基于光學(xué)電場傳感技術(shù)的瓷質(zhì)劣化絕緣子在線檢測裝置

祝永坤，孫 廣，高樹永，史文江，許大鵬，于明星，秦澔澔

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特010020；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074）

基于光學(xué)電場傳感技術(shù)的瓷質(zhì)劣化絕緣子在線檢測裝置

祝永坤1，孫 廣1，高樹永1，史文江1，許大鵬1，于明星1，秦澔澔2

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特010020；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074）

輸電線路絕緣子串的性能對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。為了實時、準(zhǔn)確的檢測輸電線路中可能存在的劣化絕緣子，通過試驗及仿真分析傳感器材料及封裝性等因素對檢測精度的影響，優(yōu)化了光學(xué)電場傳感器對絕緣子周邊電場強度的檢測方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計研制了劣化絕緣子在線檢測裝置。通過現(xiàn)場試驗，驗證了該檢測裝置能夠?qū)崟r、有效的檢測出絕緣子串是否存在劣化情況。

光學(xué)電場傳感器；劣化絕緣子；電場分布；在線檢測裝置

0 引言

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略的布局和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推進，對于電網(wǎng)在各類極端環(huán)境下安全、穩(wěn)定運行的要求越來越高。在輸電線路運行中，絕緣子是輸電系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)目最多、安全運行最重要的一個環(huán)節(jié)。絕緣子的劣化將直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，如果絕緣子串中存在零值，一旦發(fā)生閃絡(luò)，零值絕緣子的鋼帽經(jīng)常會炸裂或脫開，從而出現(xiàn)絕緣子串的掉串和電力線路的導(dǎo)線落地等嚴(yán)重事故，有可能造成人員和財產(chǎn)的巨大損失。

針對劣化絕緣子的檢測，國內(nèi)外專家學(xué)者進行了很多研究，提出了多種方法[1-8]，可以歸為以下幾種：觀察法、紫外成像法、紅外測溫法、聲波檢測法、電壓分布法、電暈脈沖電流法以及電場分布法。紫外成像法主要通過夜間觀測絕緣子的局部放電現(xiàn)象來進行判斷，這種方法局限性在于需要夜間觀察且僅適用于檢測絕緣子的局部放電現(xiàn)象；紅外測溫法主要原理為絕緣材料損壞時泄漏電流或局部放電通過絕緣子時引起的溫度升高，這種方法缺點明顯，極易受到環(huán)境因素的干擾；聲波檢測法主要檢測因絕緣子局部放電產(chǎn)生的聲波，但這種方法極易受到電暈放電噪聲或外界噪聲的干擾，檢測效果不佳；電壓分布法主要原理為檢測絕緣子劣化導(dǎo)致的絕緣子分擔(dān)電壓降低，這種方法易受強電磁干擾且效率極低；電暈脈沖電流法主要是基于絕緣子劣化導(dǎo)致的電流脈沖數(shù)量增加而進行檢測判斷，這種方法準(zhǔn)確度不高。

絕緣子一旦發(fā)生劣化，必然存在阻值的降低，從而導(dǎo)致絕緣子所承擔(dān)的電壓以及其周邊的電場強度發(fā)生變化。筆者基于光學(xué)電場傳感[9]的基本原理，通過試驗及軟件仿真，對傳感器材料及封裝性等因素進行分析，優(yōu)化基于光學(xué)電場傳感的檢測方法，研制出光學(xué)電場傳感的在線檢測裝置，并加以試驗驗證。

1 電場分布法的基本原理

筆者所研制的絕緣子劣化自動檢測裝置主要采用對絕緣子附近電場進行檢測，判斷其是否符合良好運行情況下的電場分布，從而判斷絕緣子是否發(fā)生劣化現(xiàn)象。

自動檢測裝置的傳感器是其中最核心的部件，基于Pockels效應(yīng)[10]的光學(xué)電場傳感器。Pockels效應(yīng)又被稱為線性效應(yīng)，其主要存在于某些不具有對稱中心的晶體。當(dāng)入射光沿晶體光軸入射，不加電場時，入射光在晶體內(nèi)不發(fā)生雙折射，加電場后，晶體感生雙折射，光的相位發(fā)生變化，通過檢測相位差可以反映電場強度。雙折射產(chǎn)生的相位差與所加電場強度值線性相關(guān)。

圖1 光學(xué)電場傳感器基本原理圖Fig.1 The principle of optical electric field sensor

通過測量絕緣子表面電場分布情況，可以獲得絕緣子在實際運行中的電氣性能，判斷其是否發(fā)生劣化，從而實現(xiàn)絕緣子的帶電檢測。

2 光學(xué)電場傳感器的研制及試驗

2.1 傳感器材料的選擇

感應(yīng)材料作為光學(xué)電場傳感器最重要的組成部分，直接決定了測量的準(zhǔn)確性。感應(yīng)材料的折射率和電光系數(shù)是其中的判斷材料是否適合的重要指標(biāo)。盡管有很多晶體都具有電光效應(yīng)，但是它們也同時具有了自然雙折射、熱釋電效應(yīng)等可能會影響檢測穩(wěn)定性的性能。

就目前來說，BGO、BSO、KDP這幾種晶體在具備電光效應(yīng)的同時無自然雙折射、熱釋電效應(yīng)，屬于較為合適的傳感器材料。因BGO晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不易潮解，適用于環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，筆者選擇該晶體作為傳感器材料。

BGO（Bi3Ge4O12）晶體基本物理性質(zhì)見表1。

表1 BGO晶體物理性能參數(shù)表Table 1 The physical property parameters of BGO crystal

2.2 傳感器對周邊電場的影響

傳感器進入到電場中會對原電場產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致所測得的電場并非原來的電場，而是畸變電場[11-15]。為避免增大檢測誤差，筆者對傳感器所導(dǎo)致的畸變電場進行仿真分析。

通過Ansys仿真軟件，建立絕緣子串及傳感器的電場仿真模型，分析實際測量時傳感器周邊的電場分布情況，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳感器周邊電場強度分布圖Fig.2 The distribution of electric field intensity around the sensor

通過仿真計算可知，距離傳感器1.5 cm以內(nèi)的空間中，電場強度會有所變化，其變化的幅度小于20%，距離傳感器1.5 cm以上的空間中電場強度基本不變。由此說明，只要距離大于1.5 cm，即可認為傳感器對周邊電場不產(chǎn)生影響。

2.3 傳感器方向性的選擇

光學(xué)電場傳感器對電場的感應(yīng)具有明顯的方向性，其感應(yīng)到的電場是一個矢量電場。本文以大型平板電極為高電位，試驗平臺作為零電位，兩者用支柱絕緣子進行支撐，在中間水平放置傳感器晶體，以塑料瓶支撐進行試驗。

圖3 大型平板電極試驗裝置圖Fig.3 The device of large plate electrode

試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳感器不同方向時的測量結(jié)果Table 2 Measurement results in different directions of the sensor

從表2中可得，采用水平方式進行檢測時其電場感應(yīng)系數(shù)為1.14（即測量相對誤差的均值為14%），采用垂直方式進行檢測時其電場感應(yīng)系數(shù)為1.65（即測量相對誤差的均值為65%）；因此，本文擬采用水平方式對絕緣子周邊電場進行檢測。

2.4 傳感器封裝性對檢測精度的影響

傳感頭的封裝主要是根據(jù)封裝形狀以及封裝材料決定的。通常會選擇較小的尺寸和較小的介電常數(shù)，以便傳感頭所感應(yīng)的電場強度與空氣的電場強度具有較好的一致性。本文將裸傳感頭、鋼板封裝、有機玻璃封裝、環(huán)氧板封裝的傳感器進行對比試驗，在相同大小尺寸、相同加載環(huán)境下，分析不同封裝材料對檢測精度的影響情況，具體如表3所示。

從表3分析可得，任意一種封裝都會對電場測量系數(shù)產(chǎn)生影響。在相同大小尺寸情況下，采用鋼板進行封裝會產(chǎn)生29.5%的系數(shù)變化，采用玻璃或環(huán)氧板進行封裝，產(chǎn)生的系數(shù)變化基本相同，在21.5%左右。因此，若外界環(huán)境對傳感器材料影響較小，建議采用裸傳感器進行檢測。

表3 封裝性材料對檢測準(zhǔn)確性的影響Table 3 Influence of packaging materials on the accuracy of detection （V）

3 自動檢測裝置的設(shè)計

自動檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖中1為信號處理器，2為單模光纖，3為位置控制裝置，4為可伸縮絕緣桿，5為光學(xué)電場傳感器。

圖4 自動檢測裝置基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of automatic detection device

根據(jù)圖4的結(jié)構(gòu)布局進行設(shè)計，給出了自動檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 自動檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.5 Structure design of automatic detection device

該檢測裝置首先由計算機通過發(fā)射無線信號遠程控制裝置中的信號處理模塊，信號處理模塊根據(jù)操作者在計算機上輸入的測量位置控制定位裝置和傳動裝置，使得絕緣桿調(diào)整自身長度和與絕緣子的水平距離；當(dāng)光學(xué)電場傳感器到達給定的位置后，操作者在計算機上發(fā)出指令，通過信號處理模塊開啟激光源通過光纖對傳感器進行光激勵并返回場強光信號，信號處理模塊接收返回的場強光信號并加以處理，獲得電場強度值，將該值通過無線信號傳送至計算機，計算機記錄該位置處的電場強度值；重復(fù)上述步驟，實現(xiàn)對絕緣子串附近從高壓端到低壓端電場強度的測量。計算機根據(jù)獲得的場強數(shù)據(jù)進行擬合，獲得一條電場分布曲線。對于正常絕緣子串，其周邊的電場分布應(yīng)是一條平滑曲線，可以通過仿真計算獲得。因此，計算機根據(jù)測得的場強數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果進行對比，可以判斷該絕緣子是否發(fā)生劣化現(xiàn)象。

筆者所設(shè)計的檢測裝置可以長時間掛網(wǎng)運行，可以在地面通過無線信號進行控制，實時、在線檢測絕緣子周邊電場強度，判斷絕緣子的運行情況。

4 自動檢測裝置的研制及現(xiàn)場試驗

基于圖5的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，研制了絕緣子劣化自動檢測裝置，其外形圖如圖6所示。

圖6 絕緣子劣化自動檢測裝置實物圖Fig.6 Physical diagram of automatic detection device for insulator deterioration

圖6 左上角為光學(xué)電場傳感器，通過光纖連接傳動裝置和信號處理模塊，圖中黑色模塊為傳動裝置，白色模塊為信號處理模塊。

為了驗證裝置的有效性和準(zhǔn)確性，在某高壓試驗場進行了試驗驗證。試驗選用220 kV電壓等級瓷絕緣子串，總共15片，懸掛在單相導(dǎo)線上，加載電壓123.7 kV。濕度65%，溫度26～28℃。

圖7 選擇不同的瓷絕緣子片F(xiàn)ig.7 Choose different porcelain insulator string on wire

布置完畢后依據(jù)第3章所述方法進行操作，獲得良好絕緣子串周邊的電場分布；分別將第1片、第7片、第15片絕緣子更換為零值絕緣子，采用同樣的方法進行操作，獲得劣化絕緣子串的電場分布。

檢測結(jié)果如圖9所示。

圖8 將傳感頭固定于絕緣桿端部，上下移動絕緣桿Fig.8 The sensing head is moved up and down through the insulating tools

圖9 良好絕緣子與劣化絕緣子周邊電場檢測對比Fig.9 Comparison of the electric field around the good insulator and the deteriorated insulator

從圖9中可得，良好絕緣子串的電場分布為V字型。若存在零值絕緣子片，在零值絕緣子附近，電場會有一個明顯的畸變。因此從曲線的畸變中明顯的觀察出零值絕緣子的存在以及位置，而且不論零值絕緣子出現(xiàn)在高壓端、低壓端還是中部，都能通過電場測量結(jié)果表現(xiàn)出來，從而可以驗證本文所研制裝置的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

為了能夠?qū)崟r、在線檢測絕緣子的電氣性能，筆者基于光學(xué)電場傳感的基本原理，采用電場分布法，設(shè)計研制了絕緣子劣化自動檢測裝置并形成以下結(jié)論。

1）光學(xué)電場傳感器晶體材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性好、不易潮解的物理特性，為實現(xiàn)實時、在線檢測，應(yīng)具備檢測穩(wěn)定性高、不受外部環(huán)境干擾的特性；

2）光學(xué)電場傳感器所產(chǎn)生的畸變電場對絕緣子周邊電場幾乎無影響；

3）光學(xué)電場傳感頭在檢測時應(yīng)水平放置，以提高檢測精度；

4）筆者所研制的自動檢測裝置可以實現(xiàn)對絕緣子串周邊電場的測量，可以根據(jù)測量結(jié)果進行繪圖，準(zhǔn)確判斷絕緣子是否存在劣化情況。

筆者所研制的自動檢測裝置為非接觸式電場測量，采用光纖傳輸光信號，避免強電磁干擾，可以地面控制傳感頭進行移動，實現(xiàn)實時、在線檢測，可準(zhǔn)確判斷絕緣子串是否存在劣化情況，保證了操作人員的安全性，降低了工作強度，提高了工作效率，為輸電線路的檢修提供了新的檢測設(shè)備和方法。

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On-Line Detection Device of Porcelain Deteriorated Insulator Based on Optical Electric Field Sensor Technology

ZHU Yongkun1，SUN Guang1，GAO Shuyong1，SHI Wenjiang1，XU Dapeng1，YU Mingxing1，QIN Haohao2
（1.Inner Mongolia Eastern Electric Power Co.，Ltd.，Hohhot 010020，China；2.Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China ）

The performance of insulator strings of transmission line is very important to the stability of power system.In order to detect deteriorated insulators of transmission lines in real-time and accurate，the influence on the detection accuracy by test and simulation analysis of sensor materials and packaging and other factors.The detection method of the electric field strength around the insulator is optimized by the optical electric field sensor，and the on-line detection device of the deteriorated insulator is designed and developed on the basis of the above.Through the field test，it is proved that the design of the detection device can effectively detect the existence of the insulator strings in real time.

optical electric field sensor；deteriorated insulator；electric field distribution；on-line detection device

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.026

2016-05-02

祝永坤 （1976—），男，高級工程師，主要從事輸電線路檢修運維的研究工作。