溫度、濕度和風速對紅外檢測絕緣子的影響分析

夏 凡

（三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002）

引言

隨著我國經濟進入高質量發展階段，對電能供應的量與質的要求也越來越高，在各電壓等級輸電線路規模快速增加的同時，對線路的運維水平也提出了越來越高的要求。傳統的人工巡檢無法滿足，現階段，利用紅外熱像檢測絕緣子技術逐漸成熟，劣化絕緣子智能化檢測成為了可能，該技術具有安全、高效、抗干擾能力強等優點，但在絕緣子劣化識別的應用中仍存在著診斷標準不完善、難以避免檢測盲區、檢測效果易受環境影響等不足。如何高效檢測劣化絕緣子成為電力運行部門越來越關注的問題[1-3]。

目前對于絕緣子狀態檢測方法，國內外研究學者進行了大量的研究并取得了豐碩的研究成果，主要有電壓分布法、泄露電流法、超聲波法、紫外成像法和紅外成像法等多種方法[4-12]。這些方法不能全面地反映絕緣子具體結構信息，也未考慮不同風速對不同污穢絕緣子發熱特性的影響。

針對絕緣子紅外檢測容易受到復雜環境影響、診斷標準不完善問題，本研究以瓷質絕緣子為例，研究環境溫度、濕度和風速在絕緣子表面均勻污穢和非均勻污穢情況下的發熱規律及其對紅外檢測的影響。

1 絕緣子分析模型

1.1 熱平衡方程

結合絕緣子熱傳遞方式和傳熱學[13]得到絕緣子在柱坐標下的熱平衡方程式：

式中：T為絕緣子溫度，單位為℃；λ為導熱系數，單位為W/(m·K)；P為熱流密度，單位為W/m2；r、z、φ分別為柱坐標變量。

由實際情況可確定邊界條件為對流散熱[14]，因此絕緣子表面有式（2）關系：

式（2）和（3）中：qh為熱流密度，單位為W/m2；h為對流換熱系數，單位為 W/(m2·K)；v為風速大小，單位為m/s；T、T0分別為絕緣子表面溫度、環境溫度，單位為℃。

通過comsol有限元軟件結合絕緣子熱平衡方程和邊界條件便可求出絕緣子的溫度分布情況。

1.2 瓷絕緣子仿真模型及參數

選取110 kV輸電線路所用的瓷絕緣子進行1∶1建模。由于絕緣子為對稱模型，可以將瓷絕緣子進行二維簡化，單片絕緣子模型如圖1所示。在瓷件的上下表面建立一定厚度的污穢層，以便后面仿真分析，絕緣子的具體技術參數如表1所示，污穢層電導率參數參見文獻[15]。

圖1 絕緣子二維對稱截面

表1 各種材料屬性

2 模型驗證

對7片絕緣子仿真計算時，從下往上依次排列1～7號絕緣子，對1號絕緣子鋼腳設置電壓為63.5 kV，7號絕緣子鋼帽設置0電位，改變零值絕緣子的不同位置，得到絕緣串電壓分布如圖2所示，當絕緣子串中無零值絕緣子時，絕緣子串電壓呈現U型分布，即首端絕緣子電壓最高，尾端絕緣子次之，中部絕緣子電壓最低；當絕緣子串首端、中部和尾端依次出現零值絕緣子時，絕緣子串電壓分布將會發生改變，較無零值絕緣子的絕緣子串，有零值絕緣子的電壓分布有所抬升，與實際線路中絕緣子電壓分布情況相符，證明該模型的可行性。

圖2 絕緣子串電壓分布

3 絕緣子串溫度分布影響因素分析

3.1 環境溫度對檢測的影響

改變環境溫度分別20℃、25℃和30℃，絕緣子串溫度分布如圖3所示。從圖3可知，當環境溫度一樣時，絕緣子表面均勻污穢的溫度略高于絕緣子表面非均勻污穢的溫度；當絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時，環境溫度越高，絕緣子表面溫度也越高。

圖3 環境溫度對檢測的影響

3.2 濕度對絕緣子溫度分布的影響

改變濕度，絕緣子串溫度分布如圖4所示。由圖4可知，當相對濕度一定時，絕緣子表面均勻污穢時的溫度分布略高于絕緣子表面非均勻污穢分布對應的溫度，這是由于絕緣子上表面污穢鹽密高于下表面污穢的鹽密的緣故，符合實際情況；當絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時，濕度越大，絕緣子相對環境溫度越高，利于檢測。

圖4 濕度對絕緣子溫度分布影響

3.3 風速對絕緣子溫度分布影響

風速對絕緣子溫度分布的影響如圖5所示。

圖5 風速對絕緣子串溫度分布影響

從圖5可知，當風速一定時，絕緣子表面均勻污穢的溫度分布略高于絕緣子表面非均勻污穢的溫度，這是由于絕緣子上表面污穢鹽密高于下表面污穢的鹽密的緣故，符合實際情況；當絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時，風速越大，絕緣子表面相對環境溫度越低，容易造成誤檢，因此對絕緣子進行紅外檢測時，風速不宜過大。

4 結論

（1）考慮絕緣子運行的實際情況，絕緣子表面上層污穢比絕緣子下表面污穢嚴重，當其它影響因素不變時，均勻污穢絕緣子比非均勻污穢絕緣子溫度略高。

（2）環境越高時，絕緣子表面溫度也越高，相對濕度可能降低，不利于檢測，因此，對絕緣子進行紅外檢測時，環境溫度不宜過30℃。

（3）當其他影響因素不變時，濕度越高，絕緣子溫度越高，越利于檢測，因此，對絕緣子紅外檢測時，相對濕度不宜低于80%。

（4）當其他影響因素不變時，風速越大，絕緣子溫升越低，越不利于檢測，容易造成誤檢。因此，在對絕緣子紅外檢測時，風速不宜超過4 m/s。