电气设备热故障分析及对策
电气设备热故障分析及对策
摘要：电气设备的发热故障一直是电力系统的一个老问题,严重影响供电设备正常的负荷输送，甚至酿成事故。电气设备发热问题必须引起重视，认真研究其发生的原因，以便彻底解决。
关键词:热故障分析；热故障的影响及危害；故障的处理预防及处理对策；故障的红外线诊断技术引言
电气设备发热在设备缺陷管理中成为一个越来越突出的问题。运行早发现,设备进货严把质量关，检修加强工艺是关键。只有把各方面工作都做好,才能杜绝设备过热故障的发生。电气发热是电气设备最常见的运行故障,造成电气设备发热故障的原因很多。我们可以根据不同的起因采用不同的办法来预防发热故障,治本的方法是接触电阻测量法，接触面平整度检查法,横向比较法，纵向比较法，开展季节性检修等。治标的方法是改善电气设备运行环境的通风散热条件。随着大容量高电压电气设备的不断运行,热故障已成为影响电力设备正常运行的主要原因,电压等级的不断提高使得发现热故障显得格外困难,正确的应用红外线技术将彻底改变传统的测温困难的情况，及时发现电气设备热故障源能有效的避免重大事故的发生,是保证电力设备稳定运行的有效办法。红外诊断技术在电力系统广泛应用后,过去主要靠定期停运检修的制度必将逐步由预报警式的检修制度所代替，如果电气设备的温度一旦出现异常,应根据测出的电气设备的温度和热像图谱,配合运行、检修情况以及其他电气试验进行综合分析，判断缺陷的性质和部位，以便从安全和经济性考虑，及时排除隐患,这样既可防止事故发生，又不盲目停电检修,从而提高了电气设备的可靠性和利用率。
（一)电气设备热故障分析
1、电气设备发热原因
电气设备在工作的时候，由于电流、电压的作用，将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损发热。允许负荷下的发热在电气设备的运行故障中占有很大的比重，是电气设备的主要故障之一。发热故障会导致电气设备的绝缘热击穿、导体连接部位的热变形、甚至熔焊，严重危及电气设备的安全运行。
根据焦耳定律:
2
Q I RT
可知造成设备发热的原因有两个:一是电流I,另一个是电路
的电阻R。电气设备运行时电流增大的主要原因是短路引起的电流增大。电气设备运行时
回路电阻R 增大的主要原因为：导体连接部位的压紧螺栓或压紧弹簧的压紧力不恰当,导致连接部位的压紧螺栓部位的接触电阻增大;导体相互连接的接触面不平整,造成接触面的通流量降低、相对正常负荷电阻R 增大；导体相互连接的接触面氧化、积灰，造成接触面电阻增大;设备存在制造缺陷,个别环节的电气连接方式不正当,造成流通量较小的“卡脖子”环节。
2、电气设备发热来源
电气设备在工作的时候，由于电流、电压的作用,将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损发热。
（1)电阻损耗发热：电力系统导电回路的金属导体都具有相应的电阻，当通过负荷电流时,必然有一部分电能按焦—楞次定律以热损耗的形式消耗在电阻上。这部分发热功率为：2f P K I R =
式中：P —发热功率（W ）
f K —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(Ω）
对于多股绞线和空心导体，通常可认为1f K =
（２）电介质损耗发热：由固体,液体或气体等电介质材料构成的绝缘结构是高压电气设备中不可缺少的重要部分。金属导电材料和电介质绝缘材料是所有电气设备不可缺少的两个组成部分。同样导电体周围的电介质在作交变场的作用下会产生能量损耗，通常称为介质损耗,其损耗功率用下式表示：
2
tan P U C ωδ=
式中：P —电介质的有功损耗(W )
ω—交变电源的角功率
C —介质的等值电容值（F ) tan δ—绝缘介质损耗因数或介质损耗角正切值
由上式可知，介质损耗与承受的电压的平方成正比,与导体所通过的电流无关。由此可
知，电气设备只要加上电压,即使不输送电流也会产生介质损耗。当绝缘介质的绝缘性能变坏时,会引起介质损耗增大,有功损耗增加，设备运行温度升高。
（3)铁磁损耗发热:载流导体周围的铁磁物质在交变磁场反复磁化作用下,将产生磁滞、涡流损耗。铁磁物质在交变磁化下由于内部的不可逆过程而使铁磁物质发热所造成的一种损耗，称为磁滞损耗。磁滞损耗与频率的一次方成正比,与最大磁感应强度B 的n 次方成正比。众所周知，当铁磁物质放置在变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，铁磁物质内部会产生感应电动势(或感应电流)。从图1中可见，涡流是感应电流的一种,在铁芯内围绕着感应强度B 呈旋涡状流动，其方向可按楞次定律来决定。涡流的产生要消耗一定的能量，并随即转变为热能。涡流对许多电气设备来说是极其有害的，它消耗电能,使铁芯发热,不仅会引起额外的大量功率损失,更严重的是还会使线圈温度过高,甚至损坏线圈的绝缘，造成设备的过热损坏酿成事故。
图1 涡流的产生
交变磁通在铁芯中产生磁滞损耗cz P 和涡流损耗w P 合起来叫做铁磁损耗,简称铁损。把从电源吸收的能量转化为热量,使铁芯发热。
3、电气设备发热分类
连接点是指电气设备之间以及它们与母线或电缆之间的电气连接部位。连接点过热已经是电力系统的一个老问题,但随着设备负荷的增加,用户对供电可靠性要求的提高，在设备缺陷管理中成为一个越来越突出的问题,值得我们引起重视，认真研究其发生发展的原因，以便彻底解决。
1、电气设备发热源。电气设备在工作的时候，由于电流、电压的作用，将产生电阻损耗发热、介质损耗发热、铁损致热等3种热故障。?
2、电气设备热故障。
电气设备的热故障可分为外部故障和内部故障。外部故障是以局部过热,各种裸露接头、连接件的热故障;内部故障的发热过程一般都较长，且为稳定发热,与故障点接触的固体、液
体和气体,都将发生热传导、对流和辐射,从而有许多与设备相距不很远的内部故障所产生的热量,能不断地达到外壳，改变了设备外表面的热场分布。
（1）外部故障
主要是指从外界可以直接观测到的设备部位发生的故障，一类是长期暴露在大气中的各种裸露电气接头因接触不良等原因引起的过热故障。电气设备外部热缺陷或热故障主要是各种电气引流的裸露接头，包括高压设备或线路中的连接件等由于压接不良或因受到氧化、腐蚀及灰尘的影响,或因材质和加工、安装工艺的问题，或冲击负荷的影响和机械振动等各种原因造成的接触电阻增大而出现的局部过热等。另一类是由于表面污秽或在机械力的作用下引起的绝缘性能降低而造成的过热故障。
（2）内部故障
主要是指封闭在固体绝缘、油绝缘以及设备壳体内部的电气回路故障和绝缘介质劣化引起的各种故障:
a 内部电气连接不良或触头不良故障：如各种高压电气设备内部导电体连接不良，断路器接触不良，高压釜电力电缆出线鼻端连接不良等。
b 介质损耗增大故障:各种以油做绝缘介质的高压电气设备，一旦出现绝缘介质劣化或
进水受潮都会因介质损耗增加而发热,发热功率
2
p U Ctg
ωδ
=，其中C是介质两端的等值
电容，此类故障的发热机理属于电压效应发热;
c 绝缘老化、开裂或者脱落故障：许多高压电气设备中的导电体绝缘材料因材质不佳或使用老化引起局部放电而发热,这种故障也属于电压效应发热；
ｄ铁损增大故障:对由绕组电阻和磁路组成的高压电气设备，因设计不合理,运行效果不佳和磁路工作不正常引起的磁滞、磁饱和漏磁；或由于铁芯片间绝缘破损造成短路、均可引起局部发热或铁制箱体发热,发热机理为涡流或磁滞损耗发热;
ｅ缺油故障：油浸高压电气设备因漏油造成油位低下,严重者可引起油面放电，导致表面温度分布异常。这种热特征,除放电时引起发热外，主要是由于设备内部油面上下介质的热特性不同所致。
4、检查电机发热原因及处理
一、电机发热的原因
电气巡检检查发热时我们需注意以下几个通常导致设备电机发热的原因,并及时处理，防止造成严重的后果及影响。
(1）设备大修时接头未拧紧，当电流通过后可能会发热,甚至发红、冒火、断线;
(２)长期运行的铜铝接头，接触面没有镀银或没有挂锡的接头,因接触面严重氧化，电阻增大，也会成为发热点；
(３）平时流经小电流的接点,因系统突然变化,电流突增,导致接点发热；
(4）系统发生短路故障，过电流使容量不足的接点或有缺陷的接点，发生瞬间冒火等。
由此看来,发热主要是因为接触电阻变大造成的。严重发热时，首先联系值长减少该点的负荷电流,然后研究处理方案。这是紧急减少发热的有效办法。
二、检查发热的方法和技巧
运行中的电气设备，要求温度不大于80℃。超过80℃时,一定要进行处理。检查发热点的方法很多，下面我介绍几种电气巡检检查发热技巧：
(1)用蜡触试验法:将试温蜡片粘接在绝缘拉杆端头上触试接点，如缓慢熔化,温度约在5５℃；如很快熔化流淌，温度约在8０℃以上;如速熔并冒油烟，温度约在200℃以上。(2）雨天看发热点法:下雨天看发热点处干燥，温度约５０℃以上;如雨滴立即汽化蒸发，温度约在100℃以上；如发出“嗤啦”声，大雨滴呈滚落状，温度约在200℃以上。下雨天检查接点发热，易发现,效率高。
（3）雪天看雪熔化法：接点上雪熔化,温度在0℃以上；如接点干燥,温度在50℃以上。（4)使用红外线测温仪：我厂现在正使用的红外线测温仪是先进仪器,使用较方便，检查发现发热点效果良好,为我厂的安全生产作出很大的贡献。
(５)观察热气流法：发热体与空气温差达到２0℃，如气温20℃,发热点的温度50℃以上时，即能看到微小气流；如接头温度达到10０℃时,“热气流”就非常明显;如发热点温度达到200℃以上,“热气流”就非常容易被看到。
要想清楚地看到“热气流”的存在，必须借助气流后面的“背景”来观察。被选择的“背景”要求是黑色、灰色等深色,线条状、网状等都可以。配电室内的构架、导线及设备等都可以做“背景”,距离远近都可以。检查某发热点时,巡检人员要不断变换站立位置,使发热点形状与“背景”的形状和角度尽量一致，呈平行状态，再慢慢使接点上方靠近“背景”,只留一点小缝隙，观察缝隙处是否晃动。如有晃动,该接点发热;晃动大，发热就很严重了。
（二）电气设备热故障的影响及危害
1、电气设备热故障的影响
发热对电气设备的影响，主要表现在绝缘材料性能降低、机械强度下降和导体接触部分性能变坏等三个方面。
（１）绝缘性能降低
导体和电器绝缘的耐热性是决定其绝缘性能的主要因数。导体的允许电流，电器的额定功率实际上决定于绝缘在运行中所能承受的最高温度。绝缘材料的耐热性可用耐热温度来衡量。所谓绝缘材料的耐热温度,是该类材料所能承受而不致使其机械特性和电气特性降低的最高温度。
按我国的标准,电气绝缘材料按其耐热温度分为七级，其长期工作下的极限温度列入表1内，材料应在该温度下能工作20000h而不致损坏。
表1 各级绝缘材料的耐热温度
对大部分绝缘材料来说,可以用所谓的“八度规则”经验规律来估算其寿命，即温度每上升8度,则其寿命降低一半。
（2）机械强度降低
当温度高达一定的允许值后，金属材料的机械强度将显著下降，这是因为载流体长期处于高温状态，会使其慢性退火,亦可丧失其机械强度。当机械强度丧失后，会导致变形或破坏。
为了保证导体可靠地工作，须使其发热温度不得超过一定的值，这个限值叫做最高允许温度。按照有关规定,导体的正常最高允许温度，一般不超过70℃;短路最高允许温度可高于正常最高允许温度，对硬铝可取20０℃,硬铜可取3０0℃。
（３）接触部分性能降低
发热使导体接触面氧化并生成氧化薄膜,增加了接触电阻。氧化速度与触头表面温度有关，当发热温度超过某一临界温度时,这个过程就加速进行，接触部分的弹性元件会被退火，压力降低，接触电阻增加,恶性循环加剧，最后会导致连接状态遭到破坏,严重时造成局部过
热火灾。
2、电气设备热故障的危害
(1）电气设备的主要危害
1.温度升高使导体接触部分的接触电阻增大，最后烧坏接触面，影响正常运行。
2．将会恶化导电接触部分的连接状态、以致破坏电器的正常工作。
３.使绝缘材料的绝缘性能降低。
4.使金属材料的机械强度下降。
（2)电气设备热故障等级及判断
根据过热部位的影响和危害性及其可能发展的破坏趋势可分为一般、严重和危险三个等级（表2）。这三个等级的热缺陷所对应的温升范围和温度限值，内部热缺陷与外部热缺陷应有较大的差别。这是由直接测量设备外部发热源和间接通过热传导来测量内部发热源的情况所决定的,因此温升限值不宜同等相比。相同的热缺陷等级,外部热缺陷的允许温升要比内部热缺陷间接测量的温升高得多。
表2热缺陷等级及处理措施
缺陷等级 措施
一般热缺陷 引起注意，加强检查, 寻机处理
严重热缺陷 重点监视,安排处理
危险热缺陷 立即汇报,停电处理
电气设备正常工作时，由于电流和电压的作用,各种设备的发热表现为一种正常的温度分布图。一般在电流较大的部位,载流导体的连接部位的温度略高于其它部位,而且同类设备的发热规律一般都是一致的。当设备有缺陷或故障时，设备的某一部位的温度分布便会出现异常，温度明显升高。因此根据发热的情况及严重程度，可以判断故障的性质和严重程度。判断一项外部热缺陷的严重程度，可依据两个方面判断一项外部热缺陷的严重程度:过热部位的最高温度值，过热部位与正常状况下的相对温度差比t ?
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h c c t t t t t ?=-- 式中:h t ——热部位最高温度
c t ——常状况下的热稳态温度
0t ——境温度