变电站绝缘子憎水性试验工具的设计

杨 磊

(国网宁夏电力有限公司中卫供电公司，宁夏 中卫 755000)

绝缘子受电晕放电、紫外辐射、潮湿环境、酸雨等因素影响，其表面硅橡胶或PRTV涂料老化，引起电气性能和机械性能下降，影响变电站电力设备运行可靠性[1]。绝缘子的表面憎水性程度是衡量绝缘子性能的重要指标之一[2]。目前，变电站绝缘子憎水性试验采用IEC/TS 62073-2003推荐测试法[3]中的喷水分级法[3-5]对停电状态的电力设备进行测试，配备喷壶、照相机[5]等试验工具。实际试验时，试验员需借助绝缘梯、安全带及安全平台等安全工器具登上设备构架后，手持喷壶喷雾，用数码照相机将绝缘子表面水珠分布情况拍照，将照片与憎水性分级对照图对比。喷壶和照相机使用时不方便，导致试验时间长，效果差，存在试验员坠落的潜在安全隐患。

憎水性试验工具主要在输电线路绝缘子带电检测试验领域应用广泛：文献[6-7]提出采用旋翼无人机平台替代人工登高的试验方法，提高输电线路绝缘子憎水性检测的效率和安全性；文献[8-9]采用图像识别算法对憎水性图片分析和评级，研发憎水性分析系统提高绝缘子憎水性分级评价的准确度；文献[10]研制了一种由电动式自动喷水装置、微型数码摄像机构成的憎水性试验工具，试验员可在塔上与绝缘子保持一定安全距离获取试验照片。在变电站电力设备的绝缘子应用方面，文献[11]设计了一种设备带电条件下进行绝缘子憎水性试验的装置，由试验员遥控装置升高至待测绝缘子附近试验，改变了传统试验需要停电和登高的作业方式，但机构组成复杂，保养困难，运输不便。以上述研究成果为基础，为了解决变电站开展绝缘子憎水性试验存在的问题，本文设计一种携带方便，使用轻巧的新型绝缘子憎水性试验工具。

1 试验过程存在的问题

1.1 试验工具使用不便

绝缘子憎水性试验分为7个环节，包含准备工作、架设安全平台、人员登高、喷水拍照、试验结束检查、工具收回、出具试验报告。在工作时间、工具数量和人员配置方面对4座110 kV变电站的试验数据统计分析后得到，试验总时间平均为52.75 min，架设平台、人员登高、工具收回环节平均用时占比之和超过50%，如图1所示。由于喷壶和照相机本身使用方法的限制，登高作业成为试验员靠近绝缘子所采取的主要手段，使用绝缘梯、安全平台、安全带等高空作业工具的试验环节用时明显增长。

图1 环节用时占比

试验员直接操作喷壶、照相机，致使喷洒距离、喷雾频率等指标不能完全达到文献[2]的规定，对试验效果影响较大；照片画面模糊、水滴散布不均匀或者表面附着水滴过于稀疏，增大了人工判断的难度，降低了绝缘子憎水性评估准确性。

1.2 高处试验有坠落风险

对于电容器、电抗器等设备高度较低的绝缘子，试验员可在地面直接使用工具喷雾拍照，能够灵活调整站位和拍摄角度。对于断路器、隔离开关等设备的绝缘子，高度均超过2 m，试验员在构架上根据光线、风向等因素选择站位、调整角度完成喷雾和拍照的操作相对于地面较困难。为保证试验员的安全，一般配备2人，一人为工作负责人，指导、监视试验员的所有操作；另一人配合试验员工作，例如传递工具、扶稳绝缘梯。在安全措施和监护人员齐备的情况下，试验员在构架上变换位置、调整姿态或传递工具时仍然存在坠落风险。

2 憎水性试验工具的设计

2.1 试验工具总体设计

由于变电站内设备数量众多，安全距离有限，在替代登高试验方面，文献[6-7]提出的无人机替代方案对邻近带电设备构成威胁。无人机平台驾驶员操控难度更大，不适于变电站范围内实施。文献[10]研制的试验工具用于试验员登塔后使用，电动喷雾机构和微型摄像机安装于伸缩绝缘杆，既方便试验员登塔时携带，又可以保证人与带电线路的安全距离，与变电站实施绝缘子憎水性试验的使用环境相似。为此，根据变电站试验的实际需求，改进文献[10]的设计方案得到新型憎水性试验工具的整体结构，如图2所示。

图2 试验工具整体组成

图3 试验装置结构

变电站绝缘子憎水性试验工具主要由试验装置、绝缘拉杆、水壶支架和手机夹构成。图2中，绝缘拉杆为变电站内统一配置，可根据绝缘子不同高度自由组装，与试验装置连接后可以直接替代登高作业方式进行试验。水壶支架用于放置水瓶，在靠近试验装置进水管的位置安装，试验装置从水瓶处取水经喷头喷射足够水雾。手机夹可放置屏幕尺寸6英寸及以下的手机，具有角度调节功能，试验员可在手机上由App软件连接试验装置查看绝缘子表面水珠附着状况的画面并控制拍摄。试验装置是工具的主体结构，具有自动喷雾和遥控拍照功能，主要由遥控电动喷雾系统和图像采集系统组成，如图3所示。

2.2 试验装置遥控电动喷雾系统设计

遥控电动喷雾系统主要由雾化喷头及支座、水泵、定时继电器模组构成。系统采用直径为8 mm的黄铜材质雾化喷头，不易生锈堵塞，喷头处可调整喷雾范围和细密程度，有效覆盖待测绝缘子表面。水泵选用2 W 5 V小型齿轮泵，耗电量小，扬程达到1 m，出水口由硅胶软管与雾化喷头相连，进水口软管穿过装置外壳延伸至水壶支架位置与水壶连接，经过喷雾量测试得到：水泵运行1 s，喷雾量平均为0.8 mL，喷雾距离最大达到28 cm，满足文献[2]的设计要求。

为了实现自动喷雾功能并改善喷雾效果，系统采用了具有遥控功能的以定时继电器为主要元件的电路模块。定时继电器模组中，一组定时继电器用于控制喷雾时间和间隔时间，将喷雾时间设定为1 s，间隔时间设定为0.5 s；另一组为遥控定时继电器，用于控制喷雾总时间，由遥控器控制启动或停止定时。根据喷雾次数、喷雾时间、喷雾间隔时间的设定值，计算得到喷雾总时间为37 s。

按照绝缘子憎水性试验流程设计如图4的定时继电器逻辑电路，并连接各个定时继电器电路。其工作原理为遥控器启动按钮按下后，遥控定时器M1开始计时(M1定时37 s)，遥控继电器M0常开触点闭合，启动定时器M2(M2定时1 s)和水泵(开始喷雾1 s)；M2定时时间到达后，其常开触点闭合启动定时器M3(M3定时0.5 s)，同时M2常闭触点断开使水泵停止(停止喷雾0.5 s)；M3定时时间到达后，其常闭触点断开使M2失电，同时M2常开触点断开使M3失电，导致M3常闭触点闭合重新启动定时器M2。此时，水泵经过0.5 s停转后再次启动。如此循环往复，直至M1定时器到达第37 s时，M1常闭触点断开停止水泵和定时器M2，水泵共启动25次，完成喷雾试验环节。

图4 遥控电动喷雾系统电路原理

2.3 试验装置图像采集系统设计

图像采集系统是试验装置的重要组成部分，可以提供绝缘子表面附着水滴后的清晰图片。系统采用宽0.8 cm，厚0.5 cm的微型分体式摄像头，整体结构简单，重量轻盈。摄像头视角范围为90°，能够满足拍摄3层绝缘子伞裙的试验需求。摄像分辨率最大为1 920×1 080 HP，在距离25 cm的位置拍照，可清楚分辨水滴附着的状况，有利于人工对比或分析软件识别。该摄像头具备Wi-Fi热点功能，试验员可用手机与其连接，通过专用App实时查看绝缘子表面水滴分布情况，择机点击拍摄按钮截取图片。当图像的光线暗淡、水滴不清晰时，可以通过App控制摄像头调整焦距、对比度和亮度获取试验所需最佳图片。

与使用数码照相机的方式相比，图像采集系统的操作更加简单、快速；硬件体积更小，集成于试验装置内；Wi-Fi远距离传输图像，解决了试验员在设备构架上拍照存在的安全隐患，消除了手持相机拍摄对试验照片质量的影响。

3 效果评价

为了验证新型绝缘子憎水性试验工具的性能是否满足试验需求，在迎水桥实训变电站选取退役220 kV断路器套管绝缘子进行功能测试，如图5(a)所示。测试时，试验员选好站位及待测绝缘子高度并调整摄像头和喷头角度，将手机与试验装置的Wi-Fi热点匹配，组装2节110 kV分节绝缘拉杆与试验装置相连，调节手机图像的清晰度后完成喷雾、拍照操作，测试结果表明试验装置与绝缘拉杆连接牢固，喷雾均匀，拍摄清晰。

结合中卫电网检修计划，在3座35 kV变电站、3座110 kV变电站内检修设备的绝缘子上完成憎水性试验。对测试数据分析得到：试验平均总用时由52.75 min缩短至12.5 min，试验人员由3人减少至2人；喷雾散布范围大，水珠细密且均匀，如图5(b)所示，能够良好地测试绝缘子表面的憎水性程度；试验拍摄的照片色彩柔和，水滴轮廓清晰，为试验结果对比评级提供方便。

图5 憎水性试验工具使用效果

使用新型绝缘子憎水性试验工具直接替代了传统人工登高方式进行试验。试验过程中，减少安全工器具如绝缘梯、安全带等的使用数量，减少安全监护人员数量，有效消除高处坠落的风险，简化试验流程中布置安全措施的多个环节，降低试验现场安全管控难度和风险。

4 结 论

(1)本文研制了一种适用于35 kV及以上变电站开展绝缘子憎水性试验的工具，安装简便，使用灵活，携带便利，达到了替代人工登高作业进行试验的目的，有效消除了高处作业的坠落风险。

(2)将喷雾与拍照功能集于一体，解决了工具使用不便，喷雾效果人为影响大，拍摄不清晰的问题，有利于提高人工与憎水性分级对照图对比的准确度。

(3)简化了试验环节，从而提高了试验工作效率，降低了试验员的工作强度，减少了试验安全措施投入成本。

(4)在便携性、安全性、实用性等方面改观显著，对试验照片数据传输、结果判别有待改进提升。