環(huán)境因素對電力送電線路絕緣子性能的影響分析與預(yù)測

尹德強(qiáng)

（國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

在電力系統(tǒng)中，絕緣子被廣泛使用，但極端環(huán)境和材料老化等因素會(huì)使其絕緣性能受到影響，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣子劣化。因此，精確檢測和評估絕緣子的性能已成為目前電力系統(tǒng)面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。紅外熱像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的帶電設(shè)備檢測，其具有操作簡單、無須接觸等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高檢測效率和準(zhǔn)確性。目前，紅外檢測技術(shù)可以提供有限的數(shù)據(jù)和評估標(biāo)準(zhǔn)，用于診斷絕緣子的劣化情況，但是，由于容易受環(huán)境條件和絕緣子工況的影響，該方法的工作量極大，而且錯(cuò)誤率也極高，嚴(yán)重影響其應(yīng)用效果。因此，該文對絕緣子在各種環(huán)境條件下的發(fā)熱和劣化特性進(jìn)行深入分析，建立了一套全面而有效的劣化絕緣子識(shí)別方法，并將其與時(shí)間序列模型和紅外圖像技術(shù)相結(jié)合，以此來進(jìn)行有效診斷。

1 電力送電線路絕緣子性能分析

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電力行業(yè)取得了巨大成就，特別是在電力輸配線路方面，絕緣材料的選擇和使用更廣泛，而且其性能也更出色。目前，中國使用的絕緣材料包括鋼化玻璃、瓷和合成材料3 類。由于表面積污染和長期暴露在潮濕環(huán)境中，瓷絕緣子的耐壓性能顯著下降，從而影響了其使用壽命和安全性。瓷絕緣子的性能容易受吸濕影響，這是其性能下降的主要原因。長時(shí)間暴露在外界水分中會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，并且長期處于熱脹冷縮狀態(tài)，瓷件也會(huì)出現(xiàn)裂紋，從而損害瓷絕緣子的整體性能。隨著合成絕緣子技術(shù)的不斷發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)在的合成絕緣子具有更高的強(qiáng)度和更輕的質(zhì)量，同時(shí)還具有良好的耐污性能，也不需要清掃和檢查[1]。

2 環(huán)境因素對絕緣子發(fā)熱規(guī)律的影響

2.1 環(huán)境溫度對絕緣子發(fā)熱的影響

絕緣子的總體溫升受溫度變化的影響，該影響主要是由其表面的散熱能力決定的。絕緣材料的熱量傳導(dǎo)主要通過周圍的氣流來實(shí)現(xiàn)。在熱量的3 種傳遞方式中，對流效應(yīng)主要發(fā)生在流體熱質(zhì)中。熱量在熱傳遞介質(zhì)中進(jìn)行相對位移，使流體內(nèi)部的溫度變化趨于穩(wěn)定，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)熱量的有效傳輸。絕緣子所處的環(huán)境大部分由空氣、水等流體組成，因此，其熱傳導(dǎo)主要是依靠對流來實(shí)現(xiàn)，但也會(huì)有一定程度的散熱。

2.2 環(huán)境濕度對絕緣子發(fā)熱的影響

濕度是一個(gè)復(fù)雜的因素，會(huì)影響絕緣子的發(fā)熱。由于絕緣子的表面容易受潮濕影響，導(dǎo)致表面污垢，從而降低絕緣子的表面電阻R。因此，在濕度變化的情況下，必須采取措施來維護(hù)絕緣子的正常工作。

當(dāng)絕緣子暴露在潮濕環(huán)境下時(shí)，其表面的等效電阻可能會(huì)引起泄漏電流增加，進(jìn)而釋放出大量的焦耳損耗熱量。這些熱量可以通過多種途徑，如對流傳熱、熱傳導(dǎo)、熱輻射和蒸發(fā)散熱，但是蒸發(fā)散熱的影響最突出。當(dāng)絕緣子的表層水分減少到足以抵消它內(nèi)部的熱量流失時(shí)，這些濕潤的部分將會(huì)迅速蒸發(fā)，最終形成一個(gè)完全不受潮濕環(huán)境影響的空間。如果絕緣子的表面水分含量超過了其蒸發(fā)能力，那么它就會(huì)變得潮濕。相反，如果表面水分含量低于其蒸發(fā)能力，那么潮濕絕緣子的發(fā)熱情況就會(huì)改變，包括潮濕的一部分和干燥的一部分。這種改變將對絕緣子的等效發(fā)熱模型產(chǎn)生影響。如果絕緣子表面的干燥帶場強(qiáng)大于其閃絡(luò)場強(qiáng)E（V/m），那么它將會(huì)釋放出大量電流，導(dǎo)致出現(xiàn)一連串的干燥帶電弧。

絕緣子的特性非常復(fù)雜，為了更精確地預(yù)測其在潮濕環(huán)境中的發(fā)熱情況，該文對其模型進(jìn)行了優(yōu)化，使之達(dá)到理想狀態(tài)。忽略絕緣子表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，假定其具有理想的軸向?qū)ΨQ性，在該情況下，由于水分的蒸發(fā)，形成的干燥帶會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)圓環(huán)形，其直徑為ld（m），從而使絕緣子的性能得到有效提升。確保絕緣子表面的污染物被完全覆蓋，并保持一致的濕潤度，以確保污染物能被有效控制，而水分的蒸發(fā)量則取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，以確保絕緣子表面的完整性和可靠性。忽略表面濕度和水分蒸發(fā)的影響，可以更準(zhǔn)確地估算出濕污層的電阻率，從而更好地控制環(huán)境污染。如果所有條件都得到滿足，該文將會(huì)深入探討濕污絕緣子的發(fā)熱特性。

3 試驗(yàn)材料

該文試驗(yàn)使用的絕緣子樣品均來自當(dāng)?shù)刈冸娬荆渲邪ń?jīng)過正常使用和劣化處理的絕緣子。隨著時(shí)間的推移，絕緣子的耐久性和耐腐蝕性都得到了顯著改善，對其表面污染物的精確檢測，可以將其污穢程度降至C，這樣就可以更精確地反映出其實(shí)際運(yùn)行情況。在該文試驗(yàn)中，將電壓等級設(shè)定為220kV，并使用XWP-70 瓷質(zhì)懸式絕緣子，每組由15片組成，以確保系統(tǒng)的安全性和可靠性[2]，XWP-70 絕緣子參數(shù)見表1。

表1 XWP-70 絕緣子參數(shù)表（mm）

4 環(huán)境素對瓷質(zhì)絕緣子發(fā)熱規(guī)律的影響

4.1 環(huán)境溫度對零值絕緣子溫升規(guī)律的影響

通過控制變量法，該文試驗(yàn)旨在探究不同溫度下絕緣子串中零值絕緣子的性能變化和其對環(huán)境溫度的響應(yīng)規(guī)律。

4.1.1 試驗(yàn)流程

為了精確檢測出樣品絕緣子的溫度變化，該文將實(shí)驗(yàn)室的空氣濕度降至55%，而且將試驗(yàn)區(qū)域的溫度也降至10℃～35℃，這樣就可以更精細(xì)地檢查每個(gè)樣品絕緣子的溫度變化，最終通過紅外光譜技術(shù)來收集樣品絕緣子的溫度信息。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，該文從1 號(hào)樣本中挑選出沒有劣質(zhì)絕緣子的，而從3、4、5 號(hào)樣本中挑選出零值絕緣子。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

不同溫度下絕緣子串樣本1 相對溫升曲線如圖1所示。

圖1 不同溫度下絕緣子串樣本1 相對溫升曲線

首先，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，絕緣子的溫度變化與環(huán)境溫度密切相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度降至35℃時(shí)，絕緣子串的均溫比10℃時(shí)高24.65℃，從而導(dǎo)致鋼帽溫度也隨上升。從圖1 可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，絕緣子的溫度也會(huì)相應(yīng)上升，從而使鋼帽溫度也隨上升。該升高在25℃～30℃是最顯著的。當(dāng)環(huán)境溫度升至30℃以上時(shí)，絕緣子串的溫度就會(huì)迅速上升，而當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到35℃以上時(shí)，絕緣子串的溫度就會(huì)接近與環(huán)境溫度的平衡點(diǎn)。

其次，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度升至35℃或10℃時(shí)，1 號(hào)絕緣子串的溫差幾乎沒有變化，只有0.13℃和0.10%，遠(yuǎn)低于25℃的0.26%，說明絕緣子串的耐熱性能存在較大差距。經(jīng)過對Tmax值的分析可以明顯看出，無論是10℃還是25℃的環(huán)境，絕緣子串的最高溫差均顯著增加。

根據(jù)測量和試驗(yàn)結(jié)果，在25℃～30℃運(yùn)行的絕緣子串溫度升高曲線呈明顯的馬鞍形曲線。隨著溫度的升高，絕緣子串的溫度變化呈明顯的上升趨勢，特別是在中部，會(huì)與坐標(biāo)軸呈直線。在極端的氣候條件下，1 號(hào)絕緣子的溫度會(huì)顯著升高，而其他絕緣子的溫度則會(huì)相對穩(wěn)定，幾乎與周圍的氣候狀況一致，因此不能準(zhǔn)確地預(yù)測其溫度變化情況。

最后，根據(jù)已獲得的數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境溫度超過35℃或低于10℃時(shí)，零值絕緣子的負(fù)溫升特征仍然明顯，但是位于中段和后段的劣化絕緣子很難被發(fā)現(xiàn)。因此，在濕度條件下，零值絕緣子的負(fù)溫升特征仍然是一個(gè)重要的問題。當(dāng)氣溫處于25℃～30℃時(shí)，劣質(zhì)絕緣子的負(fù)溫升特性表現(xiàn)得極其突出，而且即使溫度發(fā)生變化，其影響也不會(huì)有太大變化。在極端的環(huán)境條件下，劣質(zhì)絕緣子的中段和末端的負(fù)溫升特征發(fā)生了顯著變化，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度升至25℃時(shí)，其負(fù)溫升特征更是達(dá)到了驚人的0.11 和0.18，該變化非常突出。

4.2 環(huán)境濕度對零值絕緣子溫升規(guī)律的影響

4.2.1 試驗(yàn)流程

該文在嚴(yán)格控制的25℃環(huán)境中進(jìn)行了這項(xiàng)試驗(yàn)。在加壓后，利用熱霧裝置緩慢地將試驗(yàn)區(qū)域的濕度調(diào)節(jié)至45%～85%，以確保絕緣子表面能夠充分吸收潮氣，從而取得良好的濕度控制效果。當(dāng)絕緣子達(dá)到穩(wěn)定溫度后，可以通過紅外圖譜來觀察其變化情況[3]。

經(jīng)過試驗(yàn)分析該文發(fā)現(xiàn)，在1、8、12 號(hào)絕緣子串中，零值絕緣子的數(shù)量均未發(fā)生變化。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

通過試驗(yàn)，該文研究了含有劣質(zhì)絕緣子的鋼帽和盤面在不同濕度條件下的溫度變化情況，并對其進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

劣化出現(xiàn)在絕緣子串1 號(hào)位置時(shí)的情況如圖2所示。根據(jù)圖2 可知，當(dāng)絕緣子串的劣化發(fā)生在接近導(dǎo)線的1 號(hào)位置時(shí)，其溫度曲線出現(xiàn)了明顯偏差，表明該位置的溫度要遠(yuǎn)低于其他位置。經(jīng)過該次試驗(yàn)，當(dāng)濕度增加時(shí)，劣質(zhì)絕緣子的鋼帽溫度會(huì)急劇攀升，其波動(dòng)范圍為1.05℃～1.3℃。當(dāng)濕度達(dá)到82%時(shí)，負(fù)溫的攀升程度將會(huì)達(dá)到最高點(diǎn)。當(dāng)空氣中的水分含量增加時(shí)，地表的溫度也會(huì)相應(yīng)提高。在60%的水分含量下，溫度會(huì)先下降，再回升，最終降至1.22℃。在85%的水分含量下，溫度會(huì)進(jìn)一步下降，最終降至1.71℃。

圖2 劣化出現(xiàn)在絕緣子串1 號(hào)位置時(shí)

在絕緣子串8 號(hào)位置，當(dāng)溫度達(dá)到45%時(shí)，鋼帽和盤面的溫度分布沒有發(fā)生任何異常，而且在劣化的部分，負(fù)溫的上升幅度只有0.07℃。當(dāng)濕度升至59%時(shí)，零值絕緣子及其相鄰絕緣子的鋼帽溫度出現(xiàn)了明顯變化，其中零值絕緣子的負(fù)溫上升了0.15℃，而盤滿絕緣子的負(fù)溫上升了0.19℃，這表明濕度增加會(huì)對絕緣性能產(chǎn)生重要影響。隨著環(huán)境濕度的升高，畸變的程度也會(huì)顯著提升。當(dāng)空氣濕度達(dá)到85%時(shí)，相鄰鋼帽之間的溫度變化非常顯著，甚至達(dá)到0.25℃，而整個(gè)盤子的溫度變化更是達(dá)到了0.33℃。當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到一定程度時(shí)，就能利用溫升特征來評估材料的性能，該評估方法比鋼帽的評估更準(zhǔn)確。

由于12 號(hào)位置的濕度較低，使絕緣子串每個(gè)鋼帽的溫度都沒有出現(xiàn)明顯的變化，這就導(dǎo)致無法準(zhǔn)確觀察到負(fù)溫升的變化，從而也就無法準(zhǔn)確評估劣化的程度。當(dāng)濕度升至60%時(shí)，鋼帽和盤面的溫度變化呈負(fù)溫增長的趨勢，該趨勢可以通過觀察來證實(shí)。隨著濕度增加，相鄰的溫差將變得越來越大，最高可達(dá)0.27℃，能顯著提高對氣象數(shù)據(jù)的識(shí)別精度。當(dāng)空氣中的水分含量達(dá)到80%以上時(shí)，12 號(hào)絕緣子的表面會(huì)變得非常脆弱，其負(fù)溫會(huì)升至0.39℃，該情況非常糟糕。隨著環(huán)境濕度增加，12 號(hào)劣質(zhì)絕緣子串的性能顯著下降，呈現(xiàn)出明顯的劣化趨勢[4]。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在25℃的高溫和60%的高濕條件下，零值絕緣子的絕緣子串會(huì)呈現(xiàn)出明顯的負(fù)溫上升趨勢，并且隨著濕度增加，該特征會(huì)越來越明顯。為了確保安全，絕緣子表面的濕度應(yīng)為60%～85%，因?yàn)檫^高的濕度會(huì)導(dǎo)致水滴凝結(jié)，進(jìn)而影響檢測的準(zhǔn)確性。當(dāng)劣質(zhì)絕緣子安裝在1～5號(hào)電纜附近時(shí)，其鋼帽溫度將顯著提升，其增長范圍大約為1.05℃～1.3℃。這是一個(gè)非常明顯的變化，尤其是在某些特殊環(huán)境中。在中段6～9 號(hào)位置安裝的鋼帽具有極佳的負(fù)溫升能力，能夠在0.18℃～0.25℃保持穩(wěn)定，具有極高的耐久性。在末端10～15 號(hào)位置，絕緣子的負(fù)溫升明顯提高，變化幅度為0.27℃～0.39℃[5]。

5 結(jié)語

該文聚焦于當(dāng)前廣泛使用的低品質(zhì)絕緣子紅外檢測技術(shù)及其所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)也將深入分析不同的環(huán)境條件，如溫度、濕度如何影響絕緣子的發(fā)熱量和零值溫升情況。該文通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在惡劣的環(huán)境下，零值絕緣子的性能會(huì)有明顯的改善，特別是“負(fù)溫升”現(xiàn)象，絕緣子的鋼帽及盤面的溫度均呈現(xiàn)上升趨勢。隨著環(huán)境條件的變化，零值絕緣子的位置也會(huì)對其負(fù)溫升程度產(chǎn)生重要影響，這將導(dǎo)致劣化特征的顯著改變，進(jìn)而帶來不同的結(jié)果。通過測量零值絕緣子的負(fù)溫度變化，可以準(zhǔn)確評估其在紅外光譜分析中的表現(xiàn)，從而更好地了解其性能。絕緣子的溫度會(huì)受多種因素的影響，但濕度對其溫度影響最大。然而，由于濕度的變化會(huì)導(dǎo)致絕緣子的發(fā)熱變化，因此進(jìn)行紅外檢測時(shí)，必須特別注意濕度的變化。當(dāng)環(huán)境溫度在25℃以上，濕度為60%～85%時(shí)，劣化絕緣子的紅外檢測能力將達(dá)到最佳狀態(tài)。