基于紅外檢測的劣化瓷絕緣串診斷方法

周學明，黃江林，胡丹暉，畢如玉，王萬昆，張耀東

（1.國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.國網咸寧供電公司，湖北 咸寧437100；3.國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢430050）

0 引言

瓷絕緣子因其機械性能和電氣性能穩定、使用壽命長等優點，獲得廣大輸電線路運維人員認可，在輸電線路上獲得了廣泛應用。但在應用過程中，瓷絕緣子串中因存在低零值劣化絕緣子，使得發生閃絡故障時，工頻故障電流從劣化絕緣子鋼帽內部通過，瞬間引起絕緣子鋼帽內部水泥發熱膨脹，致使劣化絕緣子鋼帽炸裂，造成掉串事件時有發生［1-11］。某電網所運維輸電線路自2016 年以來每年至少發生一次瓷絕緣子掉串事件。根據《DL/T 741-2010 架空輸電線路運行規程》要求，針對220 kV 及以下輸電線路每10 年應進行一次絕緣子電阻測試，以便排查低零值絕緣子［12］。根據《DL/T 626-2015 劣化盤形懸式絕緣子檢測規程》［13］，目前相對成熟的瓷絕緣檢測技術有絕緣電阻測試法、火花叉法、工頻耐壓測試法，其中火花叉法應用最為廣泛，是在正常運行條件下，人工登塔逐片檢測絕緣子。隨著電網的快速發展，運維線路的逐年增加，瓷絕緣子片數以萬計，難以按規程周期要求逐片開展瓷絕緣子檢測工作，這是近年來瓷絕緣子串掉串事件頻繁發生的重要因素。另外，DL/T 626-2015 還要求，瓷絕緣子投運2年內年均劣化率不得大于0.04%，2年后檢測周期內年均裂化率不得大于0.02%，即運行中的瓷絕緣子實際劣化率是很低的，因此研究高效定位劣化絕緣子，避免盲目逐片檢測絕緣子的檢測技術具有重要意義［14-17］。絕緣子發生絕緣劣化后，會造成絕緣子串的分布電壓改變［18-21］、泄漏電流異常，出現發熱或局部發涼現象［22-25］，本文基于紅外熱像儀采集每片絕緣子鋼帽溫度，對比正常絕緣子串和劣化絕緣子串的溫度分布曲線特征，提出劣化絕緣子串判據，實現高效定位劣化絕緣子串，為精細化逐片診斷劣化絕緣子極大地縮小范圍。

1 紅外檢測基本原理

1.1 瓷絕緣子劣化機理

瓷絕緣子劣化受多方面因素的影響，既與制造廠家選用的材料、配方、工藝流程有關，也與運行環境（如溫濕度變化、污穢情況）、運行中承受的電壓，以及外力的作用有關［26］。尤其是國產絕緣子，在制造過程中，由于工藝和配方的問題，或者原料混合不均、燒制火力不均等原因，容易在陶瓷內部形成微裂紋、吸濕性氣孔，并造成內部應力不均衡，存在局部應力集中現象，特別是鋼帽碗口處的局部應力集中和疲勞效應難以避免，遇到外部環境變化時，各部分漲縮不均勻、造成微裂紋加大、局部老化等現象，進而發生劣化。劣化的瓷絕緣子在電氣性能方面體現為絕緣電阻低零值。

1.2 絕緣子發熱原理

絕緣子等效電路可以用3個并聯的等效電阻來表示，如圖1所示［27］。C0為極間電容，其值約為50 pF；Rj為介質損耗發熱等效電阻；Rw為表面泄漏電流損耗等效電阻，其值與絕緣子表面清潔程度和氣象條件有關，正常情況下可認為趨于無窮大；Rl為內部穿透性泄漏電流損耗等效電阻，其大小取決于絕緣子內部劣化情況，對于正常絕緣子其值可為無窮大。絕緣子等效電導如式（1）所示。

圖1 絕緣子等效電路Fig.1 Equivalent circuit diagram

絕緣子的分布電壓直接導致絕緣子的發熱。絕緣子的發熱由3 部分組成，一部分為電介質在工頻電壓作用下極化效應發熱，即電介質損耗發熱；一部分為內部穿透性泄漏電流發熱，即絕緣子劣化通道等效電阻發熱；另一部分為表面爬電泄漏電流發熱。

同時考慮以上3 種發熱，絕緣子的總發熱功率P可以用式（2）表達：

式（2）中：Rj= 1/ωC0tan δ，對于瓷絕緣子，介質損耗角正切值tan δ約為0.02，則工頻條件下Rj約為3 185 MΩ，Uk為絕緣子兩端電壓。

絕緣子性能良好時，Rl無窮大，絕緣子鋼帽發熱功率近似為P=ωC0tan δ；絕緣子劣化時，Rl減小，絕緣子鋼帽發熱由劣化通道等效電阻和介質損耗決定，其發熱功率為

當絕緣子劣化，Rl變小，表現為一定低值時，絕緣子鋼帽發熱功率增加，溫度明顯升高；當絕緣子嚴重劣化，Rl進一步減小，表現為零值時，分布電壓Uk明顯減小，絕緣子鋼帽發熱功率小于正常值，溫度明顯下降。

1.3 劣化絕緣子紅外檢測原理

絕緣子發生絕緣劣化后，會造成絕緣子串的分布電壓改變、泄漏電流異常，出現發熱或局部發涼現象，這是紅外成像法檢測低零值絕緣子的基本原理。利用紅外檢測技術，對絕緣子進行紅外熱像處理，可以得到絕緣子串的熱場分布，通過與其他正常絕緣子溫度的比對來甄別低零值絕緣子［28-30］。

在瓷絕緣子紅外熱像檢測方面，20世紀80年代初開始已有不少對絕緣子劣化和污穢方面的紅外熱像實驗研究論文，有些成果已被收入到電力行業標準。在《DL/T 664-2008 帶電設備紅外診斷技術應用導則》中規定：運行中的零值絕緣子溫度較正常絕緣子低1 K。但是實際情況是，受檢測距離、連接金具熱傳導、劣化絕緣子在串中所處位置、風速風向等多方面因素的影響，在不同區域和不同檢測環境下，以1 K溫差為標準的檢出效果也存在較大的變化，普適性不強。為此，湖南大學姚建剛團隊從2002 年起開始瓷絕緣子零值紅外檢測技術研究，能夠精確自動提取絕緣子串各片絕緣子鋼帽溫度，并提出了劣化瓷絕緣子判據，但受檢測條件影響，漏判誤判情況依然存在［9］。本文通過研究劣化絕緣子串的溫度分布曲線特征，提出劣化絕緣子串判據，實現精確定位劣化絕緣子串，為精細化逐片診斷劣化絕緣子縮小范圍。

2 劣化絕緣子串診斷方法

正常條件下，瓷絕緣子串電壓分布和絕緣電阻基本相同，故其溫度分布基本一致。受風速風向等環境因素影響，背風面或風速小的瓷絕緣子串溫度往往總體偏低，但溫度分布曲線形態基本一致。當絕緣子串出現一片或多片劣化絕緣后，會造成絕緣子串的分布電壓改變、泄漏電流異常，出現發熱或局部發涼現象，即絕緣子串溫度分布曲線形態發生改變。那么劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度對比正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫度的差值離散性較大。

圖2 正常串和劣化串絕緣子溫度分布曲線Fig.2 Temperature distribution curves of normal string and deteriorated string insulators

數學上，方差是各個數據與平均數之差的平方的平均數，通常用字母D表示，用于衡量一組數據的離散程度。方差的算術平方根稱為該隨機變量的標準差，通常用字母S表示，標準差越大，說明這組數據離散程度越大；反之，離散程度越小。本文引入標準差概念，用以衡量劣化絕緣子溫度分布相對正常絕緣子串溫度分布的差異性。

根據檢測獲取的絕緣子串溫度信息，按編號提取各絕緣子串的鐵帽溫度Tik（i 代表絕緣子串的編號；k=1，2，…，N，代表絕緣子在串中的位置編號，導線端絕緣子位置編號為1，接地端絕緣子位置編號為N）。

式（3）中，T0k為正常絕緣子串第k 片絕緣子鋼帽溫度，Tik為絕緣子串編號為i的第k片絕緣子鋼帽溫度，ΔTik0k為絕緣子串編號為i 的第k 片絕緣子鋼帽溫度和正常絕緣子串第k片絕緣子鋼帽溫度的差值。

3 劣化絕緣子串判據閥值

評價絕緣子串是否存在劣化絕緣子即可根據劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對于正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫度差值的S(ΔT)而定。本文基于現場檢測的瓷絕緣子紅外測溫數據和絕緣電阻測量數據，研究劣化瓷絕緣子串判據閥值。

某220 kV 線路53 號桿塔B 相絕緣子發生掉串事故，運維單位當天針對該塔B 相雙串絕緣子進行了更換處理，并在后續工作中進一步完成了另外兩相絕緣子的全部更換。

3.1 紅外測溫數據

2019 年5 月15 日晚，天氣晴，溫度20.2 ℃，濕度66.5%，針對某220 kV 線53 號桿塔絕緣子串進行紅外測溫，獲得測溫數據如表1所示。

B相大號側左串和右串為新更換的正常瓷絕緣子串，以B 相大號側左串溫度分布為參考相，根據公式（2）計算得到其它相絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對于正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫度的差值的S(ΔT)如表2所示。

3.2 絕緣電阻測量數據

2019 年5 月16 日白天，天氣晴，溫度27 ℃，濕度85%，將某220 kV 線53 號桿塔絕緣子串進行全部更換，并進行逐片進行絕緣電阻測試，然后根據DL/T 626-2015要求（運行中500 kV以下絕緣子的絕緣電阻值低于300 MΩ 時判定為低值絕緣子，絕緣電阻值低于10 MΩ 時判定為零值絕緣子），判斷各絕緣串是否存在劣化絕緣子，評判結果如表3所示。

3.3 判據閥值確定

根據表3 中絕緣電阻檢測診斷結果可知，除新更換的B 相大號側兩串絕緣子為完好絕緣子串外，其它絕緣子串均存在不同程度的劣化。分析相對參考絕緣子串溫差的標準差可知，正常絕緣子串的溫差標準差為0.089，劣化絕緣子串的溫差標準差為0.232-1.504。

當取劣化絕緣子串判據閥值為0.15 時，即當S(ΔT)≥0.15時，判 定 該 串 絕 緣 子 存 在 劣 化；當S(ΔT)＜0.15時，判定該串絕緣子正常。根據表3 可知，該判據的可靠性為0.15/0.089=1.68；靈敏度大于1.5。從判據的可靠性和靈敏度來看，認為0.15的閥值具有一定科學性。

表1 53號桿塔瓷絕緣子紅外檢測溫度數據Table 1 Infrared temperature data of porcelain insulator on NO.53 tower

表2 相對參考絕緣子串溫差的標準差Table 2 Standard deviation of temperature difference relative to reference insulator string

表3 絕緣電阻檢測診斷結果Table 3 Insulation resistance detection and diagnosis results

表4 劣化絕緣子串判據閥值靈敏度Table 4 Deteriorated insulator string criterion threshold sensitivity

3.4 案例驗證

根據以上方式方法對3 km 外的41 號桿塔瓷絕緣子串進行紅外數據采集和絕緣電阻檢測，進一步驗證本文提出的劣化瓷絕緣子串診斷方法和判據閥值的合理性。

同樣以53 號桿塔B 相大號側左串溫度分布為參考相，根據公式（2）計算得到41 號桿塔各相絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對于正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫度的差值的S(ΔT)。同時，基于逐片絕緣子電阻檢測可知，41號桿塔中的12串瓷絕緣子串均存在不同程度的劣化絕緣子，對應的S(ΔT)值亦均大于0.15，最小靈敏度大于1.33，即本文提出的劣化絕緣串診斷方法和判據具有很好的普適性。

表5 41號桿塔劣化絕緣子串診斷結果Table 5 The NO.41 tower's diagnosis result of deteriorated insulator string

4 結語

正常瓷絕緣子串運行條件相同，各片絕緣子鋼帽溫度分布曲線基本一致，對應位置絕緣子鋼帽之間的溫差大小基本相同，即溫差標準差的值較小。

當瓷絕緣子串中存在劣化絕緣時，絕緣子串溫度分布會發生整體性變化，劣化絕緣子串各絕緣子鋼帽溫度相對于正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫度差值的離散性較大，即溫差標準差的值較大。

文章將絕緣子串各絕緣子鋼帽相對于正常絕緣子串對應位置絕緣子鋼帽溫差標準差的大小作為絕緣串是否劣化的判據，并基于現場檢測數據提出劣化絕緣子串判定閥值為0.15，并通過案例驗證判定閥值具有較好的可靠性和靈敏度。同時驗證了本文所提出通過目標絕緣子串相對正常絕緣子串溫差的標準差大于0.15來判斷絕緣子串存在劣化的方法是有效的。

文章正常絕緣子串是已知的，實際工程中如何準確判定正常絕緣子串，準確選擇參考絕緣子串是需要進一步研究的課題。另外，將進一步基于大量的現場檢測數據，驗證本文提出的劣化絕緣子串判定閥值的合理性，研究影響其可靠性和靈敏度的因素，以便做進一步優化。

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