基于紅外熱像的低零值絕緣子檢測(cè)技術(shù)研究

，， ，宇航，， (.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 6007; .華北電力大學(xué)，北京 006；.上海海能信息科技有限公司，上海 05)

0 引 言

瓷質(zhì)絕緣子是變電站的重要絕緣部件，其質(zhì)量主要體現(xiàn)在機(jī)械性能和電氣性能兩個(gè)方面。由于瓷質(zhì)絕緣子在運(yùn)行過程中因長(zhǎng)期經(jīng)受強(qiáng)電磁場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力、冷熱變化、濕度等作用，可能出現(xiàn)絕緣性能劣化，如絕緣電阻降低、瓷件開裂等。特別在變電站內(nèi)，絕緣子劣化直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。若絕緣子串中存在低零值絕緣子，導(dǎo)致有效絕緣距離變短增加絕緣子串的閃絡(luò)概率，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)絕緣子串掉串及導(dǎo)線落地等事故[2]。

目前低零值絕緣子檢測(cè)方法主要有：絕緣電阻法、工頻耐壓法、電壓分布法、超聲波法、紫外成像法等[3-7]。前兩種方法精度較高，但只能停電試驗(yàn)，具有檢測(cè)工作量大、成本高等缺點(diǎn)。電壓分布法則是將測(cè)得的絕緣子串分布電壓與標(biāo)準(zhǔn)分布電壓進(jìn)行比較來判斷是否存在低零值絕緣子，需要登高作業(yè)，具有安全隱患大、勞動(dòng)強(qiáng)度高等不足。后兩種方法可在帶電情況下進(jìn)行檢測(cè)，但易受干擾，檢測(cè)精度低。

絕緣子絕緣性能劣化將導(dǎo)致絕緣子串電壓分布異常，進(jìn)而影響絕緣子發(fā)熱功率，可能會(huì)引起相應(yīng)部位的溫度變化，紅外檢測(cè)是在絕緣子串工作狀態(tài)下，通過高精度的紅外測(cè)溫儀檢測(cè)絕緣子串的紅外熱像圖譜，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶電檢測(cè)，具有安全、高效、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)[8-11]。近年來，隨著紅外熱像儀性能如溫度分辨率和空間分辨率等不斷提高，該方法已得到了較為廣泛的應(yīng)用。

下面對(duì)瓷質(zhì)絕緣子串的電壓分布和發(fā)熱功率進(jìn)行了理論分析，歸納總結(jié)了典型低零值絕緣子的紅外熱像特征及判據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證了基于紅外熱像的低零值絕緣子檢測(cè)技術(shù)的有效性。

1 絕緣子串電壓分布特征

瓷質(zhì)絕緣子由鐵帽、鋼腳和瓷件等組成，如圖1所示[12]。由于絕緣子的金具部分(鐵帽、鋼腳)與接地橫擔(dān)及帶電的高壓電極間存在雜散電容，使得絕緣子串的電壓分布畸變，絕緣子串越長(zhǎng)，畸變?cè)矫黠@，電壓分布越不均勻。

如圖2所示[9]，CE為絕緣子與接地橫擔(dān)間的雜散電容，其值約為4～5 pF[2]；CL為絕緣子與高壓電極間的雜散電容，其值約為0.5～1 pF[2]。可以看出CE的影響比CL大一些，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，靠近接地橫擔(dān)的絕緣子承擔(dān)的電壓降較小，因此整串絕緣子的電壓分布呈不對(duì)稱馬鞍形。

圖2 絕緣子串等效電路和電壓分布

2 絕緣子發(fā)熱功率分析

瓷質(zhì)絕緣子等效電路模型如圖3所示，圖中C0為絕緣子極間電容，一般為40～60 pF[10]，工頻電壓下其容抗值約為53.1～79.6 MΩ；Rj為極化電阻，一般為2.5～4.3 GΩ；Rv和Rs分別為體積電阻和表面電阻，一般情況下兩者均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Rj。絕緣子的等效電阻Req和發(fā)熱功率Pk分別為

(1)

(2)

(3)

式中：Uk為第k片絕緣子的分布電壓，V；XD為等效容抗，Ω；n為絕緣子串片數(shù)；w為電壓角頻率，rad。

圖3 絕緣子等效電路

當(dāng)絕緣子絕緣性能良好時(shí)，其發(fā)熱主要由介質(zhì)極化引起，正比于分布電壓的平方和介質(zhì)損耗因素tanδ：

(4)

式中，tanδ為介質(zhì)損耗因數(shù)。tanδ值很小，約為0.015～0.025[10]，可以看出正常絕緣子發(fā)熱功率很小。絕緣子串的紅外熱象分布為不對(duì)稱馬鞍形，相鄰絕緣子間的溫差很小。

當(dāng)絕緣子性能劣化，絕緣電阻降低時(shí)，泄露電流主要從絕緣子內(nèi)部流過，其發(fā)熱功率為

Pk=UkIg

(5)

式中,Ig為貫穿絕緣子泄露電流，A。

對(duì)公式(2)求導(dǎo)可知，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。即當(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)熱功率逐漸較小；當(dāng)絕緣電阻進(jìn)一步減小到幾乎為0時(shí)，即劣化為零值絕緣子時(shí)，發(fā)熱功率幾乎為0。可以看出，當(dāng)絕緣電阻值降至某個(gè)區(qū)段時(shí)，發(fā)熱功率與正常絕緣子相似，為紅外檢測(cè)盲區(qū)。

3 低零值絕緣子紅外熱像特征及判據(jù)

正常絕緣子串電壓分布呈不對(duì)稱馬鞍形，靠近高壓電極的絕緣子分布電壓較高，中間絕緣子的電壓則相對(duì)較低，而靠近接地橫擔(dān)的絕緣子分布電壓又有所回升[8]。絕緣子的發(fā)熱功率正比于分布電壓的平方，絕緣子串的紅外熱像分布亦呈不對(duì)稱馬鞍形，相鄰絕緣子間溫差較小。

當(dāng)絕緣子劣化為低零值絕緣子時(shí)，其發(fā)熱功率隨絕緣電阻值呈非線性變化。隨著絕緣電阻逐漸較小，其發(fā)熱功率先增大后減小。低值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏大，紅外熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏高，零值絕緣子的紅外熱象特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏低。通過分析整串絕緣子串的溫度分布，比較相鄰絕緣子間的溫差，可以有效判別低零值絕緣子。

DL/T 664-2016 《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中指出正常絕緣子串的溫度分布同電壓分布規(guī)律，即呈現(xiàn)不對(duì)稱馬鞍形，相鄰絕緣子溫差很小；低值絕緣子以鐵帽為發(fā)熱中心的熱像圖，其比正常絕緣子溫度高，溫差超過1 K；零值絕緣子發(fā)熱溫度比正常絕緣子要低，熱像特征與絕緣子相比呈暗色調(diào)，溫差超過1 K[12]。

DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程》中指出運(yùn)行瓷、玻璃同串絕緣子在規(guī)定的檢測(cè)、檢查次數(shù)中，其劣化片數(shù)累計(jì)達(dá)到規(guī)定值必須立即整串更換[13]。

因此，通過分析絕緣子串的紅外熱像圖譜，可以快速有效判斷出低零值絕緣子，不同類型的絕緣子如標(biāo)準(zhǔn)型和防污型均可通過此種方法進(jìn)行判斷。需要指出的是，由于表面積污引起的發(fā)熱主要表現(xiàn)為瓷面溫度偏高，與低零值絕緣子熱像分布存在本質(zhì)上的區(qū)別，能較好地區(qū)分開來。

4 低零值絕緣子紅外檢測(cè)案例

4.1 案例1

2017年2月，檢測(cè)人員在某500 kV變電站開展站內(nèi)懸式瓷質(zhì)絕緣子紅外檢測(cè)。通過對(duì)懸式絕緣子串熱場(chǎng)分布的分析，發(fā)現(xiàn)某220 kV絕緣子串溫度明顯異常，如圖4所示。

可以看出靠近高壓導(dǎo)線側(cè)第二片絕緣子鋼帽溫度明顯偏高，近20℃，而相鄰絕緣子溫度近11℃，溫差達(dá)9 K，根據(jù)DL/T 664-2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，靠近高壓導(dǎo)線側(cè)第二片絕緣子為典型的低值絕緣子；根據(jù)DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程》，該串絕緣子中劣化絕緣子片數(shù)較少，可不進(jìn)行整串絕緣子更換。

圖4 絕緣子串紅外熱像結(jié)果(案例1)

4.2 案例2

2017年3月，檢測(cè)人員在某500 kV變電站開展站內(nèi)懸式絕緣子紅外檢測(cè)。通過對(duì)懸式絕緣子串熱場(chǎng)分布的分析，發(fā)現(xiàn)某500 kV絕緣子串溫度明顯異常，如圖5所示。

圖5 絕緣子串紅外熱像結(jié)果(案例2)

可以看出靠近高壓導(dǎo)線側(cè)第二片、第三片絕緣子溫度明顯偏低，低于相鄰絕緣子近2 K，熱像特征呈暗色調(diào)，根據(jù)DL/T 664-2016 《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，靠近高壓側(cè)第二片、第三片絕緣子為典型的零值絕緣子；根據(jù)DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程》，該串絕緣子中劣化絕緣子片數(shù)較少，可不進(jìn)行整串絕緣子更換。

5 結(jié) 論

1)正常絕緣子的發(fā)熱功率正比于分布電壓的平方，絕緣子串的紅外熱像分布呈不對(duì)稱的馬鞍形，相鄰絕緣子間溫差很小。

2)低值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏大，其熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏高，呈亮色調(diào)；零值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏小，其熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏低，呈暗色調(diào)。

3)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，紅外熱像技術(shù)具有較好的可行性，能有效檢測(cè)出低零值絕緣子。

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