懸式瓷質絕緣子零值缺陷的綜合診斷分析

張寶棟，邵明燕，李曉磊，劉 寶，王京瓊

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

絕緣子是電力系統的重要組成部分，其中瓷質絕緣子在輸變電設備尤其是110～220 kV線路中應用非常廣泛。瓷質絕緣子由鋼帽、瓷件和鋼腳3部分組成，瓷件作為其主要絕緣材料，在運行過程中長期受到強電場、機械應力、冷熱交替以及各種復雜工況的沖擊，極易發生污穢閃絡、泥膠膨脹破壞、電熱老化擊穿和本身銹跡爬電等現象，導致絕緣子絕緣劣化，形成零值或低值絕緣子［1-3］。當含有零值或低值絕緣子的絕緣子串發生閃絡、遭到雷電或操作過電壓沖擊時，零值或低值絕緣子的瓷件內部會形成導電通道，電流通過時產生的熱量將引起瓷件熱膨脹，從而導致鋼帽炸裂、絕緣子掉串等一系列問題，這將對電網和電力設備產生嚴重的危害。為掌握絕緣子的運行實況，將開展設備的狀態檢修工作提上日程，而不停電、高效率的檢測方法將是未來絕緣子檢測的主要發展方向。

1 瓷質絕緣子檢測方法介紹

目前，瓷質絕緣子的檢測方法主要有短路叉法、電壓分布法、超聲波法、紫外成像法和紅外熱像法等［4-7］。短路叉法是目前現場應用最廣泛的檢測方法之一，該方法通過短路叉將絕緣子片鋼帽和鋼腳短接，根據短路叉尾端放電間隙是否產生放電來判斷絕緣子的運行狀況，該方法操作簡單，能夠有效地檢測出低值及零值絕緣子，但是檢測效率低、安全性差，容易造成漏檢或誤檢。電壓分布法是使用絕緣子串電壓分析儀對停電絕緣子串的電壓分布進行測量，通過分析各個絕緣子承受的電壓大小來判斷，該方法測試準確，能夠靈敏地檢測到低值及零值絕緣子，但該方法需要申請停電檢修，在檢測時需要登桿作業，局限性較大。超聲波檢測法是通過檢測絕緣子表面局部放電時產生的超聲波信號來判定是否有零值絕緣子的存在，該方法操作簡便，但是在現場應用時容易受到周圍設備噪聲影響，準確率低。紫外成像法是利用成像儀接收放電時產生的微弱紫外線光子實現確定零值絕緣子位置的目的，此法不易受到外界干擾，但紫外成像法只能檢測到較強的放電，低值絕緣子漏檢現象較嚴重［7］。紅外熱像法是利用紅外熱像儀檢測被測設備輻射出的紅外能量，從而檢測出被測設備的溫度值，通過對比分析設備正常運行狀況下的發熱規律與故障狀況下的典型圖譜，得出是否存在低值或零值絕緣子的結論，紅外熱像法檢測絕緣子運行狀況具有非接觸、安全距離大、不停電、測試效率高等優點，但存在易受環境影響、測試時需要避開各種熱源干擾的缺點［8-13］。

根據以上分析，利用紅外熱像法對絕緣子串進行狀態檢測，一方面能夠及時發現運行中的劣化絕緣子，合理安排檢修計劃，避免事故發生；另一方面通過定期對輸變電設備展開紅外測試，分析各絕緣子串的運行狀態，監測其發展趨勢，可將故障扼殺在早期的萌芽狀態。

2 紅外熱像法檢測原理

絕緣子正常運行時通過的電流主要由電解質在工頻電壓作用下的極化電流、表面爬電泄漏電流和內部穿透性泄漏電流3部分組成。運行狀況良好時主要是電解質在工頻電壓作用下的極化電流，當絕緣子表面出現裂紋、積污以及內部老化時表面爬電泄漏電流或者內部穿透性泄漏電流就會增大，且劣化現象越嚴重電流增大越多，此時將導致絕緣子溫度升高。紅外熱像法正是利用良好絕緣子和劣化絕緣子之間溫升的不同，通過同相或相間絕緣子之間紅外圖譜的比較，檢測出劣化的絕緣子。

運行良好的絕緣子串溫度分布曲線表現為一種不對稱的馬鞍形［14］，如圖1所示，但當存在劣化絕緣子時，溫度分布曲線中會出現溫度升高的某點，表現為不正常的突變，利用這些特征即可對劣化絕緣子進行識別和定位。

由于正常絕緣子與劣化絕緣子運行時溫度差別很小，為保證檢測的準確性，應采用精確檢測法。

圖1 正常絕緣子串溫度分布曲線

3 紅外熱像法檢測絕緣子的應用

采用紅外精確檢測法對220 kV變電站瓷質絕緣子展開缺陷排查工作，通過對紅外圖片進行分析發現了兩起瓷質絕緣溫度異常缺陷。

3.1 主變壓器進線瓷質絕緣子溫度異常缺陷

甲變電站間隔絕緣子為xp-7型戶外用防污絕緣子，每串16片，投運年限較長，位于e級污穢區，運行環境惡劣，污染十分嚴重。測量環境為無風干燥的夜間，環境溫度5℃，測量中發現2號主變壓器進線220 kV側B相和C相瓷質絕緣子溫度異常，B相第1片、第4片絕緣子和C相第1片絕緣子均呈現出較相鄰絕緣子片溫度升高現象，如圖2和圖3所示。

圖2 220 kV 2號主變壓器進線側B相紅外圖譜

圖3 220 kV 2號主變壓器進線側C相紅外圖譜

從圖2、圖3中可以看出絕緣子串以鋼帽為中心到瓷件邊緣溫度逐漸減小，整體溫度十分接近，但B相第1片和第4片絕緣子、C相第1片絕緣子鋼帽溫度明顯升高。這是由于內部穿透性泄漏電流產生較大的熱效應，大量的熱量通過鋼帽向外傳導，體現在紅外色譜上即較正常絕緣子呈現出較亮的顏色。

利用紅外分析軟件將所測紅外圖譜中絕緣子串中心軸向溫度導出，并繪制成溫度分布曲線，得到絕緣子串中心軸向溫度分布曲線如圖4所示。

圖4 三相絕緣子串溫度分布

從圖4中可以看出三相絕緣子串溫度整體上呈現為一條鋸齒狀的曲線，A相絕緣子串溫度分布均呈不對稱的馬鞍形，相鄰兩片絕緣子串的溫度差異很小。B相與C相溫度曲線雖然呈現出鋸齒狀曲線，但是B相第1片絕緣子溫度比第2片絕緣子溫度高1.5℃，第4片絕緣子溫度比第3片絕緣子溫度高0.7℃左右，C相第1片絕緣子溫度比第2片絕緣子溫度高0.6℃，明顯不符合正常絕緣子串相鄰兩片絕緣子溫度分布規律。根據DL／T 664—2016《帶電設備紅外診斷技術應用規范》可初步判定：B相第1片絕緣子為低值絕緣子：B相第4片及C相第1片絕緣子由于溫差沒有達到標準中規定的大于1℃的要求，不屬于低值絕緣子。從三相絕緣子串總體溫度分布曲線可以看出，由于劣化絕緣子的存在導致B和C相絕緣子串整體溫度升高，尤其是高壓端溫度抬升現象明顯，這是由于劣化絕緣子絕緣電阻大幅下降致使泄漏電流增大的緣故。

3.2 韓錦線瓷質絕緣子溫度異常缺陷

220 kV韓錦線1號桿為耐張桿，絕緣子串長期承受較高的機械應力，絕緣子為瓷質戶外防污型絕緣子，每串16片，位于e級污穢區，防污閃措施為涂防污閃材料。測試環境為日落2h后，溫度為零度，測量中發現C相絕緣子串溫度分布異常，紅外圖譜及絕緣子串中心軸向溫度分布曲線如圖5和圖6所示。

圖5 錦韓線C相絕緣子紅外圖譜

圖6 三相絕緣子串溫度分布

從圖5中可以看出韓錦線C相高壓側第3片絕緣子亮度明顯高于第2片及第4片絕緣子，圖6中可以看出三相絕緣子溫度分布曲線中A和B相絕緣子溫度曲線基本一致，C相第3片絕緣子最高溫度為7℃，較第4片絕緣子（6℃）的溫升為1℃，根據DL／T 664—2016《帶電設備紅外診斷技術應用規范》可初步判斷出第3片為低值絕緣子。總體上看，含有劣化絕緣子的絕緣子串整體溫度會升高，高壓端升高明顯，低壓端溫差略有降低。

4 實驗室驗證

及時安排停電計劃，對紅外熱像檢測方法確定的異常絕緣子串進行更換，對更換下的瓷質絕緣子進行外觀檢查、絕緣電阻測量、短路叉法測量、直流泄漏電流及交流耐壓試驗等實驗室檢查項目測試，確定各絕緣子的運行狀態，對紅外熱像檢測結果進行驗證。

4.1 外觀檢查

對更換下來的絕緣子外觀進行檢查，如圖7所示，更換下來的絕緣子串受環境影響表面臟污比較嚴重，在主變壓器進線側B相第1片和第4片絕緣子鋼帽、C相第1片瓷件和鋼腳連接處，錦韓線C相第3片絕緣子瓷件和鋼腳連接處發現有放電燒蝕痕跡。

圖7 外觀檢查

4.2 絕緣電阻測試

對更換下來的絕緣子逐片進行絕緣電阻測試，測試結果如表1所示，其中A1、B1、C1表示甲變電站2號主變壓器進線間隔三相絕緣子串，A2、B2、C2表示韓錦線間隔三相絕緣子串。

表1 絕緣子絕緣電阻測試數據 MΩ

根據DL／T 664—2016《帶電設備紅外診斷技術應用規范》規定：絕緣電阻值在10～300 MΩ的瓷質絕緣子為低值絕緣子。從表1中可以看出B1第4片絕緣子為200 MΩ，C2第3片絕緣子為130 MΩ，這兩片絕緣子為低值絕緣子。試驗結果與紅外熱像檢測所得結論不是十分吻合。該試驗證明紅外熱像法可以有效地檢測到劣化絕緣子的狀態，但是所依據的1K的判據在判斷低值絕緣子的過程中并不是十分的精確。

4.3 短路叉法測試

利用短路叉法對絕緣子進行檢測是目前絕緣子檢零工作中應用最為廣泛的方法，在實驗室中模擬現場的實際運行環境并使用短路叉進行檢測。檢測過程中正常絕緣子產生明顯的火花放電現象，對于低值絕緣子即B1第4片和C2第3片絕緣子沒有明顯的放電現象，可以看出短路叉法可以檢測出低值絕緣子，檢測過程中對于已經劣化但未達到低值絕緣子水平的B1第1片和C1第1片檢測效果不明顯，進而無法對其運行狀態做出正確的判斷。將紅外熱像法分析結果與短路叉法測試結果均與絕緣子串實際絕緣電阻測試試驗結果對比，可以得出短路叉法檢測效果較紅外熱像法檢測效果更準確，但對于已經劣化但未達到低值絕緣子水平的絕緣子不靈敏。

4.4 絕緣子泄漏電流測試

為更好地掌握絕緣子的狀況，將5 kV、10 kV、20 kV、30 kV的直流電壓分別施加到4片劣化絕緣子以及正常絕緣子上，測量其對應電壓下的直流泄漏電流，測試結果如表2所示。

表2 絕緣子直流泄漏電流測試結果

由表2可知，正常絕緣子各直流電壓下泄漏電流數值基本為0，運行狀態良好。B1第4片和C2第3片絕緣子泄漏電流數值較大，在直流20 kV時均出現擊穿現象，B1第1片、C1第1片相對于正常絕緣子各電壓下的直流泄漏電流均有明顯增大。直流泄漏電壓測試結果與絕緣電阻測試結果一致，從另一方面驗證了紅外熱像法檢測劣化絕緣子的有效性。

5 結語

隨著狀態檢修工作的全面開展，利用紅外熱像法及時掌握瓷絕緣子的運行狀態，對電網安全運行具有重要的意義，通過對兩起紅外熱像法發現的缺陷進行分析和驗證，證明紅外熱像法在檢測絕緣子狀態中的有效性。

使用紅外熱像法檢測絕緣子狀態時，宜在陰天或夜間使用精度較高的紅外熱像儀進行，正常的絕緣子串溫度分布為一條鋸齒狀的不對稱分布的馬鞍形曲線，判斷絕緣子狀態是否異常時可以用同相或者相間絕緣子之間相互比較的方法。

在分析中發現紅外熱像法檢測瓷質絕緣子串高壓側絕緣子運行狀況效果不理想，應進一步研究各種異常情況下的典型圖譜，進一步完善紅外熱像法檢測規程，推廣紅外熱像檢測方法以提高絕緣子的安全運行水平。