環(huán)境相對濕度對絕緣子紅外檢測的影響研究

白衛(wèi)，黎業(yè)欣，甘徐，盧勝標，李毅

環(huán)境相對濕度對絕緣子紅外檢測的影響研究

白衛(wèi)，黎業(yè)欣，甘徐，盧勝標，李毅

（廣西電網(wǎng)有限責任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000）

隨著紅外測量技術不斷進步，利用紅外測量非接觸、精準、高效、安全等特點興起的絕緣子狀態(tài)紅外熱像檢測法得以廣泛應用，但其測量結(jié)果易受大氣濕度因素影響。以XP-70標準懸式絕緣子為試驗樣品，利用仿真和實驗的方法研究零值絕緣子的發(fā)熱現(xiàn)象，對比不同大氣濕度條件下采集的絕緣子紅外數(shù)據(jù)，從而了解濕度對絕緣子紅外測量法的影響。研究成果可用于指導電網(wǎng)紅外巡檢工作，保障絕緣子紅外巡檢結(jié)果的準確性，從而實現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

環(huán)境相對濕度；零值絕緣子；紅外檢測；熱場仿真

1 引言

絕緣子是電網(wǎng)架空輸配電線路中應用較多的關鍵絕緣配件，它能連接導線與桿塔，同時隔絕導線與桿塔間的電流。絕緣子生產(chǎn)時，由于生產(chǎn)設備的局限性，導致絕緣子內(nèi)部各部件粘合不嚴密，不可避免會形成細微的裂縫和小氣泡。當絕緣子被應用到輸配電線路后，受自然界溫濕度的影響，內(nèi)部各部件受力不一，從而導致裂縫和氣泡逐漸變大，絕緣子阻值降低，變?yōu)榈土阒到^緣子[1-2]。另外，絕緣子在輸配電線路上使用時，還要承受強電磁場和較大的機械應力的考驗。隨著運行時間增加，絕緣子的功能越來越差，絕緣電阻越來越小，最終演變?yōu)榱踊^緣子。按DL/T 569—2005《電力設備預防性試驗規(guī)程》的要求，500 kV以下輸配電線路中的絕緣子阻值不得小于300 MΩ，500 kV以上輸配電線路中的絕緣子阻值不得小于500 MΩ[3-4]。小于以上數(shù)字，即認定其為不良絕緣子。如果輸配電線路中產(chǎn)生零值絕緣子，零值絕緣子所在的部位阻值為0，從而導致串中正常絕緣子上的分壓變大，進而增大該絕緣子串的閃絡概率。一旦發(fā)生閃絡，零值絕緣子的鐵帽將裂開或者脫離，整個絕緣子串變得疏松，出現(xiàn)掉串，絕緣子無法再承擔電力導線的張力，電力導線掉落，最終影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，給居民的生活帶來不利的影響。

現(xiàn)階段電網(wǎng)應用較多的懸式絕緣子的狀態(tài)測量方法有火花間隙法、泄露電流檢測法、脈沖電流檢測法、電場測量法、分布電壓法、紫外成像法等[5]。但這些方法大多需人工登塔進行檢測，具有工作強度大、檢測準確率低、易受電磁干擾、安全隱患大、檢測成本高等不足。隨著紅外測量技術不斷進步，紅外檢測儀的分辨率越來越高，將紅外測量方法引入劣化絕緣子的檢測中已經(jīng)成為可能[6]。

利用紅外檢測零值絕緣子具有不接觸、精準、高效等優(yōu)點，可大大提高電網(wǎng)作業(yè)人員的工作效率。但在絕緣子劣化識別的應用中仍存在著診斷標準不完善，難以避免檢測盲區(qū)，檢測效果易受風速、日照、濕度等自然環(huán)境影響等不足。本文對相對環(huán)境濕度對絕緣子紅外檢測的影響程度進行分析，為絕緣子紅外檢測提供一個更為合理的檢測環(huán)境參考。

2 含零值絕緣子串的熱場仿真研究

2.1 瓷絕緣子的仿真模型及參數(shù)

本文對仿真原件為XP-70標準懸式絕緣子進行1∶1等比例建模，該仿真模型由鋼帽、鐵腳、具有較強絕緣性能的瓷件、粘合連接各組成部分的水泥膠合劑組成。瓷絕緣子剖面如圖1所示。

圖1 絕緣子剖面圖

對絕緣子串的多物理場耦合仿真需要定義各個部分的相對介電常數(shù)、電導率、絕緣子各個固體部分的導熱系數(shù)、恒壓熱容和密度等參數(shù)，相關材料屬性如表1所示。

表1 各種材料屬性

介質(zhì)材料瓷件水泥膠合劑鋼帽、鐵腳空氣 相對介電常數(shù)4.781e101 電導率/（μs·cm-1）2e-111.7e-91.2e111e-8 導熱系數(shù)/（W·m-1·K-1）35580.2/ 恒壓熱容/（J·kg-1·K-1）730800449/ 密度/（kg·m-3）3 9653 6007 860/

2.2 熱場仿真結(jié)果及分析

為了解環(huán)境相對濕度對于含零值絕緣子串溫度分布的影響，進行了相關仿真計算[7-8]。相同污穢條件（NaCl， 0.1 mg/cm2）且2號位置為零值絕緣子，環(huán)境相對濕度逐漸增加時絕緣子串的溫度分布仿真計算結(jié)果如圖2所示。環(huán)境相對濕度逐漸增加時，含2號零值絕緣子串鋼帽處和鐵腳與下表面連接處的溫升如圖3所示。

圖2 環(huán)境相對濕度逐漸增加時含2號零值絕緣子串的等溫線分布（單位：℃）

結(jié)合圖2和圖3可以看出，隨著環(huán)境相對濕度逐漸增加，絕緣子串的整體溫升逐漸提高，串中絕緣性能良好絕緣子的溫升變化比較明顯，在熱量傳遞的影響下也使相應劣化（零值）絕緣子表現(xiàn)出較小的溫升，劣化（零值）絕緣子與毗鄰位置絕緣子的溫升差距隨濕度增加而逐漸增大，而毗鄰正常絕緣子的溫升差依然較?。ň淮笥?.25 ℃）且整體呈馬鞍形分布規(guī)律。

3 實驗

3.1 實驗目的

開展劣化（零值）絕緣子紅外檢測實驗，以實際高壓輸配電路線上取下的劣化（零值）絕緣子為研究對象，運用紅外成像法研究劣化（零值）絕緣子在不同濕度情況下絕緣子泄露電流產(chǎn)生的發(fā)熱特征，得到不同濕度條件下絕緣子串的紅外熱像圖，并對其進行數(shù)據(jù)分析[9-10]。

3.2 實驗內(nèi)容

為了解環(huán)境相對濕度對中度污穢含劣化絕緣子的絕緣子串發(fā)熱影響，開展了相關試驗。將絕緣子人工固體涂污，然后將污穢絕緣子串中的絕緣片進行編號，由高壓端至低壓端接地依次編號為1～3號位置，試驗時選擇劣化絕緣子置于1號位置、2號位置和3號接地位置，通過控制超聲霧化發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，改變環(huán)境濕度，進行絕緣子串的紅外實驗。

3.3 實驗方案

試驗原理如圖4所示。

圖4 試驗原理圖

調(diào)壓器為移圈調(diào)壓器，額定輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V，額定容量15 kVA。高壓側(cè)導線通過環(huán)氧絕緣管接入自制的氣霧室。將試品懸掛在2 000 mm×1 300 mm× 1 300 mm 的自制氣霧室中，由帶有高頻霧化片的加濕器產(chǎn)生蒸汽，改變裝置內(nèi)的濕度，并用濕度測量儀監(jiān)測氣霧室內(nèi)部濕度。將試品固定在試驗平臺上，接通電源，給絕緣子串加壓。加壓時采用均勻升壓的方式快速升壓至試驗電壓，再采用恒壓方式持續(xù)加壓1 h，使用分壓比為3 000∶1 的電容分壓器監(jiān)測電壓，同時用紅外檢測儀采集絕緣子串的紅外熱像圖，紅外檢測儀為YoseenM640D，測量范圍為﹣20 ℃～150 ℃，640×480像素，空間分辨率為2.5 mrad，測量精度為±2 ℃或讀數(shù)的±2%，并具有連續(xù)變焦功能。實驗器材如圖5所示。

圖5 實驗器材

試驗具體步驟：①在確保未通電的情況下，將涂污陰干后的絕緣子連接成串懸掛于人工霧室內(nèi)，低壓端絕緣子鋼帽與接地線連接使其可靠接地，高壓端絕緣子鐵腳連接高壓進線，接線完成后封閉人工霧室；②接通電源進行加壓，加壓時采用均勻快速升壓的方式升壓至試驗電壓，再采用恒壓方式持續(xù)加壓，使用電容分壓器監(jiān)測電壓；③打開加濕系統(tǒng)使人工霧室內(nèi)的空氣濕度逐漸增加，直至試驗所需目標濕度值，使用溫濕度傳感器對人工霧室內(nèi)的溫濕度進行監(jiān)測； ④持續(xù)加壓30 min后關閉電源，記錄環(huán)境溫濕度并使用高精度紅外熱像儀采集絕緣子串紅外熱像圖，然后將絕緣子串靜置并使用分辨率為640×480的紅外檢測儀采集數(shù)據(jù)，直至絕緣子余熱消除，避免影響后續(xù)試驗；⑤改變目標濕度（60%、70%、80%）后，重復上述步驟①、②、③、④。

3.4 實驗結(jié)果

相同污穢條件（0.1 mg/cm2），含零值絕緣子時，環(huán)境濕度值為60%、70%、80%時污穢絕緣子串的紅外成像實驗結(jié)果如圖6所示。

注：污穢度0.1 mg/cm2，第2片零值，環(huán)境溫度為17.5 ℃。

通過圖6可知，零值絕緣子的溫升較低，與正常絕緣子溫差較大，這種溫差隨著相對濕度的逐漸增加而逐漸變大。相對環(huán)境濕度較小或較大均不利于紅外檢測，相對環(huán)境濕度適中時，才利于零值絕緣子紅外檢測。

4 結(jié)論

本文選取XP-70標準懸式絕緣子，利用COMSOL軟件進行了含零值絕緣子串的熱場仿真研究，對劣化絕緣子的發(fā)熱現(xiàn)象進行了理論性的研究，基于此研究，分析了濕度對紅外檢測法檢測絕緣子的影響，并結(jié)合高壓實驗進行了驗證，得到以下研究成果：隨著環(huán)境相對濕度的持續(xù)增大，導致絕緣子串的泄露電流增大，絕緣子串整體溫度增大，由于正常絕緣子阻值遠遠大于零值絕緣子，因而正常絕緣子的發(fā)熱溫升比零值絕緣子的發(fā)熱溫升大；在環(huán)境相對較小時，零值與正常絕緣子圖像特征對比不明顯，將不利于紅外檢測；相對濕度較大時，濕污電阻繼續(xù)減小，由于每個絕緣子污穢均勻程度和干燥程度不同，造成部分正常絕緣子表面污穢電阻偏低，出現(xiàn)錯誤性的“零值”，造成檢測結(jié)果不準確。在相對環(huán)境濕度適中（70%）時，隨著相對濕度持續(xù)增加，絕緣子盤面因污穢形成一層導電層，當其受潮后，其盤面呈較低的電阻，流經(jīng)絕緣子串盤面的電流相同，從而導致絕緣子串的發(fā)熱主要由泄露電流發(fā)熱產(chǎn)生。由于正常絕緣子與零值絕緣子阻值相差較大，而流經(jīng)的泄露電流相同，因而呈現(xiàn)出正常絕緣子與零值絕緣子較大溫差的現(xiàn)象，有利于紅外檢測。

［1］譚孝元.基于紅外成像技術的零值絕緣子檢測［D］.成都：西南交通大學，2016.

［2］祝嘉奇.基于紅外熱像的劣化絕緣子診斷技術研究［D］.南昌：南昌大學，2014.

［3］李峰，張瀟，謝方明，等.基于EMTP仿真的330 kV絕緣子串電壓分布［J］.上海電力學院學報，2015（2）：25-28.

［4］江蘇省電力工業(yè)局，江蘇省電力試驗研究所.電氣試驗技能培訓教材［M］.江蘇：中國電力出版社，1998.

［5］廖威.瓷質(zhì)零值絕緣子在線檢測中紅外圖像處理方法研究［D］.長沙：湖南大學，2014.

［6］郭偉，董麗虹，徐濱士，等.主動紅外熱像無損檢測技術的研究現(xiàn)狀與進展［J］.無損檢測，2016（4）：58-66.

［7］錢艷萍.零值絕緣子紅外圖像預處理方法研究［D］.長沙：湖南大學，2012.

［8］陳金法.絕緣子紅外熱像檢測及診斷技術研究［D］.杭州：浙江大學，2011.

［9］杜海.紅外熱像檢測診斷技術在輸電線路上的應用［J］.中國高新技術企業(yè)，2014（17）：51-52.

［10］葛永超.瓷絕緣子狀態(tài)檢測方法的研究［D］.北京：華北電力大學，2013.

TM216

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.001

2095－6835（2020）09－0001－03

白衛(wèi)（1986—），男，廣西上林人，本科，現(xiàn)為廣西電網(wǎng)有限責任公司玉林供電局生產(chǎn)技術部專責，主要研究方向為輸電線路運行維護。

〔編輯：嚴麗琴〕