電場測量法檢測絕緣子內缺陷的研究

高 陽，代小敏，曹 宇，張 博，張永輝（沈陽工程學院，沈陽 110136）

電場測量法檢測絕緣子內缺陷的研究

高 陽，代小敏，曹 宇，張 博，張永輝
（沈陽工程學院，沈陽 110136）

絕緣子是電力系統中使用量巨大并且十分重要的電力設備。針對目前絕緣子檢測方法中存在的操作復雜、檢測結果不直觀和準確度不高等問題，本論文提出采用電場測量法測量絕緣子的內絕緣缺陷，研究了影響絕緣子帶電檢測儀靈敏度的因素以及帶電工作狀態下可能存在的干擾問題，提出了相應的抗干擾措施，能夠有效地檢測出絕緣子的內絕緣導通性故障信息。

絕緣子；電場測量法；靈敏度；抗干擾

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.228

0　引言

絕緣子的用途是將電位不同的導體在機械上相互連接，而在電氣上相互絕緣［1］。常見的絕緣子有陶瓷絕緣子、玻璃鋼化絕緣子、合成絕緣子和半導體絕緣子等［2］，合成絕緣子因其優良的機械性能以及優異的憎水性、憎水遷移性和憎水恢復性，而被廣泛應用于電力輸電線路中。隨著合成絕緣子用量及運行時間的增加，合成絕緣子性能逐步下降導致其自身缺陷不斷增加。絕緣子缺陷主要分為表面缺陷和內部缺陷［3］。綜合國內外研究現狀，絕緣子的檢測方法分為電量檢測法和非電量檢測法，非電量檢測法的檢測成本比較高，且或多或少會受到外界環境因素的影響。電量檢測法需要登高測量，危險性高，且污穢而潮濕的合成絕緣子電場分布扭曲嚴重，難以識別缺陷［4］。從目前的現狀來看，國內在這方面的研究還是空白，沒有成熟的理論和儀器設備。因此，為了發現合成絕緣子存在的早期缺陷，及時防止因缺陷的發展而造成的事故，開展合成絕緣子內缺陷帶電檢測技術的研究并開發相應的帶電檢測裝置十分必要和緊迫。

1　電場法的檢測原理

高壓線路上的合成絕緣子可以簡化為夾在兩金屬電極之間的連續的絕緣材料，絕緣子的傘裙對電場分布幾乎沒有影響，可以不予考慮［5］。圖1給出了一個簡化模型，曲線A是根據電磁場理論計算出的電場強度沿絕緣子軸向的變化曲線。正常情況下該曲線是光滑的，顯“U”形。當絕緣子存在導通性缺陷時（見圖中黑點），此處的電位變為一常數，由于電場強度是電位沿長度的變化率，因此此處的電場強度將突然降低，作出的電場分布曲線也不再光滑，而是在相應的位置上有畸變（中間下陷，兩端上升），見圖1中曲線B。由此可見，通過測量合成絕緣子串的軸向電場分布，可以找出絕緣子的內絕緣導通性故障［6-9］。

圖1　電場分布曲線

2　靈敏度實驗研究

2.1均壓環對測量靈敏度的影響

一些合成絕緣子在高壓端帶有均壓環［10-11］。均壓環會對絕緣子電場分布特別是對高壓端的電場產生影響［12］，使高壓端附近電場分布趨于均勻，所以我們對均壓環的影響進行了實驗探索。

圖2是良好絕緣子加均壓環后的電壓分布曲線與無均壓環時的曲線相比，高壓端變化趨慢。圖3（a），（b），（c）分別是加均壓環后絕緣子高壓端一片、兩片、三片傘被短路后的電壓分布曲線。可以看出，曲線高壓端的下降幅度與同類缺陷無均壓環時相比明顯減小，以至一片短路缺陷不能被識別，兩片短路缺陷能夠識別但不十分明顯，三片短路缺陷仍然十分明顯。曲線的中部、低壓端沒有變化，說明均壓環對絕緣子中部、低壓端缺陷的檢測不會產生影響。

圖 2 場強曲線

圖3　高壓端帶均壓環時的場強曲線

2.2水分和污穢對測量的影響

由于污穢和水分可能增強絕緣子表面泄露電流［13-15］并且造成表面電阻分布不均勻，從而改變絕緣子電場分布，對靈敏度產生影響，所以我們對這些因素的作用進行了實驗探索，測量了干燥有污穢、潮濕清潔、潮濕有污穢等情況下絕緣子有、無缺陷時的電場分布。

實驗中發現，表面有污穢但干燥的良好絕緣子和清潔但潮濕的良好絕緣子都具有與清潔干燥的良好絕緣子相同的電場分布曲線，即污穢和水分單獨不會影響絕緣子電場的分布。例如，圖4（a）是絕緣子表面有水分中部第4片、5片、6片傘被短路時電場分布曲線，此曲線與無水分的曲線基本相同。但是，當良好絕緣子即受污又受潮時，曲線具有波動，污穢越嚴重，波動越大。曲線本身的波動與一些由微小缺陷引起的畸變難以區分。因此在檢測潮濕污穢絕緣子時，檢測儀的靈敏度會有所下降，而且更需要良好絕緣子的曲線作為參考，如圖4（b）（潮濕輕度污穢，中部第3、4、5、6片傘短路）所示。在潮濕輕污穢情況下，此方法仍可以檢測出中部短路三片傘裙和高壓端短路兩片傘裙的導體短路故障，在潮濕重污穢情況下，曲線劇烈波動，無法判斷缺陷情況。

圖4　絕緣子被短路時的場強曲線

2.3靈敏度分析

綜上所述，僅有水分或僅有污穢不會影響檢測靈敏度。均壓環不影響對中部缺陷的檢測靈敏度，均壓環會使儀器對高壓端缺陷的檢測靈敏度下降。水分和污穢同時存在時，判斷將受較大影響，污穢越重影響越大，直至無法做出判斷。但實際使用時，一般選擇良好天氣條件。

3　抗干擾措施

電氣設備工作時，在接收的信號中，除了接收有用的信號之外，還夾雜著一些無用的信號這種無用且不規則變化的信號—“噪聲”［16-19］，為了研究方便，把噪聲分為內部噪聲和外部噪聲兩類。外部噪聲對電氣設備的干擾幾乎都是通過以下兩種方式藕合實現的。

傳導藕合：噪聲通過導線（電源線、信號線等）直接進入電氣設備，從而對電氣電路形成傳導禍合干擾。其干擾模式一般為常模干擾和共模干擾［20］。

空間藕合：空間藕合是噪聲通過“場”的禍合形式干擾電氣設備的。一種是“輻射藕合”，它是高頻電磁場產生的電磁波在空間傳播，從而對電氣設備形成干擾。另一種是“感應藕合”，它可分為“電場禍合”和“磁場禍合”［21-22］。

3.1傳導藕合干擾的抑制

對信號線上干擾的抑制前端機要正常工作，首先應正確無誤地檢測到被測信號。若信號受到嚴重干擾，導致信號難以辨識，尤其對比較微弱的泄漏電流信號。在一些干擾嚴重的場合，泄漏電流信號甚至會被淹沒于干擾之中［23］。本系統漏電流、溫度、濕度都是mV級，是弱信號，為了獲得真實信號，采取如下措施：首先是提高信號幅值，從抑制傳輸干擾的角度看，提高信號幅值是一種簡單而有效的方法。提高信號幅值就提高了“信噪比”，因而增強了信號在傳輸過程中的抗千擾能力。便于使用濾波器濾除噪聲信號。為此前端機硬件上人為地將信號進行前期放大。

3.2空間藕合干擾的抑制

空間藕合主要是通過“場”的藕合形式對前端機形成干擾，因此抑制干擾的措施應放在對“場”的隔離上，場的隔離采用屏蔽的方法。屏蔽的實質是通過屏蔽物體對外來的電磁干擾進行吸收或反射以防止噪聲侵害電氣設備［24］。用導電性能良好的金屬導體制成的屏蔽體適用于電場的屏蔽，用高導磁材料制成的屏蔽體適用于磁場屏蔽［25］。

為了防止“干擾噪聲”通過空間藕合方式侵入信號線而進入前端機，在干擾比較強的高壓線旁邊，傳輸線必須選用雙絞屏蔽線［26］。屏蔽層采用一點接地的方式，采用雙絞屏蔽線是因為雙絞線相互絞合，在導線上會產生相反的電動勢，因此對外部干擾磁通的抑制較強。特別對低頻信號的傳輸，雙絞屏蔽線的屏蔽效果比較好。

4　總結

本文研究了電場測量法檢測絕緣子的內缺陷故障，能夠檢測出合成絕緣子內絕緣的大多數故障，對能夠產生短路危險的、損壞嚴重的絕緣子具有較高的靈敏度。通過實驗研究了水分、污穢和均壓環對檢測儀靈敏度的影響規律，提出了提高信號幅值和采用雙絞線屏蔽“場”的抗干擾措施來抑制外部信號對電氣設備的干擾，能夠有效提高檢測儀的工作質量。基于電場測量的絕緣子缺陷帶電檢測儀操作簡單，靈敏度高，具有廣闊的應用前景。

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