质绝缘子又分为针式、瓷横担和悬式绝缘子。正常悬式 绝缘子串的温度分布同

25、电压分布规律对应， 即呈不对称的马鞍型，相邻绝缘子之 间温差很小。瓷质绝缘子故障主要有低值绝缘子、零值绝缘子及外绝缘瓷盘污秽9.1 低值绝缘子绝缘子串劣化初期，绝缘子绝缘电阻值降低很少，其分布电压依然主要决定 于杂散电容值，低值绝缘子上分布电压基本不变，绝缘电阻下降引起发热增加。 低值绝缘子热像特征是以钢帽为发热中心的热像图，如图30。图30220kV瓷低值绝缘子发热9.2零值绝缘子绝缘子片已劣化到绝缘电阻很小时，其上的分布电压已主要取决于绝缘电 阻，零值绝缘子上的分布电压很小，使其温度低于正常绝缘子温度。 热像特征是 与相邻良好绝缘子相比呈暗色调（负温升）的热像，如图 31。图31220kV

26、瓷绝缘子串(发暗的为零值绝缘子)9.3 污秽绝缘子绝缘子表面污秽时，其本身绝缘电阻及分布电压并无太大改变。 而瓷盘表面污秽层会使绝缘子表面电阻降低，表面爬电泄漏电流增加，导致瓷盘温升变大。热像特征为污秽的悬式瓷绝缘子瓷盘温升偏大，如图图32 220kV悬式绝缘子污秽发热图片描述过热点温度Tmax (C)22正常点温度(C)T18.7温差(C)3.332。第十章高压套管高压套管主要用于变压器、电抗器、断路器等电力设备进出线和高压电路穿 越墙体等的对地绝缘。高压套管有单一介质套管、复合介质套管和电容式套管三种。电容式套管主 绝缘由层状绝缘材料和箔状金属电极在导电杆上相间卷绕而成的同轴圆柱形串 联电

27、容器组构成。根据绝缘材料不同，又分为胶纸和油纸电容式套管。高压套管运行中主绝缘要承受高电压的作用，导电部分要承担大电流。其主要故障有内、外部电气接头连接不良、套管绝缘受潮和劣化、套管缺油、电容芯 子局部放电和末屏对地放电等。10.1 导电回路连接处接触不良套管外部导电回路连接件接触不良，造成接触电阻过大而过热，热像特征是 一个以故障点为最高温度中心的热谱图。图 33为导电回路连接件接触不良所致 发热。图片描述过热点温度Tmax (C)56.1正常相温度T(C)37.7环境温度参照体 温度TO (C)26.5温差 T (C)18.4相对温差3(%)62图33220kV变压器高压 B相出线接触不良10.2套管缺油变压器油的导热系数为空气的4倍左右，套管缺油处导电杆产生的热量不易 通过气体传到瓷套，因而热像显示无油处温度比充油处温度偏低。热像特征是套 管上有明显的冷热(油气)分界面。当套管因缺油未及时处理而引起缺油部位放 电时，套管缺油低温区会形成局部发热热像。图