直流穿墻套管季節(jié)性紅外熱像特征分析

郭 磊，寇曉適，張 科，靳海路，楊 威，董曼玲，丁國君

直流穿墻套管季節(jié)性紅外熱像特征分析

郭 磊1，寇曉適1，張 科1，靳海路2，楊 威1，董曼玲1，丁國君1

（1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450000；2.國家電網(wǎng)公司運(yùn)行分公司鄭州管理處，鄭州450000）

對(duì)某換流站6支直流穿墻套管的“異?！奔t外熱像特征進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，對(duì)其紅外特征隨季節(jié)變化的一些規(guī)律進(jìn)行分析與總結(jié)，認(rèn)為該6支套管的“異常”紅外熱像特征主要是與隨季節(jié)性變化的周圍環(huán)境（空氣流動(dòng)、雨水沖刷）、表面污穢分布情況具有一定的關(guān)系。通過紅外圖譜的正確分析，可較準(zhǔn)確地判斷穿墻套管的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)提出了一些對(duì)穿墻套管運(yùn)行維護(hù)管理的建議。

直流穿墻套管；紅外熱像檢測(cè)；雨季；污穢

0 引言

特高壓直流穿墻套管是非常重要的設(shè)備，若極母線穿墻套管出問題，該極線路必須緊急停運(yùn)，將對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。由于穿墻套管位置的特殊性，日常監(jiān)測(cè)中最重要的手段就是紅外熱像檢測(cè)和紫外電暈檢測(cè)。在某換流站年初某次例行檢測(cè)中，對(duì)直流穿墻套管進(jìn)行紅外測(cè)溫后發(fā)現(xiàn)，該6支直流穿墻套管的熱像分布特征具有不確定的離散性，雖沒有發(fā)現(xiàn)明顯的致熱區(qū)域或致熱點(diǎn)，但按照一般的紅外異常判據(jù)對(duì)該6支直流穿墻套管的狀態(tài)無法明確地做出判斷。筆者對(duì)該6支直流穿墻套管進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤檢測(cè)，并對(duì)歷次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)，認(rèn)為其熱像特征與隨季節(jié)性變化的周圍環(huán)境（空氣流動(dòng)、雨水沖刷）、表面污穢分布情況具有一定的關(guān)系。通過對(duì)其紅外圖譜的準(zhǔn)確分析可以判斷該套管運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于指導(dǎo)其檢修決策意義重大。

1 紅外檢測(cè)過程

1.1 第1次復(fù)測(cè)

2015年一月某日19:30，某換流站運(yùn)行人員對(duì)全站進(jìn)行例行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)直流場(chǎng)6支穿墻套管的熱像分布具有不確定的分散性，不同套管間的溫差最大能達(dá)到3.5 K，依據(jù)DL/T 664—2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》中電壓致熱型設(shè)備缺陷診斷判據(jù)，該6支套管可能存在絕緣缺陷。檢測(cè)時(shí)天晴，環(huán)境溫度為-1℃，東北風(fēng)1級(jí)，直流高端功率為4 000 MW。

發(fā)現(xiàn)問題后，筆者對(duì)該6支套管進(jìn)行了復(fù)測(cè)。第一次檢測(cè)時(shí)間為發(fā)現(xiàn)問題的3天后，時(shí)間為18:50，天晴，環(huán)境溫度為6℃，東北風(fēng)2級(jí)，直流高端功率為4 800 MW。筆者從相同方向進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，極1低端400 kV穿墻套管局部溫度與極2低端400 kV套管局部溫度差異略大，溫差最大能達(dá)到2.5 K。隨后對(duì)極1及極2所有套管從東、西兩個(gè)方向分別進(jìn)行了精確檢測(cè)，并持續(xù)跟蹤，圖1—圖4為套管各種拍攝角度下的紅外圖譜（所有圖譜不再一一列舉）。

圖1 極1低端400 kV套管（東側(cè)）紅外圖譜Fig.1 The low voltage 400 kV wall bushing（east）of pole 1 infrared spectrum

圖5是該6支套管的第1次復(fù)測(cè)后的紅外熱像數(shù)據(jù)分布示意圖，圖中每支套管左側(cè)的數(shù)字為紅外圖譜上套管西側(cè)表面標(biāo)定的6個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度最高值，右側(cè)數(shù)字為與之對(duì)應(yīng)的套管東側(cè)表面相同區(qū)域內(nèi)的溫度最高值。圖6、圖7與圖5表示意義相同。

圖2 極2低端400 kV套管（東側(cè)）紅外圖譜Fig.2 The low voltage 400 kV wall bushing（east）of pole 2 infrared spectrum

圖3 極1高端800 kV套管（東側(cè)）紅外圖譜Fig.3 The high voltage 800 kV wall bushing（east）of pole 1 infrared spectrum

圖4 極1高端800 kV套管（西側(cè)）紅外圖譜Fig.4 The high voltage 800 kV wall bushing（west）of pole 1 infrared spectrum

圖5 套管的熱像分布示意圖Fig.5 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

依據(jù)第一次復(fù)測(cè)后的套管表面的熱像分布示意圖5，得出的數(shù)據(jù)見表1，筆者從同1支套管東西兩側(cè)相同區(qū)域內(nèi)溫度最高值的溫差、同一類型的2支套管同一檢測(cè)方向上相同區(qū)域內(nèi)溫度最高值的溫差、同一類型的2支套管相對(duì)稱檢測(cè)方向上相同區(qū)域內(nèi)溫度最高值的溫差等3個(gè)角度進(jìn)行了計(jì)算分析，同時(shí)對(duì)同1支套管自身的溫度分布隨季節(jié)變化特點(diǎn)、不同極性、不同電壓等級(jí)的套管之間的溫度特征均進(jìn)行了比對(duì)分析。表2、表3的分析計(jì)算方法與表1相同。

根據(jù)表1，可以總結(jié)出以下4個(gè)特點(diǎn)：

1）對(duì)于同1根穿墻套管，幾乎所有穿墻套管的西側(cè)表面溫度要高于東側(cè)對(duì)應(yīng)位置的表面溫度（極1低端400 kV套管除外），最大時(shí)能相差1.9 K。即規(guī)律呈現(xiàn)為東側(cè)高于西側(cè)。

2）對(duì)于同1根穿墻套管，最熱點(diǎn)均位于套管管徑由粗變細(xì)的過渡部分，除最熱點(diǎn)外，6支套管大致符合兩端溫度高、中段溫度低的馬鞍型分布特征。即規(guī)律呈現(xiàn)為套管兩端高、中間低，管徑過渡部位溫度最高。

圖6 套管的熱像分布示意圖Fig.6 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

圖7 套管的熱像分布示意圖Fig.7 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

表1 第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分析表Table 1 The first retest data analysis table

3）第1次復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)相同類型套管的2個(gè)套管，無論從相同方向上、還是從對(duì)稱方向上觀察正極性相同部位的溫度普遍比負(fù)極性要高（極1低端400 kV套管和極2低端400 kV套管西側(cè)方向的對(duì)比除外）。如極1高端400 kV套管均高于極2高端400 kV套管、極1高端800 kV套管均高于極2高端800 kV套管，最大時(shí)能相差2.5 K。即規(guī)律呈現(xiàn)為總體上正極性高于負(fù)極性。

4）從空間位置看，極1高端400 kV套管與極1高端800 kV套管距離較近、極2高端400 kV套管與極2高端800 kV套管距離較近，熱像特征是極1高端400 kV套管相同部位的溫度普遍高于極1高端800 kV套管、極2高端400 kV套管高于極2高端800 kV套管，即規(guī)律呈現(xiàn)為低壓高于高壓。

表.2 第2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分析表Table.2 The second retest data analysis table

表3 第3次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)分析表Table 3 The third retest data analysis table

1.2 第2次復(fù)測(cè)

根據(jù)圖6和表2，上述4個(gè)特點(diǎn)與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相比，規(guī)律有些相同，有些相悖：

1）第1條特點(diǎn)與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相同，對(duì)于同1根穿墻套管，所有穿墻套管的西側(cè)表面溫度均高于東側(cè)對(duì)應(yīng)位置的表面溫度，最大時(shí)能相差2.8 K。即規(guī)律呈現(xiàn)為東側(cè)高于西側(cè)。

2）第2條特點(diǎn)與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)也相同，對(duì)于同1根穿墻套管，最熱點(diǎn)均位于套管管徑由粗變細(xì)的過渡部分，除最熱點(diǎn)外，6支套管大致符合兩端溫度高、中段溫度低的馬鞍型分布特征。即規(guī)律呈現(xiàn)為套管兩端高、中間低，管徑過渡部位溫度最高。

3）第3條特點(diǎn)與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)并不相同。相同類型套管，無論從相同方向上、還是從對(duì)稱方向上觀察正極性相同部位的溫度普遍不一定比負(fù)極性要高，表現(xiàn)為有些高、有些低的現(xiàn)象。如極1高端400 kV套管同一方向上相同位置均低于極2高端400 kV套管、極1高端800 kV套管同一方向上相同位置均高于極2高端800 kV套管。即規(guī)律呈現(xiàn)為正極性不一定高于負(fù)極性。

4）第4條特點(diǎn)與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)也不相同，表現(xiàn)為有些高、有些低的現(xiàn)象。熱像特征是極1高端400 kV套管整體低于極1高端800 kV套管、極2高端400 kV套管整體高于極2高端800 kV套管，即規(guī)律呈現(xiàn)為低壓不一定高于高壓。

1.3 第3次復(fù)測(cè)

根據(jù)第3次復(fù)測(cè)熱像分布示意圖7與數(shù)據(jù)分析表3，上述4個(gè)特點(diǎn)與前2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相比，規(guī)律有些相同，有些相悖：

1）第1條特點(diǎn)與前2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相同，對(duì)于同1根穿墻套管，所有穿墻套管的西側(cè)表面溫度均高于東側(cè)對(duì)應(yīng)位置的表面溫度，但與前2次相比，同一套管的2側(cè)溫差明顯降低很多，溫差最大時(shí)僅0.7 K。即規(guī)律呈現(xiàn)為東側(cè)高于西側(cè)。

2）第2條特點(diǎn)與前2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)也相同，對(duì)于同1根穿墻套管，最熱點(diǎn)均位于套管管徑由粗變細(xì)的過渡部分，除最熱點(diǎn)外，6支套管的馬鞍型分布特征已經(jīng)十分不明顯了，各部位溫度相差很小，近似一致。即規(guī)律呈現(xiàn)為套管整體溫度比較均勻，管徑過渡部位溫度最高。

3）第3條特點(diǎn)與第2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律類似。相同類型套管，無論從相同方向上、還是從對(duì)稱方向上觀察正極性相同部位的溫度普遍不一定比負(fù)極性要高，表現(xiàn)整體表面溫度非常均勻，同相或相間相同部位溫差均在1 K以內(nèi)。規(guī)律呈現(xiàn)為正極性相同部位的溫升與負(fù)極性十分接近。

4）第4條特點(diǎn)與前2次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律均不相同，但最符合套管常見的特點(diǎn)，熱像特征為整體表面溫度非常均勻，同相或相間相同部位溫差均在1 K以內(nèi)。即規(guī)律呈現(xiàn)為低壓不一定高于高壓。

同時(shí)，第3次復(fù)測(cè)證明了該6支套管并無絕緣缺陷，套管運(yùn)行均正常。

1.4 其他紅外特征

1）套管表面的區(qū)域溫度最高點(diǎn)分布位置具有離散性，且隨時(shí)間變化具有遷移性。

2）套管表面的區(qū)域內(nèi)的溫升并未隨時(shí)間變化發(fā)生持續(xù)增大的趨勢(shì)。

舉例如下：極1高端800 kV套管（西側(cè)）第1次復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)套管表面溫度最高點(diǎn)均分布于套管中偏下側(cè)，第2次復(fù)測(cè)和第3次復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)套管表面溫度最高點(diǎn)均分布于套管上半側(cè)，第1次最大溫升為3.8℃，第2次最大溫升為3.8℃，第3次最大溫升為2.1℃；而極1高端800 kV套管（東側(cè)）第1次復(fù)測(cè)和第2次復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，套管表面溫度最高點(diǎn)均分布于套管下半側(cè)，第3次復(fù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，套管表面溫度最高點(diǎn)均分布于套管中偏上半側(cè)，第1次最大溫升為2.9℃，第2次最大溫升為1.6℃，第3次最大溫升為2.2℃。

2 相關(guān)原因分析

1）對(duì)于3次復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)的第1個(gè)特點(diǎn)。筆者對(duì)穿墻套管的周圍環(huán)境特征進(jìn)行觀察，6根套管兩兩組合沿東西方向等距布置（見圖5），最西側(cè)套管西面是圍墻及墻外樹林，最東側(cè)套管東面向500 kV濾波場(chǎng)區(qū)域中間過道，從所處環(huán)境看東面比西面更為空曠，空氣流動(dòng)性更好，且第1次復(fù)測(cè)與第2次復(fù)測(cè)時(shí)正值春冬交替時(shí)期，東北向低溫氣流較為頻繁，套管東側(cè)為迎風(fēng)面，西側(cè)為背風(fēng)面，低溫氣流對(duì)套管東側(cè)表面降溫的作用要大于套管西側(cè)。即穿墻套管東側(cè)受環(huán)境影響，尤其是冷空氣的影響更大，散熱效果東側(cè)要比西側(cè)好。此外，極1高端800 kV套管和極2高端800 kV套管均在最邊緣斜上側(cè)，海拔高度也高于其他套管，在低溫氣流頻繁的天氣，散熱效果在6支套管中最好，這與第1次復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)相符。

2）對(duì)于3次復(fù)測(cè)發(fā)現(xiàn)的第2個(gè)特點(diǎn)。除最熱點(diǎn)外，雨季之前的2次復(fù)測(cè)，6支套管具有一定的馬鞍型分布特征，雨季之后的第3次復(fù)測(cè)該分布特征已經(jīng)不明顯，套管各部位溫度相差很小，近似一致。通過參考文獻(xiàn)中大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，運(yùn)行在直流電壓下的絕緣子比不帶電絕緣子積污嚴(yán)重[1]，絕緣子護(hù)套周圍場(chǎng)強(qiáng)高壓端和接地端場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)[2]，沿串呈“U”形分布[3]，絕緣子表面積污量也會(huì)呈現(xiàn)相似的“U”形分布。這個(gè)結(jié)論與6支套管紅外熱像圖譜馬鞍型分布特征相符。

3）通過一些文獻(xiàn)調(diào)查，套管表面的積污程度與套管極性和電壓高低具有一定關(guān)系，文獻(xiàn)[4]根據(jù)直流線路絕緣子積污測(cè)量結(jié)果，認(rèn)為直流絕緣子正、負(fù)極下的積污基本相當(dāng)；美國研究結(jié)果表明，正極性較負(fù)極性絕緣子的ESDD高；日本研究結(jié)果是相反的結(jié)論[5]。根據(jù)國內(nèi)有關(guān)實(shí)驗(yàn)室的研究：直流電壓極性對(duì)絕緣子積污影響有差別，但是差別不大[6]。筆者的幾次復(fù)測(cè)中出現(xiàn)的紅外特征也表現(xiàn)為正極性套管對(duì)應(yīng)位置的溫升有時(shí)高于負(fù)極性、有時(shí)低于負(fù)極性的情況，并無明顯規(guī)律。此外，理論上說施加電壓越高，對(duì)積污的影響越大[7]。但從多次檢測(cè)數(shù)據(jù)看，極高端穿墻套管表面溫度與極低端相比并無明顯特征。

4）套管表面的積污規(guī)律具有明顯的季節(jié)性，處于旱季積污一雨季清洗的循環(huán)過程中。降雨強(qiáng)度和降雨量均是影響降雨清洗效果的重要因素。有研究表明：月降水量低于20 mm、雨強(qiáng)不大時(shí)，降水對(duì)絕緣子表面污穢的清洗作用有限，在降雨量相同條件下，高強(qiáng)度的降雨可以進(jìn)行更有效的沖洗，產(chǎn)生更好的清洗效果[8]。前兩次復(fù)測(cè)均在春冬更替期間，天氣干燥降雨較少且雨強(qiáng)較低，霧霾也較為嚴(yán)重，套管表面在長(zhǎng)期直流電場(chǎng)作用下空間帶電微粒和自然沉降的吸附也越來越嚴(yán)重[9]，但污穢并不是均勻分布在套管表面的，因此套管表面的區(qū)域溫度最高點(diǎn)分布位置具有離散性的特點(diǎn)。因此，前2次復(fù)測(cè)期間的小規(guī)模的降雨不能徹底地對(duì)套管表面進(jìn)行清洗，僅稍微改變套管表面的污穢分布情況，污穢區(qū)重新形成，區(qū)域溫度最高點(diǎn)分布位置產(chǎn)生遷移性，但這種遷移性是無規(guī)律的。第3次復(fù)測(cè)在雨季后，已有多次大規(guī)模高強(qiáng)度的降雨，套管表面的污穢被徹底沖刷，因此套管表面的溫度分布較為均勻。

3 穿墻套管絕緣異常時(shí)的紅外特征

不均勻的污穢或干區(qū)分布有可能造成穿墻套管的雨閃或污閃[10]，上述的穿墻套管的“異?！鼻闆r基本上是受表面積污、季節(jié)性的環(huán)境因素（低溫氣流、強(qiáng)降雨）影響，卻不屬于內(nèi)部絕緣異常。在內(nèi)部絕緣出現(xiàn)異常時(shí)，套管的紅外特征應(yīng)該表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）無論在任何季節(jié)，套管表面的異常發(fā)熱點(diǎn)起始位置都應(yīng)該較為恒定，最多是隨著缺陷的發(fā)展而曼延擴(kuò)大，不應(yīng)該具有溫度最高點(diǎn)隨季節(jié)遷移性的特點(diǎn)。

2）完全不符合套管紅外熱像的馬鞍型分布特征且表面溫度分布也很不均勻，會(huì)出現(xiàn)明顯不自然的局部過熱區(qū)域（套管過渡區(qū)域除外）或整相整體性發(fā)熱特征。

3）電壓致熱型缺陷由于惡性循環(huán)，發(fā)展速度較快[11]，應(yīng)會(huì)在短時(shí)期內(nèi)異常發(fā)熱面積不斷擴(kuò)大，發(fā)熱區(qū)域溫度應(yīng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4 結(jié)論及建議

通過多次的紅外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，套管的熱像特征存在隨季節(jié)性變化的分布特征。最初檢測(cè)的紅外熱像圖譜所反映出的“溫差缺陷”是由套管表面不同程度的積污及季節(jié)性的環(huán)境因素（低溫氣流、強(qiáng)降雨）造成的。在少雨季節(jié)，經(jīng)秋冬和初春的積污期后，套管表面污穢度較高，在降雨量及雨強(qiáng)均不大下，套管表面污穢降低效果有限。有結(jié)論表明：復(fù)合絕緣子的最大污穢度出現(xiàn)在夏季多雨季節(jié)來臨前[12]。在雨季期的大雨量、高雨強(qiáng)的沖洗下，“恢復(fù)正?！薄Ｒ虼?，建議在對(duì)穿墻套管等典型的電壓致熱型設(shè)備的“不太好判斷的缺陷情況”不應(yīng)僅憑某次檢測(cè)數(shù)據(jù)就“匆忙”地得出結(jié)論，應(yīng)在多種不同環(huán)境下、長(zhǎng)時(shí)間跟蹤監(jiān)測(cè)后客觀地進(jìn)行判斷。

穿墻套管的絕緣缺陷是典型的電壓致熱型缺陷，不建議采用表面溫度判斷法去判斷，而宜采用同類比較法[13]，根據(jù)對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫升或溫差的差異，用允許溫升或同類允許溫差的判斷依據(jù)[14]，并應(yīng)在有條件的情況下，結(jié)合其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)（介損、絕緣電阻、ESDD測(cè)試等）綜合分析后確定缺陷的種類和性質(zhì)。

對(duì)于穿墻套管的紅外熱成像測(cè)試，應(yīng)在夜間或陰天、無風(fēng)或風(fēng)速小于0.5 m/s環(huán)境下進(jìn)行，盡量減少環(huán)境（太陽光、大風(fēng)、雨雪）的影響[15-16]。對(duì)于表面污穢引起的穿墻套管發(fā)熱的情況，應(yīng)結(jié)合停電機(jī)會(huì)加強(qiáng)清洗，清洗前后定期用紅外檢測(cè)及紫外電暈檢測(cè)加強(qiáng)監(jiān)視。

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Analysis on Seasonal Characteristics of Infrared Thermography about DC Wall Bushing

GUO Lei1，KOU Xiaoshi1，ZHANG Ke1，JIN Hailu2，YANG Wei1，DONG Manling1，DING Guojun1
（1.HAEPC Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450000，China；2.Zhengzhou Management Office，State Grid Operation Company，Zhengzhou 450000，China）

‘a(chǎn)bnormal’infrared thermography features of six DC wall bushings in a converter station has been a long-term following detected，some rules of its infrared characteristics changing with the sea?sons are analyzed and summarized，it is considered that the six bushings with‘a(chǎn)bnormal’infrared ther?mography features has mainly related with the seasonal changed surrounding environment（air flow，rain?fall），and the distribution of surface contaminants.The wall bushing status can be more accurately judged by the analysis of the infrared spectra，and some suggestions for service maintenance management of the wall bushing are proposed.

DC wall bushing；infrared imaging detection；rainy season；contaminant

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.040

2016-08-08

郭磊（1982—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檫^電壓專業(yè)防雷與接地技術(shù)。