輸電線路復合絕緣子紅外測溫檢測距離的計算方法

劉 嶸，賈 然，沈 浩，劉傳彬，張 洋

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

對輸電線路復合絕緣子進行帶電檢測，是發現絕緣子是否存在絕緣缺陷的有效手段［1-2］，已得到廣泛應用。目前復合絕緣子的帶電檢測方法主要有紅外檢測和紫外檢測兩種，需要對絕緣子進行精確檢測。復合絕緣子由傘裙、護套、芯棒和端部連接組成，帶電檢測時須重點對芯棒部位檢測，如果現場檢測時芯棒外的護套被傘裙遮擋，難以準確獲取芯棒部位的運行狀況，不能準確判斷絕緣子是否存在絕緣缺陷。受絕緣子等設備安裝情況和現場周圍環境等因素影響，現場檢測時需選取合適的檢測位置，保證絕緣子傘裙不會完全遮擋芯棒外的護套。目前無人機、直升機在輸電線路的智能巡檢中已應用較為廣泛，現場需尋找更優的測試位置以避免傘裙遮擋，尤其對于現場V 型串塔身內側絕緣子［3-6］，現場受環境因素、儀器精度影響，存在肉眼無法判斷是否存在遮擋的情況，如復合絕緣子紅外檢測屬于精確測溫，夜間或光線較暗情況下檢測時難以看到芯棒外的護套是否遮擋。

檢測距離對紅外測溫的精度影響較大［7-8］，復合絕緣子紅外精確測溫的識別距離，即紅外測溫儀器的最大測溫距離，可根據熱像儀參數計算［9］。目前尚無考慮復合絕緣子芯棒外護套遮擋的帶電檢測距離范圍的計算方法。

本文分析了紅外熱像儀儀器參數與檢測距離的關系，分析復合絕緣子表面結構形狀，得出復合絕緣子帶電檢測有效距離范圍的計算方法，彌補了以上不足，從而提高檢測的準確性；在采用智能化巡檢手段時，可采用該計算方法進行自動判斷，確定檢測位置是否滿足檢測要求，是否存在芯棒被傘裙遮擋的情況。

對于人工地面檢測，通過計算確定最大檢測距離和最小檢測距離，得出人工地面檢測的有效距離范圍；對于直升機或無人機檢測，計算確定檢測角度范圍，以保證在對復合絕緣子進行檢測時，能準確獲取芯棒部位的運行狀況，準確判斷絕緣子是否存在絕緣缺陷。

1 紅外鏡頭參數與距離的關系

1.1 視場角與距離的關系

視場角在光學工程中又稱視場，視場角的大小決定了光學儀器的視野范圍。視場角越大，視野就越大。紅外熱像儀的紅外鏡頭視場角一般分為水平視場角HFOV和垂直視場角VFOV。視場角示意如圖1所示。

圖1 視場角示意

在對復合絕緣子紅外檢測時，應盡量保證絕緣子充滿熱像儀視場，對于長度為l的復合絕緣子，充滿水平視場時，距離D應滿足

充滿垂直視場時，距離D應滿足

1.2 空間分辨率與距離的關系

紅外熱像儀的空間分辨率是指熱像儀能夠識別的兩個目標的最小距離。可以認為是一個溫度點代表實際空間方形區域的邊長，是熱像儀的最小分辨單元，在熱像圖中就是一個像素點的邊長。通常用熱像儀的瞬時視場角IFOV的大小表示，即圖1 中的4，單位為mrad。瞬時視場角IFOV為

式中：m為水平像素數；n為垂直像素數。

根據1 個像素點的邊長代表的實際尺寸和IFOV，就可以計算出1 rad 代表的實際尺寸，即熱像儀到目標的距離D。

對復合絕緣子紅外檢測時，應保證兩個相鄰傘裙間的芯棒外護套有足夠數量的測量點，即熱像圖中兩個相鄰傘裙間有足夠數量的像素數，對于兩個相鄰傘裙間距離為lmin的復合絕緣子，檢測距離D應滿足

式中：n為識別所需像素數。

1.3 現場檢測距離的確定

現場檢測時，可根據待檢測的復合絕緣子串長和所使用的紅外熱像儀鏡頭參數計算，確定適合的檢測距離。

目前常用紅外熱像儀鏡頭，根據視場角的不同，有7°×5.3°（7°鏡頭）、12°×9°（12°鏡頭）、24°×18°（24°鏡頭）、45°×34°（45°鏡頭）等幾種，7°鏡頭和24°鏡頭應用最多。探測器紅外分辨率大多為640×480。

現有部分紅外鏡頭視場角采用對角視場角DFOV，即視野對角線的角度。可根據探測器紅外分辨率換算成HFOV和VFOV。例如某型號無人機紅外鏡頭DFOV為40.6°，紅外分辨率640×512，換算后HFOV和VFOV分別為32°和25.6°。

本文列出了不同電壓等級線路復合絕緣子的典型長度，如表1 所示。在不考慮現場絕緣子懸掛造成視野中傾斜的情況下，分別對7°鏡頭、24°鏡頭和32°鏡頭，按照式（2）計算絕緣子充滿垂直視場時的最小檢測距離，測量點的大小按照垂直像素數480 計算得出。

表1 不同長度絕緣子不同鏡頭時的檢測距離

從表1 可以看出，在絕緣子串充滿垂直視場的情況下，鏡頭視場角越大，需要的最小檢測距離越小。測量點的大小，只與串長和鏡頭垂直像素數有關；使用視場角大的紅外鏡頭，雖然縮短了檢測距離，但不會提高測溫的準確程度；使用視場角小的紅外鏡頭，在現場地形復雜難以靠近絕緣子或桿塔高度較高時，可適當加大檢測距離，保證測溫的準確程度。

1.4 現場檢測對比

現場檢測時使用紅外成像儀，對某500 kV 線路復合絕緣子，在地面同一檢測位置，先后用兩種鏡頭對存在過熱缺陷的同一支絕緣子進行了檢測，熱像儀與絕緣子的直線距離為53 m，圖2 包含24°鏡頭和7°鏡頭測溫圖像。從圖像可以看出，這兩種鏡頭在溫度的測量上差別不大，但7°鏡頭圖像比24°鏡頭圖像清晰的多，大傘裙輪廓清楚，可從圖像上得知過熱點位置。兩種鏡頭在檢測距離滿足要求的情況下，均可用于檢測絕緣子是否存在絕緣缺陷，但要確定過熱點位置，使用7°鏡頭最佳。

圖2 不同鏡頭測溫圖像對比

圖3（a）為絕緣子地面檢測時，采用24°鏡頭得到的紅外圖像，熱像儀與絕緣子的直線距離為24 m；圖3（b）為無人機檢測時，采用32°鏡頭得到的紅外圖像，熱像儀與絕緣子的直線距離為10 m。從圖像可以看出，雖無人機測溫比地面檢測距離小，但無人機測溫圖像質量明顯不如地面測溫。采用搭載廣角鏡頭的無人機檢測時，應適當縮短檢測距離，以保證紅外圖像質量。

圖3 無人機與地面紅外測溫圖像對比

1.5 紅外熱像儀的選擇

從以上分析可以看出，視場角和探測器紅外分辨率這兩個紅外鏡頭參數與絕緣子紅外檢測精度密切相關的兩個參數。在現場檢測選擇紅外熱像儀時，應重點考慮這兩個參數能否滿足檢測設備和現場環境的要求。

在采用無人機紅外檢測時，如果紅外鏡頭視場角過大，需要拉近無人機與絕緣子的距離，才能保證一個測量點的大小能夠滿足精度要求。無人機與線路距離過小，有可能發生無人機碰線，導致線路故障；人員操作無人機與線路距離過大，則無法保證測溫精度。因此無人機配置的紅外鏡頭參數應結合現場設備參數和安全距離選取，建議增大安全距離裕度，選擇視場角小一些的紅外鏡頭，同時保證現場作業安全和測溫精度。

對于500 kV 以上電壓等級線路復合絕緣子，紅外檢測時如要使整支絕緣子充滿熱像圖垂直視場，一個測量點的實際尺寸超過1.5 cm，分辨率下降，影響紅外檢測的準確程度，因此對于500 kV 以上電壓等級線路復合絕緣子，可采取分段測溫的方法，將一支絕緣子分成2段進行檢測。

2 復合絕緣子結構形狀對檢測距離的影響

對復合絕緣子進行紅外測溫，應保證絕緣子傘裙不會完全遮擋芯棒外的護套。從復合絕緣子結構形狀出發，根據傘裙伸出長度、傘間距及傘傾角，進行計算，得出復合絕緣子檢測的距離范圍。

目前應用最廣泛的復合絕緣子結構形式為大小傘結構［10］，以大小傘結構形式（一大一小）的復合絕緣子為例進行說明，對于其他結構形式的復合絕緣子也可參照下述計算方法進行計算。一大一小復合絕緣子傘裙結構如圖4 所示。圖4 中，P1為大傘裙傘伸出長度，mm；P2為小傘裙傘伸出長度，mm；α為傘裙上傾角，°；β為傘裙下傾角，°；S1為兩個相鄰大傘的傘間距離，mm；S2為兩個相鄰大傘與小傘的傘間距離，mm。

圖4 復合絕緣子傘裙結構

2.1 復合絕緣子垂直懸掛

復合絕緣子垂直懸掛時檢測示意如圖5 所示，圖5 中θ為無人機或直升機巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測俯角；d為無人機或直升機巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測俯角；h為絕緣子待檢測位置距離地面的高度，d1為地面巡檢大傘裙下方芯棒時與桿塔的最小檢測距離；d2為地面巡檢小傘裙下方芯棒時與桿塔的最小檢測距離。

圖5 復合絕緣子垂直懸掛時檢測示意

1）地面檢測距離范圍的確定。

絕緣子在線路桿塔上的懸掛高度h一般超過10 m，傘間距S1一般為100～200 mm，傘裙上傾角α一般為10°左右，傘裙下傾角β一般為0～5°。

根據相似三角形定律可知

近似的，可取sinβ≈0，因此，

同理，

為保證兩個相鄰傘裙間的芯棒外護套有足夠數量的測量點，滿足紅外熱像儀測溫精度的最大檢測dmax按式（4）計算。

dmax為熱像儀與絕緣子的直線距離，檢測位置距離桿塔的距離為

從以上結果可以確定適合開展復合絕緣子檢測的距離范圍，檢測位置距離桿塔的水平距離d應滿足

2）直升機或無人機巡檢檢測角度范圍的確定。

采用直升機或無人機巡檢的方式開展復合絕緣子紅外或紫外檢測時，檢測位置應盡量與被檢測芯棒位置平齊；紅外檢測時盡量保證整只復合絕緣子在儀器視場范圍內，檢測位置盡量與高壓端平齊，至少應保證高壓端芯棒不被傘裙遮擋，即檢測位置與最下端（高壓端）芯棒的連線與水平方向的夾角應能滿足芯棒不被傘裙遮擋的要求。

從圖5可以得出

近似的，可取tanβ≈0，因此

從以上計算得出，無人機或直升機巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測俯角為

無人機或直升機巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測俯角為

2.2 復合絕緣子傾斜懸掛

復合絕緣子懸掛與垂直方向存在夾角時的檢測示意如圖6 所示，圖6 中ε 為復合絕緣子懸掛方向與垂直方向的夾角，°；a為大傘裙邊緣與上方相鄰小傘裙根部連線與芯棒的夾角，°；b為小傘裙邊緣與上方相鄰大傘裙根部連線與芯棒的夾角，°。

圖6 復合絕緣子懸掛與垂直方向存在夾角時的檢測示意

1）地面檢測距離范圍的確定。

根據相似三角形定律可知

由于

計算得出

同理，

從以上結果可以確定適合開展復合絕緣子檢測的距離范圍，檢測位置距離桿塔的水平距離d應滿足式（9）。

2）直升機或無人機巡檢檢測角度范圍的確定。

從2.1.2的推導可以得出圖6無人機或直升機巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測俯角為

無人機或直升機巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測俯角為

復合絕緣子傾斜懸掛時的計算公式也適用于ε=0 的情況，對于其他結構形式的復合絕緣子也可參照上述計算方法進行計算。

2.3 現場檢測應用

以某500 kV 線路復合絕緣子地面紅外檢測為例，該復合絕緣子為大小傘結構，傘間距S1為100 mm，大傘裙傘伸出長度P1為68 mm；小傘裙傘伸出長度P2為50 mm，絕緣子垂直懸掛，懸掛高度h為21 m。按式（18）計算，d1為21m；按式（19）計算，d2為28.56 m；采用7°鏡頭，熱像儀與絕緣子的直線距離dmax按表1，取48.6 m。因此，按式（9），地面檢測位置距離桿塔的水平距離d應大于28.56 m 且小于48.6 m。圖7 為地面檢測距離為31 m 時的紅外檢測圖像，絕緣子傘裙輪廓及芯棒成像清晰。

圖7 復合絕緣子紅外檢測圖像

通過以上計算分析可以看出，對復合絕緣子地面測溫時，可以根據復合絕緣子傘裙的傘伸出長度、傘間距和懸掛的傾斜角度，按式（18）和式（19）計算出現場紅外檢測時的最小距離，再結合式（4）對測溫精度的要求，得出地面測溫的距離范圍。采用直升機或無人機巡檢時，根據復合絕緣子傘裙的傘伸出長度、傘間距和懸掛的傾斜角度，可以按式（20）和式（21）計算出現場檢測的角度范圍。

3 結語

分析了紅外熱像儀鏡頭參數與檢測距離的關系，說明了通過鏡頭參數計算檢測距離的方法，在現場檢測選擇紅外熱像儀時，應重點考慮視場角和探測器紅外分辨率這兩個紅外鏡頭參數能否滿足檢測設備和現場環境的要求。無人機配置紅外鏡頭應兼顧現場作業安全和測溫精度，建議增大安全距離裕度，選擇視場角小一些的紅外鏡頭。對于500 kV 以上電壓等級線路復合絕緣子，一個測量點的實際尺寸超過1.5cm，分辨率下降，可采取分段測溫的方法。

根據復合絕緣子結構形狀（傘裙的傘伸出長度、傘間距）、現場懸掛情況和紅外熱像儀參數，可通過本文的方法計算出滿足絕緣子紅外檢測精度要求的距離范圍或航巡角度范圍，保證現場檢測能夠準確獲取絕緣子運行狀況。