零值絕緣子帶電檢測方法探討

王曉康，何帥，張浩然，梁睿

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

瓷質(zhì)絕緣子不僅具有較強的機械抗拉作用，而且是重要的絕緣部件，但在制造、運輸、安裝過程中可能導(dǎo)致絕緣子內(nèi)部存在裂紋和氣孔，長時間運行過程中絕緣子的電氣性能不斷降低，最終形成零值絕緣子。零值絕緣子影響絕緣子串的電壓分布，加劇絕緣子串的劣化，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)接地[1]。

零值絕緣子檢測分為絕緣電阻法、火花間隙法、電壓分布法和紅外熱成像法[2]。其中絕緣電阻法為停電檢測方法，其他三種為帶電檢測方法。本文通過對一起零值絕緣子的檢測案例和模擬試驗對這幾種方法進行了比較。

1 絕緣子串電氣特征

1.1 絕緣子串電壓分布

一個絕緣子串可等效成多個小電容單元串聯(lián)后形成的等效電容C。如圖1所示,受懸式絕緣子的雜散電容Cd的綜合影響，絕緣子串中從上到下單個絕緣子C的等效電容值會有所不同。

圖1 絕緣子串等效回路

一般情況下，絕緣子串高電位處絕緣子電壓降大，隨著絕緣子離高電位的距離增加，單個絕緣子電壓降越小[3]。絕緣子在靠近鐵塔橫擔(dān)時單個絕緣子電壓降又會逐漸增加，整串絕緣子呈現(xiàn)出弧形的電壓分布特征。端部帶均壓環(huán)的絕緣子串比不帶均壓環(huán)的絕緣子串要均勻些。

1.2 絕緣子串發(fā)熱規(guī)律

(1)絕緣子串表面污穢造成的泄露電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)。

(2)材料制造原因。絕緣子在制造過程中，內(nèi)部存在氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷，在強電場作用下產(chǎn)生的小電流引起發(fā)熱。

(3)在交流電壓下，極化效應(yīng)出現(xiàn)介質(zhì)損耗發(fā)熱[4]。等效電容越大，交流電壓越高，絕緣子介質(zhì)損耗發(fā)熱越明顯。新安裝的絕緣子串，大部分熱量來自介質(zhì)損耗發(fā)熱。

絕緣子損耗熱量為

(1)

式中：Qj—沿面溫度；

Qh—背景溫度；

u—絕緣子兩端的電壓；

ω—角頻率；

C—等值電容；

h—恒指；

S—表面積。

從式(1)可以得出，絕緣子發(fā)熱主要與電壓、表面積相關(guān)：電壓越高，發(fā)熱越明顯；表面積越大，散熱面積越大，絕緣發(fā)熱越不明顯。

正常情況下，相鄰絕緣子溫差在1 ℃以內(nèi)，紅外熱像儀圖譜表現(xiàn)為整體發(fā)熱。隨著絕緣子劣化不斷加劇，絕緣子擊穿電流增加，擊穿發(fā)熱作用增加，當(dāng)絕緣電阻值與等效電容相等時，發(fā)熱功率達到最大值，相鄰絕緣子溫差超過1℃[5]。

2 零值絕緣子檢測

小組在試驗室對浸泡48 h后絕緣子進行編號，對編號后的絕緣子使用三種不同的帶電檢測方法，進行35 kV(4片/串)和110 kV(7片/串)線路絕緣子串零值絕緣子模擬試驗，共11片絕緣子，其中編號為2、4的絕緣子是零值絕緣子，絕緣電阻分別為3 MΩ，8 MΩ。

2.1 火花間隙檢測

火花間隙檢測需要檢測人員逐塔攀登，逐片絕緣子進行檢測，完成依靠作業(yè)人員進行聽聲音診斷判斷，如果檢測環(huán)境噪聲超過60 dB，該方法準(zhǔn)確率就會降低[6]?；鸹ㄩg隙法工作原理是依據(jù)單位長度的空氣介質(zhì)在發(fā)生電壓擊穿時會產(chǎn)生放電聲來檢測。因為劣化絕緣子電壓降小于火花間隙的放電電壓，火花間隙之間的空氣不足以被擊穿，所以就不會產(chǎn)生放電聲音，檢測人員通過判斷有沒有產(chǎn)生放電聲就可以判斷絕緣子是否劣化，但不能判斷是否為零值絕緣子，僅能判斷劣化。

通過火花間隙法模擬試驗發(fā)現(xiàn)：11片絕緣子中編號為2的絕緣子無聲響、不亮光，通過以上特征判斷絕緣子試驗結(jié)論不合格。結(jié)合2號絕緣子絕緣電阻為3 MΩ，驗證了零值絕緣子檢測的正確性，但4號絕緣子未檢出。

2.2 電壓分布檢測

絕緣子作為隔離高電位輸電線路與金屬桿塔的電力元件，自身絕緣數(shù)值的大小不僅影響絕緣子發(fā)熱，還會造成各絕緣子的電壓分布發(fā)生變化，良好的絕緣子串電壓分布呈典型的“啞鈴”狀，即兩端承受電壓高，中間承受電壓低[7]。將11片絕緣子分別組合成不同的絕緣子串，第一串中由于總體片數(shù)較少，僅第2片設(shè)置為零值絕緣子，第二串中第2、4片設(shè)置為零值絕緣子。模擬試驗電壓分布見表1

表1 絕緣子串每片電壓分布統(tǒng)計

圖2 電壓分布折線

通過表1和圖2發(fā)現(xiàn)，零值絕緣子兩端電壓驟降，甚至接近于零。2、4號絕緣子電壓分布存在異常。

電壓分布檢測法發(fā)現(xiàn)的絕緣子數(shù)量與火花間隙法發(fā)現(xiàn)的零值絕緣子數(shù)量存在差別，再次證明火花間隙試驗法在實際工作中容易受環(huán)境影響，準(zhǔn)確率低。

2.3 紅外熱成像檢測

絕緣子絕緣電阻在10～300 MΩ時,劣化絕緣子介質(zhì)損耗發(fā)熱功率大于正常絕緣子的發(fā)熱功率，紅外圖譜特征主要表現(xiàn)在絕緣子鋼帽明亮。絕緣子絕緣電阻在0～5 MΩ時，介質(zhì)損耗發(fā)熱效應(yīng)影響小，與周圍環(huán)境表現(xiàn)接近，圖譜特征就會出現(xiàn)黑點。絕緣電阻在5～10 MΩ時,介質(zhì)損耗發(fā)熱與其他熱效應(yīng)相同,紅外成像圖譜無法準(zhǔn)確判斷，形成檢測盲區(qū)[7]。

2.3.1 對絕緣電阻小于5 MΩ的零值絕緣子進行紅外熱成像模擬試驗對35 kV線路絕緣子進行2組模擬試驗。

(1)試驗1。對該模擬35 kV絕緣子串進行21 kV和3h的持續(xù)加壓后，進行紅外測溫。環(huán)境溫度19 ℃，相對濕度47%，泄露電流1.8 mA。

試驗結(jié)論：1號20.4 ℃，2號 19.5 ℃，3號 19.2 ℃，4號 19.2 ℃，未發(fā)現(xiàn)明顯零值絕緣子，見圖3。

圖3 35 kV線路絕緣子模擬試驗1紅外圖譜

(2)試驗2。對該模擬35 kV絕緣子串進行95 kV和5h的持續(xù)加壓后，進行紅外測溫。環(huán)境溫度19.8 ℃，相對濕度47%，泄露電流14.6 mA。

試驗結(jié)論：1號 20.6 ℃，2號 18.3 ℃，3號 19.9 ℃，4號 19.1 ℃，發(fā)現(xiàn)2號為零值絕緣子，如圖4所示。在高電壓下利用紅外熱成像檢測更易發(fā)現(xiàn)零值絕緣子。2號絕緣子的絕緣電阻為3 MΩ，小于5 MΩ，紅外熱成像圖中呈現(xiàn)明顯的低溫特征。

圖4 35 kV線路絕緣子模擬試驗2紅外圖譜

2.3.2 對絕緣電阻大于5 MΩ且小于10 MΩ的零值絕緣子進行紅外熱成像模擬試驗

對110 kV線路絕緣子進行2組模擬試驗。

(1)試驗1。將零值絕緣子安裝在中間位置，編號為4號，對該模擬110 kV絕緣子串進行64 kV和3 h的持續(xù)加壓后，進行紅外測溫。環(huán)境溫度20 ℃，相對濕度47%，泄露電流1.9 mA。

試驗結(jié)論：7片絕緣子之間溫度最高為21 ℃，最低20.1 ℃，溫差較小，未發(fā)現(xiàn)明顯零值絕緣子，如圖5所示。

圖5 110 kV線路絕緣子模擬試驗1紅外圖譜

(2)試驗2。將零值絕緣子安裝在中間位置，編號為4號，對該模擬110 kV絕緣子串進行95 kV和60 min的持續(xù)加壓后，進行紅外測溫。環(huán)境溫度19 ℃，相對濕度47%，泄露電流10.7 mA。

試驗結(jié)論：1號 20.7 ℃，2號20.1 ℃，3號19.8 ℃，4號19.8 ℃，5號20.4 ℃，6號19.6 ℃，7號19.6 ℃，未發(fā)現(xiàn)零值絕緣子(見圖6)。4號絕緣子的絕緣電阻為8 MΩ，位于5～10 MΩ之間，紅外熱成像圖中與正常絕緣子相比，沒有明顯特征。

圖6 110 kV線路絕緣子模擬試驗2紅外圖譜

2.3.3 環(huán)境對運行中零值絕緣子紅外熱成像檢測的影響

現(xiàn)場檢測對比：選擇已經(jīng)發(fā)現(xiàn)零值絕緣子的侯韓I線，對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)零值絕緣子的侯韓I線進行現(xiàn)場紅外檢測。環(huán)境溫度17 ℃，相對濕度38%，時刻為22：17。根據(jù)試驗結(jié)果A、B、C三相每串絕緣子溫度相差小于1 ℃，未發(fā)現(xiàn)明顯零值絕緣子，如圖7所示。

圖7 侯韓I線現(xiàn)場檢測紅外圖譜

將紅外熱像儀鏡頭更換為長焦鏡頭，前往同一地點進行紅外測試，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中一片絕緣子溫度明顯低于其他絕緣子，為零值絕緣子，如圖8所示。

圖8 零值絕緣子長焦鏡頭紅外檢測效果

利用紅外熱成像進行零值絕緣子檢測:首先需要理想的測試環(huán)境，必須在日落2 h后，并且紅外熱像儀應(yīng)配備長焦鏡頭;其次，對紅外檢測人員有較高的技術(shù)要求，熟悉零值、低值絕緣子發(fā)熱特征，掌握紅外精確測溫技術(shù)要求;最后，絕緣電阻在5～10 MΩ時,其發(fā)熱功率和溫升與正常絕緣子相差很小,使紅外成像技術(shù)熱圖像完全相同而無法識別。

3 結(jié) 論

(1)紅外熱成像檢測為非接觸式，不需要人員進行鐵塔攀登，測試方便，對測試人員技術(shù)要求高，應(yīng)配備長焦鏡頭，測試條件苛刻，必須在日落2 h后或夜間進行，更適宜做帶電普測；

(2)火花間隙檢測為接觸式，勞動強度大，技術(shù)要求低，安全條件要求高，檢測精度易受環(huán)境干擾，適合做確認復(fù)測；

(3)電壓分布檢測為接觸式，勞動強度大，準(zhǔn)確率高，技術(shù)要求低，安全條件要求高，適合做精確定位；

(4)開展零值絕緣子檢測時，應(yīng)先用紅外熱成像法進行普測，檢測出異常絕緣子后再使用火花間隙法和電壓分布法進行綜合判斷，可節(jié)省人力物力，也能提高檢測的準(zhǔn)確性。