导线接头不同故障类型的紫外成像检测

肖遥，张伟，邓军，张志劲，夏谷林，蒋兴良，黎振宇

(1. 南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州市 448000；2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 400044)



导线接头不同故障类型的紫外成像检测

肖遥1，张伟2，邓军1，张志劲2，夏谷林1，蒋兴良2，黎振宇2

(1. 南方电网超高压输电公司检修试验中心，广州市 448000；2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 400044)

导线接头在电网中起着机械和电气的连接作用，运行过程中由于导线接头松动、脱落等故障严重威胁电网安全可靠运行，并导致能量损耗，利用合理的手段检测导线接头运行状况一直是运行部门关注的焦点。该文模拟导线接头螺帽松动、螺杆松动、螺栓错位、扭力弯曲和剪切断股这几种典型故障缺陷，利用紫外检测仪检测其作用电压下紫外放电光子数差异。试验结果表明：随着作用电压的提高，导线接头各种故障下的紫外放电光子数随之增加；运行电压下，导线接头各种典型故障下测得的紫外光子数存在明显差异，利用紫外成像检测可以有效用于导线接头的故障检测。研究结果为输电线路的运行状态检测提供了参考。

导线接头；故障；紫外成像；光子数

0 引 言

我国有着庞大的输电线网络，目前正实施“西电东送”的浩大工程。在如此长距离的输电线路上，每一段线路之间都要靠导线接头进行连接，导线接头在输电线路中起着机械连接和电气连接的双重作用。输电线穿过的地区有平原高山，大河江流，也有地震带，地理气候因素复杂。而且输电导线长时间暴露在空气中，受到自然外力的作用以及空气的氧化，在导线的接头位置特别容易出现老化受损。导线接头的轻微故障会使得导线表面的电场分布畸变，产生电晕放电。电晕放电使得空气发生电离，产生的腐蚀性气体进一步对导线进行腐蚀作用，经过雨水和空气的氧化，使得导线接头位置的电接触不良，影响到电能的质量[1]。同时接头的松动和锈蚀威胁着电网连接的可靠性，严重的会引起输电线从线夹位置脱落，发生短路故障。严重的电晕放电还会产生无线电干扰信号，对通信产生一定的干扰[2-3]；由电晕放电而产生可听噪声，不符合电力建设的环保要求。导线接头的缺陷是整个线路的脆弱点所在，特别是一些较细且负荷重的老线路中，导线接头缺陷是极大的安全隐患，不但影响电能质量，可靠供电也难以保证。掌握它的运行状态，保证导线接头的可靠连接，是电力系统安全性的重要保障[4-6]。

针对导线接头故障缺陷检测，已经有相关机构进行了研究。除了人眼直观发现较严重的故障以外，由于压接不良或者接触电阻异常的情况，会导致接头处发热。罗肖[7]从判断方法、电气原理和运行角度对架空送电线路导线接头发热的缺陷进行分析，论述了送电线路导线接头发热的判断方法、原因及如何较好预防接头发热；曾庆立[8]采用红外测温仪对输电线路裸露过热电气接头和连接件进行检测，根据检测结果发现并排除了接头的过热故障；赵世展[9]综合分析了造成导线接头过热的各类缺陷和原因，并比较了各类针对导线接头过热故障判别方法在实际操作中的不足之处。从上面的研究中可以看到，对导线接头故障检测的研究，基本是集中在接头的温升测量上，没有从多个角度、多个参量对导线接头的运行状态进行全面的检测。

紫外成像检测作为一种新型的电力设备故障缺陷的检测手段，由于其检测方便直观，能够发现红外测量不能够发现的一些故障缺陷，在电力行业中具有良好的应用前景[10-14]。文献[15]将紫外成像仪用于变电站套管检测，发现了套管外绝缘接缝处存在缺陷问题，该故障采用红外测温仪不能有效检测；文献[16]将紫外成像技术用于绝缘子放电缺陷检测，采用光斑面积作为衡量放电强弱的参量，并对放电强弱进行了量化分析；文献[17]在研究长期运行导线交流电晕的变化时，采用紫外成像仪检测导线电晕放电，可以检测到导线表面腐蚀而导致的放电现象。诸多研究都表明，采用紫外成像仪用于电力设备的运行状态检测是一种行之有效的方法，而针对导线接头采用紫外成像检测的研究报道却少之又少。

为了探究紫外成像检测技术在导线接头故障缺陷判别中的可行性，本文人工模拟了导线接头的几种常见故障缺陷，在实验室研究了在不同故障缺陷下，导线接头的紫外放电情况随施加电压的关系，为导线接头的运行状态检测提供了更加全面直观的参考依据。

1 试验过程

1.1 试验装置及试品

1.1.1 试验电源及接线原理

试验所采用的试验电源为YDTW-2 000 kVA/500 kV交流试验变压器，其额定容量为2 000 kVA，额定电流为4 A，输入电压为0～10.5 kV，输出电压为0～500 kV，最大短路电流为75 A，输出电压波形畸变率小于3%。试验系统的接线原理如图1所示。其中：T为10 kV调压器；B为交流试验变压器；R为保护电阻；Y为电晕笼；Q1、Q2为导线端部球头；C1、C2为交流电容分压器(分压比10 000∶1);J为导线接头;L1、L2为接头两端连接导线;Z为紫外成像仪;X为复合绝缘子。

图1 试验原理接线图Fig.1 Wiring diagram of test circuit

1.1.2 紫外成像仪

整个试验采用以色列OFIL厂家生产的DayCor© Superb紫外成像仪(B型)进行紫外放电的测量。仪器基本参数：视场角度为5°×3.75°；紫外光收集面积为19 cm2；最小紫外灵敏度为3×10-12W/cm2；最小可检测电晕放电强度为1.5pC(8 m处)。

1.1.3 试品

试验室采用的导线为LGJ-240/40钢芯铝绞线，外径为20.40 mm。使用的导线接头如图2～4所示，整个试验使用同一个导线接头。

本文设置的导线接头的故障类型主要分为三大类，分别为螺帽松动与脱落缺陷(如图2)、螺杆松动缺陷(如图3)和强大外力所导致的缺陷(如图4)。螺栓错位、扭力弯曲、剪切断股这3个具体的故障缺陷，主要是由于导线接头处较强的持续外力所导致的。为了与螺帽和螺杆的缺陷相区分，本文将这几种缺陷统称为“强大外力所导致的缺陷”。

1.2 试验方法

1.2.1 试验布置

按图1所示的试验原理图进行试验平台的搭建与试品的布置。

图2 螺帽松动与脱落缺陷设置Fig.2 Fault of joints nut loosing and shedding

图3 螺杆松动缺陷设置Fig.3 Fault of screw loosing

图4 强大外力所导致的缺陷设置Fig.4 Fault caused by powerful force

1.2.2 紫外成像仪参数设置

影响紫外成像仪检测结果的2个重要参数是仪器增益和检测距离，其中任意一个参数的变化都会导致测量结果的差异[18-19]。本文主要研究不同缺陷类型之间的对比，为了使得试验结果具有一致可比性，在对导线接头进行电晕放电检测时，保证仪器的增益和检测的距离不变，消除了仪器本身的参数设置对实验结果的影响。根据前期的研究结果，DayCor© Superb紫外成像仪的增益取140，在固定距离3.5 m处进行光子数测量。

1.2.3 施加电压

试验过程中发现在40 kV左右开始检测到放电光子数，因此本文从40 kV开始，以5 kV的均匀间隔进行电压数据点的设置，一直到75 kV，总共8个电压点。为了避免试验过程中导线表面放电电荷的空间集聚效应对检测结果的影响，每一个电压均从0开始加压至所需电压值，待电压稳定后再对放电点进行测量，测量完毕后降压到零值然后再进行第2个电压点的加压。

1.2.4 光子数统计方法

根据《DL-T 345—2010 带电设备紫外诊断技术应用导则》的建议，本文在试验中，通过紫外成像仪拍摄每段时长约30 s的视频，其中紫外光子数大概变化21～25次。去掉相差较大的数据，每段视频能够用于统计分析的有效数据有15～20个，再将这些有效光子数求和取平均值作为导线接头缺陷的紫外放电光子数的测量值。

2 导线接头缺陷的紫外成像检测

2.1 导线接头无缺陷情况

实际线路中的导线及接头表面并不是完全光滑的，由于制造或者安装的原因，表面会有一定的微小尖端，在施加电压时会产生电晕放电。该放电对本文测量的导线接头的放电结果会产生一定的影响，因此对接头无缺陷的情况进行测量，为不同缺陷类型的测量结果提供一定的对比参照。正常情况下的实物接线图和放电量视频拍摄截图如图5所示，表1为正常情况下的光子数测量数据记录。

在正常情况下，不同增益所对应的光子数随外施电压的关系如图6所示。

图5 无缺陷情况现场图和放电图Fig.5 UV images of joint without faults表1 无缺陷情况光子数记录表Table 1 Photon number for joint without faults

图6 正常情况下光子数随电压的变化Fig.6 Photon number of no-fault joint varying from voltage

从导线接头无缺陷情况下的数据可以看出：

(1)随着电压的增加，试品的放电光子数呈一致上升趋势，当增益为140时，光子数的增加随所施加的电压之间的变化明显，说明在此增益下仪器的灵敏度较高，在不同缺陷之间的对比检测中，采用固定增益140是合适的。

(2)在导线接头无缺陷的情况下，对试品施加电压也会产生电晕放电现象，这是由于试品表面固有的尖端导致的。在增益140下的光子数变化曲线可以为不同缺陷的对比分析提供参考依据。

2.2 螺帽脱落与松动情况

螺帽脱落和松动情况下的放电视频拍摄截图如图7所示，表2为施加不同电压下测量得到的光子数。

图7 螺帽松动与脱落的紫外成像图Fig.7 UV imaging of joints nut loosing and shedding表2 不同螺帽缺陷情况光子数记录表Table 2 Photon number of joints nut with different faults

螺帽脱落与松动情况下，光子数随所施加电压的关系如图8所示。

图8 不同缺陷下光子数与电压的关系Fig.8 Photon number varying with voltage in different faults

分析测量得到的数据可以看出：

(1)随着电压的升高，电晕放电越来越强。2种缺陷情况所对应的光子数与电压的关系曲线均在试品的正常放电曲线上方，电晕放电光子数较无缺陷时有所增加。

(2)螺帽脱落情况下，测量得到的紫外放电光子数要比螺帽松动的情况下的数值高，说明在螺帽脱落时，导线接头的电晕放电强度更为剧烈。

2种缺陷情况下放电光子数较无缺陷时均大大增加，其主要原因是在螺帽严重松动但却没有脱落时，受到外界的影响会使接头重心不稳，以至于接头反向悬挂，此时松动的螺帽悬空挂在螺栓上，导致电场畸变。由电晕放电原理可知，尖锐凸起物曲率半径小，造成的极不均匀电场有助于电晕放电的产生和发展。若情况严重导致螺栓脱落时，螺栓脱落使导线接头形状更加不规则，电场进一步畸变，结合拍摄的实物图可知，缺陷接头的尖锐部分更加明显，放电更加剧烈，使得每个电压等级下光子计数率都比反向螺帽松动强。

2.3 螺杆松动情况

螺杆松动缺陷包括以下3种情况：边缘1颗螺杆松动，2颗螺杆松动，中间螺杆松动。放电视频拍摄截图如图9所示。表3记录了不同缺陷情况下，不同外施电压所对应的光子数。

图9 螺杆松动故障的紫外成像图Fig.9 UV imaging for screw loosing fault表3 不同螺杆松动情况光子数记录表Table 3 Photon number of screw loosing fault

3种螺杆松动缺陷情况下，光子数与外施电压的关系如图10所示。

图10 不同螺杆松动缺陷下光子数和电压的关系Fig.10 Photon number varying with voltage in different faults

对比表3中数据得知：

(1)边缘1根螺杆松动和中间螺杆松动所得出的数据，在每个电压等级下都十分接近，考虑到电晕放电的随机性，可认为这2种情况下光子计数率相同。

(2)边缘螺杆松动和中间螺杆松动时，紫外放电光子数较无缺陷时有所增加；当2颗螺杆松动时，其紫外放电强度较无缺陷的情况有所减弱。

对于整个接头而言，1个螺杆松动凸起虽可以引起电场畸变，但是由于凸起的螺帽相对于接头总尺寸较小，其凸起的位置对电场影响差异不大，所以2种情况下光子计数率十分接近。2颗螺杆凸起的情况下，对整个接头而言，由于凸起部位空间面积增大，相当于凸起部分的曲率半径变大，相比于1个螺杆松动情况下凸起部位不那么尖锐，电场稍微均匀，放电强度较弱一些，所以在每个电压等级下记录的光子数都比前2种情况下小。

2.4 强大外力导致缺陷情况

研究了最常见的螺栓错位、扭力弯曲、剪切断股3种情况，3种缺陷下的实物接线图和放电量视频拍摄截图如图11所示。3种缺陷下的光子数据如表4所示。

图11 不同外力故障缺陷下紫外成像图Fig.11 UV imaging for joint faults caused by powerful force

不同外力故障下光子数和电压的关系如图12所示。

对比图12中曲线可知：

(1)3种缺陷情况下的光子数随电压的变化曲线都在无缺陷时的曲线下方，其电晕放电总体趋势都比无缺陷时弱。

表4 不同外力缺陷情况光子数读取记录表

Table 4 Photon number of different fault caused by powerful force

图12 不同外力故障下光子数和电压的关系Fig.12 Photon number varying with voltage in different faults caused by powerful force

(2)不同缺陷情况的测量有较大差异，螺栓错位的放电强度最强，扭力弯曲缺陷对应的放电最弱，剪切断股缺陷的放电测量数据在二者之间。

其放电减弱根本原因是由于外力导致的形变使得导线本身以及接头周围的电场得到改善，整体上电场不均匀程度减小，随着电压的增加，3种情况下放电量逐渐增加，但始终小于无缺陷情况。

2.5 额定运行下各缺陷数据对比

以上的试验研究的是导线接头的电压从较低的数值逐渐上升到较高数值的过程中，导线接头处紫外放电光子数的变化情况。在工程实际中，导线往往是在额定电压下运行，很少有低电压或者过电压运行的情况。不同型号的导线在实际运行中，其表面场强反映了导线的运行状态。为了研究导线接头在额定工况下的故障缺陷情况，本文根据文献[20]，计算出LGJ-240/40导线在额定表面电场下对应的额定电压为U=70 kV。将运行电压U=70 kV时的情况单独取出进行对比分析见表5。

表5中“光子数变化率”定义为：缺陷情况下光子数和正常状态下光子数的差值与正常状态下光子数的百分比。光子数的变化率反映了紫外成像仪对导线接头的特定缺陷的辨识度，从表5中的数据可以看出：

表5 额定电压下不同故障对应的紫外光子数

Table 5 Photon number of different fault types in rated voltage

(1)对于强大外力所导致的缺陷(螺栓错位、扭力弯曲、剪切断股)，紫外成像仪有相对较高的辨识能力，能够有效反映接头的故障缺陷。

(2)对于螺帽脱落和螺帽松动的故障缺陷，紫外成像仪可以实现有效的识别。根据测得的光子数求得光子数变化率，当光子数变化率高于10%时，可以认为是接头螺帽的缺陷；当光子数变化率在-20%以下时可以认为是强大外力所导致的缺陷。这说明导线接头的3类缺陷的划分具有一定的合理性。

(3)对于螺杆松动的3种情况，紫外成像仪的辨识度都在10%以下，考虑到工程实际中的误差情况，该辨识度并不理想，但是也能够在一定程度上说明问题，对于这种情况建议多加强观测，并辅以其他检测手段。

2.6 实际应用中的建议

以上的试验研究表明，紫外成像仪应用在导线接头的故障检测中具有一定的可行性。在利用紫外成像仪进行现场故障设备的放电时，仪器的增益、测量距离以及天气情况会对测量的结果产生一定的影响。为了最大限度上减小甚至消除非故障缺陷带来的测量结果的差异，保证紫外检测数据的有效性，应当尽量在良好的天气情况下进行检测，不要在雷电或者雨雾的条件下进行测量。在视角的选择上尽量避开镜头前方的遮挡物。

由于紫外成像仪测得的光子数与测量距离之间存在复杂的非线性关系，在对某类设备进行横向对比检测和对特定设备进行纵向跟踪检测时，应当尽量保证在同样的测量距离下进行。对于增益的设置，本文在前期研究中，确定了DayCor©Superb紫外成像仪的最佳检测增益为140。当采用不同型号的紫外成像仪时，其最佳检测增益可能会不同。针对不同的仪器应该采用各自在试验中的最佳检测增益，以得到最好的检测效果。需要注意的是，不同的仪器测量得到的光子数据一般并不具有等价性，在测量过程中应尽量避免使用不同型号的仪器混合检测。

实验室的研究提供了利用紫外成像仪对导线接头进行检测的方法作为参考，在现场测量中，应当根据选择的测量距离和增益的设置，对不同的故障类型和测量得到的光子数进行标定，以使得测量结果和故障类型具有确定的对应关系。鉴于紫外成像检测技术在现阶段还处于初步尝试的阶段，在实际的检测中应当辅以传统的可见光检测和红外热成像检测，提高检测结果的准确性。

3 结 论

紫外成像仪由于在电晕检测方面的优良特性，在电力设备的放电检测中有良好的应用前景。本文在应用紫外成像仪检测导线接头的电晕放电时，充分体会到了紫外成像仪检测灵敏度高、直观性强、放电位置判断准确和它的非接触式测量的优点。通过一系列的试验研究，本文得出以下结论：

(1)导线接头位置在正常情况下也会有一定的放电现象，产生电晕放电的原因从根本上是由于导线表面在加工过程中的表面尖端或者毛刺，使得周围的电场畸变，超过了表面的起晕场强。

(2)螺帽松动和脱落的缺陷下，接头位置处的紫外放电光子数比正常情况下高；在强外力所导致的缺陷中，接头位置处放电光子数低于正常情况。这一个现象可以在现场的缺陷检测中，用于初步判断导线接头的缺陷类型。

(3)在本文的试验情况下，可以根据光子数变化率初步判断导线接头的故障类型。当光子数变化率在10%以上时，为螺帽缺陷；当光子数变化率在-20%以下时，为强大外力导致的缺陷。

(4)紫外成像检测对不同的故障类型的检测辨识度不同，对于螺杆松动的故障情况的辨识度较低。建议在实际运行中采取紫外、红外和可见光3种手段结合的方式进行检测，以增强检测的可靠性。

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(编辑：张媛媛)

UV Imaging Detection Research on Transmission Line Joints with Different Fault Types

XIAO Yao1，ZHANG Wei2，DENG Jun1，ZHANG Zhijin2，XIA Gulin1，JIANG Xingliang2，LI Zhenyu2

(1. Test Center of EHV Transmission Company, China Southern Power Grid, Guangzhou 448000, China2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Chongqing 400044, China)

The transmission line joints play the role of mechanical and electrical connection in power grid. In the actual operation, joint faults such as joint loose or joint shedding will cause the loss of power energy or even cause other faults that greatly threaten the safe and steady operation of the power system. So, the operation department of power system focuses on finding a practical method to detect the running state of transmission line joints. In this paper, the typical faults of transmission line joint were simulated, including joints nut loosing/shedding, screw loosing, bolt dislocation, bending and broken strands. The UV imager was applied to detect the corona discharge photon number of the fault joints. The results show that the photon numbers of joints under different faults increase with the rising of the applied voltages. Under the operation voltage, the photon numbers vary among the different type of joint faults, and the UV imager can be effectively identify the faulty of transmission line joints. The research results can provide references for the running state detection of transmission lines.

transmission line joints; fault; UV imaging; photon number

国家创新研究群体基金(51321063)。

TM 755

A

1000-7229(2015)05-0052-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.009

2014-12-09

2015-03-04

肖遥(1960)，男，教授级高工，从事电气试验技术、HVDC、电能质量的研究工作；

张伟(1991)，男，硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术的研究工作；

邓军(1985)，男，博士，从事输变电设备过电压与绝缘配合及输变电电磁环境研究工作；

张志劲(1976)，男，博士，教授，博士生导师，从事高电压与绝缘技术的研究工作；

夏谷林(1978)，男，高级工程师，从事电气设备技术监督工作；

蒋兴良(1961)，男，博士，教授，博士生导师，从事复杂环境电气外绝缘研究工作；

黎振宇(1985)，男，博士研究生，主要从事高电压与绝缘技术的研究工作。

Project Supported by the Funds for Innovative Research Groups of China (51321063).