機(jī)器人電場(chǎng)法檢測(cè)絕緣子的影響因素分析

仲 亮，李 勇，任志剛，段博濤，付孟潮，郭 銳，賈 娟，唐 賑，程養(yǎng)春

（1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001；3.北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （華北電力大學(xué)），北京 102206；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250021；5.北京華電天能電力技術(shù)有限公司，北京102206）

機(jī)器人電場(chǎng)法檢測(cè)絕緣子的影響因素分析

仲 亮1，李 勇2，任志剛2，段博濤3，付孟潮1，郭 銳4，賈 娟1，唐 賑5，程養(yǎng)春3

（1.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001；3.北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （華北電力大學(xué)），北京 102206；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250021；5.北京華電天能電力技術(shù)有限公司，北京102206）

機(jī)器人檢測(cè)輸電線路絕緣子，可大幅降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)效率和質(zhì)量，特別適用于超高壓、特高壓線路的長(zhǎng)絕緣子串。以某500 kV線路雙聯(lián)雙傘型絕緣子串為研究對(duì)象，基于有限元方法仿真研究雙聯(lián)型絕緣子串上的電場(chǎng)分布特性，研究了電場(chǎng)分量、電場(chǎng)傳感器相對(duì)于雙聯(lián)絕緣子串和機(jī)器人的方位、電場(chǎng)傳感器與絕緣子串的距離對(duì)零值絕緣子檢測(cè)靈敏度的影響，以及一串絕緣子串中零值絕緣子對(duì)另一串絕緣子檢測(cè)結(jié)果的影響。研究結(jié)果表明，選用軸向電場(chǎng)、傳感器位于機(jī)器人對(duì)面并且距機(jī)器人軸向距離大于1片絕緣子，將取得最高檢測(cè)率靈敏度；傳感器應(yīng)盡量靠近絕緣子傘裙，兩者間的距離要控制在10 cm以內(nèi)；雙聯(lián)串絕緣子相互不影響檢測(cè)結(jié)果。

輸電線路；瓷質(zhì)絕緣子；檢測(cè)；機(jī)器人；電場(chǎng)

0 引言

絕緣子作為架空輸電線路中導(dǎo)線與桿塔間的支撐連接部件，在保證電力系統(tǒng)正常生產(chǎn)、安全運(yùn)行，可靠性供電方面占有極其重要的地位。絕緣子串中如有一定數(shù)量的劣化絕緣子存在，當(dāng)由污穢、雷擊或其他原因引起閃絡(luò)時(shí)，大電流將流過劣化絕緣子頭部，導(dǎo)致絕緣子掉串[1]。因此，為了保證輸電線路用絕緣子的運(yùn)行安全，需定期進(jìn)行劣化絕緣子檢測(cè)，從而確定絕緣子是否更換。絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人應(yīng)用于絕緣子檢測(cè)不但減輕人工檢測(cè)絕緣子的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低輸電線路運(yùn)維成本，而且提高絕緣子檢測(cè)質(zhì)量和效率，日益受到人們的關(guān)注[2-5]。

目前絕緣子檢測(cè)采用的主要方法有絕緣子電阻測(cè)量法[6]；基于絕緣子串電壓分布規(guī)律的分布電壓檢測(cè)法[7]、分布電場(chǎng)檢測(cè)法[8-9]；基于絕緣子放電現(xiàn)象的脈沖電流法[10]、紫外成像法[11]；基于絕緣子發(fā)熱現(xiàn)象的紅外成像法[12]等。其中，電場(chǎng)法只需檢測(cè)絕緣子周圍的電場(chǎng)，無需接觸絕緣子鋼腳與鋼帽[9]，而且只需機(jī)器人攜帶電場(chǎng)探頭依次劃過絕緣子串的表面，無需機(jī)器人的額外配合。因此，基于電場(chǎng)法的低零值檢測(cè)儀器最適合于裝配巡線機(jī)器人。

但是，機(jī)器人本身一定存在金屬部件，將對(duì)絕緣子串的電場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到檢測(cè)零值絕緣子的效果。針對(duì)這一問題，筆者以某500 kV線路雙聯(lián)雙傘型絕緣子串為研究對(duì)象，借助有限元分析軟件ANSYS仿真分析雙聯(lián)型絕緣子串的電場(chǎng)分布特征[13-17]，研究在絕緣子串兩端和中部3個(gè)典型位置（靠近高壓側(cè)、絕緣子串中間部分、靠近接地側(cè)）存在零值絕緣子缺陷時(shí)，絕緣子周圍電場(chǎng)分布規(guī)律，以及機(jī)器人對(duì)其周圍絕緣子上電場(chǎng)分布的影響，進(jìn)而給出電場(chǎng)測(cè)量傳感器的最佳安裝位置，保障絕緣子檢測(cè)的靈敏度。

1 仿真模型介紹

以某500 kV線路使用的雙聯(lián)耐張型XWP-210雙傘瓷絕緣子串（2×30個(gè)，共計(jì)60個(gè)）為研究對(duì)象，用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析。檢測(cè)機(jī)器人在絕緣子串上的布置見圖1。假設(shè)機(jī)器人和絕緣子串在所加電壓下無放電產(chǎn)生，忽略空間電流和沿面泄漏電流，因此選用靜電場(chǎng)分析瓷絕緣子串周圍的電場(chǎng)分布。

圖1 機(jī)器人布置圖Fig.1 The robot detector

圖1所示的機(jī)器人具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，主要包括控制機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、抱緊機(jī)構(gòu)?？刂茩C(jī)構(gòu)主要由控制電路和通訊模塊等組成，封裝在具有電磁屏蔽功能的金屬盒子內(nèi)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括絕緣材質(zhì)的十字移動(dòng)架和滾動(dòng)滑輪以及金屬結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。抱緊機(jī)構(gòu)包括絕緣導(dǎo)向桿和彈簧結(jié)構(gòu)等。機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，完全建模分析難度較大，故對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為金屬長(zhǎng)方體（沿絕緣子串軸線方向長(zhǎng)度430 mm，厚度50 mm，寬350 mm）；移動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為中空金屬長(zhǎng)方體 （沿絕緣子串軸線方向長(zhǎng)度250 mm，厚度50 mm，寬130 mm），其中間挖去的長(zhǎng)方體沿絕緣子串軸線方向長(zhǎng)度210 mm，厚度50 mm，寬100mm；抱緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為沿絕緣子串軸線方向長(zhǎng)度480 mm，寬10 mm，厚10 mm的金屬方體桿（考慮最嚴(yán)重的情況，將抱緊機(jī)構(gòu)按金屬材料分析）。機(jī)器人的仿真模型見圖2，放置在雙串絕緣子其中一串的側(cè)面，并且在研究機(jī)器人對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布的影響時(shí)，依次放置在第4、14、28號(hào)絕緣子附近。

圖2 絕緣子串和機(jī)器人仿真模型Fig.2 The simulation model of the insulator strings and the robot

絕緣子模型按照表1所示的絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)建立。圖2中包含雙串XWP-210絕緣子共60片，以及高壓側(cè)的橢圓形金屬均壓環(huán)。

表1 絕緣子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 structurat paramenters of insulator mm

2 仿真結(jié)果分析

2.1 良好絕緣子串的電場(chǎng)分布

良好絕緣子串的電場(chǎng)分布云圖見圖3，高壓側(cè)和接地側(cè)傘裙表面電場(chǎng)較大，在絕緣子串中間部分絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度較小。

圖3 絕緣子串電場(chǎng)分布云圖Fig.3 The electric field distribution of the insulator strings without the robot

沿絕緣子傘裙外沿直線（與絕緣子串軸線平行）上的電場(chǎng)幅值分布曲線見圖4，電場(chǎng)幅值的曲線整體上先下降后上升，呈現(xiàn)“U”形分布；曲線上存在眾多的局部極值，與絕緣子的傘裙對(duì)應(yīng)。即，絕緣子傘裙會(huì)引起局部電場(chǎng)的變化，而且傘裙下沿附近的電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)極小值。仿真所得的電場(chǎng)分布特征與文獻(xiàn)[9]和[11]所述的分布特征相同，故仿真結(jié)果是可信的。

圖4 絕緣子串表面電場(chǎng)幅值分布曲線Fig.4 The electric field amplitude distribution on along the surface of the insulator strings

2.2 各電場(chǎng)分量識(shí)別零值絕緣子的靈敏度對(duì)比

電場(chǎng)矢量可分為X、Y、Z 3個(gè)方向上的分量。文獻(xiàn)[18]指出，不同的電場(chǎng)分量對(duì)零值絕緣子的檢測(cè)靈敏度不同。故首先研究不同方向的電場(chǎng)分量分布特征及其檢測(cè)零值絕緣子的效果。針對(duì)圖2中3個(gè)方向電場(chǎng)分量，筆者通過對(duì)比高壓側(cè)、中部、接地側(cè)等3個(gè)典型位置存在零值絕緣子時(shí)，各方向電場(chǎng)分量的變化量，來確定適用于低零值絕緣子檢測(cè)的電場(chǎng)分量。

以圖2所示機(jī)器人主體滑過絕緣子串表面時(shí)的軌跡（與絕緣子串傘裙邊沿相垂直、與絕緣子串軸線相平行的一條直線）為測(cè)量基線，提取該基線上的電場(chǎng)數(shù)據(jù)繪制電場(chǎng)分布曲線。此時(shí)，x方向平行于雙聯(lián)絕緣子串的平面，與絕緣子傘裙邊沿圓弧相切；y方向與絕緣子串軸線一致，y方向的電場(chǎng)被稱為軸向電場(chǎng)或者縱向電場(chǎng)；z方向與雙聯(lián)絕緣子串的平面垂直，對(duì)應(yīng)于所謂的徑向電場(chǎng)。

2.2.1 總電場(chǎng)幅值分布

總電場(chǎng)幅值（即，電場(chǎng)矢量的幅值，EFSUM）分布見圖5，圖中縱坐標(biāo)是測(cè)量基線上的電場(chǎng)幅值，橫坐標(biāo)是基線上對(duì)應(yīng)絕緣子序號(hào) （1號(hào)絕緣子是高壓側(cè)的第一片絕緣子）。當(dāng)3個(gè)典型位置分別存在零值絕緣子時(shí)，EFSUM均有顯著畸變。

圖5 有無零值絕緣子時(shí)總電場(chǎng)幅值對(duì)比Fig.5 The comparison of the electric field amplitude with and without faulty insulator

在圖5（a）中，零值絕緣子（3號(hào)絕緣子）傘裙附近的電場(chǎng)值大幅度降低，其前一個(gè)絕緣子（2號(hào)絕緣子）的鋼帽附近的電場(chǎng)也受到削弱，而其后一個(gè)絕緣子（4號(hào)絕緣子）附近的電場(chǎng)強(qiáng)度有所增大。圖5（b）中13號(hào)絕緣子為零值，使得13號(hào)絕緣子的傘裙和12號(hào)絕緣子鋼帽附近的電場(chǎng)下降，而14號(hào)絕緣子附近的電場(chǎng)增大。

2.2.2 軸向電場(chǎng)幅值分布

軸向電場(chǎng)分量（EF-Y）在3個(gè)典型位置有零值絕緣子時(shí)的分布曲線見圖6。零值絕緣子傘裙及其前一個(gè)絕緣子鋼帽附近的軸向電場(chǎng)下降，后一個(gè)絕緣子傘裙附近軸向電場(chǎng)有所增大。該規(guī)律與總電場(chǎng)的幅值變化規(guī)律基本一致。

圖6 有無零值缺陷時(shí)軸向電場(chǎng)分量對(duì)比Fig.6 The comparison of the axial direction electric field amplitude with and without faulty insulator

2.2.3 徑向電場(chǎng)幅值分布

如圖7所示，零值絕緣子傘裙附近的徑向電場(chǎng)分量（EF-Z）增大，而其前一個(gè)絕緣子鋼帽附近的徑向電場(chǎng)減小。當(dāng)零值絕緣子子處于串中間部位時(shí)，徑向電場(chǎng)的畸變比較明顯。

圖7 有無零值缺陷時(shí)徑向電場(chǎng)分量對(duì)比Fig.7 The comparison of the radial direction electric field amplitude with and without faulty insulator

2.2.4 切向電場(chǎng)分布

切向場(chǎng)強(qiáng)分量（EF-X）的分布見圖8。從圖中可以看出，在3個(gè)典型位置有無零值絕緣子時(shí)，切向電場(chǎng)幅值基本不變，且幅值很小。

2.2.5 各電場(chǎng)分量檢測(cè)靈敏度對(duì)比

綜上分析可得，軸向電場(chǎng)檢測(cè)低零值絕緣子的靈敏度最高，其次是總電場(chǎng)，再次是徑向電場(chǎng)。而切向電場(chǎng)不能檢測(cè)出零值絕緣子。當(dāng)零值絕緣子位于絕緣子串中部時(shí)，引起的電場(chǎng)變化最大，最容易被檢測(cè)出來；其次是位于高壓側(cè)的零值絕緣子；位于接地側(cè)的零值絕緣子引起的電場(chǎng)變化最小。

2.3 不同方位的檢測(cè)靈敏度對(duì)比

測(cè)量絕緣子串的電場(chǎng)分布曲線時(shí)，沿不同的測(cè)量基線獲得的曲線反映零值絕緣子的靈敏度也不同。本文以總電場(chǎng)為例，分析了機(jī)器人對(duì)如圖9所示的4種位置上的測(cè)量基線檢測(cè)靈敏度的影響，進(jìn)而確定電場(chǎng)傳感器相對(duì)于機(jī)器人的最佳方位。

圖8 有無零值缺陷時(shí)切向電場(chǎng)分量對(duì)比Fig.8 The comparison of the tangential direction electric field amplitude with and without faulty insulator

圖9 相對(duì)于機(jī)器人的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)方位示意Fig.9 The location of the detection point relative to the robot

仿真結(jié)果見圖10。當(dāng)高壓側(cè)第4號(hào)絕緣子變成零值絕緣子時(shí)，沿處于位置1的測(cè)量基線獲得的總電場(chǎng)幅值分布曲線見圖10（a），零值絕緣子使得總電場(chǎng)顯著下降。沿處于位置2、3、4的測(cè)量基線獲得的總電場(chǎng)幅值分布曲線分別見圖10（b）、10（c）和 10（d）。經(jīng)對(duì)比，位置4上測(cè)到的電場(chǎng)下降幅值最大，其次是位置1。位置2受到機(jī)器人的屏蔽作用的影響，零值絕緣子引起的電場(chǎng)變化較弱。位置3受到均壓環(huán)的屏蔽作用，第4號(hào)零值絕緣子引起的電場(chǎng)變化較弱。

圖10 沿不同方位檢測(cè)零值絕緣子的靈敏度對(duì)比Fig.10 The sensitivity comparison of faulty insulator detecting along the four positions

仿真結(jié)果還表明，零值絕緣子處于絕緣子串中間部位或接地側(cè)時(shí)，所造成的電場(chǎng)變化幅值具有相似規(guī)律。即，電場(chǎng)傳感器具有最佳靈敏度的位置依次是位置4、位置1、位置 3、位置2。

2.4 機(jī)器人對(duì)絕緣子串電場(chǎng)分布的影響

從圖9可以看出，機(jī)器人對(duì)位置2的電場(chǎng)會(huì)有顯著的影響。為了盡量準(zhǔn)確測(cè)量絕緣子串的電場(chǎng)數(shù)據(jù)，降低機(jī)器人的影響，筆者分析了機(jī)器人對(duì)絕緣子串的電場(chǎng)分布的影響，以此確定電場(chǎng)傳感器應(yīng)與機(jī)器人保持的軸向距離。

放置與不放置機(jī)器人時(shí)，沿位置2的測(cè)量基線上的電場(chǎng)分布特性見圖11。從圖11看出，機(jī)器人在高壓側(cè)（4號(hào)絕緣子）、串中位置（14號(hào)絕緣子）和接地側(cè)（28號(hào)絕緣子）時(shí)，5片絕緣子（機(jī)器人搭接的3片和其前后各1片）的電場(chǎng)受到不同程度影響。當(dāng)距離機(jī)器人超過1片絕緣子時(shí)，電場(chǎng)基本不受機(jī)器人的影響。因此，當(dāng)電場(chǎng)傳感器距離機(jī)器人1片絕緣子以上時(shí)（即，電場(chǎng)傳感器與機(jī)器人之間用絕緣桿支撐，絕緣桿的長(zhǎng)度大于1片絕緣子的結(jié)構(gòu)高度），所測(cè)到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)基本不受機(jī)器人的影響。

圖11 機(jī)器人對(duì)絕緣子串電場(chǎng)分布的影響Fig.11 The influence of the robot on the electric field distribution of the insulator string

2.5 不同檢測(cè)距離下的檢測(cè)靈敏度對(duì)比

絕緣子串周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度與方向還與離絕緣子串軸線的垂直距離相關(guān)。若電場(chǎng)傳感器距絕緣子串越遠(yuǎn)，則所獲取的電場(chǎng)分布曲線中包含的零值絕緣子的信息越弱。本文在位置4對(duì)應(yīng)的方位上，研究電場(chǎng)傳感器與絕緣子串軸線距離逐漸增大時(shí)，電場(chǎng)曲線的變化情況以及零值絕緣子造成的電場(chǎng)變化，進(jìn)而確定電場(chǎng)傳感器應(yīng)該與絕緣子串保持的距離。

仿真結(jié)果見圖12。距離傘裙邊緣越遠(yuǎn)，絕緣子傘裙造成的局部放電變化 （電場(chǎng)曲線的局部峰值特點(diǎn)）越不明顯，并逐漸消退形成光滑的“U”形曲線。同時(shí)，零值絕緣子處的電場(chǎng)曲線下凹程度逐漸減小，檢測(cè)靈敏度隨之下降。當(dāng)距離傘裙邊沿超過10 cm，電場(chǎng)分布曲線上基本觀察不到零值絕緣子產(chǎn)生的電場(chǎng)下降現(xiàn)象，即失去檢測(cè)零值絕緣子的能力。因此，傳感器應(yīng)盡可能靠近傘裙邊沿，兩者間的距離要控制在10 cm以內(nèi)。

圖12 不同檢測(cè)距離下的電場(chǎng)分布Fig.12 The electric field distribution at different distance

2.6 兩串絕緣子間電場(chǎng)的相互影響

雙聯(lián)型絕緣子串中，一串絕緣子的電場(chǎng)分布可能會(huì)受到另一串絕緣子中零值絕緣子的影響，進(jìn)而造成對(duì)該串絕緣子的誤判。因此筆者研究了一串絕緣子中出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)對(duì)另一串絕緣子傘裙表面電場(chǎng)分布的影響。標(biāo)記存在零值絕緣子的一串為A串，另一串良好絕緣子串為B串。以選取測(cè)量基線處于位置4。當(dāng)零值絕緣子分別出現(xiàn)在A串的高壓側(cè)、串中、接地側(cè)3個(gè)部位時(shí)，B串在位置4的電場(chǎng)分布見圖13。從圖中可以看出，3條曲線幾乎完全一樣，即說明A串上出現(xiàn)零值絕緣子并不會(huì)對(duì)B串的電場(chǎng)分布造成影響。

3 結(jié)論

針對(duì)機(jī)器人攜帶電場(chǎng)傳感器檢測(cè)超高壓輸電線路瓷質(zhì)絕緣子串中零值絕緣子的需求，通過仿真分析，研究了電場(chǎng)傳感器相對(duì)于機(jī)器人和雙聯(lián)串絕緣子的最佳位置，得出結(jié)論如下；

圖13 A串中有零值時(shí)B串絕緣子的電場(chǎng)分布Fig.13 The influence of one faulty insulator on the electric field distribution of the other string

1）檢測(cè)靈敏度較高的電場(chǎng)分量依次是軸向電場(chǎng)、總電場(chǎng)、徑向電場(chǎng)。切向電場(chǎng)分量不能用于識(shí)別零值絕緣子。

2）對(duì)于雙聯(lián)串絕緣子串，電場(chǎng)傳感器相對(duì)于機(jī)器人的最佳位置是機(jī)器人對(duì)面，并且與機(jī)器人軸向相距至少1片絕緣子。

3）電場(chǎng)傳感器距離絕緣子軸線越遠(yuǎn)，檢測(cè)靈敏度越小。為了保證一定的靈敏度，傳感器與絕緣子傘裙邊沿的距離要控制在10 cm以內(nèi)。

4）對(duì)于雙聯(lián)型絕緣子串，當(dāng)其中一串出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，不會(huì)影響另一串絕緣子的檢測(cè)。

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Analysis on the Influence Factor of Insulators Detection by Robots and Electric Field Method

ZHONG Liang1， LI Yong2， REN Zhigang2， DUAN Botao3， FU Mengchao1， GUO Rui4，JIA Juan1， TANG Zhen5， CHENG Yangchun3
（1.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China； 2.Stat Grid Shandong Province Electric Power Company， Jinan 250001， China； 3.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC （North China Electric Power University），Beijing 102206， China； 4.Electric Power Research Institute of Stat Grid Shandong Province Electric Power Company， Jinan 250021， China； 5.Beijing Huadian Tianneng Electric Power Technology Co.， Ltd.， Beijing 102206， China ）

Detecting insulator by robots can greatly reduce labor intensity and improve efficiency and quality.It is very suit for the long insulator strings on ultra high voltage and extra high voltage power transmission lines.The electric field distribution characteristics of two-string insulators on a 500 kV transmission line was simulated based on the finite element method.The influences of the electric field component，the location of Electric field sensor relative to the twin insulator string and the robot，and the distance between the electric field sensor and the insulator string on the detection sensitivity of faulty insulator as well as the influence of faulty insulator of one insulator string on the detection result of another insulator string were researched.The results show that，the axial electric field and the position against the robot and one insulator far from the robot can lead to the highest sensitivity.The sensor should be near the insulator sheds，and must be within 10 cm distance.For twostring insulators the faulty insulator in one string has no influence on the detection to another string.

transmission lines； porcelain insulators； detection； robot； electric field

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.028

2015-12-17

仲亮 （1986—），男，工程師，研究方向?yàn)殡娏C(jī)器人。