環(huán)境條件對基于無人機(jī)紅外檢測的零值絕緣子檢測判據(jù)的影響研究

尹 林,胡 京,王文彬,賀林軒,周 愷,蘇朝輝,閆 磊,劉若溪,王 博,屠幼萍

(1.國網(wǎng)江西省電力有限公司,南昌 330096;2.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院,南昌 330096;3.華北電力大學(xué) ,北京 102206;4.北京電科院,北京 100040; 5.國網(wǎng)北京市電力公司昌平供電公司,北京 102299)

0 引言

瓷絕緣子具有良好的電氣性能和機(jī)械性能,因此廣泛應(yīng)用于輸電線路中[1-3]。在運(yùn)行過程中,瓷絕緣子內(nèi)部可能會(huì)產(chǎn)生小氣泡或細(xì)小裂紋等現(xiàn)象,并逐漸變大,最終導(dǎo)致瓷絕緣子的阻值下降[4-5],同時(shí)由于電磁場和機(jī)械應(yīng)力的作用,絕緣子的阻值進(jìn)一步降低,最終劣化為低值/零值絕緣子,從而導(dǎo)致絕緣子串的閃絡(luò)概率增大,同時(shí)可能引起絕緣子鋼帽開裂,產(chǎn)生絕緣子掉串等現(xiàn)象,對電網(wǎng)的完全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響[6-7]。

目前,電網(wǎng)應(yīng)用較多的低值/零值絕緣子檢測方法包括火花間隙法、泄漏電流檢測法、脈沖電流檢測法、電場測量法、分布電壓法等[8-11],但這些方法一方面需要進(jìn)行人工登塔測試,另一方面工作強(qiáng)度較大、存在較大的安全隱患,且易受電磁干擾等因素的影響。隨著紅外檢測技術(shù)[12-14]的飛速發(fā)展,紅外熱像儀的測溫精度等參數(shù)越來越高,將紅外熱像儀搭載在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)劣化絕緣子的檢測,使得零值絕緣子的自主巡檢成為可能[15-19]。文獻(xiàn)[20]通過分析環(huán)境濕度對絕緣子紅外檢測的影響,提出了適合絕緣子紅外檢測的濕度條件,文獻(xiàn)[21]研究了環(huán)境濕度對絕緣子串電壓分布以及絕緣子鋼帽溫升的影響,并建議檢測濕度應(yīng)保持在80%。但光照強(qiáng)度、風(fēng)速等環(huán)境條件對絕緣子零值檢測判據(jù)的研究尚屬空白,需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。

筆者通過在不同光照強(qiáng)度、環(huán)境濕度、溫度、風(fēng)速下拍攝絕緣子紅外圖像,分析這些影響因素對絕緣子鋼帽溫度及零值絕緣子檢測判據(jù)的影響,為規(guī)范零值絕緣子紅外檢測環(huán)境條件提供依據(jù)。

1 零值絕緣子紅外檢測原理

1.1 零值絕緣子發(fā)熱機(jī)理

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,瓷質(zhì)絕緣子的機(jī)械性能等參數(shù)逐漸下降,導(dǎo)致絕緣電阻降低,從而產(chǎn)生零值/低值絕緣子,并對絕緣子的發(fā)熱程度產(chǎn)生影響。瓷絕緣子發(fā)熱可以分為3個(gè)部分[22-23],分別是極化損耗發(fā)熱Pj、等效電阻損耗發(fā)熱PL、漏電損耗發(fā)熱Pw,劣化絕緣子的等效電路圖見圖1。

圖1 劣化絕緣子等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of insulator

其中C0為絕緣子的極間電容;Rj為極化損耗發(fā)熱等效電阻;RL為主絕緣劣化通道等效電阻;RW為漏電損耗等效電阻。

設(shè)絕緣子串兩端的額定電壓為UN,等效阻抗為ZD,則發(fā)熱功率可以表示為公式(1)。

(1)

式中,ZS為絕緣子的極間等效阻抗,計(jì)算公式見式(2)。

(2)

以220 kV 瓷絕緣子為例,取C0=40 pF,Rj=4 000 MΩ,UN=127 kV,將參數(shù)代入公式(1)和(2)即可得出劣化絕緣子鋼帽的發(fā)熱功率P與RL關(guān)系,見圖2。

圖2 絕緣子鋼帽發(fā)熱功率與等效電阻的關(guān)系Fig.2 Relation between heating power and equivalent resistance of insulator

隨著劣化絕緣子主絕緣劣化通道等效電阻RL的降低,該絕緣子鋼帽的發(fā)熱呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,等效電阻降至零時(shí),絕緣子發(fā)熱為零。對于低值絕緣子,鋼帽發(fā)熱較正常絕緣子高;對于零值絕緣子,鋼帽發(fā)熱較正常絕緣子低。因此通過拍攝絕緣子紅外圖像,并計(jì)算各絕緣子鋼帽溫度,即可實(shí)現(xiàn)對零值絕緣子的檢測。

1.2 紅外測溫原理

紅外測溫是檢測并顯示處理被測物體發(fā)射的紅外輻射的過程[24-26]。被測物體的紅外輻射在大氣傳輸過程中產(chǎn)生衰減,由紅外熱像儀接收,并在紅外探測器上進(jìn)行聚焦,同時(shí)將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號,以紅外圖像的形式對被測物體的溫度場分布進(jìn)行描述。紅外成像原理見圖3。

圖3 紅外成像原理圖Fig.3 Principle of infrared imaging

造成紅外測溫誤差的原因有如下幾種[27-29]:當(dāng)紅外熱像儀與被測物體的距離較遠(yuǎn)時(shí),物體的輻射能量損耗較大,導(dǎo)致所測結(jié)果偏低;在強(qiáng)風(fēng)、雨雪天氣,室外的電氣設(shè)備散熱功率較高,導(dǎo)致設(shè)備溫升較低;在光照強(qiáng)度較高時(shí),環(huán)境輻射較強(qiáng),進(jìn)入紅外熱像儀鏡頭的輻射量增大,導(dǎo)致測溫結(jié)果偏高。

1.3 基于紅外圖像的零值絕緣子判別方法

1.3.1 基于相鄰相絕緣子溫差的判別方法

由文獻(xiàn)[30]可知,當(dāng)絕緣子鋼帽溫度與相鄰相絕緣子鋼帽的溫差達(dá)到1 ℃時(shí),即認(rèn)為該絕緣子為零值絕緣子。

1.3.2 基于絕緣子串溫升曲線的判別方法

文獻(xiàn)[31]提出了基于絕緣子串溫升曲線的判別方法,其中絕緣子溫升為絕緣子鋼帽溫度與環(huán)境溫度的差值,通過典型溫度特征曲線與現(xiàn)場樣本曲線生成現(xiàn)場基準(zhǔn)溫度特征曲線,結(jié)合溫、濕度等環(huán)境因素對閾值進(jìn)行修正,并與待測絕緣子串的溫度曲線進(jìn)行比較,從而實(shí)現(xiàn)零值絕緣子的檢測。該方法在江西某變電站得到了應(yīng)用,并檢測出多片劣化絕緣子。

1.3.3 基于絕緣子鋼帽相對溫差的判別方法

由于文獻(xiàn)[30]只考慮到與相鄰相絕緣子鋼帽溫差達(dá)到1 ℃即判斷該絕緣子為劣化絕緣子,筆者通過計(jì)算該絕緣子與相鄰兩相絕緣子鋼帽溫度平均值的差值,用來表示該絕緣子的相對溫差,絕緣子鋼帽相對溫差見公式(3)。

ΔTAj=TAj-(TBj+TCj)/2
ΔTBj=TBj-(TAj+TCj)/2
ΔTCj=TCj-(TAj+TBj)/2

(3)

式中ΔTAj、ΔTBj、ΔTCj是A、B、C相絕緣子串第j片絕緣子的相對溫差,TAj、TBj、TCj分別為A、B、C相絕緣子串第j片絕緣子的鋼帽溫度。

當(dāng)相對溫差為正值時(shí),認(rèn)為該絕緣子為低值絕緣子;當(dāng)相對溫差為負(fù)值時(shí),認(rèn)為該絕緣子為零值絕緣子。

2 無人機(jī)搭載紅外相機(jī)巡檢測試環(huán)境

為確定光照強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度、風(fēng)速對絕緣子零值檢測結(jié)果的影響,針對110 kV輸電線路瓷絕緣子,在不同環(huán)境條件下采用無人機(jī)搭載紅外熱像儀開展了瓷絕緣子紅外檢測實(shí)驗(yàn),無人機(jī)為御2行業(yè)進(jìn)階版,紅外熱像儀分辨率為640×512,熱靈敏度為40 mK,測溫精度為±2 ℃和讀數(shù)的±2%的較大值。在拍攝絕緣子紅外圖像時(shí),無人機(jī)與絕緣子的水平距離為5 m,相機(jī)俯角為0°,無人機(jī)高度與絕緣子中心齊平。3個(gè)拍攝時(shí)段對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)見表1。

表1 不同時(shí)段環(huán)境參數(shù)Table 1 Light intensity at each time

其中光照強(qiáng)度指單位面積上接受可見光的光通量,單位為勒克斯(lx),1 lx表示在1平方米面積上光通量是1流明時(shí)的光照強(qiáng)度。

不同環(huán)境參數(shù)下瓷絕緣子紅外圖像見圖4。圖4(a) 、(b)、 (c)分別為表1中a、b、c環(huán)境參數(shù)下拍攝獲得的絕緣子紅外圖像。

圖4 不同環(huán)境參數(shù)下絕緣子紅外圖像Fig.4 Infrared image of insulator in different light intensity

3 光照強(qiáng)度對零值絕緣子檢測影響分析

3.1 光照強(qiáng)度對基于相鄰相絕緣子溫差的判別方法影響分析

由文獻(xiàn)[30]可知,當(dāng)絕緣子鋼帽溫度與相鄰相絕緣子鋼帽溫差為1 ℃時(shí),即認(rèn)為該絕緣子為零值絕緣子。計(jì)算不同光照強(qiáng)度下相間絕緣子鋼帽溫差,圖3所示絕緣子的計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 不同光照強(qiáng)度下相間絕緣子鋼帽溫差Fig.5 Temperature difference of steel caps between phases in different light intensity

由測溫結(jié)果可知,在不同光照強(qiáng)度下,各絕緣子鋼帽相間溫差較小,即光照強(qiáng)度變化不會(huì)對相間絕緣子鋼帽溫差產(chǎn)生影響。

3.2 光照強(qiáng)度對基于絕緣子串溫升曲線的判別方法影響分析

不同光照強(qiáng)度下的絕緣子溫升曲線見圖6。

圖6 不同光照強(qiáng)度下絕緣子溫升曲線Fig.6 Temperature rise curve of insulator in different light intensity

低壓端絕緣子在光照照射下溫度明顯升高,光強(qiáng)為23 800 lx時(shí),低壓端絕緣子鋼帽溫升為12.4 ℃,光照強(qiáng)度為83 000 lx時(shí),低壓端絕緣子鋼帽溫升為19.3 ℃,因此在基于絕緣子串溫升曲線的判別方法中,僅對1號～6號絕緣子進(jìn)行判別,由圖6可知,在不同光照強(qiáng)度下絕緣子溫度呈現(xiàn)馬鞍形分布,且沒有明顯的突變,因此光照強(qiáng)度不會(huì)對基于絕緣子串溫升曲線的判別方法產(chǎn)生影響;由于在光照直射下低壓端絕緣子鋼帽溫度過高,使得低壓端絕緣子完全偏離絕緣子串溫升曲線,容易被判別為低值絕緣子。因此在光照強(qiáng)強(qiáng)度較高時(shí),不宜采用基于絕緣子串溫升曲線的判別方法對零值/低值絕緣子進(jìn)行檢測。

3.3 光照強(qiáng)度對基于絕緣子相對溫差的判別方法影響分析

計(jì)算不同光照強(qiáng)度下絕緣子鋼帽相對溫差,結(jié)果見圖7。

圖7 不同光照強(qiáng)度下絕緣子鋼帽相對溫差Fig.7 Relative temperature difference of steel cap in different light intensity

由圖7可知,在不同光照強(qiáng)度下拍攝絕緣子紅外圖像時(shí),各絕緣子鋼帽的相對溫差均在-0.5 ℃～0.5 ℃之間,這是因?yàn)楫?dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),對絕緣子鋼帽溫度以及紅外熱像儀測溫誤差的影響是線性變化的,即光照強(qiáng)度的變化不會(huì)對絕緣子鋼帽相對溫差產(chǎn)生影響,因此不會(huì)引起零值絕緣子的誤判。

因此,光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí),不適合采用基于絕緣子溫升曲線的判別方法進(jìn)行零值絕緣子檢測,但對基于絕緣子相間溫差和絕緣子相對溫差的判別方法沒有影響。

4 環(huán)境溫、濕度、風(fēng)速條件對零值絕緣子紅外檢測影響分析

4.1 環(huán)境溫度、濕度零值絕緣子紅外檢測影響分析

環(huán)境溫度發(fā)生變化,而光照條件、環(huán)境濕度等條件不變時(shí),絕緣子的發(fā)熱功率與散熱功率不變,因此在絕緣子鋼帽溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí),絕緣子鋼帽溫升也不會(huì)發(fā)生變化。因此環(huán)境溫度變化時(shí),對絕緣子鋼帽溫差沒有影響,不會(huì)影響零值絕緣子檢測。

為分析環(huán)境濕度對現(xiàn)場運(yùn)行中瓷絕緣子紅外檢測的影響,本研究分別在不同環(huán)境濕度下開展了瓷絕緣子紅外檢測實(shí)驗(yàn)。分別計(jì)算不同濕度條件下絕緣子鋼帽相對溫差,計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖8 不同環(huán)境濕度下絕緣子鋼帽相對溫差Fig.8 Relative temperature difference of steel caps in different ambient humidity

由圖8可知,在不同濕度條件下,紅外熱像儀所測的絕緣子鋼帽相對溫差基本相同,因此從鋼帽溫度測量結(jié)果上分析,環(huán)境濕度不會(huì)對紅外熱像儀的測溫結(jié)果產(chǎn)生影響,但環(huán)境濕度不同時(shí),絕緣子鋼帽發(fā)熱程度也不同,為此在環(huán)境濕度為78%條件下對該絕緣子進(jìn)行復(fù)測,不同濕度條件下的絕緣子溫升曲線見圖9。

圖9 不同濕度條件絕緣子鋼帽溫升曲線Fig.9 Temperature rise curve of insulator in different humidity conditions

由圖9可知,在高濕環(huán)境下,絕緣子鋼帽溫升更為明顯,而在低濕環(huán)境下,絕緣子鋼帽發(fā)熱量相對較小,不同絕緣子鋼帽溫度基本相同,不適合進(jìn)行零值絕緣子檢測。

4.2 風(fēng)速對零值絕緣子紅外檢測影響分析

風(fēng)速對絕緣子的散熱會(huì)產(chǎn)生較大的影響,當(dāng)風(fēng)速過大時(shí),絕緣子鋼帽可能不會(huì)出現(xiàn)明顯溫升,從而導(dǎo)致零值絕緣子的漏檢。分別在弱風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)條件下拍攝絕緣子紅外圖像,不同風(fēng)速條件下絕緣子串溫升曲線見圖10。

圖10 不同風(fēng)速條件下絕緣子鋼帽溫升曲線Fig.10 Temperature rise curve of insulator in different wind speed

由圖10可知,在無風(fēng)條件下,絕緣子鋼帽溫度呈馬鞍形分布,與正常絕緣子發(fā)熱特征相同;在強(qiáng)風(fēng)條件下絕緣子散熱較快,導(dǎo)致絕緣子串中各絕緣子鋼帽溫度相同,同時(shí)低壓端絕緣子鋼帽溫度比其余絕緣子鋼帽溫度低,因?yàn)榈蛪憾私^緣子鋼帽與橫擔(dān)相連接,通過固體傳熱導(dǎo)致低壓端絕緣子溫度與橫擔(dān)相同。因此在強(qiáng)風(fēng)條件下,絕緣子串中各絕緣子鋼帽相同,且低壓端絕緣子易受橫擔(dān)的影響,不適合進(jìn)行零值絕緣子紅外檢測。

5 結(jié)論

通過在不同光照強(qiáng)度與環(huán)境濕度下拍攝輸電線路中現(xiàn)場運(yùn)行的瓷絕緣子紅外圖像,分析了光照強(qiáng)度環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、風(fēng)速對零值絕緣子紅外檢測的影響。研究結(jié)果表明:

1)當(dāng)采用基于絕緣子串溫升曲線的判別方法檢測零值絕緣子時(shí),光照強(qiáng)度越高,低壓端絕緣子溫升越高,容易引起零值絕緣子的誤判,但對基于絕緣子相間溫差與絕緣子相對溫差的零值絕緣子判別方法沒有影響。

2)當(dāng)環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度等條件不變時(shí),絕緣子發(fā)熱功率、散熱功率不變,因此環(huán)境溫度不會(huì)影響絕緣子鋼帽溫差,當(dāng)采用絕緣子鋼帽相對溫差、相間絕緣子鋼帽溫差和絕緣子溫升曲線判別方法時(shí),不會(huì)引起零值絕緣子的誤判。

3)當(dāng)采用基于絕緣子鋼帽相對溫差和相間絕緣子鋼帽溫差的判別方法時(shí),不同濕度條件下的檢測結(jié)果一致,當(dāng)采用絕緣子溫升曲線判別方法時(shí),低濕條件下絕緣子發(fā)熱不明顯,容易引起零值絕緣子的誤判。

4)強(qiáng)風(fēng)條件下絕緣子散熱功率較高,導(dǎo)致各絕緣子鋼帽溫度一致,對基于絕緣子鋼帽溫升或絕緣鋼帽溫差的任意判別方法均會(huì)產(chǎn)生較大影響,不適合進(jìn)行零值絕緣子紅外檢測。