溫度、濕度和風(fēng)速對(duì)紅外檢測(cè)絕緣子的影響分析

夏 凡

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，對(duì)電能供應(yīng)的量與質(zhì)的要求也越來(lái)越高，在各電壓等級(jí)輸電線路規(guī)模快速增加的同時(shí)，對(duì)線路的運(yùn)維水平也提出了越來(lái)越高的要求。傳統(tǒng)的人工巡檢無(wú)法滿足，現(xiàn)階段，利用紅外熱像檢測(cè)絕緣子技術(shù)逐漸成熟，劣化絕緣子智能化檢測(cè)成為了可能，該技術(shù)具有安全、高效、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但在絕緣子劣化識(shí)別的應(yīng)用中仍存在著診斷標(biāo)準(zhǔn)不完善、難以避免檢測(cè)盲區(qū)、檢測(cè)效果易受環(huán)境影響等不足。如何高效檢測(cè)劣化絕緣子成為電力運(yùn)行部門越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題[1-3]。

目前對(duì)于絕緣子狀態(tài)檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了豐碩的研究成果，主要有電壓分布法、泄露電流法、超聲波法、紫外成像法和紅外成像法等多種方法[4-12]。這些方法不能全面地反映絕緣子具體結(jié)構(gòu)信息，也未考慮不同風(fēng)速對(duì)不同污穢絕緣子發(fā)熱特性的影響。

針對(duì)絕緣子紅外檢測(cè)容易受到復(fù)雜環(huán)境影響、診斷標(biāo)準(zhǔn)不完善問(wèn)題，本研究以瓷質(zhì)絕緣子為例，研究環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)速在絕緣子表面均勻污穢和非均勻污穢情況下的發(fā)熱規(guī)律及其對(duì)紅外檢測(cè)的影響。

1 絕緣子分析模型

1.1 熱平衡方程

結(jié)合絕緣子熱傳遞方式和傳熱學(xué)[13]得到絕緣子在柱坐標(biāo)下的熱平衡方程式：

式中：T為絕緣子溫度，單位為℃；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)；P為熱流密度，單位為W/m2；r、z、φ分別為柱坐標(biāo)變量。

由實(shí)際情況可確定邊界條件為對(duì)流散熱[14]，因此絕緣子表面有式（2）關(guān)系：

式（2）和（3）中：qh為熱流密度，單位為W/m2；h為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為 W/(m2·K)；v為風(fēng)速大小，單位為m/s；T、T0分別為絕緣子表面溫度、環(huán)境溫度，單位為℃。

通過(guò)comsol有限元軟件結(jié)合絕緣子熱平衡方程和邊界條件便可求出絕緣子的溫度分布情況。

1.2 瓷絕緣子仿真模型及參數(shù)

選取110 kV輸電線路所用的瓷絕緣子進(jìn)行1∶1建模。由于絕緣子為對(duì)稱模型，可以將瓷絕緣子進(jìn)行二維簡(jiǎn)化，單片絕緣子模型如圖1所示。在瓷件的上下表面建立一定厚度的污穢層，以便后面仿真分析，絕緣子的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示，污穢層電導(dǎo)率參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

圖1 絕緣子二維對(duì)稱截面

表1 各種材料屬性

2 模型驗(yàn)證

對(duì)7片絕緣子仿真計(jì)算時(shí)，從下往上依次排列1～7號(hào)絕緣子，對(duì)1號(hào)絕緣子鋼腳設(shè)置電壓為63.5 kV，7號(hào)絕緣子鋼帽設(shè)置0電位，改變零值絕緣子的不同位置，得到絕緣串電壓分布如圖2所示，當(dāng)絕緣子串中無(wú)零值絕緣子時(shí)，絕緣子串電壓呈現(xiàn)U型分布，即首端絕緣子電壓最高，尾端絕緣子次之，中部絕緣子電壓最低；當(dāng)絕緣子串首端、中部和尾端依次出現(xiàn)零值絕緣子時(shí)，絕緣子串電壓分布將會(huì)發(fā)生改變，較無(wú)零值絕緣子的絕緣子串，有零值絕緣子的電壓分布有所抬升，與實(shí)際線路中絕緣子電壓分布情況相符，證明該模型的可行性。

圖2 絕緣子串電壓分布

3 絕緣子串溫度分布影響因素分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)的影響

改變環(huán)境溫度分別20℃、25℃和30℃，絕緣子串溫度分布如圖3所示。從圖3可知，當(dāng)環(huán)境溫度一樣時(shí)，絕緣子表面均勻污穢的溫度略高于絕緣子表面非均勻污穢的溫度；當(dāng)絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時(shí)，環(huán)境溫度越高，絕緣子表面溫度也越高。

圖3 環(huán)境溫度對(duì)檢測(cè)的影響

3.2 濕度對(duì)絕緣子溫度分布的影響

改變濕度，絕緣子串溫度分布如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)相對(duì)濕度一定時(shí)，絕緣子表面均勻污穢時(shí)的溫度分布略高于絕緣子表面非均勻污穢分布對(duì)應(yīng)的溫度，這是由于絕緣子上表面污穢鹽密高于下表面污穢的鹽密的緣故，符合實(shí)際情況；當(dāng)絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時(shí)，濕度越大，絕緣子相對(duì)環(huán)境溫度越高，利于檢測(cè)。

圖4 濕度對(duì)絕緣子溫度分布影響

3.3 風(fēng)速對(duì)絕緣子溫度分布影響

風(fēng)速對(duì)絕緣子溫度分布的影響如圖5所示。

圖5 風(fēng)速對(duì)絕緣子串溫度分布影響

從圖5可知，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，絕緣子表面均勻污穢的溫度分布略高于絕緣子表面非均勻污穢的溫度，這是由于絕緣子上表面污穢鹽密高于下表面污穢的鹽密的緣故，符合實(shí)際情況；當(dāng)絕緣子表面為均勻污穢或者非均勻污穢時(shí)，風(fēng)速越大，絕緣子表面相對(duì)環(huán)境溫度越低，容易造成誤檢，因此對(duì)絕緣子進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，風(fēng)速不宜過(guò)大。

4 結(jié)論

（1）考慮絕緣子運(yùn)行的實(shí)際情況，絕緣子表面上層污穢比絕緣子下表面污穢嚴(yán)重，當(dāng)其它影響因素不變時(shí)，均勻污穢絕緣子比非均勻污穢絕緣子溫度略高。

（2）環(huán)境越高時(shí)，絕緣子表面溫度也越高，相對(duì)濕度可能降低，不利于檢測(cè)，因此，對(duì)絕緣子進(jìn)行紅外檢測(cè)時(shí)，環(huán)境溫度不宜過(guò)30℃。

（3）當(dāng)其他影響因素不變時(shí)，濕度越高，絕緣子溫度越高，越利于檢測(cè)，因此，對(duì)絕緣子紅外檢測(cè)時(shí)，相對(duì)濕度不宜低于80%。

（4）當(dāng)其他影響因素不變時(shí)，風(fēng)速越大，絕緣子溫升越低，越不利于檢測(cè)，容易造成誤檢。因此，在對(duì)絕緣子紅外檢測(cè)時(shí)，風(fēng)速不宜超過(guò)4 m/s。