基于紅外測(cè)溫的劣質(zhì)絕緣子在線檢測(cè)技術(shù)研究

謝冰

(云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100)

基于紅外測(cè)溫的劣質(zhì)絕緣子在線檢測(cè)技術(shù)研究

謝冰

(云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100)

分析了絕緣子發(fā)熱機(jī)理和紅外測(cè)溫技術(shù)的原理，進(jìn)行劣質(zhì)絕緣子的檢測(cè)與排查技術(shù)研究，介紹利用高精度紅外測(cè)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)串中零值絕緣子和污穢絕緣子快速甄別的方法。

紅外測(cè)溫；試驗(yàn)研究；污穢絕緣子；劣質(zhì)絕緣子

0 前言

絕緣子是電網(wǎng)中尤其是輸電線路的主要絕緣部件，是保障電氣性能的重要部件。其質(zhì)量主要取決于電氣絕緣性能和力學(xué)性能。由于絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行于強(qiáng)電場(chǎng)、高溫日照、機(jī)械應(yīng)力、濕度、污穢物等環(huán)境下，當(dāng)其劣化達(dá)到一定程度時(shí)，其絕緣性能就會(huì)降低。特別在高壓輸電線路上，絕緣子的劣化直接威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。如果絕緣子串中存在零值，相當(dāng)于有部分絕緣被短路，相應(yīng)的也減少了絕緣子串的整體爬電距離，因而增加了該串絕緣子的閃絡(luò)概率。一旦發(fā)生閃絡(luò)，零值絕緣子的鋼帽經(jīng)常會(huì)炸裂或脫開(kāi)，從而出現(xiàn)絕緣子串的掉串和電力線路的導(dǎo)線落地等嚴(yán)重事故。

目前劣質(zhì)絕緣子的檢測(cè)方法有絕緣電阻測(cè)定法、分布電壓測(cè)定法、脈沖電流法、電場(chǎng)法、超聲波測(cè)量法、紫外電暈檢測(cè)法等[1-3]。但這些方法具有如勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)精度低、易受電磁干擾、安全隱患大、檢測(cè)成本高等缺點(diǎn)，并且缺少對(duì)設(shè)備外絕緣性能實(shí)時(shí)信息的獲取，不能做到及時(shí)準(zhǔn)確地判斷，因此亟需一種安全準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)高效的零值絕緣子檢測(cè)方法，以實(shí)現(xiàn)輸電線路由定期檢修到狀態(tài)檢修的轉(zhuǎn)變。

紅外熱像測(cè)溫技術(shù)具有不接觸、不停運(yùn)、不取樣、檢測(cè)速度快的優(yōu)點(diǎn)，已被證明是電力設(shè)備預(yù)知性故障診斷的重要手段之一。絕緣子的紅外檢測(cè)是在其工作狀態(tài)下通過(guò)紅外測(cè)溫儀檢測(cè)絕緣子獲取絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，始終不需要與絕緣子直接接觸，可以安全高效檢測(cè)到絕緣子在運(yùn)行狀態(tài)下的真實(shí)狀態(tài)信息[4-8]。但由于受到環(huán)境溫濕度、光照、風(fēng)速等因素的影響，利用紅外熱像技術(shù)對(duì)絕緣子串進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效果并不明顯，該技術(shù)在絕緣子檢測(cè)方面的廣泛應(yīng)用仍有待于紅外熱成像設(shè)備分辨率的進(jìn)一步提高。對(duì)劣化絕緣子發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)通過(guò)紅外測(cè)溫技術(shù)分別對(duì)污穢絕緣子和零值絕緣子進(jìn)行了快速檢測(cè)辨別以驗(yàn)證其有效性和實(shí)用性。

1 檢測(cè)原理

1.1 絕緣子分布電壓分析

由于絕緣子的鋼腳、鋼帽等金具部分、接地的桿塔和帶電的輸電線路三者之間都存在雜散電容，使得絕緣子串的電壓分布不均勻，隨著絕緣子串長(zhǎng)度增加，電壓分布不均的現(xiàn)象將更為顯著。一般情況下，線路中正常的絕緣子串中絕緣子本身電容C約為40～60 pF，絕緣子對(duì)桿塔的雜散電容CE約為4～5 pF，而絕緣子對(duì)導(dǎo)線的雜散電容CL為0.5～1 pF，因此CE的影響比CL大，即絕緣子串中電壓分配不均，靠近導(dǎo)線的絕緣子承擔(dān)的電壓降較大，靠近桿塔的絕緣子承擔(dān)的電壓降較小，整串絕緣子的電壓分布呈不對(duì)稱的馬鞍形[6]。絕緣子串的等效電路及各絕緣子承受的電壓如圖1所示。

圖1 絕緣子串中各絕緣子承受的電壓

1.2 絕緣子發(fā)熱機(jī)理

絕緣子的發(fā)熱由三部分組成：一是在交變電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)的極化效應(yīng)引起的發(fā)熱，其發(fā)熱功率可表示為：

式中，Ud為絕緣子的分布電壓 (V)；ω為角頻率；C0為絕緣子的極間電容 (約40～60 pF)；tanδ為絕緣子介質(zhì)損耗角的正切值。二是內(nèi)部穿透性泄漏電流所引起的發(fā)熱，其發(fā)熱功率可表示為：

式中，Ud為絕緣子的分布電壓 (V)，Ip為貫穿絕緣子的泄漏電流 (A)，Rp是絕緣子劣化后穿透性泄露電損耗的等值電阻。三是由于絕緣子表面污穢，表面爬電泄漏電流所引起的發(fā)熱，其發(fā)熱功率可表示為：

式中，Ud為絕緣子的分布電壓 (V)，Ic為絕緣子爬電泄漏電流 (A)，Rc是絕緣子表面污穢層漏電損耗的等值電阻。

由于絕緣子串的電壓分布呈不對(duì)稱的馬鞍形，靠近導(dǎo)線的絕緣子的分布電壓相對(duì)較高，中間絕緣子承受的電壓則低一些，而靠近橫擔(dān)分布電壓又有所回升。絕緣子的發(fā)熱功率與分布電壓的平方成正比，正常絕緣子串的熱像分布規(guī)律同電壓分布規(guī)律相對(duì)應(yīng)，即呈不對(duì)稱的馬鞍形。

圖2是絕緣子的并聯(lián)等效電路，C0為極間電容，一般約為40～60 pF，對(duì)應(yīng)工頻電壓下的容抗約為79.6～53.1 MΩ；Rm為介質(zhì)極化損耗等效電阻；Rp為內(nèi)部穿透性泄漏電流損耗等效電阻，其大小取決于絕緣子內(nèi)部劣化情況，對(duì)于正常絕緣子其值為無(wú)窮大；Rc為表面泄漏電流損耗等效電阻，其值與絕緣子表面清潔程度和氣象條件有關(guān)，正常情況下認(rèn)為趨于無(wú)窮大。

圖2 絕緣子等效電路

這樣，絕緣子的等效電阻滿足：

絕緣子總發(fā)熱功率為：

式 (5)中，XD為等效容抗，顯然P與RE呈非線性關(guān)系。另外，發(fā)熱功率還與分布電壓Ud的平方成正比。因此，若零值絕緣子出現(xiàn)在不同位置，產(chǎn)生發(fā)熱功率也不同。

用求函數(shù)極值的方法求出它的最大發(fā)熱時(shí)的電阻值：

由此可知，劣化絕緣子的發(fā)熱功率只有一個(gè)極大值，即當(dāng)絕緣子的絕緣電阻降低到等效容抗XD值時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率最大，稱這個(gè)電阻值為最大發(fā)熱電阻，它的數(shù)值決定于絕緣子的極間電容值C0和絕緣子串的片數(shù)。

對(duì)于一個(gè)正常絕緣子來(lái)說(shuō)，Rp和Rc均明顯大于Rm，故RE≈Rm，故此時(shí)的發(fā)熱功率：P=U2dωC0tanδ，其值很小，與分布電壓的平方成正比。當(dāng)絕緣子發(fā)生劣化時(shí)，Rp值開(kāi)始變小，當(dāng)小于300 MΩ時(shí)，RE≈Rp，此時(shí)發(fā)熱功率集中在鋼帽內(nèi)部，鋼帽溫度明顯升高。當(dāng)Rp繼續(xù)下降且明顯小于XD時(shí)，盡管流過(guò)Rp的電流隨Rp的下降而增大，但其發(fā)熱功率呈下降趨勢(shì)。當(dāng)Rp降至5 MΩ以下時(shí)，發(fā)熱功率小于正常值，理論上零值絕緣子的發(fā)熱功率接近于零。相同電壓下，積污越嚴(yán)重，絕緣子發(fā)熱量就越大。

1.3 紅外熱像技術(shù)

紅外熱像技術(shù)是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并數(shù)字化到熱像儀的電子處理部分，從而在顯示器獲得紅外熱像圖，熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像技術(shù)就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像，熱圖像的上面的不同灰度 (顏色或亮度等)代表被測(cè)物體的不同溫度。

通過(guò)檢測(cè)被測(cè)絕緣子串的溫度場(chǎng)分布情況，以判斷絕緣子的良好狀況。紅外熱成像技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：非接觸遙感檢測(cè)，不用接觸被測(cè)絕緣子串，可以安全直觀的找到發(fā)熱點(diǎn)；二維畫面，可以體現(xiàn)被測(cè)范圍所有點(diǎn)的溫度情況，具有直觀性。還可比較處于同一區(qū)域的物體的溫度，查看兩點(diǎn)間的溫差等；實(shí)時(shí)快速掃描靜止或者移動(dòng)目標(biāo)，可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行分析監(jiān)控。

盤形懸式絕緣子屬于電壓致熱型設(shè)備，因此良好絕緣子與劣質(zhì)絕緣子之間的溫差不是很大[4]。但目前最先進(jìn)的紅外熱像儀的溫度靈敏可達(dá)0.05攝氏度，因此仍然可以用紅外熱成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)絕緣子的檢測(cè)。

零值絕緣子是指絕緣子絕緣特性完全喪失，即絕緣電阻為零或極低。理論上在整個(gè)絕緣子串中，零值絕緣子是不會(huì)發(fā)熱的，其溫度與環(huán)境溫度一致，因此通過(guò)紅外熱像技術(shù)的特征圖譜判別法可快速檢測(cè)出絕緣子串中的零值絕緣子。

2 模擬試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

對(duì)四串盤形懸式陶瓷絕緣子串在高壓試驗(yàn)大廳進(jìn)行試驗(yàn)，共四串絕緣子串，每串從上至下分別標(biāo)記為第1到8片，試驗(yàn)電壓為65 kV，上端為高壓端。

首先對(duì)絕緣子串含有一個(gè)零值絕緣子的情況進(jìn)行加壓帶電試驗(yàn)，第一串絕緣子串中第四片絕緣子被短接，為零值絕緣子，第二串絕緣子串中第六片絕緣子為零值絕緣子，第四串絕緣子串中第二片絕緣子為零值絕緣子。上電工作20分鐘后每隔10分鐘利用紅外熱像儀得到零值絕緣子在不同位置時(shí)紅外圖譜進(jìn)行對(duì)比分析；然后對(duì)污穢絕緣子串與清潔絕緣子串進(jìn)行試驗(yàn)，四串分別依次為污穢串、清潔串、清潔串、污穢串，污穢是由硅藻土和氯化鈉組成的混合物。人工涂刷第一和第四串絕緣子串各絕緣子，各絕緣子等值附鹽密度均為0.15 mg/cm2。同樣加壓20分鐘后每隔10分用紅外熱像儀得到污穢串和清潔串的紅外圖譜進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)以上兩組試驗(yàn)以驗(yàn)證紅外測(cè)溫技術(shù)在污穢絕緣子和零值絕緣子檢測(cè)中的效果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3(a)(b) (c)分別為第2、4、6片為零值絕緣子的絕緣子串的紅外熱像圖與其對(duì)應(yīng)溫度曲線圖。

零值絕緣子的位置對(duì)紅外檢測(cè)有一定的影響。當(dāng)零值絕緣子處于高壓端時(shí)，零值與相鄰正常絕緣子平均溫差最大；零值絕緣子處于絕緣子串中部時(shí)，相對(duì)溫差最?。惶幱诘蛪憾藭r(shí)，溫差介于高壓端與中部之間。因此，高壓端的零值絕緣子易于紅成像法檢測(cè)，低壓端次之，中部最低。

圖3 第2、4、6分別為零值絕緣子時(shí)的紅外圖譜和對(duì)應(yīng)溫度曲線

圖4(a)、(b)分別為污穢絕緣子串與清潔絕緣子串的紅外熱像圖與其對(duì)應(yīng)溫度曲線圖，兩邊的絕緣子串為污穢串，中間的為清潔串。通過(guò)對(duì)比，圖4(a)的溫度曲線圖突變較多，絕緣子串間溫差差異較顯著。污穢絕緣子的發(fā)熱比正常絕緣子要大，因此，與正常清潔絕緣子相比，污穢絕緣子其熱像表征圖像會(huì)有明顯的突變發(fā)生，可通過(guò)精度較高的紅外熱像儀對(duì)不同污穢程度的絕緣子紅外圖像進(jìn)行辨別。此外，靠近兩端的兩片絕緣子發(fā)熱較大，主要是由于該處絕緣子承受的電壓較高。

圖4 污穢串與清潔串紅外圖譜和對(duì)應(yīng)溫度曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)劣質(zhì)絕緣子的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了探討分析，通過(guò)基于紅外測(cè)溫的污穢和零值絕緣子快速檢測(cè)試驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)污穢絕緣子的發(fā)熱較正常絕緣子要大，而零值絕緣子理論上發(fā)熱功率很低或?yàn)榱?，其溫度與環(huán)境溫度接近，污穢絕緣子和零值絕緣子與相鄰正常絕緣子溫度變化大，故當(dāng)絕緣子有嚴(yán)重污穢和零值絕緣子存在時(shí)，其熱像表征圖像會(huì)有明顯的突變發(fā)生；

2)當(dāng)零值絕緣子位于串中靠近高壓端時(shí)，其熱像圖像顯示零值絕緣子與相鄰正常絕緣子平均溫差最大，位于中部時(shí)與相鄰正常絕緣子平均溫差最小，位于低壓端時(shí)為高壓端和中部之間；

3)基于紅外測(cè)溫技術(shù)可利用精度較高的紅外熱像儀對(duì)不同污穢程度的絕緣子進(jìn)行辨別；高壓端的零值絕緣子易于紅外測(cè)溫技術(shù)檢測(cè)，低壓端次之，中部較難。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)在零值和污穢絕緣子檢測(cè)中的有效性，紅外測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行絕緣子帶電檢測(cè)，該方法通過(guò)遙測(cè)絕緣子串溫度分布來(lái)檢測(cè)零值和污穢絕緣子，不需要人工爬塔進(jìn)行檢測(cè)，具有工作量小、工作效率高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

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Research on Online Detection of Inferior Insulator Based on Infrared Temperature Measurement

XIE Bing
(Yunnan Yuxi Power Supply Bureau，Yuxi，Yunnan 653100)

This paper analysised the principle of which heating mechanism of insulator and infrared temperature measurement technology，and certain research on detection and diagnose of inferior insulator has been applied.

infrared temperature measurement；test；polluted insulators；inferior insulator

TM80

B

1006-7345(2014)04-0116-05

2014-04-04

謝冰 (1978)，男，工程師，云南電網(wǎng)公司玉溪供電局。