基于紅外檢測(cè)的劣化瓷絕緣串診斷方法

周學(xué)明，黃江林，胡丹暉，畢如玉，王萬昆，張耀東

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.國(guó)網(wǎng)咸寧供電公司，湖北 咸寧437100；3.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050）

0 引言

瓷絕緣子因其機(jī)械性能和電氣性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，獲得廣大輸電線路運(yùn)維人員認(rèn)可，在輸電線路上獲得了廣泛應(yīng)用。但在應(yīng)用過程中，瓷絕緣子串中因存在低零值劣化絕緣子，使得發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，工頻故障電流從劣化絕緣子鋼帽內(nèi)部通過，瞬間引起絕緣子鋼帽內(nèi)部水泥發(fā)熱膨脹，致使劣化絕緣子鋼帽炸裂，造成掉串事件時(shí)有發(fā)生［1-11］。某電網(wǎng)所運(yùn)維輸電線路自2016 年以來每年至少發(fā)生一次瓷絕緣子掉串事件。根據(jù)《DL/T 741-2010 架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》要求，針對(duì)220 kV 及以下輸電線路每10 年應(yīng)進(jìn)行一次絕緣子電阻測(cè)試，以便排查低零值絕緣子［12］。根據(jù)《DL/T 626-2015 劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程》［13］，目前相對(duì)成熟的瓷絕緣檢測(cè)技術(shù)有絕緣電阻測(cè)試法、火花叉法、工頻耐壓測(cè)試法，其中火花叉法應(yīng)用最為廣泛，是在正常運(yùn)行條件下，人工登塔逐片檢測(cè)絕緣子。隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，運(yùn)維線路的逐年增加，瓷絕緣子片數(shù)以萬計(jì)，難以按規(guī)程周期要求逐片開展瓷絕緣子檢測(cè)工作，這是近年來瓷絕緣子串掉串事件頻繁發(fā)生的重要因素。另外，DL/T 626-2015 還要求，瓷絕緣子投運(yùn)2年內(nèi)年均劣化率不得大于0.04%，2年后檢測(cè)周期內(nèi)年均裂化率不得大于0.02%，即運(yùn)行中的瓷絕緣子實(shí)際劣化率是很低的，因此研究高效定位劣化絕緣子，避免盲目逐片檢測(cè)絕緣子的檢測(cè)技術(shù)具有重要意義［14-17］。絕緣子發(fā)生絕緣劣化后，會(huì)造成絕緣子串的分布電壓改變［18-21］、泄漏電流異常，出現(xiàn)發(fā)熱或局部發(fā)涼現(xiàn)象［22-25］，本文基于紅外熱像儀采集每片絕緣子鋼帽溫度，對(duì)比正常絕緣子串和劣化絕緣子串的溫度分布曲線特征，提出劣化絕緣子串判據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效定位劣化絕緣子串，為精細(xì)化逐片診斷劣化絕緣子極大地縮小范圍。

1 紅外檢測(cè)基本原理

1.1 瓷絕緣子劣化機(jī)理

瓷絕緣子劣化受多方面因素的影響，既與制造廠家選用的材料、配方、工藝流程有關(guān)，也與運(yùn)行環(huán)境（如溫濕度變化、污穢情況）、運(yùn)行中承受的電壓，以及外力的作用有關(guān)［26］。尤其是國(guó)產(chǎn)絕緣子，在制造過程中，由于工藝和配方的問題，或者原料混合不均、燒制火力不均等原因，容易在陶瓷內(nèi)部形成微裂紋、吸濕性氣孔，并造成內(nèi)部應(yīng)力不均衡，存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是鋼帽碗口處的局部應(yīng)力集中和疲勞效應(yīng)難以避免，遇到外部環(huán)境變化時(shí)，各部分漲縮不均勻、造成微裂紋加大、局部老化等現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生劣化。劣化的瓷絕緣子在電氣性能方面體現(xiàn)為絕緣電阻低零值。

1.2 絕緣子發(fā)熱原理

絕緣子等效電路可以用3個(gè)并聯(lián)的等效電阻來表示，如圖1所示［27］。C0為極間電容，其值約為50 pF；Rj為介質(zhì)損耗發(fā)熱等效電阻；Rw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)，正常情況下可認(rèn)為趨于無窮大；Rl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)于正常絕緣子其值可為無窮大。絕緣子等效電導(dǎo)如式（1）所示。

圖1 絕緣子等效電路Fig.1 Equivalent circuit diagram

絕緣子的分布電壓直接導(dǎo)致絕緣子的發(fā)熱。絕緣子的發(fā)熱由3 部分組成，一部分為電介質(zhì)在工頻電壓作用下極化效應(yīng)發(fā)熱，即電介質(zhì)損耗發(fā)熱；一部分為內(nèi)部穿透性泄漏電流發(fā)熱，即絕緣子劣化通道等效電阻發(fā)熱；另一部分為表面爬電泄漏電流發(fā)熱。

同時(shí)考慮以上3 種發(fā)熱，絕緣子的總發(fā)熱功率P可以用式（2）表達(dá)：

式（2）中：Rj= 1/ωC0tan δ，對(duì)于瓷絕緣子，介質(zhì)損耗角正切值tan δ約為0.02，則工頻條件下Rj約為3 185 MΩ，Uk為絕緣子兩端電壓。

絕緣子性能良好時(shí)，Rl無窮大，絕緣子鋼帽發(fā)熱功率近似為P=ωC0tan δ；絕緣子劣化時(shí)，Rl減小，絕緣子鋼帽發(fā)熱由劣化通道等效電阻和介質(zhì)損耗決定，其發(fā)熱功率為

當(dāng)絕緣子劣化，Rl變小，表現(xiàn)為一定低值時(shí)，絕緣子鋼帽發(fā)熱功率增加，溫度明顯升高；當(dāng)絕緣子嚴(yán)重劣化，Rl進(jìn)一步減小，表現(xiàn)為零值時(shí)，分布電壓Uk明顯減小，絕緣子鋼帽發(fā)熱功率小于正常值，溫度明顯下降。

1.3 劣化絕緣子紅外檢測(cè)原理

絕緣子發(fā)生絕緣劣化后，會(huì)造成絕緣子串的分布電壓改變、泄漏電流異常，出現(xiàn)發(fā)熱或局部發(fā)涼現(xiàn)象，這是紅外成像法檢測(cè)低零值絕緣子的基本原理。利用紅外檢測(cè)技術(shù)，對(duì)絕緣子進(jìn)行紅外熱像處理，可以得到絕緣子串的熱場(chǎng)分布，通過與其他正常絕緣子溫度的比對(duì)來甄別低零值絕緣子［28-30］。

在瓷絕緣子紅外熱像檢測(cè)方面，20世紀(jì)80年代初開始已有不少對(duì)絕緣子劣化和污穢方面的紅外熱像實(shí)驗(yàn)研究論文，有些成果已被收入到電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在《DL/T 664-2008 帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則》中規(guī)定：運(yùn)行中的零值絕緣子溫度較正常絕緣子低1 K。但是實(shí)際情況是，受檢測(cè)距離、連接金具熱傳導(dǎo)、劣化絕緣子在串中所處位置、風(fēng)速風(fēng)向等多方面因素的影響，在不同區(qū)域和不同檢測(cè)環(huán)境下，以1 K溫差為標(biāo)準(zhǔn)的檢出效果也存在較大的變化，普適性不強(qiáng)。為此，湖南大學(xué)姚建剛團(tuán)隊(duì)從2002 年起開始瓷絕緣子零值紅外檢測(cè)技術(shù)研究，能夠精確自動(dòng)提取絕緣子串各片絕緣子鋼帽溫度，并提出了劣化瓷絕緣子判據(jù)，但受檢測(cè)條件影響，漏判誤判情況依然存在［9］。本文通過研究劣化絕緣子串的溫度分布曲線特征，提出劣化絕緣子串判據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確定位劣化絕緣子串，為精細(xì)化逐片診斷劣化絕緣子縮小范圍。

2 劣化絕緣子串診斷方法

正常條件下，瓷絕緣子串電壓分布和絕緣電阻基本相同，故其溫度分布基本一致。受風(fēng)速風(fēng)向等環(huán)境因素影響，背風(fēng)面或風(fēng)速小的瓷絕緣子串溫度往往總體偏低，但溫度分布曲線形態(tài)基本一致。當(dāng)絕緣子串出現(xiàn)一片或多片劣化絕緣后，會(huì)造成絕緣子串的分布電壓改變、泄漏電流異常，出現(xiàn)發(fā)熱或局部發(fā)涼現(xiàn)象，即絕緣子串溫度分布曲線形態(tài)發(fā)生改變。那么劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度對(duì)比正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫度的差值離散性較大。

圖2 正常串和劣化串絕緣子溫度分布曲線Fig.2 Temperature distribution curves of normal string and deteriorated string insulators

數(shù)學(xué)上，方差是各個(gè)數(shù)據(jù)與平均數(shù)之差的平方的平均數(shù)，通常用字母D表示，用于衡量一組數(shù)據(jù)的離散程度。方差的算術(shù)平方根稱為該隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差，通常用字母S表示，標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明這組數(shù)據(jù)離散程度越大；反之，離散程度越小。本文引入標(biāo)準(zhǔn)差概念，用以衡量劣化絕緣子溫度分布相對(duì)正常絕緣子串溫度分布的差異性。

根據(jù)檢測(cè)獲取的絕緣子串溫度信息，按編號(hào)提取各絕緣子串的鐵帽溫度Tik（i 代表絕緣子串的編號(hào)；k=1，2，…，N，代表絕緣子在串中的位置編號(hào)，導(dǎo)線端絕緣子位置編號(hào)為1，接地端絕緣子位置編號(hào)為N）。

式（3）中，T0k為正常絕緣子串第k 片絕緣子鋼帽溫度，Tik為絕緣子串編號(hào)為i的第k片絕緣子鋼帽溫度，ΔTik0k為絕緣子串編號(hào)為i 的第k 片絕緣子鋼帽溫度和正常絕緣子串第k片絕緣子鋼帽溫度的差值。

3 劣化絕緣子串判據(jù)閥值

評(píng)價(jià)絕緣子串是否存在劣化絕緣子即可根據(jù)劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對(duì)于正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫度差值的S(ΔT)而定。本文基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的瓷絕緣子紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和絕緣電阻測(cè)量數(shù)據(jù)，研究劣化瓷絕緣子串判據(jù)閥值。

某220 kV 線路53 號(hào)桿塔B 相絕緣子發(fā)生掉串事故，運(yùn)維單位當(dāng)天針對(duì)該塔B 相雙串絕緣子進(jìn)行了更換處理，并在后續(xù)工作中進(jìn)一步完成了另外兩相絕緣子的全部更換。

3.1 紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)

2019 年5 月15 日晚，天氣晴，溫度20.2 ℃，濕度66.5%，針對(duì)某220 kV 線53 號(hào)桿塔絕緣子串進(jìn)行紅外測(cè)溫，獲得測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

B相大號(hào)側(cè)左串和右串為新更換的正常瓷絕緣子串，以B 相大號(hào)側(cè)左串溫度分布為參考相，根據(jù)公式（2）計(jì)算得到其它相絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對(duì)于正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫度的差值的S(ΔT)如表2所示。

3.2 絕緣電阻測(cè)量數(shù)據(jù)

2019 年5 月16 日白天，天氣晴，溫度27 ℃，濕度85%，將某220 kV 線53 號(hào)桿塔絕緣子串進(jìn)行全部更換，并進(jìn)行逐片進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，然后根據(jù)DL/T 626-2015要求（運(yùn)行中500 kV以下絕緣子的絕緣電阻值低于300 MΩ 時(shí)判定為低值絕緣子，絕緣電阻值低于10 MΩ 時(shí)判定為零值絕緣子），判斷各絕緣串是否存在劣化絕緣子，評(píng)判結(jié)果如表3所示。

3.3 判據(jù)閥值確定

根據(jù)表3 中絕緣電阻檢測(cè)診斷結(jié)果可知，除新更換的B 相大號(hào)側(cè)兩串絕緣子為完好絕緣子串外，其它絕緣子串均存在不同程度的劣化。分析相對(duì)參考絕緣子串溫差的標(biāo)準(zhǔn)差可知，正常絕緣子串的溫差標(biāo)準(zhǔn)差為0.089，劣化絕緣子串的溫差標(biāo)準(zhǔn)差為0.232-1.504。

當(dāng)取劣化絕緣子串判據(jù)閥值為0.15 時(shí)，即當(dāng)S(ΔT)≥0.15時(shí)，判 定 該 串 絕 緣 子 存 在 劣 化；當(dāng)S(ΔT)＜0.15時(shí)，判定該串絕緣子正常。根據(jù)表3 可知，該判據(jù)的可靠性為0.15/0.089=1.68；靈敏度大于1.5。從判據(jù)的可靠性和靈敏度來看，認(rèn)為0.15的閥值具有一定科學(xué)性。

表1 53號(hào)桿塔瓷絕緣子紅外檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)Table 1 Infrared temperature data of porcelain insulator on NO.53 tower

表2 相對(duì)參考絕緣子串溫差的標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Standard deviation of temperature difference relative to reference insulator string

表3 絕緣電阻檢測(cè)診斷結(jié)果Table 3 Insulation resistance detection and diagnosis results

表4 劣化絕緣子串判據(jù)閥值靈敏度Table 4 Deteriorated insulator string criterion threshold sensitivity

3.4 案例驗(yàn)證

根據(jù)以上方式方法對(duì)3 km 外的41 號(hào)桿塔瓷絕緣子串進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)采集和絕緣電阻檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的劣化瓷絕緣子串診斷方法和判據(jù)閥值的合理性。

同樣以53 號(hào)桿塔B 相大號(hào)側(cè)左串溫度分布為參考相，根據(jù)公式（2）計(jì)算得到41 號(hào)桿塔各相絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對(duì)于正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫度的差值的S(ΔT)。同時(shí)，基于逐片絕緣子電阻檢測(cè)可知，41號(hào)桿塔中的12串瓷絕緣子串均存在不同程度的劣化絕緣子，對(duì)應(yīng)的S(ΔT)值亦均大于0.15，最小靈敏度大于1.33，即本文提出的劣化絕緣串診斷方法和判據(jù)具有很好的普適性。

表5 41號(hào)桿塔劣化絕緣子串診斷結(jié)果Table 5 The NO.41 tower's diagnosis result of deteriorated insulator string

4 結(jié)語

正常瓷絕緣子串運(yùn)行條件相同，各片絕緣子鋼帽溫度分布曲線基本一致，對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽之間的溫差大小基本相同，即溫差標(biāo)準(zhǔn)差的值較小。

當(dāng)瓷絕緣子串中存在劣化絕緣時(shí)，絕緣子串溫度分布會(huì)發(fā)生整體性變化，劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對(duì)于正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫度差值的離散性較大，即溫差標(biāo)準(zhǔn)差的值較大。

文章將絕緣子串各絕緣子鋼帽相對(duì)于正常絕緣子串對(duì)應(yīng)位置絕緣子鋼帽溫差標(biāo)準(zhǔn)差的大小作為絕緣串是否劣化的判據(jù)，并基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)提出劣化絕緣子串判定閥值為0.15，并通過案例驗(yàn)證判定閥值具有較好的可靠性和靈敏度。同時(shí)驗(yàn)證了本文所提出通過目標(biāo)絕緣子串相對(duì)正常絕緣子串溫差的標(biāo)準(zhǔn)差大于0.15來判斷絕緣子串存在劣化的方法是有效的。

文章正常絕緣子串是已知的，實(shí)際工程中如何準(zhǔn)確判定正常絕緣子串，準(zhǔn)確選擇參考絕緣子串是需要進(jìn)一步研究的課題。另外，將進(jìn)一步基于大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文提出的劣化絕緣子串判定閥值的合理性，研究影響其可靠性和靈敏度的因素，以便做進(jìn)一步優(yōu)化。

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