基于電氣設(shè)備氧化過程的發(fā)熱及損傷情況判斷新方法

盧文立

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516003）

據(jù)國外電力公司統(tǒng)計，電網(wǎng)中約80%的故障源于配電系統(tǒng)。配電網(wǎng)的故障可能導(dǎo)致配電網(wǎng)的全部或局部停電，給企業(yè)生產(chǎn)和家庭用戶帶來不便的同時，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究快速準(zhǔn)確的配電網(wǎng)區(qū)域故障定位算法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

電氣設(shè)備的接觸不良是引起電氣設(shè)備事故、故障及電氣火災(zāi)的主要因素之一。根據(jù)美國保險公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，由于接觸不良引發(fā)的電氣火災(zāi)，占電氣火災(zāi)事故的25%以上。而根據(jù)《中國火災(zāi)統(tǒng)計年鑒》對引起電氣火災(zāi)的原因分類和統(tǒng)計，國內(nèi)有12.6%的電氣火災(zāi)直接原因是由于接觸不良引起的，而占電氣火災(zāi)事故70.5%的短路和過熱，到底又有多少是由于接觸不良演變而間接引起的，還無法統(tǒng)計。

1 電氣設(shè)備發(fā)熱及其接觸電阻

電氣設(shè)備在正常運(yùn)行情況下，將一部分電能以不同的損耗形式轉(zhuǎn)化為熱能，從而使電氣設(shè)備溫度升高。這些電能的損耗主要包括電流效應(yīng)引起的電阻損耗，即電流型發(fā)熱；電壓效應(yīng)引起的介質(zhì)損耗，即電壓型發(fā)熱；因鐵芯的磁滯、渦流等現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁效應(yīng)的鐵損耗。電氣設(shè)備接觸不良引起的異常發(fā)熱，是一種典型的電流型發(fā)熱，它是電氣故障、事故和火災(zāi)的重要成因之一。

電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的焦耳熱，按焦耳規(guī)律放熱：Q=I2Rt

公式說明，發(fā)熱主要由兩個因素組成，即電流和電阻，均屬電氣物理量。根據(jù)統(tǒng)計的紅外缺陷資料，造成電氣設(shè)備異常發(fā)熱的主要原因是電氣設(shè)備的過負(fù)荷。變電站個電氣設(shè)備承載的負(fù)荷是取決于電網(wǎng)的整體負(fù)荷，在一段時間時間內(nèi)，可視為不變化。而對于變電站，倒閘操作等使得設(shè)備的接觸電阻更常變化。所以對于變電站，研究接觸電阻是必要的。

2 以溫度為變量的接觸電阻經(jīng)驗(yàn)公式

影響接觸電阻變化的因素主要有：（1）接觸金屬的溫度，溫度的升高可以使金屬的電阻率增加；（2）接觸金屬的形變，范性形變可以使金屬的電阻率增加；（3）接觸金屬的應(yīng)力，在彈性范圍內(nèi)單向拉伸或者施加扭轉(zhuǎn)應(yīng)力可以使金屬的電阻率增加。此外，接觸金屬的接觸面積、接觸面是否形成氧化膜或其他電阻率高的膜層、電氣設(shè)備接觸金屬周圍的環(huán)境介質(zhì)及其外表面的電化學(xué)反應(yīng)等因素也會影響接觸電阻變化。

金屬導(dǎo)體相互接觸時，在接觸區(qū)域會形成附加電阻，這種附加電阻是由收縮電阻和膜電阻構(gòu)成，接觸電阻的計算公式：Rj=Rs+Rm。

其中，Rj為接觸電阻；Rs為收縮電阻，是指當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)體的接觸表面時，從截面面積較大的導(dǎo)體流入面積較小的接觸面（或接觸點(diǎn)），電流線會發(fā)生變形，從而使電流通過的路徑變長，有效導(dǎo)

電面積變??；Rm為膜電阻，是由觸頭面上的氧化膜或其他電阻率高的膜層引起的，與界面上的氧化或吸附微粒的薄膜有關(guān)。

接觸電阻的大小與接觸處的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、材質(zhì)等因素有關(guān)，準(zhǔn)確的計算接觸電阻比較困難。在上述各自變量中，接觸金屬的溫度更方便進(jìn)行數(shù)學(xué)描述和數(shù)據(jù)獲取。

圖1 相對溫差判斷法

圖2 升溫速率圖

接觸電阻通常用的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

Rj=Rs+Rm=（c1×H0.1875 ×F-0.6）×ρ+（c2×H ×F-1） ×σ

其中，c1=118.90 為常數(shù)，c2=0.45為常數(shù)，H 為兩接觸金屬的硬度，F(xiàn) 為兩接觸金屬的應(yīng)力，ρ為接觸金屬的電阻率，σ為接觸金屬的表面電阻率。如一種金屬很薄地鍍在另一種金屬上面，其硬度應(yīng)取鍍層的硬度，而電阻率則應(yīng)取底金屬的電阻率。對于不同金屬的接觸，全部電阻為用各種金屬系數(shù)計算電阻的平均值。

H、F 會隨著設(shè)備的運(yùn)行工況變化，但是在一段時間內(nèi)分析，可視為不變，而觸金屬的電阻率ρ和接觸金屬的表面電阻率σ都是溫度的線性函數(shù)，即：

Q∞Rj∞（ρ、σ） ∞T

故此，可得接觸電阻對溫度的通式：Rj=C1T+C2

C1、C2是隨H、F、ρ、σ而變化的常數(shù)。

同時，可得孤立的設(shè)備接觸的發(fā)熱的通式：

Q=C3T+C4

C3、C4是隨H、F、ρ、σ而變化的常數(shù)。

3 紅外測溫及現(xiàn)行規(guī)程的判斷方法

電氣設(shè)備在其使用各階段，包括設(shè)備制造過程、設(shè)備運(yùn)輸過程、設(shè)備安裝過程、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程等均會引起電氣設(shè)備接觸電阻增大，引起接觸不良。其中，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程存在周期長，設(shè)備狀況變化連續(xù)，停電檢查機(jī)會少等特點(diǎn)。而電氣設(shè)備接觸不良早期很容易處理，但很難發(fā)現(xiàn)；后期容易發(fā)現(xiàn)，但往往很難一次處理好，有時候只能徹底更換才能解決。

故此，如何在變電站的日常巡視和日常維護(hù)工作中做好對接觸電阻及設(shè)備發(fā)熱的發(fā)現(xiàn)與控制，是變電運(yùn)維工作的一大重點(diǎn)。

紅外測溫技術(shù)是不需接觸、不需停電的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測方法。對會造成發(fā)熱異常的電氣設(shè)備缺陷或故障，如短路、過熱、接觸不良、過負(fù)荷、三相不平衡、漏電等，均可快捷、及時地發(fā)現(xiàn)，具有檢測效率高，檢測方法靈活的特點(diǎn)。

據(jù)相關(guān)的管理文件，對紅外測溫的數(shù)據(jù)處理主要包括直接測定及判定法、與其他相或其他間隔的同類設(shè)備作比較的間接判定法、相對溫差判斷法。

其中相對溫差判斷法為按以下公式計算出相對溫差值，并判斷設(shè)備缺陷的性質(zhì)。點(diǎn)的溫度T2=35；環(huán)境參照溫度T0=30，可得：

可見，相對溫差判斷法的不足在于：

（1）過分依賴于正常相對應(yīng)點(diǎn)的溫升τ2的整定值，且δt 的判斷標(biāo)準(zhǔn)對τ2 值的依賴為5倍和20倍。

（2）環(huán)境參照體的溫度T0在一天中是變化的，δt受T0 的影響，是一個誤差來源。

（3）發(fā)熱點(diǎn)的溫度T1的測量存在著誤差，包括儀器的固有誤差和隨機(jī)誤差，δt受T1 的影響，是一個誤差來源。

4 基于電氣設(shè)備氧化過程的發(fā)熱及損傷情況判斷新方法

電氣設(shè)備在其使用各階段當(dāng)接觸點(diǎn)溫度升高時，接觸面上會生成氧化層薄膜，從而增加了接觸電阻。金屬的氧化速度與觸頭表面溫度有關(guān)，當(dāng)發(fā)熱溫度超過某一臨界溫度時，這個過程就會加速進(jìn)行，接觸電阻可成百成千倍地增大。對有些電氣設(shè)備，當(dāng)發(fā)熱溫度超過一定值時，彈簧接觸部分的彈性元件會被退火，使設(shè)備應(yīng)力降低，接觸面積減少，也使接觸電阻增加，從而促使接觸點(diǎn)溫度升高，形成正反饋過程，最后會導(dǎo)致連接狀態(tài)遭到破壞。

而當(dāng)溫度過高時，氧化層薄膜的形成會變得疏松，乃至脫落。

若考慮氧化膜的正反饋過程，可得設(shè)備接觸的發(fā)熱的通式：

其中： A1、B1、D1、E1、T0是相應(yīng)運(yùn)行工況下的常數(shù)，可由獲取的離散數(shù)據(jù)回歸得到。

對于物體受熱而升溫，需要考慮物體與環(huán)境的熱交換等過程，有以下溫升經(jīng)驗(yàn)通式：

故此可得，電氣設(shè)備接觸電阻的通式為：

其中，τ1和T1 為發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度；τ2和T2 為正常相對應(yīng)點(diǎn)的溫升和溫度；T0為環(huán)境參照體的溫度。

當(dāng)相對溫差值δt≥80%時，視為重大缺陷，此時發(fā)熱點(diǎn)溫度T1′為：

T1′=5T2-4T0=5τ2+T0

當(dāng)相對溫差值δt≥95%時，視為緊急缺陷，此時發(fā)熱點(diǎn)溫度T1″為：

T1″=20T2-19T0=20τ2+T0

當(dāng)發(fā)熱點(diǎn)的溫升值小于10K 時，可暫定為一般缺陷，加強(qiáng)監(jiān)視。取正常對應(yīng)

接觸設(shè)備在一個特定的時間段可視作為熱平衡，設(shè)備發(fā)熱量約等于溫升，即：

Q=△Q

對Q 和△Q 取對數(shù)后，有：

其中，B1′≈logB1，B2′≈logB2，D1′≈logD1，E1′≈logE1；A1、A1′、B1、B1′、D1、D1′、E1、E1′是相應(yīng)運(yùn)行工況下的常數(shù)，是對于時間的時變數(shù)值。

當(dāng)?shù)葧r間間隔地對設(shè)備接觸點(diǎn)進(jìn)行測量，設(shè)備接觸點(diǎn)的發(fā)熱溫度的對數(shù)值的變化趨勢如圖2 所示。

電力設(shè)備在運(yùn)行中以及在外殼形成一定程度的氧化膜，所以，發(fā)熱過程是由T1至T2，呈指數(shù)上升，其上升的時間常數(shù)是在一定范圍內(nèi)變化的數(shù)值。

而當(dāng)溫度到達(dá)T3時候，此時溫度過高時，氧化層薄膜的形成會變得疏松，乃至脫落。溫度變化率還是趨于平緩。

當(dāng)溫度從T3至T4，形成的疏松氧化層薄膜已經(jīng)不再支撐發(fā)熱的正反饋過程，基本形成穩(wěn)定的熱平衡。

對設(shè)備接觸點(diǎn)的發(fā)熱溫度的對數(shù)值求二階差分，有：

Z（K）=Y（K+1）-Y（k）=X（k+2）-2×X（k+1）+X（k）

其中，X（k）=log（T1（k））。Z（k）值越小，則說明，發(fā)熱溫度越靠近穩(wěn)定熱平衡的溫度，也說明生成的氧化層薄膜越疏松，即發(fā)熱設(shè)備的接觸損壞越嚴(yán)重。

基于電氣設(shè)備氧化過程的發(fā)熱及損傷情況判斷新方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不受環(huán)境參照體的溫度T0、發(fā)熱點(diǎn)的溫度T1、儀器測量發(fā)熱點(diǎn)的溫度的固有誤差δt以及正常相對應(yīng)點(diǎn)的溫升τ2的整定值等的影響；

（2）利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)可表征發(fā)熱的接觸設(shè)備的損壞情況；

（3）部分變電站已經(jīng)裝設(shè)在線測溫系統(tǒng)，若有足夠的數(shù)據(jù)供以分析，可得出Z（k）對于發(fā)熱的接觸設(shè)備的損壞情況的定量判斷值，用以判斷一般缺陷、重大缺陷、緊急缺陷。

結(jié)語

用于變電站紅外測溫分析的基本發(fā)熱判斷方法存在誤差來源多，依賴規(guī)程整定值的局限，本文就此提出了基于電氣設(shè)備氧化過程的發(fā)熱及損傷情況判斷新方法，對變電站紅外測溫分析的基本發(fā)熱判斷方法進(jìn)行改進(jìn)。本文 提出的判斷方法能準(zhǔn)確有效判斷設(shè)備發(fā)熱及損壞情況，具有極佳的容錯性與魯棒性。

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