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电气设备热故障分析及对策
摘要:
电气设备在实际生产运行当中由于发热而引起的故障时常发生，已经成为影响电力系统安全稳定运行的一个突出问题，值得我们引起重视，并加以解决。
本文就电气设备发热而引发的各种热故障进行分析，并且结合实际提出解决的方案。
电气设备发热原因
常用的金属导体有铜、铝、锡、银、钢等。
由于任何金属导体都有一定的电阻，其电阻与其本身的电阻率和平均温度系数有关，且有相应的熔点。
对于电气接头类的纯电阻设备来说，根据R=ρ×L/S2H和Q=I2×R×t，可以计算出导体的电阻及电流流过导体时的发热量；由公式Q=I2×R×t可以看出，当电气接头的接触电阻由于某种因素如接触表面状况不良、氧化程度严重、接触压力较小、有效接触面积减小而增大时，或电流增大时，其发热量（温度）将相应增大，电阻的由于热效应而相应增大；电阻增大又使温度增加，如此恶性循环，将使接触面的温度升高超过其熔点而熔化，从而会使接头温度超过熔点温度而熔化；当系统发生短路时，随着短路电流的急剧增加，接头因超温最容易发生熔化或熔断，同时会扩大为火灾事故和绝缘破坏事故
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。
允许负荷下的的发热在电气设备的运行故障中占有很大比重，试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：
Q=I2RT可知造成设备发热的原因有两个：
一个电流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增大的主要原因是：
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。
电气设备发热情况
根据电气设备现场实际运行情况来看集中表现为：
1两种导体连接时尤其是两种不同材质导体连接时由于接触不良及接触面氧化而发热。
②各类开关接点由于接触电阻的存在而引起的发热。
③输电电缆的截面积不够而引起的发热。
④线圈类电气设备如电动机及变压器，由于感抗的存在以及铁损致热等存在而引起的发热。
⑤由于环境及介质的散热性能差而引起的发热。
⑥由于电气元件本身是发热源而引起的发热
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：
P=KfI2R
式中：
P—发热功率（W）
Kf—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）
（2）电介质的损耗发热：
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重要部分。
同样导电体周围的电介质在做交变场的作用下会产生能量损耗，通常称为介质损耗
（3）铁磁损耗发热：
载体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。
磁滞损耗以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。
当铁磁物质放在变化的磁场中，或者在磁场运动时，将会产生感应电动势。
涡流是感应电动势的一种。
涡流的产生要消耗一定的能量，并随即转变为热能。
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，造成设备的过热损耗酿成事故
。
电气设备热故障分类
电气设备的热故障又分为电气设备的外部故障和内部故障量方面：
外部故障是以局部过热，各种裸露接头、连接件的热故障；内部过热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，能不断的到达外壳，改变了设备外表面的热场分布，
1外部故障
主要指从外界可以直接观测到的设备部位发生的故障，电气设备在工作的时候，由于电流通过导体必然要消耗能量，电阻把电能转变成热能将产生电阻损耗发热，即电流的热效应。
电流I通过电阻R的时间为t秒时，电能转化为热能的数值是Q=0.24I2Rt。
上式说明，通电导体所产生的热量与电流的平方、导体的电阻以及通电的时间成正比。
通常电缆及电气设备的绝缘材料都有一定的耐热程度，即长期工作时的允许温度和允许温升，超过允许温升就会加速绝缘材料老化，甚至把绝缘破坏而引发故障。
所谓电气设备的热故障即以上各种发热当热积累到一定程度时引发的电气设备故障，具体表现为：
电缆接头、高低压开关接点及接触器接点过热而烧毁，相间绝缘破坏而短路等。
电气设备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链接部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者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
这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故障。
根据各种电气设备的内部结构和运行状态，依据传热学理论，绝缘油和气体等引起的传导、对流，从电气设备外部显现的温度变化可以判断出各种内部故障：
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链接不良，断路器接触不良，高压釜电力电缆出现鼻端连接不良等；
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，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：
对于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等，均可引起局部发热或铁制箱体发热，发热机理为涡流或者磁滞损耗发热；
e缺油故障：
油浸高压电气设备因漏油造成尤为低下，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，出放电时引起发热外，主要是由于设备内部油面上下介质的热特性不同所致。
除上述故障外，还有因过负荷运行或电压变化太大、单相运行等引起的故障，或者冷却系统不合理造成堵塞和散热不良等引起的电气设备本身是发热源的故障。
近年来，大功率电子产品在工业电气设备中得到广泛应用，例如大功率逆变电源、大功率开关电源、大功率变频器、大功率整流电源及模块组件、大功率励磁调节系统、以及微机型电气设备。
这些设备由大量电子元件组成，在大电流作用下很容易发热，散热问题至关重要，如果不加解决，很容易损坏电气设备。
电气设备热故障的影响及危害
电热对电器设备的影响，主要表现在绝缘材料性能降低、机械强度下降和道题接触部分性能等三个方面
2.1电器设备热故障的影响
2.11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得最高温度。
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，电器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表2—1材料应在该温度下能工作20000h而不致损坏。
表2—1各级绝缘材料的耐热温度
等级
耐热温度
相应的材料
Y
90
木材、纸、棉花及其脂肪品等
A
105
沥青漆、漆布、漆包线及浸渍过的Y级绝缘材料
E
120
玻璃布、油性树脂漆、聚酯薄膜与A级绝缘材料的复合、耐热漆包线
B
130
玻璃纤维、石棉、聚酯漆、聚聚酯薄膜等
F
155
玻璃漆布、云母制品、复合硅有机树脂漆和以玻璃丝布、石石棉纤维为基础的层压制品
H
180
复合云母、硅有机漆、复合玻璃
C
180以上
石英、玻璃、电缆、补强的云母绝缘材料等
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，即温度没升高8度，其寿命降低一半
2.1.2机械强度下降
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。
当当机械强度丧失后，会导致变形或破坏。
为了保证道题可靠的工作，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℃。
2.1.3导体接触部分性能变坏
发热使导体接触面氧化并产生氧化薄膜，增大了接触电阻。
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，接触电阻增大，恶性循环加剧，严重局部过热造成火灾。
2.2电气设备热故障的危害
（1）温度升高会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）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。
案例及分析
案例一：
某厂的一台机组在大修后并网不久，6KV厂用段因某一台电机的电缆绝缘损坏发生相间短路，强大的短路电流使高压配电柜内接触电阻较大的电流互感器接头发生熔溅，造成相对地、相间绝缘击穿，继而使高压配电柜内又发生短路，造成6KV厂用段进线开关掉闸，母线失电而停机。
事故后检查发现，该电流互感器端子接触面螺丝孔的直径因通过短路电流过热熔化扩大了6毫米，端子厚度减少了3毫米。
该接触面接触电阻增大的原因为，因配电柜内的导电连接板的材料是铜的，电流互感器的端子是铝的，安装时在该铜铝接触面上未采取有效的铜铝过渡措施，由于铜铝两种金属的化学性质差别，致使在该接触面上产生了电化腐蚀，在接触表面形成了一层灰白色的腐蚀层，造成该接触面接触电阻增大。
重新处理铜铝过渡接头后，开关柜运行正常。
案例二：
某厂的一台380V进线开关，因触头弹簧弹力不足，使触头压力不足，接触电阻升高，在运行中过热，损坏绝缘而发生短路、着火，进而引发了“火烧联营”的事故。
案例三：
某一台220KV的有载调压变压器，分接开关的瓦斯继电器多次动作，后发现是分接开关的触头氧化严重，接触电阻超标严重所致；触头经镀银处理后恢复正常。
案例四：
某厂的一个500KV变压器的高压套管，因套管底部的接线板螺栓在安装时未紧好，在局部放电试验中损坏。
在大唐盘电#4机组小修中，曾发现#4高厂变低压侧封闭母线B相的一个接线板，应有四条螺栓紧固，却只有一条螺栓紧固，因接触压力和有效接触面积减少，接触面已变色，所幸未造成事故。
案例五：
某变电站的一台220KV开关，检修时发现触头严重过热，原因是导电杆的超行程不足，有效接触面积减少导致了接触电阻升高。
2.3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、严重考核危险三个等级（表3-1）.这三个等级的热故障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所决定的，因此温升限值不应同等相比。
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的多。
表3-1热缺陷等级及处理措施
缺陷等级
措施
一般性缺陷
引起注意，加强检查，迅寻机处理
严重性缺陷
重点监视，安排处理
危险性缺陷
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他部位，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，可依据连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=（th－tc）／（tc－t0）
式中：
th—热部位最高温度
tc—常状况下的热稳态温度
t0—境温度
根据t0数值判断数值的等级是直观的，根据相对温差比△t来判断故障的等级可以基本消除表面发热率、环境温度、测试距离和负荷状况的影响。
设备不同、部位不同和所用材料不同，其最高工作温度限制和△t值均不同，见下表;
常见电气设备温度的测试标准
序号
设备名称
测量部位
最高容许温度
1
隔离开关
母线接头处
65
2
电力熔断器
接触处
75
机械结构处
90
3
断路器
接线端子
75
机械结构处
100
4
流电压互感器
接线端子
75
机械接触处
90
5
油浸式变压器
接线端子
90
本体（油浸）
75
6
干式变压器
接线端子
75
本体（绕组）
由绝缘等级决定
7
电力电容器
接线端子
75
本体
70
8
母线接头处
硬铜线
70
硬铜绞线
90
硬铝线
90
耐热铝合金线
150
9
六氟化硫全封闭组合电器
金属外壳
110
0型密封圈和绝缘物
90
一般电气设备最高容许标准
序号
一般缺陷
严重缺陷
危险缺陷
1
65％＜温度75％
75％＜温度＜100％
温度＞100％
2
7％＜温升＜35％
25％＜温升＜60％
温升＞50％～80％
3
△t值0.2％～1％
△t值大于1％
实际负荷电流小于表量程的60％
4
发热时电器设备的实际负荷等于或小于正常用电负荷
用电设备测温时的实际负荷，小于设备正常运行时的负荷
相邻及相间温差＞25％
5
相邻及相间温差＞10％
电气设备热故障的预防与处理
1预防
（1）加强巡视检查质量
巡回检查制度是及时发现电气设备过热的有效手段，不断提高和改进设备巡视、检查的方法和质量，使巡回检查工作发挥更大的作用。
各企业对巡回检查都制定了具体的方法，规定了正常的巡视路线和巡视次数。
对于运行设备，运行值班人员要定期巡视连接头发热情况。
连接点过热可通过观察来确定，如：
运行中过热的连接点会失去金属光泽，导体上连接点附近涂的色漆颜色加深等。
值班人员必须按照规定要求进行认真细致检查，才能发现各种设备故障、设备隐患，做到及时发现及时处理，避免事故发生。
除周期性的巡检外，还应该根据设备的特点及运行方式、负荷情况、自然条件的变化等进行巡查。
（2）加强检修质量
（1） 金具质量。
变电所母线及设备线夹金具，根据需要选用优质产品，载流量及动热稳定性能，应符合设计要求。
特别是设备线夹，应积极采用先进的铜、铝扩散焊工艺的铜铝过渡产品，坚决杜绝伪劣产品入网运行。
（2） 防氧化。
设备接头的接触表面要进行防氧化处理，应优先采用电力复合脂（即导电膏）以代替传统常规的凡士林。
在实际工作中,许多工作人员认为凡士林和电力复合脂的作用是一样的,因此怕弄脏手而选用凡士林而不用电力复合脂,其实中性凡士林无任何导电作用,只能起到防止水份渗入和隔离空气的作用,而且凡士林的滴点仅为54℃,当运行温度高于54℃时,凡士林就会慢慢渗化流失而干涸,空气中的水份和有害介质沿接触面空隙侵入,使接头表面氧化腐蚀,而新型的电力复合脂滴点达180℃~220℃,当运行温度达70℃时,电力复合脂的蒸发度不大于5%,依然能在接头整个表面形成一个保护层而起到氧化的作用;对于不同材质接头特别是铜铝接头,由于电力复合脂所含的锌元素的介入,使铜铝两者电位差缩小,可减缓铜铝电化腐蚀;涂敷在接触面的电力复合脂,经螺栓紧固后,借“隧道效应”实现良好的导电性,大大降低了接触电阻。
（3） 接触面处理。
接头接触面可采用锉刀把接头接触面严重不平的地方和毛刺锉掉，使接触面平整光洁，但应注意母线加工后的截面减少值：
铜质不超过原截面的3%，铝质不超过5%。
（4） 紧固压力控制。
部分检修人员在接头的连接上存有误区，认为连接螺栓拧的愈紧愈好，其实不然。
因铝质母线弹性系数小，当螺母的压力达到某个临界压力值时，若材料的强度差，再继续增加不当的压力，将会造成接触面部分变形隆起，反而使接触面积减少，接触电阻增大。
因此进行螺栓紧固时，螺栓不能拧得过紧，以弹簧垫圈压平即可，有条件时，应用力矩板手进行紧固,以防压力过大。
（5） 工艺程序。
制定连接点安装的技术规范程序。
根据造成连接点过热的不同类型，制定不同的工艺规程。
安装时，严格按照规程进行。
（6） 检测措施。
对于运行设备，运行值班人员要定期巡视连接头发热情况。
有些连接点过热可通过观察来确定，比如运行中过热的连接点会失去金属光泽，导体上连接点附近涂的色漆颜色加深等
（7）连接点的可靠性,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。
为保证连接点的可靠性电气设备的母线及设备线夹、金具应根据需要选用优质的产品,载流量及动热稳定性能,应符合设计要求,特别对于铜和铝的连接点,由于铜铝之间的电势差为+1.62V,若铜铝直接接触空气中的水和二氧化碳及其他有害杂质,会在接触面形成电解液,在电液的作用下,使接触面逐渐腐蚀,引起接触面电阻增大而发热,因此,使用铜铝扩散焊工艺的铜铝过渡产品是一个积极的选择。
另外,连接点的紧固螺检也是个重要的金具,应选择优质的产品和尽量选用膨胀系数与铜铝材料接近的螺栓,这样可以有效防止螺栓膨胀和收缩程度有差异而形成微小空隙而氧化的连接点。
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