零值绝缘子带电检测方法探讨

王晓康，何帅，张浩然，梁睿

(国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司，宁夏 吴忠 751100)

瓷质绝缘子不仅具有较强的机械抗拉作用，而且是重要的绝缘部件，但在制造、运输、安装过程中可能导致绝缘子内部存在裂纹和气孔，长时间运行过程中绝缘子的电气性能不断降低，最终形成零值绝缘子。零值绝缘子影响绝缘子串的电压分布，加剧绝缘子串的劣化，甚至导致系统接地[1]。

零值绝缘子检测分为绝缘电阻法、火花间隙法、电压分布法和红外热成像法[2]。其中绝缘电阻法为停电检测方法，其他三种为带电检测方法。本文通过对一起零值绝缘子的检测案例和模拟试验对这几种方法进行了比较。

1 绝缘子串电气特征

1.1 绝缘子串电压分布

一个绝缘子串可等效成多个小电容单元串联后形成的等效电容C。如图1所示,受悬式绝缘子的杂散电容Cd的综合影响，绝缘子串中从上到下单个绝缘子C的等效电容值会有所不同。

图1 绝缘子串等效回路

一般情况下，绝缘子串高电位处绝缘子电压降大，随着绝缘子离高电位的距离增加，单个绝缘子电压降越小[3]。绝缘子在靠近铁塔横担时单个绝缘子电压降又会逐渐增加，整串绝缘子呈现出弧形的电压分布特征。端部带均压环的绝缘子串比不带均压环的绝缘子串要均匀些。

1.2 绝缘子串发热规律

(1)绝缘子串表面污秽造成的泄露电流导致的热效应。

(2)材料制造原因。绝缘子在制造过程中，内部存在气孔、裂纹等质量缺陷，在强电场作用下产生的小电流引起发热。

(3)在交流电压下，极化效应出现介质损耗发热[4]。等效电容越大，交流电压越高，绝缘子介质损耗发热越明显。新安装的绝缘子串，大部分热量来自介质损耗发热。

绝缘子损耗热量为

(1)

式中：Qj—沿面温度；

Qh—背景温度；

u—绝缘子两端的电压；

ω—角频率；

C—等值电容；

h—恒指；

S—表面积。

从式(1)可以得出，绝缘子发热主要与电压、表面积相关：电压越高，发热越明显；表面积越大，散热面积越大，绝缘发热越不明显。

正常情况下，相邻绝缘子温差在1 ℃以内，红外热像仪图谱表现为整体发热。随着绝缘子劣化不断加剧，绝缘子击穿电流增加，击穿发热作用增加，当绝缘电阻值与等效电容相等时，发热功率达到最大值，相邻绝缘子温差超过1℃[5]。

2 零值绝缘子检测

小组在试验室对浸泡48 h后绝缘子进行编号，对编号后的绝缘子使用三种不同的带电检测方法，进行35 kV(4片/串)和110 kV(7片/串)线路绝缘子串零值绝缘子模拟试验，共11片绝缘子，其中编号为2、4的绝缘子是零值绝缘子，绝缘电阻分别为3 MΩ，8 MΩ。

2.1 火花间隙检测

火花间隙检测需要检测人员逐塔攀登，逐片绝缘子进行检测，完成依靠作业人员进行听声音诊断判断，如果检测环境噪声超过60 dB，该方法准确率就会降低[6]。火花间隙法工作原理是依据单位长度的空气介质在发生电压击穿时会产生放电声来检测。因为劣化绝缘子电压降小于火花间隙的放电电压，火花间隙之间的空气不足以被击穿，所以就不会产生放电声音，检测人员通过判断有没有产生放电声就可以判断绝缘子是否劣化，但不能判断是否为零值绝缘子，仅能判断劣化。

通过火花间隙法模拟试验发现：11片绝缘子中编号为2的绝缘子无声响、不亮光，通过以上特征判断绝缘子试验结论不合格。结合2号绝缘子绝缘电阻为3 MΩ，验证了零值绝缘子检测的正确性，但4号绝缘子未检出。

2.2 电压分布检测

绝缘子作为隔离高电位输电线路与金属杆塔的电力元件，自身绝缘数值的大小不仅影响绝缘子发热，还会造成各绝缘子的电压分布发生变化，良好的绝缘子串电压分布呈典型的“哑铃”状，即两端承受电压高，中间承受电压低[7]。将11片绝缘子分别组合成不同的绝缘子串，第一串中由于总体片数较少，仅第2片设置为零值绝缘子，第二串中第2、4片设置为零值绝缘子。模拟试验电压分布见表1

表1 绝缘子串每片电压分布统计

图2 电压分布折线

通过表1和图2发现，零值绝缘子两端电压骤降，甚至接近于零。2、4号绝缘子电压分布存在异常。

电压分布检测法发现的绝缘子数量与火花间隙法发现的零值绝缘子数量存在差别，再次证明火花间隙试验法在实际工作中容易受环境影响，准确率低。

2.3 红外热成像检测

绝缘子绝缘电阻在10～300 MΩ时,劣化绝缘子介质损耗发热功率大于正常绝缘子的发热功率，红外图谱特征主要表现在绝缘子钢帽明亮。绝缘子绝缘电阻在0～5 MΩ时，介质损耗发热效应影响小，与周围环境表现接近，图谱特征就会出现黑点。绝缘电阻在5～10 MΩ时,介质损耗发热与其他热效应相同,红外成像图谱无法准确判断，形成检测盲区[7]。

2.3.1 对绝缘电阻小于5 MΩ的零值绝缘子进行红外热成像模拟试验对35 kV线路绝缘子进行2组模拟试验。

(1)试验1。对该模拟35 kV绝缘子串进行21 kV和3h的持续加压后，进行红外测温。环境温度19 ℃，相对湿度47%，泄露电流1.8 mA。

试验结论：1号20.4 ℃，2号 19.5 ℃，3号 19.2 ℃，4号 19.2 ℃，未发现明显零值绝缘子，见图3。

图3 35 kV线路绝缘子模拟试验1红外图谱

(2)试验2。对该模拟35 kV绝缘子串进行95 kV和5h的持续加压后，进行红外测温。环境温度19.8 ℃，相对湿度47%，泄露电流14.6 mA。

试验结论：1号 20.6 ℃，2号 18.3 ℃，3号 19.9 ℃，4号 19.1 ℃，发现2号为零值绝缘子，如图4所示。在高电压下利用红外热成像检测更易发现零值绝缘子。2号绝缘子的绝缘电阻为3 MΩ，小于5 MΩ，红外热成像图中呈现明显的低温特征。

图4 35 kV线路绝缘子模拟试验2红外图谱

2.3.2 对绝缘电阻大于5 MΩ且小于10 MΩ的零值绝缘子进行红外热成像模拟试验

对110 kV线路绝缘子进行2组模拟试验。

(1)试验1。将零值绝缘子安装在中间位置，编号为4号，对该模拟110 kV绝缘子串进行64 kV和3 h的持续加压后，进行红外测温。环境温度20 ℃，相对湿度47%，泄露电流1.9 mA。

试验结论：7片绝缘子之间温度最高为21 ℃，最低20.1 ℃，温差较小，未发现明显零值绝缘子，如图5所示。

图5 110 kV线路绝缘子模拟试验1红外图谱

(2)试验2。将零值绝缘子安装在中间位置，编号为4号，对该模拟110 kV绝缘子串进行95 kV和60 min的持续加压后，进行红外测温。环境温度19 ℃，相对湿度47%，泄露电流10.7 mA。

试验结论：1号 20.7 ℃，2号20.1 ℃，3号19.8 ℃，4号19.8 ℃，5号20.4 ℃，6号19.6 ℃，7号19.6 ℃，未发现零值绝缘子(见图6)。4号绝缘子的绝缘电阻为8 MΩ，位于5～10 MΩ之间，红外热成像图中与正常绝缘子相比，没有明显特征。

图6 110 kV线路绝缘子模拟试验2红外图谱

2.3.3 环境对运行中零值绝缘子红外热成像检测的影响

现场检测对比：选择已经发现零值绝缘子的侯韩I线，对已经发现零值绝缘子的侯韩I线进行现场红外检测。环境温度17 ℃，相对湿度38%，时刻为22：17。根据试验结果A、B、C三相每串绝缘子温度相差小于1 ℃，未发现明显零值绝缘子，如图7所示。

图7 侯韩I线现场检测红外图谱

将红外热像仪镜头更换为长焦镜头，前往同一地点进行红外测试，测试结果发现其中一片绝缘子温度明显低于其他绝缘子，为零值绝缘子，如图8所示。

图8 零值绝缘子长焦镜头红外检测效果

利用红外热成像进行零值绝缘子检测:首先需要理想的测试环境，必须在日落2 h后，并且红外热像仪应配备长焦镜头;其次，对红外检测人员有较高的技术要求，熟悉零值、低值绝缘子发热特征，掌握红外精确测温技术要求;最后，绝缘电阻在5～10 MΩ时,其发热功率和温升与正常绝缘子相差很小,使红外成像技术热图像完全相同而无法识别。

3 结 论

(1)红外热成像检测为非接触式，不需要人员进行铁塔攀登，测试方便，对测试人员技术要求高，应配备长焦镜头，测试条件苛刻，必须在日落2 h后或夜间进行，更适宜做带电普测；

(2)火花间隙检测为接触式，劳动强度大，技术要求低，安全条件要求高，检测精度易受环境干扰，适合做确认复测；

(3)电压分布检测为接触式，劳动强度大，准确率高，技术要求低，安全条件要求高，适合做精确定位；

(4)开展零值绝缘子检测时，应先用红外热成像法进行普测，检测出异常绝缘子后再使用火花间隙法和电压分布法进行综合判断，可节省人力物力，也能提高检测的准确性。