基于高壓瓷質(zhì)絕緣子紅外檢測盲區(qū)的實(shí)驗(yàn)分析

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(1.國網(wǎng)婁底供電分公司，婁底 417008； 2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

0 引言

絕緣子因長期經(jīng)受線路的機(jī)電負(fù)荷和風(fēng)雨雷電等惡劣自然環(huán)境的作用，很有可能出現(xiàn)絕緣電阻阻值下降，絕緣子開裂或是擊穿等情況[1]，造成絕緣子電氣性能和機(jī)械特性下降，產(chǎn)生低零值絕緣子即絕緣子劣化現(xiàn)象。當(dāng)含有劣化絕緣子的絕緣子串發(fā)生工頻閃絡(luò)或遭受雷擊時(shí)，強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)往往會造成懸式絕緣子鐵帽炸裂或脫開，從而出現(xiàn)絕緣子串掉串、導(dǎo)線落地等嚴(yán)重事故[2]。

紅外技術(shù)是檢測高壓瓷質(zhì)絕緣子劣化情況的一種有效手段，絕緣子隨著阻值的減少而呈現(xiàn)出發(fā)熱功率先增加后減少的一種趨勢，因此絕緣子紅外檢測技術(shù)存在一定的盲區(qū)。針對絕緣子劣化情況和污穢程度的檢測，國內(nèi)外尋求了多種手段，研究了許多方法，但是針對絕緣子紅外檢測盲區(qū)的研究較少，對盲區(qū)范圍的劣化絕緣子判斷一直未提出有效的解決措施。筆者通過戴維南等效電路法計(jì)算紅外檢測盲區(qū)，著重考慮絕緣子紅外檢測盲區(qū)的范圍并進(jìn)行定量的分析，然后設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)探索盲區(qū)檢測最佳環(huán)境條件以提高紅外檢測盲區(qū)的準(zhǔn)確率。本文基于劣化絕緣子檢測盲區(qū)范圍設(shè)計(jì)相關(guān)環(huán)境因素影響實(shí)驗(yàn)，并提出針對劣化絕緣子檢測盲區(qū)診斷策略，提高劣化絕緣子診斷正確率。

1 劣化絕緣子發(fā)熱理論分析

單個(gè)絕緣子的電容等效模型由四部分組成[3-4]，如圖1所示，Cgi為絕緣子對地雜散電容，Cli為絕緣子和導(dǎo)線的雜散電容，C0i為絕緣子自身分布電容，R0i表示絕緣子的絕緣電阻，正常情況下R0i為無窮大。整體電容模型如下圖1所示，對于最后一片絕緣子，由于直接和構(gòu)架相連，絕緣子對導(dǎo)線的電容直接接于大地和導(dǎo)線之間，對整個(gè)絕緣子串電壓分布沒有影響，直接忽略。

圖1 電容等效模型Fig.1 Capacitance eqllivalent cireuit

單片劣化絕緣子的并聯(lián)等值電路[5-9]如下圖2所示，C0是極間電容，RJ是介質(zhì)損耗的等值電路，RL是劣化通道漏電損耗的等值電阻，Rw是表面污穢層漏電損耗的等值電阻。

圖2 劣化絕緣子的等效圖Fig.2 Equivalent circuit of degradated insulator

(1)

對于一個(gè)潔凈完好的絕緣子來說，RL和Rw均明顯大于RJ，故RX≈RJ，發(fā)熱功率：

(2)

當(dāng)絕緣子劣化時(shí)，RL變小，RX≈RJ，這時(shí)發(fā)熱集中在鋼帽內(nèi)部，鋼帽溫度將明顯升高，當(dāng)RL繼續(xù)下降且小于XD時(shí)，發(fā)熱功率將小于正常值，鋼帽的熱像圖變暗。當(dāng)絕緣子積污較為嚴(yán)重，污穢層的電阻Rw明顯變小，此時(shí)RX≈Rw，絕緣子發(fā)熱集中在盤面表面。

當(dāng)污穢程度較輕、濕度變化時(shí)，絕緣子表面泄漏電流增加，劣化絕緣子電阻降低時(shí)，兩端電壓也隨著降低，當(dāng)劣化絕緣子電阻降到一定程度下，兩端電壓下降比較迅速，劣化絕緣子發(fā)熱功率較正常低，紅外圖像表現(xiàn)較暗。

2 絕緣子紅外檢測盲區(qū)分析

絕緣子發(fā)熱主要有三部分組成[10]：

1)交變電場作用下絕緣介質(zhì)極化效應(yīng)引起的介質(zhì)損耗發(fā)熱：

(3)

式中：Uk0為絕緣子極間分布電壓，ω為角頻率，C0為絕緣子的極間電容。tanδ為絕緣子介質(zhì)損耗角的正切值。

2)絕緣子傳導(dǎo)電流引起的發(fā)熱：

(4)

式中：Uk0為絕緣子極間分布電壓，R0為絕緣子貫穿性泄露電流等效電阻。

3)表面爬電泄漏電流引起的發(fā)熱：

(5)

絕緣子只有在污穢存在且有較高的濕度下才會引起表面電阻率下降[11-14]，而紅外檢測一般都在濕度低于80%進(jìn)行，所以可以不考慮表面漏電流引起的發(fā)熱[13]。

據(jù)牛頓冷卻定律的公式，物體穩(wěn)定溫升值為

(6)

式中：h為散熱系數(shù)，當(dāng)散熱介質(zhì)為空氣，風(fēng)速為0.3 m/s以下時(shí)，一般可取8 kcal/m2·h·K。A為有限散熱面積，因絕緣子的發(fā)熱區(qū)域主要集中在鐵帽區(qū)域，故可取絕緣子鐵帽區(qū)域面積為有效散熱面積，約為0.02 m2。

正常情況下絕緣子的發(fā)熱如式(4)，其中Uk0為正常時(shí)第k片絕緣子的分布電壓；劣化時(shí)絕緣子發(fā)熱：

(7)

式中：中Uk為劣化絕緣子上的分布電壓。

采用戴維南等效法分析簡化電路：得到開路電壓Uoc為正常分布電壓Uk0；等效阻抗通過下式計(jì)算得到：

Ceq=C0+C0/(n-1)=nC0/(n-1)

(8)

而后采用分壓原理得到劣化絕緣子的分布電壓值為

(9)

當(dāng)劣化絕緣子發(fā)熱和正常絕緣子相當(dāng)時(shí)，絕緣子的溫度變化也基本相同，通過絕緣子溫升來判斷劣化的方法就失去效果，即：

Δθk0-Δθkt=0

(10)

式中Δθk0為正常絕緣子溫升，Δθkt為劣化絕緣子產(chǎn)生的溫升。

考慮到只有當(dāng)溫度差大于一定的閾值時(shí)才會進(jìn)行劣化預(yù)警，所以在等式(10)的基礎(chǔ)上，加入溫度差范圍ΔT(擁有正負(fù)閾值的溫度范圍)，得到盲區(qū)電阻計(jì)算公式如下：

(11)

考慮特殊情況，當(dāng)溫度差范圍取ΔT=0℃，此時(shí)為最理想化情況：即絕緣子溫升和正常絕緣子溫升完全相等。此時(shí)：

(12)

根據(jù)絕緣子類型XWP-70，選擇各參數(shù)如下：

表1 參數(shù)選擇Table 1 Parameters Selection

通過MATLAB繪制在溫度差范圍設(shè)定±0.2、±0.4、±0.6的盲區(qū)分布和電壓分布圖如圖3所示。

由圖3可知，劣化絕緣子檢測盲區(qū)在2～17 MΩ范圍之內(nèi)。

圖3 盲區(qū)范圍和雙向溫度差范圍的關(guān)系Fig.3 Blind area range and two-way temperature difference

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)回路

工頻試驗(yàn)變高壓輸出端通過額定電壓為250 kV 的復(fù)合絕緣穿墻套管引入人工霧室內(nèi)給瓷質(zhì)高壓絕緣子串加壓，調(diào)壓器T：1 000 kVA，10 kV/0～6.3 kV，在50% ～100%范圍內(nèi)調(diào)壓，阻抗保持線性且≤4.5%。污穢試驗(yàn)變壓器參數(shù)：1 000 kVA，6 kV/250 kV，短路阻抗≤3%，短路電流Id≥15 A，滿足GB/T 4585—2004標(biāo)準(zhǔn)要求。其加壓回路如下圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)回路Fig.4 The experiment loop

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

選取變電站現(xiàn)場劣化絕緣子阻值在2～17 MΩ的范圍，并將絕緣子污穢程度控制在b級或c級污穢[15-16]，本實(shí)驗(yàn)選取XWP-70的絕緣子，220 kV電壓等級絕緣子串一般共含有14片，從導(dǎo)線側(cè)開始記號第一片，中間6片電壓分布相近且分壓較低，傳統(tǒng)紅外檢測劣化絕緣子診斷正確率較低，故實(shí)驗(yàn)選取位置為8號位置。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)選取兩個(gè)阻值3.4 MΩ和16 MΩ的劣化絕緣子，并將污穢等級控制在c級污穢。

2)將其中一個(gè)劣化絕緣子放入正常串的第8號位置，選擇在濕度低于50%的環(huán)境下加壓至220 kV 兩小時(shí)并采集相關(guān)紅外圖像。

3)加壓2 h之后，開啟人工加濕裝置，先加濕到空氣濕度為95%以上，等濕度降至80%以下后，每隔20分鐘拍攝一次并記錄相關(guān)圖像和濕度。

4)分析數(shù)據(jù)并總結(jié)

3.3 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

濕度為54%，環(huán)境溫度為33℃，污穢等級為c級污穢，絕緣子串第8片為劣化絕緣子，阻值為3.4 MΩ加壓2 h的典型紅外圖譜如圖5a)所示；濕度為75%，環(huán)境溫度為33℃，加壓3小時(shí)的典型紅外圖譜如圖5b)所示；濕度為51%，環(huán)境溫度為33℃，加壓4 h的典型紅外圖譜如圖5c)所示。

圖5 電阻3.4 MΩ不同濕度下典型紅外圖譜Fig.5 Under different humidity resistance is 3.4 MΩ typical infrared spectrum

由圖5可以看出在相對濕度較低的情況下，紅外圖像表現(xiàn)不明顯，但隨著濕度的增加，達(dá)到75%的時(shí)候，第8片劣化絕緣子的盤面和鋼帽都表現(xiàn)較暗，降低濕度后再次達(dá)到51%，劣化絕緣子紅外特征表現(xiàn)很不明顯。

濕度為52%，環(huán)境溫度為35℃，污穢等級為c級污穢，絕緣子串第8片為劣化絕緣子，阻值為16 MΩ加壓2 h的典型紅外圖譜如圖6a)所示；濕度為77%，環(huán)境溫度為33℃，加壓3小時(shí)的典型紅外圖譜如圖6b)所示；濕度為56%，環(huán)境溫度為33℃，加壓4 h的典型紅外圖譜如圖6c)所示。

由圖6可以看出在相對濕度較低的情況下，紅外圖像表現(xiàn)不明顯，但隨著濕度的增加，達(dá)到77%的時(shí)候，第8片劣化絕緣子的鋼帽都表現(xiàn)與正常類似，但盤面表現(xiàn)較明顯，與附近正常絕緣子盤面相比溫度較低，紅外表現(xiàn)較暗，降低濕度后再次達(dá)到56%，劣化絕緣子紅外特征表現(xiàn)與正常類似。

圖6 電阻16 MΩ不同濕度典型紅外圖譜Fig.6 Under different humidity resistance is 16 MΩ typical infrared spectrum

綜上所述，劣化絕緣子阻值處在盲區(qū)時(shí)，當(dāng)環(huán)境沒達(dá)到一定的條件之下，紅外檢測存在較大的漏檢，但相對濕度達(dá)到一定條件下，鋼帽或盤面特征表現(xiàn)較為明顯，電阻較小時(shí)，鋼帽和盤面紅外特征較明顯，在盲區(qū)范圍中，電阻較大時(shí)，雖然鋼帽紅外特征不明顯，但盤面表現(xiàn)較明顯。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果及其分析

現(xiàn)場試驗(yàn)主要在江西省某供電公司220 kV變電站進(jìn)行，首先實(shí)驗(yàn)選取相對濕度較大的天氣，若發(fā)現(xiàn)劣化絕緣子串后再選擇相對濕度較小天氣拍攝，最后將檢測劣化絕緣子更換并測量其阻值。

相對環(huán)境濕度75%，環(huán)境溫度20℃，110 kV側(cè)1號構(gòu)架劣化絕緣子圖譜如圖7a)所示，記為1號絕緣子串，其中絕緣子串第5片劣化，現(xiàn)場阻值測試為17 MΩ；母線側(cè)2號構(gòu)架劣化絕緣子圖譜如圖7b)所示，記為2號絕緣子串，其中共含有4片劣化絕緣子，從導(dǎo)線側(cè)開始編號，第1、3、4、6為劣化絕緣子，現(xiàn)場阻值測試分別為：14.6 MΩ、279 MΩ、11.2 MΩ、214 MΩ；圖8所示為1號絕緣子串在濕度不同情況下鋼帽和盤面的溫度分布，圖9所示為2號絕緣子串在濕度不同情況下鋼帽和盤面的溫度分布。

圖7 現(xiàn)場劣化絕緣子典型圖譜Fig.7 The degradation of insulator typical graph

圖8 1號絕緣子串不同濕度下的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of No.1 insulator string under different humidity

圖9 2號絕緣子串不同濕度下的溫度分布Fig.9 Temperature distribution of No.2 insulator string under different humidity

從圖7看，劣化絕緣子電阻在2～17 MΩ之間時(shí)，濕度達(dá)到一定程度，劣化絕緣子紅外特征表現(xiàn)很明顯，與正常絕緣子比發(fā)熱較低，紅外表現(xiàn)較暗。劣化絕緣子電阻較大時(shí)，紅外特征表現(xiàn)較亮，發(fā)熱較正常高。分析絕緣子串溫度分布，當(dāng)絕緣電阻在盲區(qū)范圍之內(nèi)，絕緣電阻在10～17 MΩ時(shí)絕緣子鋼帽溫度分布與正常串接近，但在一定的濕度條件，盤面表現(xiàn)很明顯，溫度較正常低。濕度減少時(shí)，上述劣化特征消失，由此可知，檢測盲區(qū)范圍內(nèi)的劣化絕緣子事，可以通過改變環(huán)境溫濕度并參考盤面溫度分布以提高判斷劣化絕緣子的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)論

綜上所述，得到如下結(jié)論。

1)分布電壓和溫度差范圍是影響紅外檢測盲區(qū)范圍大小的兩大核心因素，劣化絕緣子檢測盲區(qū)大概在2～17 MΩ之間。

2)當(dāng)劣化絕緣子在檢測盲區(qū)范圍之內(nèi)，改變環(huán)境溫濕度可以提高劣化絕緣子診斷的準(zhǔn)確性。

3)絕緣電阻在盲區(qū)范圍之內(nèi)且電阻較小時(shí)，濕度較高情況下，絕緣子鋼帽和盤面的溫度較低，濕度降低后，該特征消失；電阻較大時(shí)，絕緣子鋼帽紅外特征表現(xiàn)與正常絕緣子類似，但盤面較正常低。

4)檢測盲區(qū)范圍之內(nèi)的劣化絕緣子，在一定的濕度條件下，可以綜合絕緣子鋼帽和盤面的溫度及灰度診斷。

根據(jù)紅外盲區(qū)變化規(guī)律及減少措施，改變環(huán)境參數(shù)，可以明顯減少劣化絕緣子的漏報(bào)，極大地提升紅外檢測準(zhǔn)確率，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。