基于紅外熱像的低零值絕緣子檢測技術研究

，， ，宇航，， (.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6007; .華北電力大學，北京 006；.上海海能信息科技有限公司，上海 05)

0 引 言

瓷質絕緣子是變電站的重要絕緣部件，其質量主要體現(xiàn)在機械性能和電氣性能兩個方面。由于瓷質絕緣子在運行過程中因長期經(jīng)受強電磁場、機械應力、冷熱變化、濕度等作用，可能出現(xiàn)絕緣性能劣化，如絕緣電阻降低、瓷件開裂等。特別在變電站內(nèi)，絕緣子劣化直接影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[1]。若絕緣子串中存在低零值絕緣子，導致有效絕緣距離變短增加絕緣子串的閃絡概率，嚴重時出現(xiàn)絕緣子串掉串及導線落地等事故[2]。

目前低零值絕緣子檢測方法主要有：絕緣電阻法、工頻耐壓法、電壓分布法、超聲波法、紫外成像法等[3-7]。前兩種方法精度較高，但只能停電試驗，具有檢測工作量大、成本高等缺點。電壓分布法則是將測得的絕緣子串分布電壓與標準分布電壓進行比較來判斷是否存在低零值絕緣子，需要登高作業(yè)，具有安全隱患大、勞動強度高等不足。后兩種方法可在帶電情況下進行檢測，但易受干擾，檢測精度低。

絕緣子絕緣性能劣化將導致絕緣子串電壓分布異常，進而影響絕緣子發(fā)熱功率，可能會引起相應部位的溫度變化，紅外檢測是在絕緣子串工作狀態(tài)下，通過高精度的紅外測溫儀檢測絕緣子串的紅外熱像圖譜，可進行遠距離帶電檢測，具有安全、高效、準確率高等優(yōu)點[8-11]。近年來，隨著紅外熱像儀性能如溫度分辨率和空間分辨率等不斷提高，該方法已得到了較為廣泛的應用。

下面對瓷質絕緣子串的電壓分布和發(fā)熱功率進行了理論分析，歸納總結了典型低零值絕緣子的紅外熱像特征及判據(jù)，并結合現(xiàn)場檢測驗證了基于紅外熱像的低零值絕緣子檢測技術的有效性。

1 絕緣子串電壓分布特征

瓷質絕緣子由鐵帽、鋼腳和瓷件等組成，如圖1所示[12]。由于絕緣子的金具部分(鐵帽、鋼腳)與接地橫擔及帶電的高壓電極間存在雜散電容，使得絕緣子串的電壓分布畸變，絕緣子串越長，畸變越明顯，電壓分布越不均勻。

如圖2所示[9]，CE為絕緣子與接地橫擔間的雜散電容，其值約為4～5 pF[2]；CL為絕緣子與高壓電極間的雜散電容，其值約為0.5～1 pF[2]?？梢钥闯鯟E的影響比CL大一些，絕緣子串中的電壓分布發(fā)生畸變，靠近高壓電極側的絕緣子承擔的電壓降比較大，靠近接地橫擔的絕緣子承擔的電壓降較小，因此整串絕緣子的電壓分布呈不對稱馬鞍形。

圖2 絕緣子串等效電路和電壓分布

2 絕緣子發(fā)熱功率分析

瓷質絕緣子等效電路模型如圖3所示，圖中C0為絕緣子極間電容，一般為40～60 pF[10]，工頻電壓下其容抗值約為53.1～79.6 MΩ；Rj為極化電阻，一般為2.5～4.3 GΩ；Rv和Rs分別為體積電阻和表面電阻，一般情況下兩者均遠遠大于Rj。絕緣子的等效電阻Req和發(fā)熱功率Pk分別為

(1)

(2)

(3)

式中：Uk為第k片絕緣子的分布電壓，V；XD為等效容抗，Ω；n為絕緣子串片數(shù)；w為電壓角頻率，rad。

圖3 絕緣子等效電路

當絕緣子絕緣性能良好時，其發(fā)熱主要由介質極化引起，正比于分布電壓的平方和介質損耗因素tanδ：

(4)

式中，tanδ為介質損耗因數(shù)。tanδ值很小，約為0.015～0.025[10]，可以看出正常絕緣子發(fā)熱功率很小。絕緣子串的紅外熱象分布為不對稱馬鞍形，相鄰絕緣子間的溫差很小。

當絕緣子性能劣化，絕緣電阻降低時，泄露電流主要從絕緣子內(nèi)部流過，其發(fā)熱功率為

Pk=UkIg

(5)

式中,Ig為貫穿絕緣子泄露電流，A。

對公式(2)求導可知，當絕緣子的等效電阻Req與等效容抗XD相等時，絕緣子的發(fā)熱功率最大。即當絕緣子絕緣電阻逐漸減小到等效容抗值時，發(fā)熱功率逐漸增加；當絕緣電阻繼續(xù)減小時，發(fā)熱功率逐漸較?。划斀^緣電阻進一步減小到幾乎為0時，即劣化為零值絕緣子時，發(fā)熱功率幾乎為0?？梢钥闯?，當絕緣電阻值降至某個區(qū)段時，發(fā)熱功率與正常絕緣子相似，為紅外檢測盲區(qū)。

3 低零值絕緣子紅外熱像特征及判據(jù)

正常絕緣子串電壓分布呈不對稱馬鞍形，靠近高壓電極的絕緣子分布電壓較高，中間絕緣子的電壓則相對較低，而靠近接地橫擔的絕緣子分布電壓又有所回升[8]。絕緣子的發(fā)熱功率正比于分布電壓的平方，絕緣子串的紅外熱像分布亦呈不對稱馬鞍形，相鄰絕緣子間溫差較小。

當絕緣子劣化為低零值絕緣子時，其發(fā)熱功率隨絕緣電阻值呈非線性變化。隨著絕緣電阻逐漸較小，其發(fā)熱功率先增大后減小。低值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏大，紅外熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏高，零值絕緣子的紅外熱象特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏低。通過分析整串絕緣子串的溫度分布，比較相鄰絕緣子間的溫差，可以有效判別低零值絕緣子。

DL/T 664-2016 《帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》中指出正常絕緣子串的溫度分布同電壓分布規(guī)律，即呈現(xiàn)不對稱馬鞍形，相鄰絕緣子溫差很??；低值絕緣子以鐵帽為發(fā)熱中心的熱像圖，其比正常絕緣子溫度高，溫差超過1 K；零值絕緣子發(fā)熱溫度比正常絕緣子要低，熱像特征與絕緣子相比呈暗色調(diào)，溫差超過1 K[12]。

DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測規(guī)程》中指出運行瓷、玻璃同串絕緣子在規(guī)定的檢測、檢查次數(shù)中，其劣化片數(shù)累計達到規(guī)定值必須立即整串更換[13]。

因此，通過分析絕緣子串的紅外熱像圖譜，可以快速有效判斷出低零值絕緣子，不同類型的絕緣子如標準型和防污型均可通過此種方法進行判斷。需要指出的是，由于表面積污引起的發(fā)熱主要表現(xiàn)為瓷面溫度偏高，與低零值絕緣子熱像分布存在本質上的區(qū)別，能較好地區(qū)分開來。

4 低零值絕緣子紅外檢測案例

4.1 案例1

2017年2月，檢測人員在某500 kV變電站開展站內(nèi)懸式瓷質絕緣子紅外檢測。通過對懸式絕緣子串熱場分布的分析，發(fā)現(xiàn)某220 kV絕緣子串溫度明顯異常，如圖4所示。

可以看出靠近高壓導線側第二片絕緣子鋼帽溫度明顯偏高，近20℃，而相鄰絕緣子溫度近11℃，溫差達9 K，根據(jù)DL/T 664-2016《帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》，靠近高壓導線側第二片絕緣子為典型的低值絕緣子；根據(jù)DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測規(guī)程》，該串絕緣子中劣化絕緣子片數(shù)較少，可不進行整串絕緣子更換。

圖4 絕緣子串紅外熱像結果(案例1)

4.2 案例2

2017年3月，檢測人員在某500 kV變電站開展站內(nèi)懸式絕緣子紅外檢測。通過對懸式絕緣子串熱場分布的分析，發(fā)現(xiàn)某500 kV絕緣子串溫度明顯異常，如圖5所示。

圖5 絕緣子串紅外熱像結果(案例2)

可以看出靠近高壓導線側第二片、第三片絕緣子溫度明顯偏低，低于相鄰絕緣子近2 K，熱像特征呈暗色調(diào)，根據(jù)DL/T 664-2016 《帶電設備紅外診斷應用規(guī)范》，靠近高壓側第二片、第三片絕緣子為典型的零值絕緣子；根據(jù)DL/T 626-2005《劣化盤形懸式絕緣子檢測規(guī)程》，該串絕緣子中劣化絕緣子片數(shù)較少，可不進行整串絕緣子更換。

5 結 論

1)正常絕緣子的發(fā)熱功率正比于分布電壓的平方，絕緣子串的紅外熱像分布呈不對稱的馬鞍形，相鄰絕緣子間溫差很小。

2)低值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏大，其熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏高，呈亮色調(diào)；零值絕緣子發(fā)熱功率較正常絕緣子偏小，其熱像特征表現(xiàn)為鋼帽溫度偏低，呈暗色調(diào)。

3)現(xiàn)場檢測結果表明，紅外熱像技術具有較好的可行性，能有效檢測出低零值絕緣子。

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