不同濕度和觀測距離下酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特性研究

侯思祖，鐘 正，張思敏，劉云鵬，耿江海

（華北電力大學(xué) a.河北省電力網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點實驗室；b.河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引言

復(fù)合絕緣子在輸電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，但在戶外高溫、高濕、強(qiáng)電場、機(jī)械載荷等因素綜合作用下復(fù)合絕緣子會出現(xiàn)酥朽劣化缺陷，而酥朽缺陷常伴有異常溫升現(xiàn)象[3-4]。通過紅外成像技術(shù)觀測復(fù)合絕緣子的溫升情況是及早發(fā)現(xiàn)潛在酥朽缺陷的有效手段[5-6]，但復(fù)合絕緣子的溫升情況易受環(huán)境濕度和觀測距離的影響[7-8]，因此亟需研究不同環(huán)境濕度和觀測距離下酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特性。

2011年，南方電網(wǎng)公司在對全部掛網(wǎng)運行的復(fù)合絕緣子紅外測溫過程中發(fā)現(xiàn)大量220 kV和500 kV線路復(fù)合絕緣子存在異常發(fā)熱現(xiàn)象，高壓側(cè)附近溫度比中部高2～25℃[9]。絕緣電阻劣化、局部放電、水分侵入芯棒-護(hù)套界面缺陷處、傘套表面污穢等均可能使復(fù)合絕緣子異常發(fā)熱[10-16]。目前，紅外成像檢測技術(shù)主要依靠溫升的高低和面積大小來判斷復(fù)合絕緣子的運行狀況并制定運維策略[17]，但該技術(shù)受環(huán)境因素特別是環(huán)境濕度和觀測距離影響較大，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果與故障類型的關(guān)聯(lián)度降低。

本研究針對500 kV酥朽劣化復(fù)合絕緣子在干燥、55%、75%、95%環(huán)境濕度以及3、5、7 m觀測距離下開展紅外溫升試驗，獲得不同濕度和觀測距離下酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特性，并通過提取復(fù)合絕緣子軸線上的溫度分布，得到復(fù)合絕緣子的溫升分布特征與酥朽劣化段長度的對應(yīng)關(guān)系，以期為提高酥朽劣化復(fù)合絕緣子的檢出率、降低漏檢率、保障電網(wǎng)安全運行提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 試品

選取3支退運500 kV線路酥朽復(fù)合絕緣子在不同濕度和觀測距離下開展紅外溫升試驗，試品具體參數(shù)如表1所示。該批劣化復(fù)合絕緣子運行約10年，已嚴(yán)重劣化，高壓端附近傘套均存在不同程度的老化發(fā)硬、粉化開裂現(xiàn)象，且芯棒質(zhì)地變酥、形如枯木。1#絕緣子的外觀如圖1所示。

圖1 1#酥朽復(fù)合絕緣子外觀Fig.1 Appearance of 1#decay-like composite insulator

表1 復(fù)合絕緣子參數(shù)Tab.1 Parameters of composite insulators

1.2 試驗方案

在人工氣候室內(nèi)開展復(fù)合絕緣子溫升試驗，氣候室尺寸為10 m×5 m×3 m，相對濕度在30%～95%連續(xù)可調(diào)，誤差為±5%，濕度可在30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值。受空間限制，復(fù)合絕緣子試品水平放置，高壓端由絕緣支架支撐，低壓端延伸至人工氣候室外，試品整體懸空離地1.3 m，試驗布置如圖2所示。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout diagram

使用FLIR-E60型手持式紅外成像儀記錄復(fù)合絕緣子的溫升情況，紅外成像儀的分辨率為320×240像素，焦距為18 mm，像元間距為25 μm，測量溫度范圍為-20～120℃，設(shè)置紅外成像儀發(fā)射率為90%。

試驗步驟如下：①試驗前，將復(fù)合絕緣子試品放置于人工氣候室內(nèi)，調(diào)節(jié)氣候室內(nèi)濕度至設(shè)定值并穩(wěn)定30 min，使氣候室內(nèi)濕度均勻分布；②在濕度分別為干燥（未加霧，環(huán)境濕度為30%±5%）、55%、75%和95%環(huán)境下，對復(fù)合絕緣子試品施加工頻電壓，每15 min記錄一次試品溫升，加壓60 min后試品溫升達(dá)到穩(wěn)定，此時在3、5、7 m觀測距離下分別記錄試品的溫升情況。

2 結(jié)果及分析

2.1 不同濕度下酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特性

為了便于定量分析酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特征，本研究從紅外圖像中提取試品的溫度信息，考慮到環(huán)境溫度差異，根據(jù)DL/T 664—2016[18]對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過式（1）、式（2）得到試品的最大溫升值和溫升曲線。

式（1）～（2）中：T1為試品加壓60 min后的最高溫度，K；T0為環(huán)境溫度下參照體的溫度，即同一支試品上未發(fā)熱部位的溫度，K；ΔT為試品加壓60 min后軸線上單個像素點的溫升值，K；Ti為試品加壓60 min后軸線上單個像素點的溫度，K。

加壓60 min后溫升穩(wěn)定，不同濕度和觀測距離下3支試品的溫升情況如圖3所示。由圖3可知，各觀測距離下3支酥朽復(fù)合絕緣子的溫升均隨環(huán)境濕度的增大整體上呈增大趨勢。在3 m觀測距離下，1#試品的最大溫升出現(xiàn)在75%濕度下，最大溫升為26.6 K，比干燥環(huán)境下增大了22%；2#和3#試品的最大溫升均出現(xiàn)在95%濕度下，最大溫升分別為17.5 K和10.8 K，較干燥環(huán)境下分別增大了40%和35%。分析其原因為空氣中的水分從護(hù)套開裂處侵入絕緣子內(nèi)部，由于水分子為極性分子，在交變電場作用下產(chǎn)生有損極化損耗，從而使復(fù)合絕緣子溫升增大。

圖3 3支試品溫升隨環(huán)境濕度的變化曲線Fig.3 Change curves of temperature rise of three samples with ambient humidity

另外，由于1#試品高壓端附近護(hù)套大面積脫落，酥朽芯棒直接裸露在外，在濕度超過75%時，環(huán)境濕度加快了芯棒的散熱，進(jìn)而使該支復(fù)合絕緣子在濕度超過75%后溫升呈現(xiàn)飽和甚至略微下降的趨勢。

由此可見，適當(dāng)提高環(huán)境濕度，可使酥朽劣化復(fù)合絕緣子的溫升現(xiàn)象更加明顯，更有利于對早期酥朽劣化復(fù)合絕緣子進(jìn)行篩查。

2.2 不同觀測距離下酥朽復(fù)合絕緣子的溫升特性

以干燥和95%濕度環(huán)境為例，3支酥朽復(fù)合絕緣子溫升隨觀測距離的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在干燥和95%濕度環(huán)境下，3支試品的溫升均隨觀測距離增大而減小，其中干燥條件下，1#、2#和3#試品在7 m觀測距離的溫升較3 m觀測距離分別減小了12%、41%和29%；95%濕度條件下，1#、2#和3#試品在7 m觀測距離的溫升較3 m觀測距離分別減小了11%、23%和21%。這是由于受紅外成像儀分辨率的限制，觀測距離越遠(yuǎn)，被測對象的清晰度越低，同時紅外光在空氣中傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)衰減越大，使得紅外成像儀觀測到的復(fù)合絕緣子溫升隨觀測距離增大而線性減小。

圖4 3支試品溫升隨觀測距離的變化曲線Fig.4 Change curves of temperature rise of three samples with observation distances

綜上所述，實際運檢過程中，在保證安全距離的前提下，應(yīng)盡量近距離檢測待檢試品的溫升情況，進(jìn)而減小距離因素和設(shè)備參數(shù)限制帶來的觀測誤差影響。

2.3 酥朽復(fù)合絕緣子軸線發(fā)熱分布特征分析

以3 m、7 m觀測距離，干燥和95%環(huán)境濕度條件為例，提取3支酥朽復(fù)合絕緣子試品沿串軸線上的溫度分布，對其溫升梯度特性進(jìn)行分析。由于3支試品的溫升區(qū)域均集中在高壓端附近，因此本研究針對試品高壓端25片傘裙前的溫升分布進(jìn)行分析，加壓60 min時3支試品的溫升梯度特征曲線如圖5～6所示。

圖5 3 m觀測距離下3支試樣溫升分布特征Fig.5 The temperature rise distribution characteristics of three samples under 3 m observation distance

從圖5～6可以看出，由于傘裙的遮擋作用，沿絕緣子串溫升呈現(xiàn)高低交替的趨勢，其中溫升較高的部分，即波峰部分為傘裙間的護(hù)套段，溫升降低的部分，即波谷部分為傘裙段。通過觀測波峰和波谷的分布情況，可以看出1#試品的溫升區(qū)域主要集中在前6片傘裙以及11～13片傘裙處，2#試品的溫升區(qū)域主要集中在前4片傘裙以及12～17片傘裙處，3#號試品的溫升區(qū)域主要集中在前4片傘裙以及8～13片傘裙處。1#試品溫升區(qū)域末端的最高溫升點出現(xiàn)在第11～12片傘裙處；2#試品溫升區(qū)域末端最高溫升點出現(xiàn)在15～16片傘裙處；3#試品溫升區(qū)域末端最高溫升點出現(xiàn)在11～12片傘裙處。3 m、7 m觀測距離和干燥、95%濕度環(huán)境下3支試品溫升區(qū)域末端的最高溫升點溫升如表2所示。對比表2可以看出，雖然觀測距離以及環(huán)境濕度對溫升區(qū)域的分布情況未產(chǎn)生影響，但7 m觀測距離以及干燥環(huán)境下溫升區(qū)域末端的溫升幅度不如3 m觀測距離以及95%濕度環(huán)境下。

表2 溫升區(qū)域末端最高溫升Tab.2 The highest temperature rise at the end of the temperature rise area

后續(xù)通過對3支試品解剖檢查發(fā)現(xiàn)，1#試品芯棒從高壓端金具開始酥朽劣化，發(fā)展至第11、12片傘裙之間，2#試品芯棒的劣化段發(fā)展至第15、16片傘裙，3#試品芯棒的劣化段發(fā)展至第11、12片傘裙之間。由此分析得出，可通過酥朽復(fù)合絕緣子軸線上的溫升曲線特征判斷芯棒酥朽劣化段發(fā)展的位置，而無需將復(fù)合絕緣子解剖查看，從而實現(xiàn)酥朽絕緣子酥朽段長度的無損檢測，避免了大量人力物力的浪費。

圖6 7 m觀測距離下3支試樣溫升分布特征Fig.6 The temperature rise distribution characteristics of three samples under 7 m observation distance

3 結(jié)論

針對3支500 kV酥朽復(fù)合絕緣子開展了不同濕度和觀測距離下的紅外溫升試驗，主要得到以下結(jié)論：

（1）酥朽復(fù)合絕緣子的溫升現(xiàn)象在高濕環(huán)境下更加明顯，且溫升隨環(huán)境濕度增大整體上呈增大趨勢。因此適當(dāng)提高環(huán)境濕度有利于酥朽劣化復(fù)合絕緣子的檢測，降低漏檢率。

（2）一定環(huán)境濕度下，酥朽復(fù)合絕緣子的溫升隨觀測距離增大而減小。因此實際運檢過程中，在綜合考慮紅外設(shè)備參數(shù)限制、外界環(huán)境因素以及絕緣子傘裙干擾，同時保證安全距離的前提下，適當(dāng)拉近觀測距離，可一定程度上減小距離因素帶來的觀測誤差。

（3）可通過酥朽復(fù)合絕緣子軸線上的溫升曲線特征判斷芯棒酥朽劣化段發(fā)展的位置，而無需將復(fù)合絕緣子解剖查看，從而實現(xiàn)酥朽絕緣子酥朽段長度的無損檢測。