基于紫外成像的復(fù)合絕緣子人工污穢實驗室設(shè)計

苑 舜，劉 洋，李希元

(1．國家電力監(jiān)管委員會東北監(jiān)管局，遼寧 沈陽 110006;2．沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870;3．營口供電公司，遼寧 營口 115000)

污穢閃絡(luò)在復(fù)合絕緣子閃絡(luò)總數(shù)中位居第二，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。國內(nèi)外對污閃進(jìn)行了大量研究試驗，目前仍沒有一套完整的理論將所有絕緣子閃絡(luò)原因解釋清楚［1］。人工污穢試驗就是利用人工方法在絕緣子表面涂以污穢，并使之受潮，以模擬實際運(yùn)行工況的一項試驗。為了更好地建立人工模擬與實際運(yùn)行情況的等價性，需要建立一個人工氣候控制室對試驗條件進(jìn)行嚴(yán)格控制和精確模擬，因此，人工污穢實驗室應(yīng)運(yùn)而生。

國內(nèi)外在研究絕緣子閃絡(luò)的同時，也在不斷研究如何防患于未然。基于我國目前檢修方式存在的問題，國家電網(wǎng)不失時機(jī)開始推行狀態(tài)檢修［2］。目前已應(yīng)用的在線監(jiān)測絕緣子運(yùn)行情況的方法很多，其中紫外成像法以其直觀、靈敏、易于發(fā)現(xiàn)絕緣子缺陷等優(yōu)點不斷地被優(yōu)化與推廣［3］。利用紫外成像法觀測絕緣子污穢試驗過程，記錄閃絡(luò)圖像及參數(shù)可以更精確地量化絕緣子的閃絡(luò)過程，為污閃機(jī)理研究提供重要依據(jù)。

基于紫外成像的復(fù)合絕緣子人工污穢實驗室可以滿足最高施加電壓為50 kV的復(fù)合絕緣子污穢試驗要求，并通過電場分析、紫外成像影響研究，論證并設(shè)計出該實驗室。

1 人工污穢實驗室材料的選取

污室主體材料的選取應(yīng)滿足以下試驗要求。

a． 材料必須具有足夠的絕緣強(qiáng)度，由于該試驗是帶電操作，材料必須為電氣絕緣材料，并具有良好的介電性能，確保絕緣子在閃絡(luò)過程中不會發(fā)生擊穿、漏電等現(xiàn)象，確保試驗的安全。

b． 材料必須具有較高的紫外線透過率，減小對紫外成像儀的影響。該試驗擬采用紫外成像儀進(jìn)行光子數(shù)的采集，因此，對污室的紫外透過率有很高的要求，確保成像的精確性。

c． 材料必須滿足試驗溫度的要求，該試驗為復(fù)合絕緣子的人工污穢閃絡(luò)試驗，閃絡(luò)過程中會產(chǎn)生貫穿性電弧，并出現(xiàn)瞬時高溫，因此，實驗室材料必須滿足高溫下不變形、不破壞等要求，確保試驗安全性。

根據(jù)上述試驗要求，實驗室最終采用玻璃作為實驗室的主體材料。玻璃屬無機(jī)絕緣材料，具有較好的介電性能。在絕緣材料中其耐熱性能屬C級，極限工作溫度為180℃以上，符合實驗室的設(shè)計要求，并具有良好的透光性，可方便觀察實驗室內(nèi)的情況。而普通白玻璃的紫外線透過率幾乎為0，無法進(jìn)行紫外觀測。為配合紫外線成像儀，在實驗室一側(cè)開設(shè)紫外觀察窗口，鑲嵌具有高紫外透過率的石英鏡片。石英玻璃為二氧化硅單一組分的玻璃，這種玻璃硬度大，可達(dá)莫氏7級，具有耐高溫、膨脹系數(shù)低、耐熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性能良好，并能透過紫外線等優(yōu)點。該設(shè)計采用的是透明的光學(xué)石英玻璃，介電常數(shù)ε=3.7，介電損耗tanδ=0.000 3(50周/s)，電阻為 1×1019(Ω/cm)，耐擊穿電壓與溫度有關(guān)，其關(guān)系見表1［4］。

表1 透明石英玻璃耐受電壓與溫度的關(guān)系

因此，石英玻璃的介電性能和耐熱性能滿足試驗要求。

2 人工污穢實驗室的設(shè)計

人工污穢實驗室的設(shè)計尺寸按照試驗設(shè)備最高工作電壓下所需的安全距離 (通常按棒—板或棒—棒長間隙放電距離)估算。

圖1 物理模型及場路分析

表2 各種介質(zhì)的物理參數(shù)

當(dāng)空氣間隙的平均電場超過臨界擊穿場強(qiáng)時，將產(chǎn)生電弧并短接空氣間隙。

根據(jù)《電工手冊》得，所選的普通玻璃的絕緣強(qiáng)度約為25 kV/cm，代入式 (2)可得到臨界條件為x≥0.356 m，加上絕緣子傘裙半徑等，污室底面尺寸應(yīng)≥1 m。為了安全起見，設(shè)計時留有30%裕度，因此污室底面設(shè)定為1.5 m×1.5 m。

該污室模擬人工閃絡(luò)試驗施加的最高電壓等級為50 kV。根據(jù)GB/T16434—1996，干凈或輕度污染的復(fù)合絕緣子交流爬電比距 λAC為 16～20 mm/kV，電壓等級為50 kV，爬電距離L=λAC×U=1 m［5］;根據(jù)IEC507推薦，安裝高度應(yīng)對地有足夠的絕緣距離，根據(jù)試驗電壓等級選取對地距離為1 m，因此，污室設(shè)計高度內(nèi)徑應(yīng)為2 m。

對試驗絕緣子進(jìn)行場路模型分析，各介質(zhì)的物理參數(shù)如表2所示，電場模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1(a)給出了三維電場計算模型，可以進(jìn)行沿面電場計算。由圖1(b)的電位圖可見，空氣間隙承擔(dān)了大部分絕緣子所承受的電壓，空氣間隙上的場強(qiáng)較絕緣子其它地方的場強(qiáng)強(qiáng)很多。因此，絕緣子高壓端和低壓端是絕緣子電弧起弧的地方?？諝忾g隙放電電壓與間隙距離的關(guān)系為

由式 (1)得到絕緣子空氣間隙臨界平均擊穿場強(qiáng)與間隙距離的關(guān)系，即:

3 溫濕度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖2 噴霧測量及調(diào)控系統(tǒng)綜合作用機(jī)制圖

人工污穢試驗是用人工的方法在絕緣子表面上涂以污穢并使污層受潮，是模擬實際運(yùn)行情況的一項試驗。其特點是試驗條件可以比較嚴(yán)格的人為加以控制，并根據(jù)需要加以改變，因此，通過噴霧測量及調(diào)控系統(tǒng)對溫濕度的控制是重要環(huán)節(jié)。在人工污室中必須設(shè)計溫濕度控制系統(tǒng)，且配有溫度傳感器對室內(nèi)溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，其工作機(jī)制見圖2。

4 泄漏電流測試系統(tǒng)

泄漏電流為人工污穢試驗中比較重要的參數(shù)，因此需要設(shè)置泄漏電流采集系統(tǒng)。泄漏電流采集系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測單元、主站處理單元、過電壓保護(hù)單元組成?，F(xiàn)場監(jiān)測單元為泄漏電流傳感器模塊，該監(jiān)測單元具有分段采取電流信號的功能，內(nèi)部配有多段保護(hù)裝置，確保裝置工作的安全性;主站處理單元由信號轉(zhuǎn)接盒和裝有數(shù)據(jù)采集卡的計算機(jī)組成，具有集中信號并進(jìn)行分析處理的功能;過電壓保護(hù)單元起到對主站處理單元過電壓保護(hù)作用，確保整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5 紫外成像采集系統(tǒng)

紫外成像采集系統(tǒng)主要包括紫外成像設(shè)備和圖像采集設(shè)備。紫外成像設(shè)備采用全日盲紫外成像儀(如圖3所示)，設(shè)備靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，可完全擺脫太陽光的干擾，檢測時間不受限制，能在背景干擾中靈敏探測出電暈部位發(fā)出的微弱紫外光。圖像采集設(shè)備采用高分辨率的數(shù)碼錄像機(jī)，用高速傳輸端口與紫外成像儀連接，即時輸出采集的放電紫外圖像。

圖3 日盲型紫外成像儀

圖4 人工污穢實驗室的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

6 人工污穢實驗室的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上各部分系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)行合理的配置及優(yōu)化，基于紫外成像的人工污穢實驗室結(jié)構(gòu)如圖4所示。

7 結(jié)論

a． 根據(jù)10 kV復(fù)合絕緣子人工污穢試驗對電、熱性能的要求，選取玻璃作為實驗室的構(gòu)造材料，并選取紫外透過率較高的石英鏡片建立紫外觀察窗。

b． 通過對絕緣子進(jìn)行模型模擬和電場分析，結(jié)合污室材料的絕緣強(qiáng)度等，并保留適量裕度，設(shè)計污穢實驗室尺寸為1.5 m×1.5 m×2 m。

c． 為嚴(yán)格設(shè)計試驗環(huán)境，增加溫濕度檢測控制系統(tǒng)。

d． 為保證試驗安全進(jìn)行，增加泄漏電流測試系統(tǒng)。

［1］ 張志勁，蔣興良，孫才新．污穢絕緣子閃絡(luò)特性研究現(xiàn)狀及展望 ［J］．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(2):35－40．

［2］ 朱 鈺，陳瑞國，郝建成．淺談電力設(shè)備狀態(tài)檢修 ［J］．東北電力技術(shù)，2010，31(3):48－50．

［3］ 葉會生，劉 敏，雷紅才．紫外成像儀在電力設(shè)備缺陷檢測的應(yīng)用研究［J］．華中電力，2009，22(5):32－35．

［4］ 孫克軍．電工手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社．2009．

［5］ 徐通訓(xùn)．高壓電力設(shè)備環(huán)境污區(qū)分級及外絕緣選擇的新標(biāo)準(zhǔn) ［J］．東北電力技術(shù)，1997，18(10):47－50．