一種非接觸式零值絕緣子檢測方法及裝置

許義，路健，朱先啟，張承習，張東東，劉欣，黃宵寧

(1. 國網安徽省電力有限公司合肥供電公司, 安徽 合肥 230022；2.南京工程學院 輸配電裝備與新技術研究所, 江蘇 南京 211100)

瓷絕緣子在輸電線路、變電站中使用廣泛，對保障電力系統(tǒng)安全運行有重要作用[1]。由于制造工藝、運輸、安裝等原因，輸電線路中絕緣子的瓷質部分容易出現(xiàn)裂紋，而絕緣子的運行環(huán)境復雜多變，且長期承受機械負荷與過電壓，導致絕緣子裂縫在電場作用下發(fā)生擊穿，絕緣性能大幅下降，產生零值絕緣子[2]。在架空線路中，由于零值絕緣子而導致的瓷絕緣子串炸裂、掉串事故時有發(fā)生，嚴重影響電力系統(tǒng)的正常運行[3-6]。

國內外學者針對零值瓷絕緣子檢測開展了大量的研究，提出了一系列包括絕緣電阻法、泄漏電流法、電位分布法、超聲波檢測法、紫外成像法、紫外脈沖法、敏感絕緣子法以及紅外成像法等的技術手段[7-12]?？紤]到相關技術的成熟性和現(xiàn)場適應性，目前運維人員主要采用絕緣電阻法與火花間隙法來檢測零值絕緣子[13]。這2種傳統(tǒng)的檢測方法均為接觸式方法，需登桿作業(yè)，存在工作量大、工作性質危險的問題，不能滿足智能運維的需求。

鑒于此，有關科研機構提出了基于紅外成像的零值絕緣子非接觸式檢測方法[14-15]，該方法具有檢測方便、不影響運行、直觀等優(yōu)點，較符合目前智能運維的應用需求。然而現(xiàn)有的結論都是在環(huán)境密閉的實驗室得出，該方法的現(xiàn)場應用效果有待考量。紅外成像法的原理是基于絕緣子鋼腳鋼帽的發(fā)熱差異，而良好絕緣運行狀態(tài)下的絕緣子表面泄漏電流為微安級，其對絕緣子發(fā)熱的影響很小，實測結果也表明，零值絕緣子與相鄰完好絕緣子間的溫差僅為0.4～1.2 ℃[16]。此外，該方法對測試環(huán)境的要求苛刻，濕度、氣候、光線等因素均會影響絕緣子與外界的熱量交換，從而影響測量結果[17]。綜上，目前的紅外法零值絕緣子測量可行性較差。

大量理論研究和試驗表明：在正常情況下，電場強度沿絕緣子軸向的變化曲線是光滑U形分布；而當絕緣子存在導通性缺陷時，缺陷處電場強度會突然降低，電場強度分布曲線不再光滑，出現(xiàn)中間下陷、兩端上升的形狀畸變[18]。因此，通過測量絕緣子串的軸向電場分布來找出零值絕緣子的方法具有可行性，且電場強度為工頻電參量，可通過非接觸方式獲得，在干燥環(huán)境下幾乎不受外界因素干擾。目前該方法在國外運用較多，其基本思想是在桿塔橫擔上架設專業(yè)檢測裝置，代替人力對零值絕緣子進行掃描識別[19]；國內也有相關機構研發(fā)了絕緣子攀爬機器人，該機器人搭載電場掃描檢測裝置，可在機器人攀爬絕緣子的過程中進行零值檢測[20]。

綜上，免登塔、非接觸的零值絕緣子檢測技術仍是當下智能運維的重要需求，但是目前國內相關的理論研究和實踐工作開展較少，使得相關方法仍未推廣?；诖?，本文首先仿真分析220 kV絕緣子串空間電場分布特性，研究零值絕緣子對其分布的影響；然后研制非接觸式空間電場探測裝置，開發(fā)零值絕緣子檢測算法及后臺上位機系統(tǒng)；最后，開展非接觸式零值絕緣子檢測試驗，以驗證仿真結果以及本文所提方法的有效性。

1 絕緣子串空間電場分布仿真計算

1.1 有限元計算原理

根據(jù)準靜態(tài)場的定義可知：電磁波傳播通過所研究的電磁系統(tǒng)的最大線度尺寸的時間遠遠小于該電磁波的周期時，電場和磁場幾乎沒有耦合作用，可近似認為該電磁場為準靜態(tài)電磁場。在工頻交流電壓下，研究絕緣子串電場分布所涉及到物體的最大尺寸不超過100 m，交流電壓的波長遠大于絕緣子串長，滿足準靜態(tài)場的定義條件；因此，絕緣子串在任一瞬間的電場都可以近似地認為是穩(wěn)定的，絕緣子串產生的工頻電場可以近似為準靜態(tài)電場，仿真采用靜電場進行求解。

根據(jù)靜電場原理，帶電線路中絕緣子串與輸電線路的整體電位分布滿足泊松方程，如式(1)；且當電場中無自由移動的空間電荷時，靜電場中任意一點的電荷密度ρ為0，拉普拉斯方程成立，如式(2)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x、y、z為空間坐標系；ε為介質的介電常數(shù)；φ為電位；2為拉普拉斯算子。

求解輸電線路桿塔整體電場分布時，其計算域單元頂點的電位表達式為：

(3)

(4)

式(3)、(4)中：F(φ)為電位函數(shù)；V為計算域；Ve為單元e的計算域；φe為單元e的電位；Fe(φe)為單元頂點電位函數(shù)。Fe(φe)對φe導數(shù)為零，可以得到式(5)，進一步表示為矩陣的形式，可得到式(6)。

(5)

Kφ=0.

(6)

式(5)、(6)中：M為單元總數(shù)；K為剛度矩陣；φ為電位矩陣。通過求解器的迭代計算，最終可以求得輸電線路的絕緣子串整體電場分布。

1.2 絕緣子串電場仿真模型

本文選取13片XP-160懸式瓷絕緣子、酒杯型桿塔作為仿真對象，建立有限元仿真模型，進行絕緣子空間電場的特性分析。XP-160懸式瓷絕緣子、酒杯型桿塔示意圖如圖1所示，其中d為絕緣子串中軸與測量線L之間的距離。絕緣子參數(shù)見表1。

為了提高仿真的準確性，考慮鐵塔、橫擔、鋼腳、鋼帽、導線等因素的影響，通過有限元軟件建立1∶1三維模型。從高壓端開始依次對絕緣子編號(1—13)，測量時沿測量線L從高壓端至低壓端進行。模型中空氣、瓷、水泥的相對介電常數(shù)分別取1、6、14。

圖1 絕緣子及桿塔示意圖Fig.1 Diagram of insulator and the tower

表1 絕緣子參數(shù)Tab.1 Insulator parameters mm

利用有限元法求解空間電場分布時，對遠處空氣邊界、桿塔、絕緣子串低壓端金具加載零電壓，對于導線及絕緣子串高壓端金具加載實際運行電壓179.6 kV。有限元法的解是一種近似的結果，需要設置邊界條件，在無界域建立有界區(qū)域進行求解。

仿真分析含有零值絕緣子的絕緣子串空間電場分布變化。模型針對絕緣子結構進行了改變：對鋼帽與瓷件、水泥粘合劑之間進行了貫穿處理，并單獨設置相對介電常數(shù)，模擬實際情況中的零值絕緣子，如圖2所示；而對于懸浮導體則采用虛擬大介電常數(shù)的方法，即懸浮導體與周圍非懸浮導體的相對介電常數(shù)之比大于1 000即可。

圖2 零值絕緣子模擬示意圖Fig.2 Diagram of the zero-value insulator unit

1.3 仿真結果及分析

假設清潔絕緣子串在所加電壓下無電暈產生，空氣濕度低，沿面泄漏電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變?；谝陨辖^緣子串的電場仿真模型，得到d= 200 mm情況下，酒杯型桿塔邊相瓷絕緣子串不同方位(前、后、左、右)的空間電場分布情況，如圖3所示。由圖3可知，良好絕緣子串周圍空間電場分布規(guī)律基本一致，都呈光滑馬鞍形，圖1中L線的方位對空間電場檢測結果影響不大。

圖3 絕緣子串四周電場分布Fig.3 Electric field distribution of insulator string in different directions

由于路徑方位對絕緣子串電場規(guī)律沒有顯著影響，故研究絕緣子外側不同d值下的空間電場分布特性。按照前文所述方法模擬實際情況中零值絕緣子，分別在高壓端、中部、低壓端依次對3、7、12號設置零值絕緣子，在d=200 mm情況下，空間電場各分量仿真結果如圖4所示。由圖4可知：零值絕緣子位置處周圍空間電場明顯畸變，在合成電場、軸向電場、徑向電場均有體現(xiàn)；零值絕緣子位置處電場強度的畸變對空間軸向分量的影響最大，其中軸向電場與正常相比變化了21.2%、13.1%、21.3%。

為了對零值絕緣子空間軸向電場的影響范圍進行研究，找到最佳的現(xiàn)場檢測距離，仿真得到d分別為300 mm、400 mm、500 mm情況下的軸向電場進行研究，得到仿真結果如圖5所示。由圖5可知：監(jiān)測距離d越大，整體電場強度值越小；零值絕緣子引起絕緣子串空間電場的畸變程度范圍有限，隨著監(jiān)測距離的增加，空間電場畸變程度越來越?。划攄>300 mm時，含零值絕緣子串的空間電場分布與正常情況的差異已不再明顯。

2 非接觸式現(xiàn)場檢測及驗證

2.1 空間電場探測裝置

為驗證上述仿真分析結果，研制了空間電場探測裝置，其通過d-dot探頭實時測量空間中某一點的電場強度，如圖6所示。該裝置工作原理為：放大濾波模塊將探頭輸入的微弱電壓信號放大，并濾除高頻電磁干擾分量，輸出至單片機的A/D端口，單片機采集A/D端口工頻電場信號，并通過軟件濾波的方式進一步消除外部干擾，然后將信號傳送至透傳模塊，發(fā)送給后臺上位機。

圖4 d=200 mm時，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場分布Fig.4 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units when d = 200 mm

圖5 不同d值下，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場分布Fig.5 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units under different d values

圖6 空間電場探測裝置Fig.6 Spatial electric field detection device

在高壓實驗室開展電場校準試驗，利用2個圓形、且互相平行的平板電極產生均勻電場﹝圖7(a)﹞，將近電感應器放置在正中位置，讀取手持終端的電場監(jiān)測結果，并與實際的電場強度計算值相比較，對比結果如圖7(b)所示。

由圖7(b)可知，所研制的近電感應器測得的電場強度與實際值的誤差在10%以內，考慮到試驗過程中外施電壓有一定波動，該誤差滿足工程應用要求。

圖7 近電感應器電場測量校準試驗Fig.7 Electric field measurement calibration experiment of near electric sensor

2.2 非接觸式檢測試驗現(xiàn)場

以10片XP-160懸式瓷絕緣子為試驗對象，通過鋼帽與鋼腳短接的方式，分別設置5、9號絕緣子為零值絕緣子，將探測裝置安裝在滑輪上，并均勻拉動牽引繩，牽引繩與絕緣子串中心距離為300 mm，如圖8所示。

圖8 模擬零值絕緣子及現(xiàn)場測試情況Fig.8 Simulation on zero-value insulator and the test environment

2.3 上位機檢測結果及分析

空間電場探測裝置數(shù)據(jù)實時發(fā)送至后臺上位機，上位機系統(tǒng)由Labview軟件編譯，進行實時數(shù)據(jù)及曲線顯示，其過程如下：

a)數(shù)據(jù)預處理。由于實驗室試驗環(huán)境與仿真模型中的桿塔線路環(huán)境有差異，相同檢測距離下，空間電場檢測結果與仿真結果有一定的幅值偏差；此外，由于裝置本身尺寸、探頭尺寸的影響，實驗室的實際檢測距離與仿真模擬中的檢測距離難以完全一致，也造成一定的幅值差異。為了排除這2個因素，對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使檢測結果與正常情況下數(shù)據(jù)有可比性。歸一化公式為

(7)

式中：xi為原始數(shù)據(jù)序列；Xi為歸一化后數(shù)據(jù)序列；xmax、xmin為原始數(shù)據(jù)序列最大、最小值。

b)曲線平滑。采用最小二乘曲線擬合法，對曲線進行多項式擬合、濾波、去噪，使曲線平滑。

c)零值絕緣子識別。試驗中，空間電場探測裝置從高壓端檢測起始點至低壓端檢測結束點之間的距離難以與仿真模型保持一致，不同組別試驗下的檢測長度也難以完全保持一致，這造成上位機接收到的數(shù)據(jù)點個數(shù)會有差異，使得電場分布曲線不具有可比性。為排除此影響，本文采用數(shù)值內插法使檢測曲線數(shù)據(jù)點與正常曲線數(shù)據(jù)點個數(shù)一致。通過對比做差，求得差值絕對值的最大值數(shù)據(jù)點位置，除以數(shù)據(jù)點個數(shù)，再乘以絕緣子片數(shù)，作為疑似零值絕緣子的位置。為提高零值絕緣子識別的準確性，采用幅值、斜率雙重對比，當雙重對比結果相近或相等時，可判斷出零值絕緣子。

(8)

式中：P為檢測曲線幅值序列；Q為正常曲線幅值序列；m為(P-Q)序列最大值A的位置；n為P序列、Q序列數(shù)值個數(shù)；N為絕緣子片數(shù)；W為疑似零值絕緣子位置。

(9)

式中：kP為檢測曲線斜率值序列；kQ為正常曲線斜率值序列；mk為(kP-kQ)序列最大值B的位置；nk為kP序列、kQ序列數(shù)值個數(shù)。

檢測結果如圖9、圖10所示。

圖9 第5片零值絕緣子檢測結果Fig.9 Detection results of the fifth zero-value insulator

圖10 第9片零值絕緣子檢測結果Fig.10 Detection results of the 9th zero-value insulator

由圖9、圖10可知：當絕緣子串中存在零值絕緣子時，其電場強度幅值與斜率曲線發(fā)生明顯變化；在檢測距離300 mm下，當實際零值絕緣子為5、9號時，通過幅值對比檢測零值絕緣子為4、9號，通過斜率對比檢測零值絕緣子為5、8號。通過幅值與斜率對比，可有效識別零值絕緣子位置，誤差為上下1片。

3 結論

本文研究了不同零值絕緣子位置對其空間電場分布的影響，繼而研制了非接觸式空間電場探測裝置，開發(fā)了零值絕緣子檢測算法及后臺上位機系統(tǒng)，得到結論如下：

a)架空線路桿塔絕緣子串前后左右4個方位的空間電場分布趨勢接近，且零值絕緣子使其空間電場分布發(fā)生明顯畸變，其中軸向分量最為明顯。檢測距離d=200 mm時，軸向電場最大變化率可達22%。

b)隨著d值增大，零值絕緣子引起絕緣子串空間電場的畸變程度范圍有限，空間電場畸變程度越來越?。划攄>300 mm時，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場分布與正常情況的差異已不再明顯。

c)零值絕緣子檢測試驗結果表明，當檢測距離d=300 mm時，以做差的方式，對比正常與存在零值絕緣子情況下的檢測曲線幅值或斜率，均可有效識別零值絕緣子位置，誤差為上下1片。