國內(nèi)外絕緣子在線檢測方法的研究

李波 黃嫄

（杭州市電力局，杭州 310016）

絕緣子在電力系統(tǒng)的絕緣方面占有非常重要的地位，并且其數(shù)量也相當大，為保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行，絕緣子的在線檢測技術(shù)一直以來都很受人們重視。按絕緣子材料分，可以將其分為三類，即瓷絕緣子、玻璃絕緣子和合成絕緣子。各種各類運行在輸電線上以及變電站中的懸式絕緣子都長時間暴露在空氣中，并且經(jīng)受雨水、污穢、冰和雪的侵襲。因此，它們在雷擊過電壓和操作過電壓下很容易發(fā)生污閃。

除了雷害之外，由污穢引起的污閃是另外一個主要引起故障的原因。但是，對于電力系統(tǒng)的運行來說，由污穢引起的絕緣子的污閃危害更大，造成的損失更加嚴重。因此，幾乎世界各個地方的電力系統(tǒng)都發(fā)生過污閃并造成過巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，近年來絕緣污閃事故僅次于雷擊，數(shù)量上居電網(wǎng)事故的第二位，而損失卻是雷擊事故的十倍[1]。

絕緣子的在線檢測方法按其原理分可分為電量法和非電量法；按其檢測方式可以分為接觸式和非接觸式；按自動化程度又可以分為遠程在線檢測法和非遠程檢測法。本文將著重介紹絕緣子的在線檢測方法，并按電量與非電量法分類。與此同時，還介紹了兩種離線適用的檢測方法。

1 非電量檢測方法

1.1 直接觀察法

此法是用望遠鏡在塔下觀察絕緣子，觀察其傘裙及芯棒有無異常，例如傘裙表面的粗糙程度，有無明顯的受侵蝕的痕跡，有無明顯的裂痕。此方法設(shè)備簡單，易于操作，在目前的線路檢修中仍然在使用，但是直接觀察法只能通過外部觀察并憑借操作人員的經(jīng)驗判斷絕緣子的好壞，誤差較大，并且對絕緣子的內(nèi)絕緣性能無法檢測，僅作為輔助檢測方法。

1.2 紫外成像法

絕緣子在局部放電過程中會放出紫外線，紫外成像法可檢測到絕緣子因局部放電而形成的碳化通道和蝕損，并能檢測到絕緣子的金具和均壓環(huán)的電暈放電信息。文獻[2]中給出了在實驗室環(huán)境下利用紫外成像儀拍攝的畫面，如圖1所示。圖中圓圈內(nèi)的亮點即為絕緣子缺陷的位置。

圖1 紫外成像儀所拍攝的絕緣子圖像

目前，已經(jīng)出現(xiàn)了可以白天使用的紫外成像儀[3]，但是紫外成像法均需要在局部放電發(fā)生時使用，且此時環(huán)境溫度較高（往往局部放電在陰天甚至是雨天發(fā)生），這對檢測帶來相當大的難度。此外，紫外成像儀也較昂貴，不利于絕緣子在線檢測的普及。

1.3 紅外成像法

紅外成像法是一種實用、便捷的現(xiàn)場在線檢測方法，它利用導線、接頭、套管以及絕緣子因泄漏電流或者內(nèi)絕緣缺陷而引起的局部過熱現(xiàn)象來檢測絕緣子的性能。目前已出現(xiàn)了可以白天使用的高檔紅外熱成像測溫儀。在局部溫度高于主體溫度情況下，紅外測溫儀可準確的測量局部溫度以判斷絕緣子的損傷程度。這些局部過熱的部位多表現(xiàn)為發(fā)黑、粉化、變脆、變硬甚至嚴重喪失憎水性。文獻[4]中運用紅外成像法對合成絕緣子進行檢測，不良絕緣子的檢測成功率較高。文獻[5]中同樣給出了用AGEM A 570 紅外熱成像測溫儀對廣東佛山局的3條 220/kV線路上的合成絕緣子進行檢測，發(fā)現(xiàn) 9只合成絕緣子的熱像圖異常，如圖2所示。并且發(fā)現(xiàn)發(fā)熱點多集中在高壓側(cè)以及發(fā)熱點至高壓端一段不能承受工頻耐壓試驗或者陡波沖擊試驗。但是，紅外成像法對早期絕緣缺陷缺乏有效的檢測，并且在絕緣子已大面積絕緣損傷時定位不準確，同時易受日光、風和環(huán)境溫度和濕度的影響。

圖2 利用紅外測溫儀拍攝的缺陷絕緣子熱像圖

1.4 超聲檢測法

超聲波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)交界面上會發(fā)生反射、折射和模式變換，利用這一原理，如果絕緣子有裂紋，就可在超聲波圖像上觀察到裂紋的反射波。文獻[6]對超聲檢測法作了探索性研究，提出了通過界面波的高度來判斷絕緣子的絕緣性能的好壞。文獻[7]運用模擬裂紋試驗分析了超聲檢測法對裂紋檢測的有效性。圖3為槽深1.2mm的裂紋超聲檢測圖，其中R為溝槽處的反射波。

圖3 槽深1.2mm時的超聲波反射波形

超聲檢測法對機械缺陷檢測相當有效，且操作簡單，抗干擾能力強。但是此法因其耦合和衰減及超聲波換能器性能問題還不適合現(xiàn)場檢測，目前只廣泛用于企業(yè)生產(chǎn)在線檢測和實驗室檢定。

1.5 等值鹽密法（ESDD）

目前全世界很多的國家和地區(qū)的標準都采用等值鹽密法來劃分絕緣子污穢等級。其基本原理是用一定量的蒸餾水將絕緣子表面的污穢全部洗下，并測量溶液的電導率，根據(jù) NaCl的溫度和濃度曲線將原溶液等效為NaCl溶液的數(shù)量，則等效的NaCl的質(zhì)量除以絕緣子的表面積就得到了等值鹽密度（Equivalent Salt Deposit Density，ESDD），用mg/cm2為單位來表示[8]。等值鹽密法因其直觀易懂，對人員和測量設(shè)備要求不是很高，在國內(nèi)從20世紀70年代開始已普遍使用。我國國家標準 GB/T 16434-1996推薦了高壓架空線路和發(fā)電廠和變電所外絕緣污穢等級和對應(yīng)的鹽密值，如表1所示[9]。

表1 高壓線路和發(fā)電廠、變電所污穢等級

另一方面，等值鹽密法在操作時消耗時間太長，也不適合絕緣子的在線檢測，并且得出的結(jié)論僅僅是絕緣子整體污穢的平均水平，不能真實反映絕緣子的絕緣性能。所以此法多用做絕緣子的污穢等級的評定，或者從整體上對一個地區(qū)的污穢等級的評定，這也可以為該地區(qū)絕緣子的選型提供參考。

2 電量檢測法

2.1 陡波試驗

在這里介紹陡波試驗主要因為此法在絕緣子的絕緣性能以及耐壓性能檢測效果較為明顯。IEC也推薦將復(fù)合絕緣子的陡波試驗列為抽查試驗項目[10]。

陡波試驗是在陡度大于等于1000kV/μs沖擊電壓的作用下對絕緣子進行絕緣缺陷的檢驗。如果在生產(chǎn)過程中絕緣子特別是復(fù)合絕緣子的粘接界面留有縫隙的話，那么這樣的絕緣子在陡波試驗中極有可能發(fā)生擊穿。文獻[10]在對陡波試驗進行多方面的研究之后得出結(jié)論整體模壓工藝比套裝結(jié)構(gòu)工藝的復(fù)合絕緣子耐陡波沖擊性能有明顯提高。此種方法較適合復(fù)合絕緣子在出廠前的檢驗，以剔除有缺陷絕緣子，防止隱患。但是陡波試驗需要陡波沖擊電壓的發(fā)生器，目前此設(shè)備很多絕緣子生產(chǎn)廠家還不具備該條件。文獻[10]中也提出了一種利用雷電沖擊電壓發(fā)生器改造產(chǎn)生的陡波沖擊電壓的方法，供參考。

1）電勢測量法

電勢測量法是很簡單的一種檢測法，它利用短路叉跨接在一串絕緣子中一片絕緣子的兩端，然后聽聲音，若這片絕緣子兩端存在電壓，則可聽到放電的聲音。若該片絕緣子為零值，絕緣子則不會發(fā)出放電的聲音。此方法國外已有經(jīng)過改進的專利產(chǎn)品，在過去相當一段時期內(nèi)針對瓷絕緣子應(yīng)用較廣泛，但是其操作危險性較高，受到影響的因素也較多，所以目前已很少使用[11]。

2）電阻法

早期的電阻測量法是利用高阻計對絕緣子作離線檢測，比較適合于絕緣子的出廠或安裝前的檢定。1981年 C.W.Levine獲得一項專利[12]，其產(chǎn)品可真正用于絕緣子的在線電阻測量，絕緣子的電阻值可直接從其測量單元讀取，直觀、方便，但是電阻法僅適用于低壓線路，對于高壓、超高壓線路的長絕緣子串操作也十分不方便。

3）電場法

一串正常的絕緣子外圍的電場分布應(yīng)是均勻的，其等勢線如圖4所示[11]，從高壓側(cè)到低壓側(cè)等勢線逐漸降低，所有的等勢線構(gòu)成一梨形。任何情況下電場線總是垂直于等勢線的，于是在正常絕緣子串中，因等勢線是梨形的，也就是說等勢線并不同絕緣子串的軸線平行，所以電場線（圖4中En）也不垂直于絕緣串的軸線。但是如果絕緣子串中存在缺陷絕緣子甚至是零值絕緣子，則該絕緣子兩端的電壓接近相等或者相等，此時絕緣子串的等勢線（圖4中的虛線）就近似平行或者平行于絕緣子串的軸線，相應(yīng)的此處的電場線（圖4中的Ed）也將接近垂直或者垂直于絕緣子串的軸線。所以通過檢測絕緣子串的電場就可以得知絕緣子的絕緣性能，特別對零值絕緣子很有效。

圖4 高壓線路上絕緣子周圍的等勢線分布

此外，絕緣子串可以被看作是夾在高壓側(cè)電極與低壓側(cè)電極之間的連續(xù)絕緣材料，對于正常絕緣子串的電場分布應(yīng)為均勻，若有絕緣缺陷存在，則電場會有突變，如圖5所示[13]。圖中的黑點處即為絕緣子缺陷的位置，從圖中可以看出該處的電場分布已發(fā)生突變。文獻[11]中也給出了測量絕緣子串電場分布的裝置，如圖6所示。

圖5 高壓線路絕緣子串周圍的電場分布

圖6 用于測量絕緣子串電場分布的裝置

電場法可直接反映絕緣子的絕緣狀況，受到干擾、影響較小，操作簡單，但對某些不影響電場分布的絕緣損傷靈敏度不高，并且此法需登高操作，十分不方便，也增加了操作人員的勞動強度。雖然過去很長一段時間電場法曾得到廣泛應(yīng)用，但在目前條件下電場法使用較少。

4）泄漏電流法

絕緣子串的泄漏電流與其表面的狀況密切相關(guān)[14]，所以可通過對泄漏電流的測量與分析來監(jiān)測絕緣子的絕緣性能。目前已成功研制出適合用于檢測泄漏電流的傳感器[15]，并利用現(xiàn)代計算機信息技術(shù)，比如模糊理論，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)再加入天氣狀況（如：溫度、濕度、風速、風向等）和運行年限等因素對絕緣子進行綜合評定，國外在這方面起步較早。主要是根據(jù)泄漏電流的峰值和在一定范圍內(nèi)的電流極值的個數(shù)建立與絕緣子性能的關(guān)系，從而判斷絕緣子的運行狀況。例如，對于400kV的線路來說，可分別統(tǒng)計極值在50～150mA、150～250mA、250～350mA、350～450mA和大于450mA范圍內(nèi)的的泄漏極值個數(shù)[16]。文獻[16-18]在這方面從硬件到軟件均作了相當?shù)奶剿鳎械囊苍趯嶋H中得到了應(yīng)用。文獻[16]中給出了泄漏的波形如圖 7所示。但是泄漏電流的檢測需要在每串絕緣子串上安裝相應(yīng)的設(shè)備，成本較高，且泄漏電流還受很多的因素影響，與此同時這種方法在判斷出絕緣子存在絕緣缺陷之后留給檢修人員的時間相當有限，不利于絕緣子檢修工作的開展。

圖7 泄漏電流波形

5）脈沖電流法

脈沖電流法的原理是：因為存在劣質(zhì)絕緣子的絕緣子串，并由于劣化絕緣子電阻很低，它在絕緣子串中承受的電壓很小，于是其他正常絕緣子在絕緣子串中承擔的電壓會明顯增大，而回路總阻抗減小，絕緣子電暈現(xiàn)象加劇，電暈脈沖電流必將變大，根據(jù)線路上存在劣質(zhì)絕緣子時電暈脈沖個數(shù)的增多、幅值增大的現(xiàn)象，利用寬頻帶電暈脈沖電流傳感器套入桿塔接地引線取出電暈脈沖電流信號，通過信號處理達到在低壓端檢出不良絕緣子的目的[19]。

文獻[20-21]中對脈沖電流法檢測絕緣子作了一定的研究工作，并給出了不同阻值的不良絕緣子在絕緣子串中的脈沖圖（如圖8所示），以及相同阻值的不良絕緣子在絕緣子串中不同位置的脈沖圖（如圖9所示）。

圖8 一片不良絕緣子在絕緣子串中的脈沖電流

圖9 不良絕緣子在絕緣子串中不同位置的脈沖電流

2.2 四個因素

由此進一步得出了影響脈沖電流法檢測不良絕緣子分辨率的四個因素：

（1）不良絕緣子的阻值越低，檢測分辨率越高。

（2）不良絕緣子在串中的位置越靠近導線側(cè)，檢測的分辨率越高。

（3）絕緣子串的片數(shù)越少，檢測的分辨率越高。

（4）正常絕緣子的電暈起始電壓越低，檢測分辨率越高[20]。

目前，國內(nèi)外均在進一步探索利用脈沖電流法檢測絕緣子的性能以及運用相關(guān)的信息融合技術(shù)，該技術(shù)會逐漸成熟起來。無論是便攜式產(chǎn)品還是遙測系統(tǒng)均可運用脈沖電流法。脈沖電流法在絕緣子的在線檢測方面在未來的一段時間內(nèi)將是熱點和重點。

3 結(jié)論

雖然目前在實際中運用的絕緣子檢測方法主要是紅外成像法、泄漏電流法以及輔助方法直接觀察法，但是脈沖電流在國內(nèi)外的研究中已處于前沿地位，技術(shù)會不斷完善，并且相應(yīng)的產(chǎn)品也會很快投入運行。隨著人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊理論在絕緣子在線檢測中的不斷運用以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)和信息技術(shù)的日益成熟，在智能化理論基礎(chǔ)上的、以數(shù)據(jù)分析為主的計算機輔助檢測、監(jiān)控和診斷技術(shù)將有長足的發(fā)展[21]。

[1]清華大學.西安交通大學合編. 高電壓絕緣[M]. 北京∶水利電力出版社,1986.

[2]程養(yǎng)春,李成榕,沈小軍.幾種合成絕緣子帶電檢測方法的比較[J].2004,30(6)∶35-37.

[3]戴利波.紫外成像技術(shù)在高壓設(shè)備帶電檢測中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(20)∶97-98.

[4]王祖林,黃濤,劉艷等.合成絕緣子故障的紅外熱像在線檢測[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2003,27(2)∶17-20.

[5]王祖林,黃松波.合成絕緣子擊穿事故及缺陷的在線檢測[J]. 高電壓技術(shù),2002,28(4)∶51-52.

[6]楊奕,陳以方,洪玉萍等.合成絕緣子的超聲法檢測方法[J]. 無損檢測(NDT),2003,25(7)∶337-357.

[7]梁曦東,戴建軍,周遠翔等. 超聲法檢測絕緣子用玻璃芯棒脆斷裂紋的研究[J]. 中國電機工程學報,2005,25(3)∶110-114.

[8]J.L＞Fierro-Chavez, I.Ramirez-Vazquez, G.Montoya-Tena. On-line leakage current monitoring of 400kV insulator strings in polluted areas[J]. IEE Proc. -Gener.Transm.Distrib., Vol.143,No.6, November 1996∶560-564.

[9]梁曦東,陳昌漁,周遠翔編著. 高電壓工程[M]. 北京∶清華大學出版社,2003.

[10]蘇玫. 陡波試驗在檢測復(fù)合絕緣子的作用[J]. 高電壓技術(shù),1997,23(3)∶72-74.

[11]G.H.Vaillancount, J.P.Bellerive, M.St-Jean. New Live Line Tester for Porcelain Suspension Insulatoers on High –Voltage Power Lines[J]. IEEETransactions on Power Delivery, 1994,9(1)∶208-219.

[12]Devine, C.W., Method and Apparatus for Testing Insulators. United States Patent No.4,266,184,May 5,1981.

[13]G.H.Vaillancount, S.Carignan, C. Jean. Experience with the Detection of Faulty Composite Insulators on High-Voltage Power Lines by the Electric Field Measurement Method[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1998,13(2)∶661-666.

[14]高野哲美等. 污穢絕緣子沿表面的泄漏電流與表面狀態(tài)的關(guān)系,電氣學會高電壓研究會資料(日文),1996,HV-96(1-10)∶53-61.

[15]聶一雄,尹項根. 絕緣子在線檢測方法的探討[J]. 現(xiàn)代科學儀器, 2000(11)∶27-30.

[16]J.L.Fierro-Chavez,I.Ramirez, G.Montoya-Tena. On-line Leakage Current Monitoring of 400KV Insulator Strings in Polluted Areas[J]. IEE Proc.-Gener. Transm Distrib.,1996,143(6)∶560-564.

[17]D.Devendranath, G.Girija, R.S.Shivakumara Aradhya.Development and Application of a Mult Channel Current Integrator-cum-peak Classifier for Online Monitoring of Leakage Current on RTV Coated Insulators[J]. IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib., 2005,152(2)∶247-252.

[18]Satoshi KURIHARA, Yanuar Z. Arief, Takumi TSURUSAKI. Construction of Remote Monitoring System for Separative Measurement of Leakage Current of Outdoor Insulators[C]. proceedings of the 7thInternational Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, 2003∶401-404.

[19]王海躍,李香龍,汲勝昌. 合成絕緣子在線檢測方法的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 高電壓技術(shù),2005,31(4)∶37-42.

[20]施倩,程養(yǎng)春,李成?. 脈沖電流法檢測不良絕緣子分辨率的研究[J]. 高電壓技術(shù),1998,24(3)∶44-46.

[21]陳卓,劉念,薄麗雅.電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[J].高電壓技術(shù),2005,31(4)∶46-48.