關(guān)于合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)的研究

楊哲　鐘宏宇　高陽(yáng)等

3.國(guó)家電網(wǎng)公司遼寧沈陽(yáng)供電公司 ,沈陽(yáng) 110000）

摘要：合成絕緣子的電壓分布非線(xiàn)性程度大，傘裙間隔小，這給合成絕緣子的缺陷檢測(cè)帶來(lái)了困難。研究了基于電量式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)，對(duì)紫外脈沖法、超聲波檢測(cè)法和電場(chǎng)法原理做了詳細(xì)地闡述；研究了基于接觸式和非接觸式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)非接觸式做了綜合對(duì)照表；研究了基于線(xiàn)式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)，并繪制了紅外熱像儀工作原理圖；對(duì)絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)做了技術(shù)展望，這使得我國(guó)未來(lái)的絕緣子內(nèi)缺陷檢測(cè)工程實(shí)踐值得深思和借鑒。

關(guān)鍵詞：合成絕緣子；帶電檢測(cè)；污閃；紫外脈沖；超聲波檢測(cè)；電場(chǎng)法

0引言

合成絕緣子由于其特殊的電磁場(chǎng)和自然環(huán)境影響，需要定期地排查和檢修。目前對(duì)合成絕緣子的帶電檢測(cè)的主要手段是外觀檢查和采用噴水方法對(duì)絕緣子的憎水性進(jìn)行分級(jí)。而絕大數(shù)合成絕緣子工作在高空高壓環(huán)境下，如何行之有效地且簡(jiǎn)單實(shí)用地檢測(cè)電力系統(tǒng)中合成絕緣子的魯棒性，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同研究的一項(xiàng)重要課題[1-3]。

近年來(lái)，絕緣子帶電檢測(cè)的技術(shù)發(fā)展速度很快，特別是以有機(jī)材料構(gòu)成的合成絕緣子問(wèn)世以來(lái)，因其突出的耐污性能以及重量輕、易維護(hù)、性?xún)r(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn)，獲得迅速發(fā)展。由于受到各種氣象災(zāi)害和年限的影響，隱藏在合成絕緣子內(nèi)部的缺陷卻不容易發(fā)現(xiàn)[4-5]，所以為了及時(shí)地檢測(cè)出合成絕緣子的內(nèi)部缺陷，防止線(xiàn)路事故帶來(lái)的不便，對(duì)合成絕緣子進(jìn)行運(yùn)行中的帶電檢測(cè)具有重要的實(shí)際意義。

1合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)的分類(lèi)框圖如圖1所示。下面我們分別做具體分析。

1.1基于電量式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)

基于電量式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)，可分為非電量檢測(cè)和電量檢測(cè)。

非電量檢測(cè)主要包括紫外脈沖法、爬波法、目測(cè)法等；電量主要包括電場(chǎng)法、脈沖電流法、分布電壓法等。目前比較流行且簡(jiǎn)單實(shí)用的主要有紫外脈沖法、超聲波檢測(cè)法和電場(chǎng)法。

1.1.1紫外脈沖法

高壓電氣設(shè)備電暈放電時(shí)，放電光譜和外加電壓是有關(guān)系的。電場(chǎng)周?chē)膱?chǎng)強(qiáng)不均勻會(huì)導(dǎo)致電壓的分布不均勻，這會(huì)演變成絕緣子表面的局部放電，這種現(xiàn)象可以用尖-板放電物理模型來(lái)模擬。不同外加電壓下尖-板放電的電暈光譜如圖2所示。

由圖2可知，電暈放電的光譜包括近紫外（100-400nm）、可見(jiàn)光(?400～760nm)、紅外(770 -1mm)3個(gè)譜段，既有連續(xù)譜，也有譜帶和分離譜線(xiàn)，這表示電暈放電的光譜由分子光譜、原子和離子的發(fā)射光譜組成。由圖2可知，當(dāng)外加電壓從4.3KV過(guò)渡到5KV時(shí)，光譜中的紫外脈沖信號(hào)有了大幅度增長(zhǎng)。有關(guān)文獻(xiàn)表明紅外光譜正好與紫外光相反，而可見(jiàn)光一般對(duì)電壓變化不敏感。這恰好說(shuō)明了紫外脈沖可以表征電壓大小和放電強(qiáng)弱，因此，紫外光脈沖信號(hào)可作為檢測(cè)高壓設(shè)備的放電問(wèn)題的依據(jù)。

紫外光的波長(zhǎng)在100-400nm 范圍內(nèi)，由圖2可知，典型的電暈放電光譜波段主要集中300-400nm的紫外線(xiàn)區(qū)域，還有有小部分波長(zhǎng)在230—280nm。紫外線(xiàn)是太陽(yáng)光中的一部分，但臭氧能夠吸收波長(zhǎng)小于280nm的光波，所以能通過(guò)大氣傳輸?shù)闹挥?80nm一400nm的紫外光信號(hào)能夠穿透大氣層，由于小于280nm的光波會(huì)被濾掉，所以我們把它稱(chēng)為“日盲區(qū)”。如果紫外光檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)光路選擇在日盲紫外波段對(duì)電暈放電進(jìn)行探測(cè)，發(fā)出警告信號(hào)，可以得到比較理想的探測(cè)效果，即可以為合成絕緣子內(nèi)部缺陷帶電檢測(cè)提供依據(jù)。

1.1.2超聲波測(cè)量法—爬波法

不良絕緣子發(fā)生局部放電時(shí)，在放電處產(chǎn)生聲波和超聲波，向四周傳播，故可以利用超聲波傳感器測(cè)量不良絕緣子所發(fā)出的超聲波，根據(jù)超聲波的強(qiáng)弱來(lái)判定不良絕緣子。其原理圖如圖3所示。

超聲波測(cè)量法根據(jù)探傷采用的波形可分為縱波法、橫波法、爬波法(小角度探傷)等，而爬坡法則是一種很成熟且很典型的超聲波檢測(cè)法，其機(jī)械原理如圖4-圖6所示。

利用標(biāo)準(zhǔn)樣塊上的人工缺陷作為探傷準(zhǔn)則，利用探傷儀做出距離一波幅（DAC）曲線(xiàn)，如圖7所示。如果超聲波以8～150的角度射入絕緣子內(nèi)部，探測(cè)時(shí)以反射波高于或低于DAC曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)。如果高于DAC曲線(xiàn)，則視為是缺陷；如果低于DAC曲線(xiàn)，則視為合格。

1.1.3電場(chǎng)法

電場(chǎng)法通過(guò)檢測(cè)沿絕緣子串軸線(xiàn)方向的電場(chǎng)分布，并與正常電場(chǎng)分布比較來(lái)檢測(cè)零值絕緣子。該法不需要儀器與絕緣子接觸，可直接根據(jù)電場(chǎng)做判斷。

電場(chǎng)法可以檢測(cè)到隱蔽的內(nèi)部缺陷和外絕緣水平下降的故障，可以判斷缺陷的嚴(yán)重程度、便于開(kāi)展復(fù)合絕緣子狀態(tài)檢修。有文獻(xiàn)表明，無(wú)論是交流或是直流，沿良好潔凈的絕緣子串的軸向分布電場(chǎng)的曲線(xiàn)都是光滑的，呈現(xiàn)出一種規(guī)律：靠近高壓金具端的場(chǎng)強(qiáng)最高，隨著向接地端移動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)迅速降低，在接近接地金具端又有所提高；當(dāng)絕緣子串中存在零值絕緣子或絕緣子中有內(nèi)絕緣導(dǎo)通性故障時(shí)，該處的電位分布變?yōu)橐怀?shù)，由于電場(chǎng)是電勢(shì)對(duì)絕緣材料距離的微分(E=-△Φ)，因此相應(yīng)位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)突然降低，從而整個(gè)電場(chǎng)分布曲線(xiàn)不再光滑。絕緣子串的電場(chǎng)分布曲線(xiàn)示意圖如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)直流絕緣子串中存在內(nèi)部導(dǎo)通性故障或零值絕緣子時(shí)，直流電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)和諧波電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)都會(huì)在故障處發(fā)生畸變。在理論上講，通過(guò)測(cè)量直流絕緣子的直流電場(chǎng)分布或諧波電場(chǎng)分布可對(duì)直流絕緣子的內(nèi)缺陷進(jìn)行帶電檢測(cè)。

1.2基于接觸式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)

基于接觸式方法可分為非接觸檢測(cè)和接觸檢測(cè)。

非接觸式檢測(cè)法主要包括超聲波檢測(cè)法、激光多普勒振動(dòng)法、紅外測(cè)溫法、電暈攝像機(jī)法及無(wú)線(xiàn)電波檢測(cè)法等。接觸式檢測(cè)法按工作原理主要有電場(chǎng)法、憎水性檢測(cè)方法及泄漏電流檢測(cè)法等。endprint

電場(chǎng)法已在1.1節(jié)中做過(guò)介紹。這里不再闡述。

憎水性檢測(cè)方法：目前對(duì)絕緣子憎水性檢測(cè)的主要方法有靜態(tài)接觸角法（CA法）、動(dòng)態(tài)接觸角法、噴水分級(jí)法（HC法）、動(dòng)態(tài)滴水法等。

其中噴水分級(jí)法最早由瑞典輸電研究所（STRI）提出，采用HC等級(jí)表征憎水性狀態(tài)，其中HC1~HC3為憎水性狀態(tài)，HC4為中間過(guò)渡狀態(tài)，HC5~HC7為親水狀態(tài)。試驗(yàn)中，用普通噴壺對(duì)試品表面噴灑水霧，觀察水分在試品表面的分布情況，對(duì)比分級(jí)判據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)圖片，得出絕緣子表面的憎水性狀況，從而可以判斷絕緣子絕緣性能。但此法的缺點(diǎn)在于對(duì)人的主觀判斷比較依賴(lài)。

泄漏電流測(cè)量法：對(duì)于絕緣良好的絕緣物，其泄漏電流與外加直流電壓應(yīng)是線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)絕緣全部或局部有缺陷或者受潮時(shí)，泄漏電流將急劇增加，其伏安特性也就不再呈直線(xiàn)了。因此，通過(guò)試驗(yàn)可以檢出被試物有無(wú)絕緣或受潮，特別是在發(fā)現(xiàn)絕緣的內(nèi)部缺陷方面，此項(xiàng)試驗(yàn)更有其特殊意義。

1.3基于線(xiàn)式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)

基于線(xiàn)式的合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)可分為在線(xiàn)檢測(cè)和離線(xiàn)檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)更普遍的還是在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)主要包括絕緣子電壓分布在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、光電檢測(cè)桿法、聲脈沖檢測(cè)法、電暈脈沖式檢測(cè)法、紅外熱像儀檢測(cè)法和激光震動(dòng)檢測(cè)法。紅外熱像儀檢測(cè)法是在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的代表，最為常用，其工作原理如如圖9所示。

2技術(shù)展望

當(dāng)今的絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)正在以結(jié)合Zigbee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量絕緣子不同地方的電場(chǎng)值的方向發(fā)展，這樣便解決了先測(cè)量后查看測(cè)量結(jié)果的弊端，可以邊測(cè)量邊生成電場(chǎng)曲線(xiàn)，極大地提高了絕緣子帶電檢測(cè)儀的效率。

2.1新型電場(chǎng)測(cè)量探頭

研究空間電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、高頻電磁屏蔽技術(shù)，懸浮導(dǎo)體放電機(jī)理和預(yù)防措施，選用絕緣材料設(shè)計(jì)電場(chǎng)測(cè)量探頭與托架之間的連接柄，開(kāi)發(fā)更加適合現(xiàn)場(chǎng)使用的、簡(jiǎn)單靈活、抗強(qiáng)場(chǎng)及抗電暈性能更好的電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

2.2探頭檢測(cè)靈敏度

利用該電場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中研究檢測(cè)方位、均壓環(huán)、絕緣子外型、大氣濕度和污穢等因素對(duì)檢測(cè)靈敏度的影響規(guī)律。

2.3標(biāo)定電場(chǎng)探頭

研究計(jì)算各種懸掛角度下絕緣子周?chē)目v向電場(chǎng)分布，研究電場(chǎng)測(cè)量探頭的測(cè)量數(shù)值與實(shí)際數(shù)值的偏差，從而標(biāo)定電場(chǎng)探頭，給出絕緣子周?chē)妶?chǎng)分布的真實(shí)數(shù)值。結(jié)合當(dāng)前最新的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，提高檢測(cè)精度。

3結(jié)論

（1）在1.1節(jié)中，電場(chǎng)法應(yīng)用于絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)比較成熟，紫外脈沖法實(shí)施過(guò)程簡(jiǎn)單，但誤差較大，爬坡法目前只應(yīng)用在外缺陷中，對(duì)內(nèi)缺陷的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者還未做出響應(yīng)。

（2）在1.2節(jié)中，接觸式實(shí)施繁冗，但檢測(cè)精度高，非接觸式實(shí)施容易，但檢測(cè)效果不佳。

（3）在1.3中，紅外熱像儀檢測(cè)法在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)中因其良好的魯棒性和準(zhǔn)確性，被廣泛應(yīng)用。

隨著Zigbee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的不斷革新，絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)正以結(jié)合Zigbee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量絕緣子不同地方的電場(chǎng)值，這將會(huì)成為未來(lái)我國(guó)絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李嬋虓,牛犇,曾嶸,余占清,張福增.基于光電電場(chǎng)傳感器的復(fù)合絕緣子內(nèi)部絕緣故障檢測(cè)[J].高電壓技術(shù),2014(08):2422-2426.

[2]羅凌,張福增,任貴清,廖一帆,王黎明,李立浧.采用馬蹄形鋅環(huán)抑制直流瓷絕緣子鐵帽電解腐蝕的可行性研究[J].高電壓技術(shù),2014(07):2000-2004.

[3]Amir Syahir,?Kotaro Kajikawa,?Hisakazu Mihara. Sensitive Detection of Small Molecule–Protein Interactions on a Metal–Insulator–Metal Label‐Free Biosensing Platform[J]. Chem. Asian J., 2012, Vol.7(08).

[4]宿志一.空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)在線(xiàn)路絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 電網(wǎng)技術(shù),2014(07):1798-1803.

[5]冉學(xué)彬,魯茲,成立,郭晨鋆,關(guān)志成,王黎明.500kV復(fù)合絕緣子脆斷事故研究與劣化機(jī)理分析[J].高壓電器.2013(09):35-40.endprint