復(fù)合絕緣子溫升表面光纖光柵檢測技術(shù)

郝艷捧，潘銳健，韋杰，曹航宇，張福增，陽林，黎小林

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

復(fù)合絕緣子具有防污性能好、體積小、重量輕、機械強度高、少維護、運輸方便等優(yōu)點，大量應(yīng)用于高壓架空線路[1]。據(jù)統(tǒng)計：到2019年，我國110 kV及以上電壓等級架空線路總長已達1.03×108km；到2019年3月，我國110 kV及以上電壓等級架空線路用復(fù)合絕緣子數(shù)量已超過1 000萬[2]。復(fù)合絕緣子傘裙及護套采用的是有機材料硅橡膠，老化速度明顯快于瓷等無機材料，具體表現(xiàn)為掛網(wǎng)過程中護套、傘裙材料在濕度、紫外線、溫度、表面放電等綜合因素作用下，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的傘裙粉化、憎水性下降、龜裂、異常溫升、斷串等故障，威脅輸電線路的安全穩(wěn)定運行[3-4]。

目前常用紅外熱像儀巡檢復(fù)合絕緣子表面溫度分布，判斷其異常溫升。熱力學(xué)定律指出:所有溫度處在絕對零度(-273 ℃)以上的物體都不斷自發(fā)地發(fā)射紅外輻射，紅外熱像儀就是將待測物的熱輻射圖形通過紅外技術(shù)轉(zhuǎn)變成人眼能感受的可見光圖像的儀器[5]。2002年廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局用紅外熱像儀檢測3條220 kV線路上的36支復(fù)合絕緣子，發(fā)現(xiàn)9支發(fā)熱異常[6]。2014年國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院用紅外熱像儀，檢測500 kV線路上的復(fù)合絕緣子，在距離為58 m處測量出復(fù)合絕緣子導(dǎo)線端溫度比正常部位高30.0 ℃；登塔復(fù)測，在距離為5 m處測量出絕緣子導(dǎo)線端溫度比正常部位高43.6 ℃[7]。2018年南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司用紅外熱像儀檢測到了交流500 kV核惠線上多支復(fù)合絕緣子嚴(yán)重發(fā)熱，取下后發(fā)現(xiàn)發(fā)熱絕緣子褪色、粉化嚴(yán)重[8]。2019年國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州電業(yè)局用紅外檢測某段110 kV 母線復(fù)合絕緣子，發(fā)現(xiàn)絕緣子溫度分布不均勻，發(fā)熱點溫度比環(huán)境正常溫度高17 ℃[9]。

2017年華北電力大學(xué)為了研究故障復(fù)合絕緣子異常溫升機理，對500 kV復(fù)合絕緣子加壓實驗，用外紅熱像儀測量不同污染水平和相對濕度下絕緣子溫度[10-11]。2018年武漢大學(xué)用紅外熱像儀記錄復(fù)合絕緣子工頻干閃絡(luò)電壓試驗、陡波沖擊電壓試驗后的表面溫度，提出了一種基于紅外熱像軸向溫度的復(fù)合絕緣子表面缺陷定量表征方法[12]。2019年清華大學(xué)深圳研究院統(tǒng)計了近5年深圳部分地區(qū)復(fù)合絕緣子紅外測溫數(shù)據(jù)，并在不同相對濕度下對復(fù)合絕緣子性能進行試驗，發(fā)現(xiàn)相對濕度較高時，復(fù)合絕緣子紅外測溫結(jié)果上升[13]。2019年華南理工大學(xué)為了研究影響復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱因素，用研究型熱像儀實時記錄絕緣子的溫度[14]。然而研究型熱像儀價格昂貴，且視場角限制了儀器視野范圍，無法同時測量絕緣子各點溫度，對于高處待測點(如500 kV及以上電壓等級的復(fù)合絕緣子低壓端)，需架設(shè)高臺擺放儀器才能保證準(zhǔn)確測量，同時，紅外熱像檢測受天氣、測量距離、場地等環(huán)境因素的影響，可能漏檢和錯檢，故研究如何利用較低成本方法進行精確、分布式檢測復(fù)合絕緣子溫升具有重要意義。

自1989年起，光纖傳感器受到了廣泛關(guān)注并取得了快速發(fā)展[15]。光纖傳感器具有體積小、絕緣性能好、不受電磁干擾、耐化學(xué)腐蝕等特點。典型的光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG) 可以通過解調(diào)中心波長信號對溫度進行傳感，直接與待測點接觸進行檢測，減少環(huán)境因素對檢測的影響[16]，持續(xù)對待測點進行狀態(tài)檢測。2004年法國Trouillet等用FBG檢測復(fù)合絕緣子芯棒應(yīng)變分布和內(nèi)部溫度變化，為基于光纖光柵的復(fù)合絕緣子狀態(tài)檢測提供了依據(jù)[17]。2010年中國電力科學(xué)研究院將光纖植入復(fù)合絕緣子芯棒研究了光纖光柵中心波長偏移量與應(yīng)力、溫度變化的關(guān)系[18-19]?，F(xiàn)有研究將光纖植入復(fù)合絕緣子芯棒中以監(jiān)測其狀態(tài)，較少研究光纖傳感量與復(fù)合絕緣子故障的關(guān)系。2013年昆明理工大學(xué)將光纖光柵粘貼在絕緣子表面，檢測無染污、凝露、Ⅱ級污穢、破壞傘裙等條件下時復(fù)合絕緣子溫升，有效檢測了絕緣子狀態(tài)[20]。

本文利用光纖光柵檢測復(fù)合絕緣子表面溫升，并與紅外測溫技術(shù)對比，分析光纖光柵檢測復(fù)合絕緣子異常溫升的可行性，以期為研究復(fù)合絕緣子異常溫升提供一種檢測手段。

1 光纖光柵檢測原理

光纖由纖芯和包層組成，材料為石英。因為包層折射率大于纖芯折射率，從而使光得以在纖芯層中傳播。按周期配制光纖纖芯折射率，即可形成布拉格光柵。寬帶光線入射時，光柵會根據(jù)纖芯折射率相應(yīng)反射中心波長λB的窄帶光線[18-19]，其中光柵的反射中心波長

λB=2neffΛ.

(1)

式中：neff為光柵有效折射率；Λ為光柵條紋周期。

光纖在軸向外力、溫度的影響下，neff和Λ發(fā)生變化，λB也會相應(yīng)發(fā)生變化，由式(1)微分可得

ΔλB=2ΛΔneff+2neffΔΛ.

(2)

式中:ΔλB為光柵中心波長變化量；Δneff為光柵有效折射率變化量；ΔΛ為光柵條紋周期因光纖本身的形變引起的變化量。

本文僅研究溫度變化，故光柵有效折射率、條紋周期變化量為：

ΔΛ=αΛΔT；

(3)

Δneff=ξneffΔT.

(4)

式中：a為光纖熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖熱光系數(shù)，即折射率隨溫度變化率；ΔT為溫度變化量。結(jié)合式(1)至(4)可得

ΔλB=2neffΛΔT(α+ξ)=KTΔTλB.

(5)

式中：KT為FBG靈敏度系數(shù)。通過標(biāo)定試驗，可得KT，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，根據(jù)式(5)可計算得ΔλB[21];因此，利用測量反射光中心波長偏移量，可計算溫度變化值。

2 復(fù)合絕緣子溫升試驗

2.1 試驗系統(tǒng)

溫升試驗在廣州市增城區(qū)的某電網(wǎng)超高壓實驗室中進行，如圖1所示。試驗大廳尺寸26 m×26 m×30 m，環(huán)境溫度為31 ℃，相對濕度為60%。變壓器為戶外單相油浸鐵殼式結(jié)構(gòu)，標(biāo)稱容量為2 400 kVA，額定電壓為450 kV/10 kV。試驗用紅外熱像儀為FLIR公司P640型，光纖解調(diào)儀采用深圳中科傳感科技有限公司SAI-1131AF型。光纖類型為Acrylate SMF-28，布拉格光柵室溫下中心波長范圍為1 525～1 565 nm，光柵間距為250 mm，反射率大于90 %。

圖1 復(fù)合絕緣子溫升交流高壓試驗系統(tǒng)Fig.1 AC high voltage test system for temperature rise of composite insulator

2.2 試樣

試樣取自某供電局3串掛網(wǎng)運行高壓端溫升異常的復(fù)合絕緣子，見表1。

表1 巡檢溫升異常的復(fù)合絕緣子試樣Tab.1 Composite insulator samples with abnormal temperature rise

2.3 光柵布置與復(fù)合絕緣子溫升試驗

為了研究復(fù)合絕緣子表面固定光纖光柵是否影響絕緣子異常溫升，對1號500 kV復(fù)合絕緣子加額定工頻相電壓(有效值318 kV)，持續(xù)1 h，用紅外熱像儀測量絕緣子表面溫升。測量完畢降低試驗電壓至零，待復(fù)合絕緣子溫度降至環(huán)境溫度。試驗前用絕緣膠帶將光柵固定在試樣表面，光柵間光纖在絕緣子上自由冗余、懸空，如圖2(a)所示。將光纖級聯(lián)的8個布拉格光柵(1—8號)從高壓端開始固定在各個傘下方芯棒位置,如圖2(b)及2(c)所示，然后重復(fù)溫升試驗。

圖2 1號500 kV復(fù)合絕緣子光柵布置Fig.2 Grating layout of No.1 500 kV composite insulator

2.4 復(fù)合絕緣子溫升軸向分布試驗

為了對比整支絕緣子在紅外與光纖光柵測量時的溫度分布，進行復(fù)合絕緣子溫升軸向分布試驗,將2號110 kV絕緣子1個大傘和2個小傘看作1個單元，最靠近低壓端的稱為第1單元，共10個單元。光纖級聯(lián)9個布拉格光柵(1—9號)，將1號光柵固定在第1單元最后1個小傘下方芯棒表面，2號光柵固定在第2單元同樣位置；以此類推，中間第6、7單元不貼光柵，如圖3(a)和3(b)所示。加額定工頻相電壓(有效值73 kV)，持續(xù)0.5 h，分別用紅外熱像儀和光纖光柵測量表面溫度。

圖3 2號110 kV復(fù)合絕緣子軸向溫升分布試驗中光柵布置Fig.3 Grating layout in axial temperature rise distribution test of No.2 110 kV composite insulator

2.5 復(fù)合絕緣子周向溫升分布試驗

巡檢發(fā)現(xiàn)2號110 kV絕緣子高壓端附近溫升明顯，為了對比紅外與光纖光柵測量時該絕緣子高壓端溫度分布，進行了絕緣子周向溫升分布試驗。光纖級聯(lián)5個布拉格光柵(編號1—5號)，1號光柵在最后1個小傘下方；2—4號光柵沿圓周方向固定在最后1個大傘下方，兩兩間隔1/3圓周；5號光柵在大傘上方，如圖4所示。加壓并用紅外熱像儀和光纖光柵測量絕緣子表面溫度。

圖4 2號110 kV絕緣子光柵布置Fig.4 Grating layout of No.2 110 kV composite insulator

2.6 復(fù)合絕緣子高壓端溫升分布試驗

為了對比紅外與光纖光柵測量時復(fù)合絕緣子異常溫升部位——高壓端的溫度分布，將3號500 kV復(fù)合絕緣子按照第2.3節(jié)布置光纖光柵后加額定工頻相電壓(有效值318 kV)并持續(xù)1 h，用紅外熱像儀和光纖光柵同時測量絕緣子溫升。

3 結(jié)果與分析

3.1 光柵布置與復(fù)合絕緣子溫升試驗

1號500 kV復(fù)合絕緣子布置光纖光柵前后紅外熱像儀檢測的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：復(fù)合絕緣子表面布置光纖前后，最高溫度均大致在同一位置，即絕緣子最后1個小傘下方；固定光纖光柵后，復(fù)合絕緣子最高溫度幅值均為12 ℃，沒有明顯變化；同時，試驗未觀察到絕緣子沿面電暈、放電或閃絡(luò)，從試驗角度證明了光纖光柵固定在絕緣子表面并不會影響復(fù)合絕緣子電氣性能，也不加劇或減弱其發(fā)熱狀態(tài)。紅外熱像儀受其空間分辨率限制，當(dāng)復(fù)合絕緣子距離較遠(yuǎn)時，難以測量到某一個點的溫度。

圖5 光柵布置前后的復(fù)合絕緣子紅外熱像儀檢測溫度Fig.5 Thermal infrared detection temperature of composite insulator before and after grating layout

3.2 復(fù)合絕緣子軸向溫升分布試驗

分別用紅外熱像儀、光纖光柵檢測2號110 kV復(fù)合絕緣子軸向溫度分布，如圖6所示。其中，該光柵在空氣中標(biāo)定的溫度檢測靈敏度系數(shù)為10.1 pm/℃。

由圖6可知：光柵測得2號110 kV復(fù)合絕緣子軸向溫升變化趨勢和幅度與紅外熱像儀檢測結(jié)果一致，2號絕緣子高壓端附近溫升現(xiàn)象明顯。

由圖6(a)也可看出：紅外熱像儀測量光標(biāo)難以鎖定在待測點，影響測量。紅外熱像儀測量準(zhǔn)確度受機器參數(shù)的限制，當(dāng)熱像儀與絕緣子距離越遠(yuǎn)、實驗環(huán)境溫度越高，準(zhǔn)確測量對儀器要求越高，實驗成本將大幅增加；相比之下，采用FBG可節(jié)約實驗成本并減少環(huán)境對實驗的影響，能同時記錄復(fù)合絕緣子上多個待測點溫度變化，實驗準(zhǔn)確性得到保證。

圖6 2號110 kV復(fù)合絕緣子軸向溫升分布Fig.6 Axial temperature rise distribution of No.2 110 kV composite insulator

3.3 復(fù)合絕緣子周向溫升分布

用紅外和光柵檢測2號110 kV復(fù)合絕緣子周向溫升分布結(jié)果如圖7所示，該光柵在空氣中標(biāo)定的溫度靈敏度系數(shù)為10.7 pm/℃。

由圖7可見，2號110 kV復(fù)合絕緣子各光柵測得溫升變化趨勢與紅外熱像儀結(jié)果一致，且絕緣子缺陷軸向同一位置，圓周方向不同位置溫升不相同。2號光柵位置溫升約12 ℃，3號和4號光柵位置溫升均約16 ℃，相差約4 ℃；這說明復(fù)合絕緣子周向溫升檢測的必要性，紅外熱像儀測溫需旋轉(zhuǎn)多個角度，甚至可能因場地限制無法測量嚴(yán)重缺陷部位的溫升，而光纖光柵是準(zhǔn)分布式檢測，可以同步、實時測量到復(fù)合絕緣子周向溫升變化。

圖7(b)中，每隔300 s提取1組測量值，紅外熱像儀測量溫度與光柵測量的溫度差如圖8所示。

圖7 2號110 kV復(fù)合絕緣子周向溫升分布Fig.7 Circumferential temperature rise distribution of No.2 110 kV composite insulator

圖8 2號110 kV復(fù)合絕緣子溫升2種測量方法的溫度差Fig.8 Temperature differences between two methods for measuring temperature rise of No.2 110 kV composite insulator

由圖8可知：2種檢測方式測得溫度差值在±0.8 ℃之內(nèi)，且差值無規(guī)律性，這主要是由于紅外熱像與試樣距離較遠(yuǎn)，易受環(huán)境溫度影響所致。

3.4 復(fù)合絕緣子高壓端溫升分布試驗

用紅外和光柵檢測3號500 kV復(fù)合絕緣子高壓端溫升檢測結(jié)果如圖9所示，該光柵在空氣中標(biāo)定的溫度靈敏度系數(shù)為10.9 pm/℃。圖9(b)中，每隔300 s提取1組光柵測量值，紅外熱像儀測量溫度與光纖測量的溫度差如圖10所示。

由圖9可見:除3號和5號光柵外，500 kV復(fù)合絕緣子光柵測得溫升變化趨勢與紅外熱像儀結(jié)果一致。圖9(a)中，紅外測得3號光柵位置溫升數(shù)值大于5號光柵；圖9(b)中，3號光柵溫升變化小于5號光柵；且圖10中5號光柵位置紅外測溫和光柵測溫差值較大。造成這一現(xiàn)象的主要原因是:500 kV復(fù)合絕緣子試驗電壓較高，使用紅外測溫技術(shù)需要較大的電氣安全距離；在地面使用紅外熱像儀測溫時，絕緣子伸出的傘阻擋了絕緣子發(fā)熱時的紅外輻射，增大了測量誤差。

圖9 3號500 kV復(fù)合絕緣子高壓端溫升分布試驗Fig.9 Temperature rise distribution test on high voltage terminal of No.3 500 kV composite insulator

圖10 3號500 kV復(fù)合絕緣子溫升2種測量方法的溫度差Fig.10 Temperature differences between two methods for measuring temperature rise of No.3 500 kV composite insulator

結(jié)合3號500 kV復(fù)合絕緣子試驗分析可知:紅外熱像儀檢測的視野范圍有限，且非接觸性測量易受拍攝角度限制;光纖光柵是準(zhǔn)分布式檢測，可實時精確獲取復(fù)合絕緣子各位置的動態(tài)溫度，為實驗室研究復(fù)合絕緣子異常溫升機理提供了更有效的試驗手段。

4 結(jié)論與展望

本文對巡檢溫升異常的110 kV和500 kV復(fù)合絕緣子表面貼FBG，進行了光柵布置與復(fù)合絕緣子溫升試驗、復(fù)合絕緣子軸向溫升分布試驗、復(fù)合絕緣子軸向溫升分布試驗以及復(fù)合絕緣子高壓端溫升分布試驗，并與常用的紅外熱像儀檢測結(jié)果進行了對比研究，得到結(jié)論如下：

a)復(fù)合絕緣子表面貼光纖光柵不影響溫升試驗的溫度分布和溫升速度，不影響復(fù)合絕緣子電氣性能。光纖光柵測得復(fù)合絕緣子軸向溫升變化趨勢和幅度與紅外熱像儀檢測結(jié)果一致，從而驗證了光纖光柵檢測復(fù)合絕緣子異常溫升的可行性，為實驗室研究復(fù)合絕緣子異常溫升提供了一種有效的檢測方法。

b)光纖光柵測得復(fù)合絕緣子軸向溫升變化趨勢和幅度與紅外熱像儀檢測結(jié)果一致，2種測量方法的溫度差在±0.8 ℃以內(nèi)。試驗發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子同一軸向位置周向溫升差異為4 ℃，比較明顯，具有準(zhǔn)分布式特點的光纖光柵可以同步、實時檢測復(fù)合絕緣子周向溫升變化。

c)500 kV復(fù)合絕緣子高壓端被伸出傘遮擋的待測點溫升變化幅度與紅外熱像儀檢測結(jié)果不一致，2種測量方法的溫度差超過了1 ℃。測量長串復(fù)合絕緣子溫升時，光纖光柵檢測比紅外檢測法更具優(yōu)勢，可實時精確獲取復(fù)合絕緣子各位置的動態(tài)溫度。