基于紅外熱像技術(shù)的變電站瓷質(zhì)劣化絕緣子識(shí)別

夏展鵬，王凌云，楊劍，邱立

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

瓷質(zhì)絕緣子串在變電站、發(fā)電廠、輸電線路中有著重要的應(yīng)用，不僅要求其具有良好的機(jī)械性能，還應(yīng)有著良好的電氣性能。由于瓷質(zhì)絕緣子串在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期承受冷熱變化、機(jī)電負(fù)荷、機(jī)械應(yīng)力、大氣污染等作用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)絕緣劣化、絕緣擊穿和閃絡(luò)放電等缺陷，為電網(wǎng)帶來(lái)重大的安全隱患[1-3]。

近年來(lái)，隨著紅外熱像技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及紅外圖像處理手段的提升，基于紅外熱像技術(shù)的劣化絕緣子檢測(cè)有了夯實(shí)的基礎(chǔ)條件[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同環(huán)境情況下絕緣子串電壓分布情況，對(duì)紅外熱像識(shí)別劣化絕緣子進(jìn)行了大量研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)濕度盡可能保持在80%左右，能提升零值絕緣子檢測(cè)準(zhǔn)確率[5-7]。針對(duì)工程實(shí)踐中劣化絕緣子的漏報(bào)問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]提出一種基于戴維南等效電路法的紅外檢測(cè)盲區(qū)計(jì)算方法，并得出電壓分布和溫度差范圍是影響盲區(qū)范圍大小的兩大核心因素。文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)對(duì)絕緣子發(fā)熱機(jī)理與紅外熱像技術(shù)的研究，以工程中低零值為依據(jù)，分別對(duì)零值絕緣子處于絕緣子串中不同位置的紅外圖譜進(jìn)行分析，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的絕緣子串中有嚴(yán)重污穢絕緣子和零值絕緣子時(shí)，其熱像圖譜與正常圖譜有明顯差異，當(dāng)絕緣子串中的零值絕緣子位于高壓端時(shí)，紅外測(cè)溫圖譜表征為相鄰正常絕緣子示與零值絕緣子間溫差明顯。但以上文獻(xiàn)均未討論變電站內(nèi)劣化絕緣子的分布情況及相關(guān)結(jié)論。

本文分析瓷質(zhì)絕緣子的發(fā)熱機(jī)理，對(duì)運(yùn)行絕緣子串中零值絕緣子和污穢絕緣子進(jìn)行有效識(shí)別，論證紅外測(cè)溫技術(shù)的有效性和實(shí)用性，并得出相關(guān)結(jié)論，對(duì)實(shí)際工程中開(kāi)展紅外檢測(cè)識(shí)別劣化絕緣子具有指導(dǎo)意義。

1 絕緣子串電壓分布的計(jì)算

1.1 絕緣子串等效電路模型

絕緣子的鋼帽、鋼腳、瓷盤(pán)等金具部分，帶電的輸電線路和接地的桿塔三者間存在雜散電容，導(dǎo)致絕緣子串中單片絕緣子的電壓分布不均勻，本文假設(shè)所有單片絕緣子的絕緣特性一致，絕緣子串的等效電路如圖1所示[12-13]。

在圖1中：Cgn為第n只絕緣子與接地構(gòu)架間的對(duì)地電容，其值約為2～5 pF；Cln為第n只絕緣子與高壓導(dǎo)線端電容，其值約為0.5～1.0 pF；C0n為第n只絕緣子的單只絕緣子電容；R0n為第n只絕緣子的絕緣電阻，其中絕緣電阻R0包含貫穿性電流的體積電阻Rv和表面電阻Rs。在表面干燥且絕緣性能良好的情況下，絕緣子的表面電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部電流貫穿性體積電阻Rv，且等效電路中表面電阻Rs與體積電阻Rv為并聯(lián)關(guān)系，故絕緣電阻R0就等效為內(nèi)部電流貫穿性體積電阻Rv。

絕緣子串中的電壓分布發(fā)生畸變，靠近高壓電極側(cè)的絕緣子承擔(dān)的電壓降比較大，靠近接地構(gòu)架側(cè)的絕緣子承擔(dān)的電壓較小，因此整串絕緣子的電壓分布情況呈不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形。

圖1 絕緣子串的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of insulator string

1.2 絕緣子串的電網(wǎng)絡(luò)方程

電網(wǎng)絡(luò)法是依據(jù)絕緣子串的等效電路，采用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣和交流電路進(jìn)行計(jì)算，并得出各絕緣子的電壓分布。本文根據(jù)絕緣子串等效電路，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法建立電網(wǎng)絡(luò)方程[14]，在MATLAB中對(duì)各絕緣子分布電壓進(jìn)行計(jì)算，該方法能快速、有效地改變絕緣子的運(yùn)行參數(shù)和所加的電壓，模擬不同電壓等級(jí)和絕緣子不同運(yùn)行參數(shù)，并得到電壓分布情況。

由圖1可知，等效電路的節(jié)點(diǎn)電壓矩陣

U=[U1U2…Un]T.

(1)

節(jié)點(diǎn)電流矩陣

I=[(G01+Gl1)UgGl2U2…Gl(n-1)U(n-1)]T.

(2)

節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣

(3)

式(1)—(3)中：Gli為絕緣子串中第i片絕緣子對(duì)高壓導(dǎo)線側(cè)的導(dǎo)納；Gci為絕緣子串中第i片絕緣子的高壓側(cè)導(dǎo)納和接地導(dǎo)納的和；G0i為絕緣子串中第i片絕緣子的自身導(dǎo)納；Ug為單相絕緣子串的運(yùn)行電壓；Un為第n片絕緣子的電壓。

絕緣子串中相鄰絕緣子間的電壓差(Udn為第n-1片與第n片絕緣子間的電壓差)分布為

(4)

綜上，依據(jù)電網(wǎng)絡(luò)方程，進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

在工程應(yīng)用中，變電站220 kV電壓等級(jí)的瓷質(zhì)絕緣子串通常采用13～18片，110 kV電壓等級(jí)采用7～10片。本次仿真實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)220 kV電壓等級(jí)的取14片、110 kV電壓等級(jí)的取8片，設(shè)導(dǎo)線端第1片絕緣子序號(hào)為1，并依次編號(hào)。按照絕緣子串的電網(wǎng)絡(luò)方程進(jìn)行仿真，考慮仿真的可操作性，假設(shè)該絕緣子串中所有單片絕緣子為同一批次，所有參數(shù)均一致，絕緣子串電壓分布及相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1[15]。

為驗(yàn)證該算法的可行性，利用國(guó)內(nèi)某電力科學(xué)研究院帶電檢測(cè)試驗(yàn)中的電壓分布數(shù)據(jù)[16]，見(jiàn)表2。

表1 絕緣子串的電壓分布仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of voltage distribution of insulator string

表2 絕緣子串電壓的分布Tab.2 Voltage distribution of insulator string

通過(guò)電網(wǎng)絡(luò)方程模型，仿真計(jì)算得出電壓分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 110 kV絕緣子串仿真與高壓測(cè)試電壓分布對(duì)比Fig.2 Comparison of voltage distribution between 110 kV insulator string simulation and high voltage test

圖 2為110 kV絕緣子串的電壓分布圖，高壓試驗(yàn)與仿真的電壓分布的平均誤差為3.38%；圖3為220 kV絕緣子串的電壓分布圖，高壓試驗(yàn)與仿真的電壓分布的平均誤差為5.01%。由圖2、圖3可以看出：絕緣子串的電壓分布均呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形，與高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的電壓分布情況表征一致，驗(yàn)證了絕緣子串等效電路模型和絕緣子串電壓分布計(jì)算方法的一致性與可行性。

圖3 220 kV絕緣子串仿真與高壓測(cè)試電壓分布對(duì)比Fig.3 Comparison of voltage distribution between 220 kV insulator string simulation and high voltage test

2 絕緣子串的電-熱轉(zhuǎn)換模型

瓷質(zhì)絕緣子串單片絕緣子等效電路如圖4所示，正常情況下體積電阻Rv和表面電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極化電阻Rj[16]。

圖4 單片絕緣子等效電路Fig.4 Equivalent circuit of monolithic insulator

絕緣子的極化電阻Rj和等效電阻Req分別為：

Rj=1/(ωC0tanδ).

(5)

Req=1/(1/Rj+1/Rs+1/Rv).

(6)

式中：ω為電流頻率；C0為單片絕緣子電容值；瓷質(zhì)絕緣子介質(zhì)損耗角δ的正切值約為0.015～0.025。

由等效電路可知絕緣子的發(fā)熱功率

(7)

其中

(8)

式中：Uk為單片絕緣子電壓；Xd為等效容抗。

由絕緣子的發(fā)熱模型可得該絕緣子的溫差

本工作利用Y對(duì)X的條件分布的非參數(shù)貝葉斯估計(jì)來(lái)構(gòu)造回歸函數(shù)的非參數(shù)貝葉斯估計(jì),在此過(guò)程中,用分布估計(jì)的核估計(jì)替代Ferguson估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù),用較高階的局部多項(xiàng)式回歸替代原構(gòu)造中的Nadaraya-Watson回歸估計(jì),獲得了較為理想的估計(jì)效果,同時(shí)還給出了估計(jì)的均方誤差及其均方收斂性.實(shí)證結(jié)果表明,對(duì)于非參數(shù)貝葉斯估計(jì),當(dāng)先驗(yàn)分布選擇較合適時(shí),在數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測(cè)方面均表現(xiàn)出了較好的效果.

(9)

式中：Hj為絕緣子瓷面溫度；Hh為環(huán)境溫度；S為絕緣子表面積；h為絕緣子盤(pán)面散熱系數(shù)(包括對(duì)流散熱和輻射散熱)，在實(shí)際工程中，散熱系數(shù)是一個(gè)非常復(fù)雜的變量，受環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度、日照等影響[17]。

由于絕緣子的鋼帽為金屬，鋼帽的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于瓷面的，所以鋼帽的溫差反映了絕緣子的發(fā)熱情況，同理鋼帽的溫差即反映絕緣子的運(yùn)行情況。

2.1 正常絕緣子的發(fā)熱分析

在絕緣子串絕緣性能良好、交流電壓作用時(shí)，絕緣子電介質(zhì)極化效應(yīng)引起介質(zhì)損耗發(fā)熱[18-19]，其發(fā)熱功率Pk和絕緣子與環(huán)境的溫差ΔHj分別為：

(10)

(11)

由式(11)可知，相鄰絕緣子的溫差與電壓的平方成正比，正常運(yùn)行的絕緣子串的溫度分布呈不規(guī)則馬鞍形分布，相鄰絕緣子的溫差很小。

2.2 污穢絕緣子的發(fā)熱分析

在相對(duì)濕度較大情況下，受潮后污穢絕緣子體積電阻Rv和極化電阻Rj基本不受影響，而表面電阻Rs逐漸變小。均勻濕污的表面電阻為

(12)

式中：L為絕緣子的爬電距離；l為外絕緣表面爬電距離；rl為爬電距離微分搭配絕緣子中軸的距離；rs絕緣子表面的電導(dǎo)率；ρws為污穢系數(shù)；絕緣子的形態(tài)系數(shù)

(13)

絕緣子型號(hào)一旦確定，形態(tài)系數(shù)f是常數(shù)，Rs與絕緣子表面電導(dǎo)率成反比。大量研究表明，相對(duì)濕度增大時(shí)，絕緣子表面電導(dǎo)率急劇增大，表面電阻急速下降至臨界值[14-15]。

絕緣子的主要發(fā)熱是由介質(zhì)損耗發(fā)熱轉(zhuǎn)為表面爬電泄漏電流發(fā)熱，發(fā)熱點(diǎn)位于瓷盤(pán)表面的污穢處，其熱像圖譜的特征為瓷盤(pán)表面發(fā)亮。

2.3 絕緣子發(fā)生絕緣擊穿后的發(fā)熱分析

當(dāng)絕緣子性能劣化、絕緣電阻降低時(shí)，泄漏電流主要從絕緣子內(nèi)部流過(guò)，其發(fā)熱功率和絕緣子的溫升分別為：

Pk=UkIg.

(14)

(15)

式中Ig為貫穿性絕緣子泄漏電流。

當(dāng)絕緣子的等效容抗Xd與等效電阻Req相等時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率為最大。當(dāng)絕緣子絕緣電阻逐漸減小到等效容抗值時(shí)，發(fā)熱功率逐漸增加；當(dāng)絕緣電阻繼續(xù)減小時(shí)發(fā)熱功率逐漸較?。划?dāng)絕緣電阻進(jìn)一步減小到幾乎為零時(shí)，即劣化為零值絕緣子時(shí)，發(fā)熱功率幾乎為零?？梢钥闯?，當(dāng)絕緣阻值降至某個(gè)區(qū)段時(shí)，其發(fā)熱功率與正常絕緣子類(lèi)似，此時(shí)為紅外檢測(cè)盲區(qū)。

2.4 電熱轉(zhuǎn)化模型的相關(guān)結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述3個(gè)發(fā)熱過(guò)程的分析可知：

a)絕緣子串絕緣性能良好時(shí)，相鄰絕緣子的溫差與電壓的平方成正比，所以正常運(yùn)行的絕緣子串的溫度分布呈不規(guī)則馬鞍形分布，相鄰絕緣子的溫差很??；

b)污穢絕緣子的發(fā)熱功率以絕緣子表面爬電泄漏電流發(fā)熱為主，絕緣子的發(fā)熱集中于瓷盤(pán)表面，其熱象圖的特征為瓷盤(pán)表面發(fā)亮；

c)當(dāng)絕緣子的等效電阻Req與等效容抗Xd相等時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率最大，此時(shí)溫差最大，最易被紅外測(cè)溫所識(shí)別；

d)當(dāng)絕緣子被擊穿后，發(fā)熱功率幾乎為零，表征為鋼帽溫度與環(huán)境溫度一致，可被判別為零值絕緣子。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試案例驗(yàn)證分析

2018年8月對(duì)西南地區(qū)某220 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的110 kV、220 kV的絕緣子串進(jìn)行紅外檢測(cè)，測(cè)濕了時(shí)間為20：00至23：00(全站閉燈)，該變電站現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 220 kV變電站紅外測(cè)溫參數(shù)Tab.3 Infrared temperature measurement parameters of 220 kV substation

根據(jù)DL/T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》的規(guī)定[20]：對(duì)于瓷質(zhì)類(lèi)絕緣子，當(dāng)絕緣子鋼帽的溫度比相鄰絕緣子鋼帽溫度高1 ℃時(shí)判定為低值絕緣子，低1 ℃時(shí)判定為零值絕緣子；當(dāng)絕緣子瓷盤(pán)的溫度比相鄰絕緣子瓷盤(pán)溫度高0.5 ℃時(shí)判定為污穢絕緣子。利用紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)絕緣子串缺陷27個(gè)，劣化絕緣子全為220 kV絕緣子串，詳細(xì)情況分類(lèi)見(jiàn)表4。

表4 220 kV變電站實(shí)測(cè)絕緣子串缺陷匯總Tab.4 Summary of insulator string defects in 220 kV substation 片

由于耐張串長(zhǎng)期受橫向拉力，所以單串耐張絕緣子串容易劣化成低值絕緣子，2臺(tái)主變壓器的12串單串耐張絕緣子串的高壓端第1片絕緣子全為低值絕緣子。如圖5所示，某主變壓器220 kV側(cè)B相絕緣子串靠導(dǎo)線側(cè)第1片絕緣子鋼帽溫度為21.3 ℃，第2片絕緣子鋼帽溫度為19.7 ℃，溫差為1.6 ℃，溫差超過(guò)1 ℃，靠導(dǎo)線側(cè)第一片絕緣子疑似低值絕緣子。

當(dāng)耐張串為雙串絕緣子時(shí)，每單串絕緣子承受的拉力降低，所以不易劣化為低值絕緣子。如圖6所示，某出線間隔B相耐張串靠導(dǎo)線側(cè)第1片瓷面最高溫度為20.1 ℃，第2片絕緣子瓷面最高溫度為19.5 ℃，瓷面溫差近0.6 ℃，溫差超過(guò)0.5 ℃，第1片絕緣子疑似污穢絕緣子。

圖5 單串耐張絕緣子串為低值絕緣子情況分析Fig.5 Analysis on the situation of single strain insulator string being low-value insulator

圖6 雙串耐張絕緣子串為污穢絕緣子情況分析Fig.6 Analysis on the situation of double strain insulator strings being polluted insulators

直線串主要承受垂直方向的拉力，因?qū)Ь€長(zhǎng)度較短，單串絕緣子承受的拉力較小，基本處于水平方向的瓷面易積污，在一定濕度條件下會(huì)發(fā)生閃絡(luò)放電導(dǎo)致絕緣劣化，在紅外檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)污穢絕緣子，瓷盤(pán)溫度較高。如圖7所示，某出線間隔線路側(cè)A相直線串，靠導(dǎo)線側(cè)第1片絕緣子瓷面最高溫度為25.5 ℃，第2片瓷面最高溫度為24.8 ℃，導(dǎo)線側(cè)第1片高出第2片絕緣子近0.7 ℃，溫差超過(guò)0.5 ℃，第1片絕緣子疑似污穢絕緣子。

圖7 單串絕緣子直線串為污穢絕緣子情況分析Fig.7 Analysis of single insulator string as contaminated insulator

2018年12月底全站輪停檢修期間，對(duì)紅外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的27片劣化絕緣子進(jìn)行高壓試驗(yàn)，其中13片低值絕緣子的絕緣電阻均在80 MΩ與250 MΩ之間，確診為低值絕緣子。對(duì)14片污穢絕緣子加壓至45 kV時(shí)，均呈現(xiàn)不同程度的閃絡(luò)現(xiàn)象，論證了紅外熱像技術(shù)對(duì)劣化絕緣子檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

由于主變壓器220 kV側(cè)導(dǎo)線的電流較大，采用單串耐張絕緣子串致使該站2臺(tái)主變壓器的12串單串耐張絕緣子串高壓端第1片絕緣子全為低值絕緣子，故將該站主變壓器220 kV側(cè)絕緣子串全部更換為雙串耐張絕緣子串。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了電壓分布模型和電熱轉(zhuǎn)化模型，通過(guò)仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和高壓試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a)仿真計(jì)算、高壓試驗(yàn)和紅外熱像實(shí)測(cè)表明，正常絕緣子串的電壓分布和溫度分布均呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)的馬鞍形，且具有正相關(guān)性。

b)鋼帽溫度偏高的瓷質(zhì)低值絕緣子紅外熱像圖譜呈亮色調(diào)；鋼帽溫度偏低的零值絕緣子紅外熱像圖譜呈暗色調(diào)；磁盤(pán)溫度較高的污穢絕緣子瓷面紅外熱像圖譜為亮色調(diào)。

c)水平的瓷質(zhì)耐張絕緣子串長(zhǎng)期承受很強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力，易致高壓側(cè)第1片絕緣子易劣化為低值絕緣子；垂直的瓷質(zhì)絕緣子直線串瓷面為水平方向，容易積污、劣化為污穢絕緣子。

d)主變壓器220 kV側(cè)采用單串耐張絕緣子串極易劣化，建議全部更換為雙串耐張絕緣子串。

e)對(duì)劣化絕緣子串應(yīng)定期開(kāi)展帶電檢測(cè)，監(jiān)測(cè)缺陷發(fā)展情況；若單串絕緣子串劣化的絕緣子數(shù)超過(guò)1/3，應(yīng)檢修更換。

f)針對(duì)強(qiáng)污染地區(qū)的變電站，應(yīng)定期開(kāi)展帶電水沖洗和紅外檢測(cè)工作；在下雨初期和陰雨階段應(yīng)觀察、跟蹤閃絡(luò)情況，如發(fā)現(xiàn)絕緣子串發(fā)生大面積閃絡(luò)應(yīng)采取事故處理、隔離故障。