考慮環境相對濕度和污穢度的零值絕緣子紅外檢測方法

陶玉寧， 方春華

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

瓷質絕緣子因其良好的絕緣和機械性能、相對較低的成本等優勢，被廣泛用于電網建設運行[1—2]。但在實際運行中，瓷質絕緣子多處于室外環境，長期經受機電負荷、大氣污染、冷熱變化等作用，絕緣性能和機械性能會下降[3—4]。絕緣子的劣化與其內部結構有關，瓷件、水泥膠合劑、鋼帽和鐵腳所用材料不同，導熱和膨脹系數也不同，且各部分連接處難免存在空氣隙。絕緣子在外界因素的長期無規律作用下，內部微孔逐漸滲透，擴展成小裂紋直至開裂；在強電場的作用下，劣化絕緣子內部極易產生電擊穿，使其成為零值絕緣子[5—6]。絕緣子串發生閃絡后，流過絕緣子內的短路電流將會產生較大熱量，使絕緣子的瓷件炸裂、鋼帽裂開，進而導致絕緣子斷串或輸電導線落地等嚴重事故[7—8]。為避免零值絕緣子引起的此類事故發生，在巡檢工作中及時有效地檢測和判斷絕緣子狀態，并有計劃地對其進行處理顯得尤為重要。

與傳統檢測方法相比，紅外檢測具有遠距離、非接觸、可帶電檢測等優點[9—13]。文獻[14]通過紅外熱像儀采集圖像,對圖像進行去噪分割等預處理，并采用模式識別的方式對零值絕緣子進行檢測，但該方法受環境因素影響，準確率較低。文獻[15]提出基于概率神經網絡的紅外熱像零值絕緣子檢測方法，但在相對濕度較大時誤判率較高。文獻[16]利用基于卷積神經網絡的劣化絕緣子識別模型檢測零值絕緣子，但適合該方法的環境條件尚不清晰。目前，各種紅外零值絕緣子檢測方法均有其局限性。為了將紅外技術更好地用于現場零值絕緣子檢測，提出適用范圍精確且快捷簡便的檢測方法尤為重要。

文中建立污穢絕緣子串電-熱-流場耦合模型，通過多物理場耦合分析不同零值絕緣子位置、環境相對濕度和污穢度時的絕緣子串溫度分布差異和規律，提出一種基于相鄰溫升差的零值絕緣子紅外檢測方法，并通過紅外檢測試驗驗證所提方法。該方法可為電力部門利用紅外技術進行絕緣子巡檢提供科學依據，對減少工作量、降低事故概率具有重要意義。

1 含零值絕緣子串的仿真模型及參數

為模擬輸電線路絕緣子串的真實工況，文中建立絕緣子串電場、熱場和流場耦合模型進行耦合分析。仿真對象為110 kV線路所用標準瓷質懸式絕緣子，由鋼帽、鐵腳、具有較強絕緣性能的瓷件和粘合連接各組成部分的水泥膠合劑組成，其二維軸對稱模型簡化后如圖1所示，相關材料屬性如表1所示。

圖1 絕緣子二維軸對稱截面Fig.1 2-D axisymmetric section of insulators

表1 各部分材料屬性Table 1 Material properties of each part

零值絕緣子建模時，將鋼帽及鐵腳間的瓷件與膠合劑設為金屬導體材料，以模擬貫穿性缺陷，其他部分與正常絕緣子相同。仿真基于COMSOL軟件，在無限遠開區域電場仿真邊界條件設置中采用人工截斷邊界法，截斷區域選用圓柱形，截斷半徑為2 m，高度為20 m，將截斷邊界設為零電位。在設置邊界條件時，將空氣設置為壓縮性流體，外壁設置為無滑移壁，模型的初始溫度值和環境溫度值均設定為20 ℃。當仿真計算時，高壓端絕緣子鐵腳處施加63.5 kV電壓，低壓端絕緣子鋼帽處施加0 kV電壓，進行50 Hz的頻域分析。

文中將各污穢狀態下絕緣子表面污穢層的相對介電常數設置為81[17]。根據文獻[18]，污穢層飽和濕潤時吸附的10～20 ml水會均勻覆蓋在絕緣子表面，因此將污穢層厚度設置為0.1 mm，污穢層在飽和濕潤時的電導率γs為[19]：

(1)

式中：ρESDD為鹽密；ρNSDD為灰密，文中不同污穢度下的灰密值均設置為1 mg/cm2。實驗采用人工污穢法，污穢可溶鹽采用NaCl。對于設置不同污穢度和濕度的污穢層電導率，需要考慮污穢層中鹽分在不同環境濕度下的溶解率和溶解量。當污穢層未飽和濕潤時，其電導率可通過文獻[20]獲得。相關污穢等級材料屬性如表2所示。

表2 污穢參數Table 2 Contamination parameters

2 仿真結果及分析

在進行污穢含零值絕緣子串的電-熱-流多物理場耦合仿真時，將電場中與電壓和電流密度分布直接相關的電磁能量作為對流散熱計算的熱源，獲得污穢含零值絕緣子串的熱特征。

2.1 零值絕緣子位置對熱場的影響

對污穢絕緣子串中的絕緣子片位置進行編號，由高壓端至接地端依次編為1～7號。選擇典型零值絕緣子2、4、7號位置，即高壓、中間和低壓接地位置，分別進行溫度分布仿真計算。

當污穢含NaCl且鹽密為0.05 mg/cm2，環境相對濕度為80%時，絕緣子串的溫度分布如圖2所示。零值的存在會改變絕緣子串原有無零值時連續性馬鞍型的溫度分布。

圖2 濕污時絕緣子串的溫度分布Fig.2 Temperature distribution of insulator string during wet contamination

絕緣子串鋼帽處、鐵腳與下表面連接處的溫升如圖3所示。由圖3(b)可知，2號為零值絕緣子時與相鄰1號和3號絕緣子的溫升差分別為1.68 ℃和0.72 ℃，而2號為正常絕緣子時與相鄰絕緣子的溫升差分別為0.6 ℃和0.19 ℃；4號為零值絕緣子時與相鄰3號和5號絕緣子的溫升差分別為0.87 ℃和0.74 ℃, 而4號為正常絕緣子時與相鄰絕緣子的溫升差分別為0.09 ℃和0 ℃；7號為零值絕緣子時與相鄰6號絕緣子的溫升差為0.96 ℃，而7號為正常絕緣子時與相鄰絕緣子的溫升差為0.15 ℃。零值絕緣子與相鄰位置絕緣子溫升差最大的是零值處于高壓端，其次是低壓接地端，最小的是處于中間位置。因此，相同環境條件下高壓端零值相對較易檢測，其次是低壓接地端，最后是中間位置。

圖3 濕污時絕緣子串鋼帽和鐵腳的溫升Fig.3 Temperature rise of steel cap and iron foot of insulator strings during wet contamination

根據牛頓冷卻定律，相鄰絕緣子產生的熱量必然向幾乎無溫升的零值絕緣子傳遞，因此在熱穩定時零值絕緣子有較小溫升，溫升大小與所在位置有關。圖3中，零值絕緣子在2號位置時，鋼帽以及鐵腳與下表面連接處溫升分別為0.24 ℃和0.28 ℃；在4號位置時，溫升分別為0.17 ℃和0.18 ℃；在7號位置時，溫升分別為0.10 ℃和0.13 ℃。

2.2 環境相對濕度對熱場的影響

在相同污穢條件(污穢含NaCl，鹽密為0.10mg/cm2)且2號位置為零值絕緣子的情況下，環境相對濕度逐漸增加，其污穢絕緣子串的等溫線分布見圖4，絕緣子串鋼帽處和鐵腳與下表面連接處的溫升見圖5。

圖4 不同環境相對濕度下絕緣子串的等溫線分布Fig.4 Isothermal distribution of insulator strings underdifferent environmental relative humidity

圖5 環境相對濕度逐漸增加時絕緣子串鋼帽和鐵腳的溫升Fig.5 Temperature rise of steel cap and iron foot of insulator strings when environmental relative humidity increases gradually

圖5中，1號和3號絕緣子與2號零值絕緣子鋼帽處的溫升差，在相對濕度70%時分別為0.76 ℃和0.13 ℃，相對濕度75%時分別為1.00 ℃和0.50 ℃，相對濕度80%時分別為1.33 ℃和1.00 ℃；1號和3號絕緣子與2號零值絕緣子鐵腳與下表面連接處的溫升差，在相對濕度70%時分別為1.55 ℃和0.27 ℃，相對濕度75%時分別為1.68 ℃和0.72 ℃，相對濕度80%時分別為2.08 ℃和1.32 ℃。結合圖4、圖5可得，隨著環境相對濕度的增加，絕緣子串的整體溫升逐漸增加，串中正常絕緣子的溫升變化較明顯，在熱量傳遞的影響下零值絕緣子也出現較小溫升，零值絕緣子與相鄰位置絕緣子的溫升差隨濕度增加而逐漸增大，而相鄰正常絕緣子的溫升差依然較小且整體呈現馬鞍型分布規律。

2.3 污穢度對熱場的影響

在環境相對濕度為80%且7號位置為零值絕緣子的情況下，絕緣子表面污穢度分別為0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2，絕緣子串等溫線分布如圖6所示。絕緣子表面污穢度增加后，絕緣子串中各處溫升增大，零值絕緣子與相鄰位置絕緣子的溫升差也逐漸增大。

圖6 不同污穢度下絕緣子串的等溫線分布Fig.6 Isothermal distribution of insulator strings with different contamination degrees

通過測取絕緣子串鋼帽處和鐵腳與下表面連接處的溫升差可知，當污穢度分別為0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2時，零值絕緣子與相鄰6號絕緣子在鋼帽處的溫升差分別為0.63 ℃，0.92 ℃，1.11 ℃，在鐵腳與下表面連接處的溫升差分別為1.5 ℃，2.08 ℃，2.93 ℃。

3 零值絕緣子紅外檢測方法

通過不同情況下絕緣子串的溫度分布差異和規律，提出基于相鄰溫升差的零值絕緣子紅外檢測方法。

3.1 檢測點的選取

由仿真結果可知，絕緣子串中每片絕緣子的溫度分布隨著絕緣子上各個位置與回轉中心軸的距離改變而改變。因此，若要基于相鄰絕緣子溫升差進行紅外檢測，應選取各絕緣子的相同位置進行檢測，檢測點宜選取污穢絕緣子最大溫升位置，如圖7所示。

圖7 絕緣子串紅外檢測點Fig.7 Infrared insulator string detection point

3.2 檢測流程

對絕緣子串進行紅外檢測以識別串中零值絕緣子，以絕緣子串溫度分布規律為依據，使用高精度紅外熱像儀，進行基于相鄰溫升差的零值絕緣子紅外檢測，檢測流程如圖8所示。

圖8 絕緣子串紅外檢測流程Fig.8 Flow chart of infrared insulator string detection

3.3 檢測條件

由仿真結果分析可知，零值絕緣子處于高壓端時最易檢測，其次是處于低壓接地端時，最后是處于中間位置。隨著環境相對濕度、污穢度的逐漸增加，絕緣子串中相鄰正常絕緣子間的溫升差逐漸縮小，正常絕緣子與零值絕緣子間的溫升差逐漸增大，有利于紅外檢測。當環境相對濕度在70%左右時，絕緣子表面污穢物中鹽分才開始吸濕潮解，影響絕緣子表面電導率，并逐漸顯現零值絕緣子與正常絕緣子的溫升差；而干燥污穢的情況下絕緣子串整體溫升不明顯，難以進行紅外檢測。同時根據DL/T 664—2016《帶電設備紅外診斷應用規范》標準要求，檢測環境相對濕度不宜大于85%。因此根據文中的紅外檢測方法，提出檢測條件、可檢測位置和檢測式，分別如表3、式(2)所示。

表3 紅外檢測條件及可檢測位置Table 3 Infrared detection conditions and detectable locations

(2)

式中：RH為環境相對濕度；K為檢測系數。當K≥0.32時，按照檢測流程對絕緣子串全部位置進行零值檢測；當0.32>K≥0.16時，能檢測絕緣子串高壓端第一片和低壓接地端第一片是否為零值絕緣子；當0.16>K≥0.09時，僅能檢測絕緣子串高壓端第一片是否為零值絕緣子；當K<0.09時，無法對絕緣子串中任何位置進行零值檢測。

4 零值絕緣子紅外檢測試驗

4.1 試驗方法、裝置與試品

按照IEC 60507—1991《交流系統用高壓絕緣子的人工污穢試驗》標準進行試驗，試驗原理見圖9。調壓器額定輸入電壓為220 V，輸出電壓為0～250 V，額定容量為15 kV·A；電源由10 kV·A/100 kV的工頻試驗交流變壓器提供，高壓側導線通過環氧套管引入人工霧室；將試品懸掛在2 000 mm×1 300 mm×1 300 mm的人工霧室中，由超聲霧化發生器產生蒸汽來改變裝置內的濕度，并用溫濕度計進行監測。加壓時采用均勻升壓的方式快速升壓至試驗電壓，再采用恒壓方式持續加壓1 h，使用分壓比為3 000∶1的電容分壓器監測電壓，同時用高精度紅外熱像儀拍攝絕緣子串溫度分布。

圖9 試驗原理Fig.9 Schematic diagram of test principle

試驗中零值和正常阻值絕緣子均為實際運行線路取下的自然零值和正常阻值標準瓷質懸式絕緣子。使用絕緣電阻測試儀按照DL/T 474.1—2018《現場絕緣試驗實施導則》對試驗絕緣子進行電阻值測量并做相應記錄。經測量所用自然零值絕緣子的電阻實測為0.2 MΩ，正常絕緣子絕緣電阻值為100 GΩ，符合絕緣電阻值等級劃分(小于5 MΩ時為零值絕緣子)的相關要求。試驗絕緣子實物圖及基本參數如圖10和表4所示。

圖10 試驗絕緣子Fig.10 Test insulator

表4 試驗絕緣子基本參數Table 4 Basic parameters of test insulator

絕緣子采用IEC 60507—1991中的固體層法進行人工涂污。試驗所選的鹽密分別為0.03 mg/cm2，0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2，灰密為1 mg/cm2。

4.2 試驗結果

4.2.1 不同環境相對濕度時的試驗結果

表5為在相同污穢度(鹽密0.10 mg/cm2)含零值絕緣子的條件下，環境相對濕度分別為70%，80%時的鐵腳與下表面連接位置的溫升差。

表5 不同相對濕度時鐵腳與下表面連接位置的溫升差Table 5 Temperature rise difference between iron foot and lower surface at different relative humidity

不同環境相對濕度和零值絕緣子在絕緣子串中處于不同位置時，高壓側正常絕緣子與零值絕緣子的溫升差均不小于低壓側絕緣子與零值絕緣子的溫升差。零值絕緣子的溫度較低，與正常絕緣子溫升差較大，這種溫升差隨著相對濕度的增加而逐漸變大。

4.2.2 不同污穢度時的試驗結果

表6為在相同環境相對濕度(80%)，且1號位置為零值絕緣子的條件下，污穢度不同時的各絕緣子與零值絕緣子在鐵腳與下表面連接位置的溫升差。

表6 不同污穢度時鐵腳與下表面連接位置的溫升差Table 6 Temperature rise difference between connecting position of iron foot and lower surface with different degree of filth ℃

正常絕緣子與零值絕緣子溫升差隨污穢度增加而增大，雖有個別數據無明顯增大，但整體來看依然呈現增大趨勢，與仿真結果相同。

4.3 檢測方法的驗證

將不同位置零值、不同環境濕度和不同污穢度下的部分試驗結果使用文中檢測方法進行驗證。將1號與2號絕緣子溫升差、2號與3號絕緣子溫升差、3號與2號絕緣子溫升差分別定義為T12,T23,T32，表達式為：

(3)

式中:T1,T2,T3分別為1、2、3號絕緣子的溫度。

(1) 鹽密0.03 mg/cm2，相對濕度70%，1號絕緣子零值時紅外檢測結果如圖11所示，T1，T2，T3分別為17.9 ℃，18.7 ℃，18.6 ℃。用文中所提方法對T12，T23，T32進行計算,此時，可檢測出零值絕緣子處于1號位置，同時使用式(2)對相應情況下的檢測系數進行計算，其值為0.10，在0.09～0.16之間，因此可對高壓端第一片進行檢測，判斷是否為零值。

圖11 1號絕緣子零值時的試驗數據(鹽密0.03 mg/cm2，相對濕度70%)Fig.11 Test results of zero value of No.1 insulator(salt density 0.03 mg/cm2,relative humidity 70%)

(2) 鹽密0.03 mg/cm2，相對濕度70%，2號絕緣子零值時檢測結果如圖12所示，T1，T2，T3分別為18.4 ℃，17.8 ℃，18.0 ℃,并對T12,T23,T32進行運算。通過使用紅外檢測方法，不能檢測出處于2號位置的零值絕緣子，同時使用式(2)對相應情況下的檢測系數進行計算，其值為0.10，在0.09～0.16之間，不能對除高壓端第一片外的其他位置絕緣子進行零值檢測，因此未能檢測出處于2號位置的零值絕緣子。

圖12 2號絕緣子零值時的試驗數據(鹽密0.03 mg/cm2，相對濕度70%)Fig.12 Test results of zero value of No.2 insulator(salt density 0.03 mg/cm2,relative humidity 70%)

(3) 鹽密0.10 mg/cm2，相對濕度80%，2號零值絕緣子零值時檢測結果如圖13所示，T1，T2，T3分別為20.4 ℃，19.1 ℃，20.1 ℃。用文中所提方法對T12，T23，T32進行運算，可檢測出零值絕緣子處于2號位置，同時使用式(2)對相應情況下的檢測系數進行計算，其值大于0.32，因此可對全部位置絕緣子進行零值檢測。

圖13 2號絕緣子零值時的試驗數據(鹽密0.10 mg/cm2，相對濕度80%)Fig.13 Test results of zero value of No.2 insulator(salt density 0.10 mg/cm2,relative humidity 80%)

結合試驗數據對零值絕緣子紅外檢測方法進行了驗證，檢測結果準確。

5 結論

文中建立污穢絕緣子串電-熱-流場耦合模型，研究零值絕緣子在串中不同位置、不同環境相對濕度和不同污穢度等多因素影響下，絕緣子串溫度分布的差異和規律，提出相應零值絕緣子紅外檢測方法，并加以驗證，結論如下：

(1) 絕緣子串中零值絕緣子與相鄰正常絕緣子的溫升差較大，絕緣子串在零值位置溫升驟降，零值的存在會使絕緣子串在原有無零值時的連續性馬鞍型的溫度分布遭到改變。

(2) 絕緣子上不同位置的溫升與回轉中心軸距離有關，離回轉中心軸越遠，則溫升越小，反之越大，最大溫升出現在鐵腳與下表面連接處。

(3) 隨著環境相對濕度和污穢度的增加，絕緣子串的整體溫升逐漸增加，零值絕緣子與正常絕緣子溫升差逐漸變大，但相鄰正常絕緣子間的溫升差依然較小，均不大于0.25 ℃。

(4) 環境相對濕度在70%左右時，零值絕緣子與正常絕緣子的溫升差才逐漸顯現，干燥污穢的情況下絕緣子串整體溫升不明顯，難以進行紅外檢測。