【文章內(nèi)容簡介】 .................... 58 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) V 現(xiàn)場安裝運(yùn)行 ................................................................................................ 59 本章小結(jié) ................................................................................................................... 59 5 總結(jié)與展望 ............................................................................................. 60 研究內(nèi)容總結(jié) ............................................................................................................ 60 工作展望 .................................................................................................................... 61 致 謝 ..................................................................................................... 62 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................... 63 目錄 碩士論文 VI 碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電 力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 1 1 緒論 引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù) 快速 穩(wěn)定的發(fā)展，電力 系統(tǒng)的 規(guī)模也隨之 越來越大 ，人民對電力系統(tǒng)的 依賴性也越來越強(qiáng)，國家對電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性的要求也越來越高 。但是，許多國家在夏季仍 然 發(fā)生大面積停電事故，特別是 2020 年 8 月 14 日 美 國和 加 拿大的 大停電 事故，期間上百臺機(jī)組跳機(jī)，事故波及約 5000 萬人，造成的重大的經(jīng)濟(jì)損失，是美國歷史上最嚴(yán)重的停電事故 [1]。通過對這些事故進(jìn)行 調(diào)查 分析，導(dǎo)致事故發(fā)生原因是多方面的，由此，各國都進(jìn)一步認(rèn)識到 如何提高 大規(guī)模電力系統(tǒng)的安全 性 是一個(gè)重大而迫切的問題。 如何利用高科技手段進(jìn)行系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的管理，消除危險(xiǎn)點(diǎn)，是擺在電力系統(tǒng)科研單位面前的新問題 [2]。 隨著 電網(wǎng) 規(guī)模的 擴(kuò)大以及自動(dòng)化水平的提高，設(shè)備檢修維護(hù)的任務(wù)也越來越重，費(fèi)用也越來越高。采用定期檢修方式使很多設(shè)備存在過修或失修的問題， 不僅 造成巨大的資源浪費(fèi) ，而且埋下了 安全 隱患 。 20 世紀(jì) 80 年代以來 ， 隨著電 子技術(shù)的發(fā)展和傳感器技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)等 各領(lǐng)域 間 的 相互 滲透 ， 電力系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)中也廣泛 使用 這些先進(jìn)的科研成果 ， 電氣設(shè)備 在線監(jiān)測技術(shù) 也從此 走向?qū)嵱没A段。與預(yù)防性試驗(yàn)相比 ， 在線監(jiān)測系統(tǒng)采用更高靈敏度的傳感器采集運(yùn)行設(shè)備的劣化信息 [3]，信息的處理和識別依靠有豐富軟件支持的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) ， 引進(jìn)一些新的能更真 實(shí)反應(yīng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征量 ， 從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的綜合診斷 ， 促進(jìn)電力設(shè)備由定期試驗(yàn)向狀態(tài)檢修過渡 [4]。 強(qiáng)化對電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行管理和可靠性維修是電力安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，電力企業(yè)對先進(jìn)的在線監(jiān)測設(shè)備投入比例逐年增加，而這其中紅外診斷技術(shù)的運(yùn)用是最值得關(guān)注的 。 從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度看，這種監(jiān)測技術(shù)具有較高的 ―投入產(chǎn)出比 ‖，具有廣闊的應(yīng)用前景；從技術(shù)角度看，紅外診斷技術(shù)也是電氣設(shè)備在線監(jiān)測的一項(xiàng)行之有效的技術(shù)手段，利用紅外技術(shù)對電氣設(shè)備進(jìn)行檢測和診斷具有不停電、不取樣、不接觸 ， 直觀、準(zhǔn)確、靈敏度高及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn) [5] ， 可以查出各種設(shè)備缺陷 ， 對提高設(shè)備運(yùn)行 的 可靠率有 著 重要作用。 電力系統(tǒng)紅外診斷 技術(shù)的國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)最重要的參數(shù)之一 ， 它的測量與控制在國防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用 [6][7]，而紅外測溫技術(shù)又是所 有 溫度檢測方法當(dāng)中頗為先進(jìn)的一種方法，紅外熱像儀就是利用這種技術(shù)的典型產(chǎn)品，而這種先進(jìn)的設(shè)備最1 緒論 碩士論文 2 初是使用在軍事上 [8]，在電力系統(tǒng)當(dāng)中的運(yùn)用始于上世紀(jì)六七十年代，但 現(xiàn)在 其 對電力系統(tǒng)的 診斷效果 已經(jīng) 得到了國內(nèi)外的廣泛認(rèn)可。 國外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 國外 從 60 年代中期開始將 紅外技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備監(jiān)測，瑞典國家電力局成功的運(yùn) 用紅外熱像儀 對電力設(shè)備進(jìn)行 故障診斷， 70 年代 將紅外 熱像儀裝在直升機(jī)上對 輸變電設(shè)備故障做生產(chǎn)性巡回檢測，并 制訂出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范 和 故障判定標(biāo)準(zhǔn)。 1990 年 的 國際大電網(wǎng)會議 (CIGIE)充分肯定了電力設(shè)備故障紅外診斷技術(shù)，指出該技術(shù)在電力設(shè)備從傳統(tǒng)的預(yù)防性故障檢修體制向先進(jìn)的預(yù)知性狀態(tài)維修體制 改革 中將發(fā)揮 巨大的 作用。 目前， 國外比較知名的大電力公司都已將紅外診斷技術(shù)廣泛運(yùn)用于電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況的檢修，并取得了較好的效果 [9]。 國內(nèi)研究與 應(yīng)用現(xiàn)狀 我國 從 70 年代初開始 研究開發(fā)電力設(shè)備紅外監(jiān)測技術(shù) ，并逐步 開始利用國內(nèi) 自行研制的紅外測溫儀檢測運(yùn)行中的輸變電 設(shè)備裸露過熱接頭 。 國內(nèi)一些 電力專業(yè)研究所 從80 年代中期開始 先后 使用 光機(jī)掃描熱像儀，積極開展變電設(shè)備故障檢測試驗(yàn)和 220KV及 110KV 輸電線路的直升機(jī)巡線紅外檢測試驗(yàn)，并取得了良好結(jié)果。 從 2020 年以后隨著 紅外 成 像技術(shù)的成熟和紅外熱像儀 價(jià)格 的降低， 國家鼓勵(lì)電力企業(yè) 應(yīng)用紅外熱像儀對電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測， 因?yàn)檫@樣 不僅可以對高壓電氣設(shè)備內(nèi)外部故障類型做出定性診斷，而且還能給出故障位置和嚴(yán)重程度的定量診斷 。除此之外，對影響電力設(shè)備紅外成像故障診斷準(zhǔn)確性的諸因素及對策也做了深入研究，制訂了一系列的 紅外診斷操作 規(guī) 范 。 總的來說，可以將我國電力設(shè)備紅外診斷發(fā)展的狀況分為 4 個(gè)階段 [2]： 1) 1986 年以前的十年為調(diào)查研究、基礎(chǔ)研究和可行性試驗(yàn)研究，紅外診斷技術(shù)逐漸引入我國； 2) 1987 到 1991 年， 主 要運(yùn)用紅外設(shè)備測量電氣設(shè)備外裸露接頭的過熱故障，著重對高壓輸電線路用直升機(jī)進(jìn)行航測試驗(yàn)研究； 3) 1992 到 1995 年， 全國各供電局進(jìn)行紅外測溫生產(chǎn)性試驗(yàn)， 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了高壓設(shè)備的大量過熱缺 陷 ，試驗(yàn)結(jié)果表明， 紅外檢測在電力系統(tǒng)故障檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景 ； 4) 1996 年 至今，主要處于紅外診斷作業(yè)技術(shù)的推廣和建立相應(yīng)的紅外診斷標(biāo)準(zhǔn)階段 ，完善我國的電力系統(tǒng)紅外診斷體系 。 變壓器 傳統(tǒng) 在線監(jiān)測 方法簡介 在電力系統(tǒng)中， 電力變壓器的地位是舉足輕重的，一旦發(fā)生故障，極有可能導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也就是說，只要能夠成功的發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中處于運(yùn)行核碩士論文 基于紅外測溫技術(shù)的電 力變壓器過熱故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā) 3 心地位的電力變壓器存在的故障并及時(shí)檢修，就可以很大程度上提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 變壓器的絕緣檢測一直是定期的絕緣預(yù)防性試驗(yàn)，預(yù)防性維修在保證安全可靠性供電方面起 著很好的作用。但是，預(yù)防性維修需要停電檢修，影響了供電的可靠性；定期檢修中更換的設(shè)備 有些 是沒有必要更換的，降低了經(jīng)濟(jì)性；試驗(yàn)條件 有可能 不同于變壓器的實(shí)際運(yùn)行條件，試驗(yàn)結(jié)果不能及時(shí)、準(zhǔn)確再現(xiàn)絕緣缺陷和潛在故障。針對這一情況，電力企業(yè)利用相關(guān)技術(shù)對電力變壓器進(jìn)行 24 小時(shí)連續(xù)在線監(jiān)測，持續(xù)獲得各種類型的特征量數(shù)據(jù)， 準(zhǔn)確的反映變壓器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài) [10]。 有關(guān)專家通過對十幾 年 來變壓器 發(fā)生 故障 的 資料進(jìn)行分析，得出的結(jié)論是：盡管不同的變壓器老化趨勢和使用方式并不相同，但發(fā) 生 故障的誘因還是基本相似的。 多種因素都可能影響 到絕緣材料的預(yù)期壽命 ， 對 這些因素 加以歸納，得出導(dǎo)致變壓器故障的原因有 雷擊、線路涌流、工藝制造不良、絕緣老化、過載和受潮等 幾 個(gè)方面 [11]，需要注意的是線路涌流在所有因素中列首位，這類故障主要 是由 過電流或過電壓沖擊引起的。 常用的變壓器在線監(jiān)測方法 ： 1)局部放電的監(jiān)測： 變壓器由于老化等原因 會產(chǎn)生局部放電， 在局部放電時(shí) 會伴有聲光電 等現(xiàn)象 及對放電空間介質(zhì)的化學(xué)作用，對應(yīng)這些物理化學(xué)反應(yīng)可以找到相應(yīng)的測量方法，可采用 超 高頻電脈沖法測量變壓器 油 中的局部放電 ，超高頻法是通過檢測變壓器局部放電產(chǎn)生的數(shù)百甚至數(shù)千兆赫茲的 超高頻電磁波信號來測量局部放電的大小和位置 [12][13][14]； 2)局部過熱的監(jiān)測：當(dāng)變壓器內(nèi)部發(fā)生局部過熱時(shí)除過熱點(diǎn)溫度升高外 ， 同時(shí) 發(fā)熱 會使變壓器油分解生成氫氣和烴類氣體，在 發(fā)熱比較嚴(yán)重的情況下氫氣含量會很高 ， 因此在局部放電較弱時(shí)如果 2H 含量較高可以判定為變壓器油中有過熱故障 ，系統(tǒng)可以 利用對變壓器油中 2H 含量 進(jìn)行監(jiān)測并結(jié)合局部放電監(jiān)測來間接監(jiān)測 變壓器的運(yùn)行情況 [15]； 3)介質(zhì)損耗的測量：絕緣介質(zhì)老化往 往反映在絕緣介質(zhì)在交變電場的 作 用下其極化過程發(fā)生了改變，非彈性極化增強(qiáng)使極化過程中的有功損 耗增加，使絕緣介質(zhì)的介質(zhì)損耗率增大 ， 因此可 采用測量電力變壓器絕緣套管電壓與套管末屏接地電流間相位差的方法 對絕緣套管介質(zhì)損耗 判斷 ，根據(jù)絕緣套管介質(zhì)損耗的情況判斷變壓器的運(yùn)行情況 [16]。 變壓器紅外在線監(jiān)測的目的和意義 自從無損檢測技術(shù)引入到電力行業(yè)中來以后 ，電力設(shè)備的 維護(hù)質(zhì)量得到了質(zhì)的飛躍，這其中 尤以 紅外診斷技術(shù)發(fā)展最快。紅外檢測技術(shù)是 “ 九五 ” 國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，紅外檢測是一種在線監(jiān)測 (不停電 )式高科技檢 測技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過接收物體發(fā)出的紅外輻射， 然后 將其熱像顯示 出來，用戶可通過熱像 準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況， 這種檢測方法 具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn) [2]。紅外診斷可以做到對故障點(diǎn)的準(zhǔn)確直觀檢測，也可以做到預(yù)知檢修，從而降低了維修成本，提高了設(shè)備的可靠性。用紅外檢測技術(shù)對電力診斷具有如下優(yōu)點(diǎn)：1 緒論 碩士論文 4 診斷效率高、判斷準(zhǔn)確、圖像直觀、安全可靠、非接觸探測、不受電磁干擾、探測距離遠(yuǎn)、探測速度快以及可以進(jìn)行在線檢測等。特別是對懸空的或者運(yùn)動(dòng)的帶電設(shè)備，紅外診斷技術(shù)更具有突出的優(yōu) 點(diǎn)。紅外診斷技術(shù)是檢測設(shè)備溫度異常的理想技術(shù)，它將成為對電力系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析、故障預(yù)測和改革維修制度的理想工具 [17]。 目前比較常用的是采用手持式熱像儀定期對電力設(shè)備進(jìn)行人工巡檢，這種方式使得檢測人員工作量大，再加上節(jié)前保 電 、迎峰度假等非計(jì)劃測溫工作，造成檢測人員容易疲勞，增加了工作的不安全性，同時(shí)也降低了設(shè)備故障的檢出率；另外由于近年來電力系統(tǒng)發(fā)展較快，電力設(shè)備較多，而且 有些 變電站路途遙遠(yuǎn)， 從而導(dǎo)致 測溫往往不在負(fù)荷高峰期進(jìn)行， 以 致部分熱缺陷不能及時(shí) 地 被發(fā)現(xiàn)，同樣也降低了設(shè)備故障的檢出率。 變壓器 紅外 在 線監(jiān)測系統(tǒng)通過軟件 控制 熱像儀 ， 實(shí)現(xiàn) 每天定時(shí)自動(dòng)巡檢，易于 及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在過熱性缺陷的設(shè)備 。另外 通過自動(dòng)采集，能形成輸變電設(shè)備 整個(gè)運(yùn)行壽命期內(nèi)的紅外圖庫，可以為輸變電設(shè)備全壽命周期 的 研究工作提供技術(shù)資料 ，還可以 通過軟件實(shí)現(xiàn)對輸變電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，快速生成紅外分析專業(yè)報(bào)告，為專業(yè)人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析設(shè)備缺陷提供依據(jù) [18]。變壓器紅外在線監(jiān)測兼具了紅外診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)， 具有 非常 廣闊的應(yīng)用前景 。 課題研究的主要內(nèi)容 本課題 是 某市 供電局的一科技項(xiàng)目，對 該局 城西變電站的一 110KV 的 主 變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測 ，監(jiān)測 現(xiàn)場 如圖 所示 。根據(jù)對 以往 該變電站變壓器故障原因的總結(jié)，在變壓器存在潛在故障時(shí)，首先出現(xiàn)明顯溫升的是圖 中標(biāo)注的高壓側(cè)和中壓 側(cè) 的三相接頭， 本課題的 主要 目的 是通過這六個(gè)接頭的溫度和一些輔助區(qū)域溫度來判斷變壓器的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)潛在 隱患 ，從而提前做出預(yù)警 ，及時(shí)檢修 。 在這些隱患引發(fā)更大規(guī)模的停電事故之前將其排除，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，將其可能造成的損失降至最低 ；另一方面 本課題所