基于高压瓷质绝缘子红外检测盲区的实验分析

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(1.国网娄底供电分公司，娄底 417008； 2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)

0 引言

绝缘子因长期经受线路的机电负荷和风雨雷电等恶劣自然环境的作用，很有可能出现绝缘电阻阻值下降，绝缘子开裂或是击穿等情况[1]，造成绝缘子电气性能和机械特性下降，产生低零值绝缘子即绝缘子劣化现象。当含有劣化绝缘子的绝缘子串发生工频闪络或遭受雷击时，强大的电流产生的热效应往往会造成悬式绝缘子铁帽炸裂或脱开，从而出现绝缘子串掉串、导线落地等严重事故[2]。

红外技术是检测高压瓷质绝缘子劣化情况的一种有效手段，绝缘子随着阻值的减少而呈现出发热功率先增加后减少的一种趋势，因此绝缘子红外检测技术存在一定的盲区。针对绝缘子劣化情况和污秽程度的检测，国内外寻求了多种手段，研究了许多方法，但是针对绝缘子红外检测盲区的研究较少，对盲区范围的劣化绝缘子判断一直未提出有效的解决措施。笔者通过戴维南等效电路法计算红外检测盲区，着重考虑绝缘子红外检测盲区的范围并进行定量的分析，然后设计相关实验探索盲区检测最佳环境条件以提高红外检测盲区的准确率。本文基于劣化绝缘子检测盲区范围设计相关环境因素影响实验，并提出针对劣化绝缘子检测盲区诊断策略，提高劣化绝缘子诊断正确率。

1 劣化绝缘子发热理论分析

单个绝缘子的电容等效模型由四部分组成[3-4]，如图1所示，Cgi为绝缘子对地杂散电容，Cli为绝缘子和导线的杂散电容，C0i为绝缘子自身分布电容，R0i表示绝缘子的绝缘电阻，正常情况下R0i为无穷大。整体电容模型如下图1所示，对于最后一片绝缘子，由于直接和构架相连，绝缘子对导线的电容直接接于大地和导线之间，对整个绝缘子串电压分布没有影响，直接忽略。

图1 电容等效模型Fig.1 Capacitance eqllivalent cireuit

单片劣化绝缘子的并联等值电路[5-9]如下图2所示，C0是极间电容，RJ是介质损耗的等值电路，RL是劣化通道漏电损耗的等值电阻，Rw是表面污秽层漏电损耗的等值电阻。

图2 劣化绝缘子的等效图Fig.2 Equivalent circuit of degradated insulator

(1)

对于一个洁净完好的绝缘子来说，RL和Rw均明显大于RJ，故RX≈RJ，发热功率：

(2)

当绝缘子劣化时，RL变小，RX≈RJ，这时发热集中在钢帽内部，钢帽温度将明显升高，当RL继续下降且小于XD时，发热功率将小于正常值，钢帽的热像图变暗。当绝缘子积污较为严重，污秽层的电阻Rw明显变小，此时RX≈Rw，绝缘子发热集中在盘面表面。

当污秽程度较轻、湿度变化时，绝缘子表面泄漏电流增加，劣化绝缘子电阻降低时，两端电压也随着降低，当劣化绝缘子电阻降到一定程度下，两端电压下降比较迅速，劣化绝缘子发热功率较正常低，红外图像表现较暗。

2 绝缘子红外检测盲区分析

绝缘子发热主要有三部分组成[10]：

1)交变电场作用下绝缘介质极化效应引起的介质损耗发热：

(3)

式中：Uk0为绝缘子极间分布电压，ω为角频率，C0为绝缘子的极间电容。tanδ为绝缘子介质损耗角的正切值。

2)绝缘子传导电流引起的发热：

(4)

式中：Uk0为绝缘子极间分布电压，R0为绝缘子贯穿性泄露电流等效电阻。

3)表面爬电泄漏电流引起的发热：

(5)

绝缘子只有在污秽存在且有较高的湿度下才会引起表面电阻率下降[11-14]，而红外检测一般都在湿度低于80%进行，所以可以不考虑表面漏电流引起的发热[13]。

据牛顿冷却定律的公式，物体稳定温升值为

(6)

式中：h为散热系数，当散热介质为空气，风速为0.3 m/s以下时，一般可取8 kcal/m2·h·K。A为有限散热面积，因绝缘子的发热区域主要集中在铁帽区域，故可取绝缘子铁帽区域面积为有效散热面积，约为0.02 m2。

正常情况下绝缘子的发热如式(4)，其中Uk0为正常时第k片绝缘子的分布电压；劣化时绝缘子发热：

(7)

式中：中Uk为劣化绝缘子上的分布电压。

采用戴维南等效法分析简化电路：得到开路电压Uoc为正常分布电压Uk0；等效阻抗通过下式计算得到：

Ceq=C0+C0/(n-1)=nC0/(n-1)

(8)

而后采用分压原理得到劣化绝缘子的分布电压值为

(9)

当劣化绝缘子发热和正常绝缘子相当时，绝缘子的温度变化也基本相同，通过绝缘子温升来判断劣化的方法就失去效果，即：

Δθk0-Δθkt=0

(10)

式中Δθk0为正常绝缘子温升，Δθkt为劣化绝缘子产生的温升。

考虑到只有当温度差大于一定的阈值时才会进行劣化预警，所以在等式(10)的基础上，加入温度差范围ΔT(拥有正负阈值的温度范围)，得到盲区电阻计算公式如下：

(11)

考虑特殊情况，当温度差范围取ΔT=0℃，此时为最理想化情况：即绝缘子温升和正常绝缘子温升完全相等。此时：

(12)

根据绝缘子类型XWP-70，选择各参数如下：

表1 参数选择Table 1 Parameters Selection

通过MATLAB绘制在温度差范围设定±0.2、±0.4、±0.6的盲区分布和电压分布图如图3所示。

由图3可知，劣化绝缘子检测盲区在2～17 MΩ范围之内。

图3 盲区范围和双向温度差范围的关系Fig.3 Blind area range and two-way temperature difference

3 实验设计

3.1 实验回路

工频试验变高压输出端通过额定电压为250 kV 的复合绝缘穿墙套管引入人工雾室内给瓷质高压绝缘子串加压，调压器T：1 000 kVA，10 kV/0～6.3 kV，在50% ～100%范围内调压，阻抗保持线性且≤4.5%。污秽试验变压器参数：1 000 kVA，6 kV/250 kV，短路阻抗≤3%，短路电流Id≥15 A，满足GB/T 4585—2004标准要求。其加压回路如下图4所示。

图4 实验回路Fig.4 The experiment loop

3.2 实验方案

选取变电站现场劣化绝缘子阻值在2～17 MΩ的范围，并将绝缘子污秽程度控制在b级或c级污秽[15-16]，本实验选取XWP-70的绝缘子，220 kV电压等级绝缘子串一般共含有14片，从导线侧开始记号第一片，中间6片电压分布相近且分压较低，传统红外检测劣化绝缘子诊断正确率较低，故实验选取位置为8号位置。实验步骤如下：

1)选取两个阻值3.4 MΩ和16 MΩ的劣化绝缘子，并将污秽等级控制在c级污秽。

2)将其中一个劣化绝缘子放入正常串的第8号位置，选择在湿度低于50%的环境下加压至220 kV 两小时并采集相关红外图像。

3)加压2 h之后，开启人工加湿装置，先加湿到空气湿度为95%以上，等湿度降至80%以下后，每隔20分钟拍摄一次并记录相关图像和湿度。

4)分析数据并总结

3.3 实验室实验结果及其分析

湿度为54%，环境温度为33℃，污秽等级为c级污秽，绝缘子串第8片为劣化绝缘子，阻值为3.4 MΩ加压2 h的典型红外图谱如图5a)所示；湿度为75%，环境温度为33℃，加压3小时的典型红外图谱如图5b)所示；湿度为51%，环境温度为33℃，加压4 h的典型红外图谱如图5c)所示。

图5 电阻3.4 MΩ不同湿度下典型红外图谱Fig.5 Under different humidity resistance is 3.4 MΩ typical infrared spectrum

由图5可以看出在相对湿度较低的情况下，红外图像表现不明显，但随着湿度的增加，达到75%的时候，第8片劣化绝缘子的盘面和钢帽都表现较暗，降低湿度后再次达到51%，劣化绝缘子红外特征表现很不明显。

湿度为52%，环境温度为35℃，污秽等级为c级污秽，绝缘子串第8片为劣化绝缘子，阻值为16 MΩ加压2 h的典型红外图谱如图6a)所示；湿度为77%，环境温度为33℃，加压3小时的典型红外图谱如图6b)所示；湿度为56%，环境温度为33℃，加压4 h的典型红外图谱如图6c)所示。

由图6可以看出在相对湿度较低的情况下，红外图像表现不明显，但随着湿度的增加，达到77%的时候，第8片劣化绝缘子的钢帽都表现与正常类似，但盘面表现较明显，与附近正常绝缘子盘面相比温度较低，红外表现较暗，降低湿度后再次达到56%，劣化绝缘子红外特征表现与正常类似。

图6 电阻16 MΩ不同湿度典型红外图谱Fig.6 Under different humidity resistance is 16 MΩ typical infrared spectrum

综上所述，劣化绝缘子阻值处在盲区时，当环境没达到一定的条件之下，红外检测存在较大的漏检，但相对湿度达到一定条件下，钢帽或盘面特征表现较为明显，电阻较小时，钢帽和盘面红外特征较明显，在盲区范围中，电阻较大时，虽然钢帽红外特征不明显，但盘面表现较明显。

4 现场试验结果及其分析

现场试验主要在江西省某供电公司220 kV变电站进行，首先实验选取相对湿度较大的天气，若发现劣化绝缘子串后再选择相对湿度较小天气拍摄，最后将检测劣化绝缘子更换并测量其阻值。

相对环境湿度75%，环境温度20℃，110 kV侧1号构架劣化绝缘子图谱如图7a)所示，记为1号绝缘子串，其中绝缘子串第5片劣化，现场阻值测试为17 MΩ；母线侧2号构架劣化绝缘子图谱如图7b)所示，记为2号绝缘子串，其中共含有4片劣化绝缘子，从导线侧开始编号，第1、3、4、6为劣化绝缘子，现场阻值测试分别为：14.6 MΩ、279 MΩ、11.2 MΩ、214 MΩ；图8所示为1号绝缘子串在湿度不同情况下钢帽和盘面的温度分布，图9所示为2号绝缘子串在湿度不同情况下钢帽和盘面的温度分布。

图7 现场劣化绝缘子典型图谱Fig.7 The degradation of insulator typical graph

图8 1号绝缘子串不同湿度下的温度分布Fig.8 Temperature distribution of No.1 insulator string under different humidity

图9 2号绝缘子串不同湿度下的温度分布Fig.9 Temperature distribution of No.2 insulator string under different humidity

从图7看，劣化绝缘子电阻在2～17 MΩ之间时，湿度达到一定程度，劣化绝缘子红外特征表现很明显，与正常绝缘子比发热较低，红外表现较暗。劣化绝缘子电阻较大时，红外特征表现较亮，发热较正常高。分析绝缘子串温度分布，当绝缘电阻在盲区范围之内，绝缘电阻在10～17 MΩ时绝缘子钢帽温度分布与正常串接近，但在一定的湿度条件，盘面表现很明显，温度较正常低。湿度减少时，上述劣化特征消失，由此可知，检测盲区范围内的劣化绝缘子事，可以通过改变环境温湿度并参考盘面温度分布以提高判断劣化绝缘子的准确率。

5 结论

综上所述，得到如下结论。

1)分布电压和温度差范围是影响红外检测盲区范围大小的两大核心因素，劣化绝缘子检测盲区大概在2～17 MΩ之间。

2)当劣化绝缘子在检测盲区范围之内，改变环境温湿度可以提高劣化绝缘子诊断的准确性。

3)绝缘电阻在盲区范围之内且电阻较小时，湿度较高情况下，绝缘子钢帽和盘面的温度较低，湿度降低后，该特征消失；电阻较大时，绝缘子钢帽红外特征表现与正常绝缘子类似，但盘面较正常低。

4)检测盲区范围之内的劣化绝缘子，在一定的湿度条件下，可以综合绝缘子钢帽和盘面的温度及灰度诊断。

根据红外盲区变化规律及减少措施，改变环境参数，可以明显减少劣化绝缘子的漏报，极大地提升红外检测准确率，为电力系统安全稳定运行提供保障。