一种非接触式零值绝缘子检测方法及装置

许义，路健，朱先启，张承习，张东东，刘欣，黄宵宁

(1. 国网安徽省电力有限公司合肥供电公司, 安徽 合肥 230022；2.南京工程学院 输配电装备与新技术研究所, 江苏 南京 211100)

瓷绝缘子在输电线路、变电站中使用广泛，对保障电力系统安全运行有重要作用[1]。由于制造工艺、运输、安装等原因，输电线路中绝缘子的瓷质部分容易出现裂纹，而绝缘子的运行环境复杂多变，且长期承受机械负荷与过电压，导致绝缘子裂缝在电场作用下发生击穿，绝缘性能大幅下降，产生零值绝缘子[2]。在架空线路中，由于零值绝缘子而导致的瓷绝缘子串炸裂、掉串事故时有发生，严重影响电力系统的正常运行[3-6]。

国内外学者针对零值瓷绝缘子检测开展了大量的研究，提出了一系列包括绝缘电阻法、泄漏电流法、电位分布法、超声波检测法、紫外成像法、紫外脉冲法、敏感绝缘子法以及红外成像法等的技术手段[7-12]。考虑到相关技术的成熟性和现场适应性，目前运维人员主要采用绝缘电阻法与火花间隙法来检测零值绝缘子[13]。这2种传统的检测方法均为接触式方法，需登杆作业，存在工作量大、工作性质危险的问题，不能满足智能运维的需求。

鉴于此，有关科研机构提出了基于红外成像的零值绝缘子非接触式检测方法[14-15]，该方法具有检测方便、不影响运行、直观等优点，较符合目前智能运维的应用需求。然而现有的结论都是在环境密闭的实验室得出，该方法的现场应用效果有待考量。红外成像法的原理是基于绝缘子钢脚钢帽的发热差异，而良好绝缘运行状态下的绝缘子表面泄漏电流为微安级，其对绝缘子发热的影响很小，实测结果也表明，零值绝缘子与相邻完好绝缘子间的温差仅为0.4～1.2 ℃[16]。此外，该方法对测试环境的要求苛刻，湿度、气候、光线等因素均会影响绝缘子与外界的热量交换，从而影响测量结果[17]。综上，目前的红外法零值绝缘子测量可行性较差。

大量理论研究和试验表明：在正常情况下，电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线是光滑U形分布；而当绝缘子存在导通性缺陷时，缺陷处电场强度会突然降低，电场强度分布曲线不再光滑，出现中间下陷、两端上升的形状畸变[18]。因此，通过测量绝缘子串的轴向电场分布来找出零值绝缘子的方法具有可行性，且电场强度为工频电参量，可通过非接触方式获得，在干燥环境下几乎不受外界因素干扰。目前该方法在国外运用较多，其基本思想是在杆塔横担上架设专业检测装置，代替人力对零值绝缘子进行扫描识别[19]；国内也有相关机构研发了绝缘子攀爬机器人，该机器人搭载电场扫描检测装置，可在机器人攀爬绝缘子的过程中进行零值检测[20]。

综上，免登塔、非接触的零值绝缘子检测技术仍是当下智能运维的重要需求，但是目前国内相关的理论研究和实践工作开展较少，使得相关方法仍未推广。基于此，本文首先仿真分析220 kV绝缘子串空间电场分布特性，研究零值绝缘子对其分布的影响；然后研制非接触式空间电场探测装置，开发零值绝缘子检测算法及后台上位机系统；最后，开展非接触式零值绝缘子检测试验，以验证仿真结果以及本文所提方法的有效性。

1 绝缘子串空间电场分布仿真计算

1.1 有限元计算原理

根据准静态场的定义可知：电磁波传播通过所研究的电磁系统的最大线度尺寸的时间远远小于该电磁波的周期时，电场和磁场几乎没有耦合作用，可近似认为该电磁场为准静态电磁场。在工频交流电压下，研究绝缘子串电场分布所涉及到物体的最大尺寸不超过100 m，交流电压的波长远大于绝缘子串长，满足准静态场的定义条件；因此，绝缘子串在任一瞬间的电场都可以近似地认为是稳定的，绝缘子串产生的工频电场可以近似为准静态电场，仿真采用静电场进行求解。

根据静电场原理，带电线路中绝缘子串与输电线路的整体电位分布满足泊松方程，如式(1)；且当电场中无自由移动的空间电荷时，静电场中任意一点的电荷密度ρ为0，拉普拉斯方程成立，如式(2)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x、y、z为空间坐标系；ε为介质的介电常数；φ为电位；2为拉普拉斯算子。

求解输电线路杆塔整体电场分布时，其计算域单元顶点的电位表达式为：

(3)

(4)

式(3)、(4)中：F(φ)为电位函数；V为计算域；Ve为单元e的计算域；φe为单元e的电位；Fe(φe)为单元顶点电位函数。Fe(φe)对φe导数为零，可以得到式(5)，进一步表示为矩阵的形式，可得到式(6)。

(5)

Kφ=0.

(6)

式(5)、(6)中：M为单元总数；K为刚度矩阵；φ为电位矩阵。通过求解器的迭代计算，最终可以求得输电线路的绝缘子串整体电场分布。

1.2 绝缘子串电场仿真模型

本文选取13片XP-160悬式瓷绝缘子、酒杯型杆塔作为仿真对象，建立有限元仿真模型，进行绝缘子空间电场的特性分析。XP-160悬式瓷绝缘子、酒杯型杆塔示意图如图1所示，其中d为绝缘子串中轴与测量线L之间的距离。绝缘子参数见表1。

为了提高仿真的准确性，考虑铁塔、横担、钢脚、钢帽、导线等因素的影响，通过有限元软件建立1∶1三维模型。从高压端开始依次对绝缘子编号(1—13)，测量时沿测量线L从高压端至低压端进行。模型中空气、瓷、水泥的相对介电常数分别取1、6、14。

图1 绝缘子及杆塔示意图Fig.1 Diagram of insulator and the tower

表1 绝缘子参数Tab.1 Insulator parameters mm

利用有限元法求解空间电场分布时，对远处空气边界、杆塔、绝缘子串低压端金具加载零电压，对于导线及绝缘子串高压端金具加载实际运行电压179.6 kV。有限元法的解是一种近似的结果，需要设置边界条件，在无界域建立有界区域进行求解。

仿真分析含有零值绝缘子的绝缘子串空间电场分布变化。模型针对绝缘子结构进行了改变：对钢帽与瓷件、水泥粘合剂之间进行了贯穿处理，并单独设置相对介电常数，模拟实际情况中的零值绝缘子，如图2所示；而对于悬浮导体则采用虚拟大介电常数的方法，即悬浮导体与周围非悬浮导体的相对介电常数之比大于1 000即可。

图2 零值绝缘子模拟示意图Fig.2 Diagram of the zero-value insulator unit

1.3 仿真结果及分析

假设清洁绝缘子串在所加电压下无电晕产生，空气湿度低，沿面泄漏电流和空间电流可忽略，绝缘子金属帽上的电荷保持不变。基于以上绝缘子串的电场仿真模型，得到d= 200 mm情况下，酒杯型杆塔边相瓷绝缘子串不同方位(前、后、左、右)的空间电场分布情况，如图3所示。由图3可知，良好绝缘子串周围空间电场分布规律基本一致，都呈光滑马鞍形，图1中L线的方位对空间电场检测结果影响不大。

图3 绝缘子串四周电场分布Fig.3 Electric field distribution of insulator string in different directions

由于路径方位对绝缘子串电场规律没有显著影响，故研究绝缘子外侧不同d值下的空间电场分布特性。按照前文所述方法模拟实际情况中零值绝缘子，分别在高压端、中部、低压端依次对3、7、12号设置零值绝缘子，在d=200 mm情况下，空间电场各分量仿真结果如图4所示。由图4可知：零值绝缘子位置处周围空间电场明显畸变，在合成电场、轴向电场、径向电场均有体现；零值绝缘子位置处电场强度的畸变对空间轴向分量的影响最大，其中轴向电场与正常相比变化了21.2%、13.1%、21.3%。

为了对零值绝缘子空间轴向电场的影响范围进行研究，找到最佳的现场检测距离，仿真得到d分别为300 mm、400 mm、500 mm情况下的轴向电场进行研究，得到仿真结果如图5所示。由图5可知：监测距离d越大，整体电场强度值越小；零值绝缘子引起绝缘子串空间电场的畸变程度范围有限，随着监测距离的增加，空间电场畸变程度越来越小；当d>300 mm时，含零值绝缘子串的空间电场分布与正常情况的差异已不再明显。

2 非接触式现场检测及验证

2.1 空间电场探测装置

为验证上述仿真分析结果，研制了空间电场探测装置，其通过d-dot探头实时测量空间中某一点的电场强度，如图6所示。该装置工作原理为：放大滤波模块将探头输入的微弱电压信号放大，并滤除高频电磁干扰分量，输出至单片机的A/D端口，单片机采集A/D端口工频电场信号，并通过软件滤波的方式进一步消除外部干扰，然后将信号传送至透传模块，发送给后台上位机。

图4 d=200 mm时，含零值绝缘子的绝缘子串空间电场分布Fig.4 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units when d = 200 mm

图5 不同d值下，含零值绝缘子的绝缘子串空间电场分布Fig.5 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units under different d values

图6 空间电场探测装置Fig.6 Spatial electric field detection device

在高压实验室开展电场校准试验，利用2个圆形、且互相平行的平板电极产生均匀电场﹝图7(a)﹞，将近电感应器放置在正中位置，读取手持终端的电场监测结果，并与实际的电场强度计算值相比较，对比结果如图7(b)所示。

由图7(b)可知，所研制的近电感应器测得的电场强度与实际值的误差在10%以内，考虑到试验过程中外施电压有一定波动，该误差满足工程应用要求。

图7 近电感应器电场测量校准试验Fig.7 Electric field measurement calibration experiment of near electric sensor

2.2 非接触式检测试验现场

以10片XP-160悬式瓷绝缘子为试验对象，通过钢帽与钢脚短接的方式，分别设置5、9号绝缘子为零值绝缘子，将探测装置安装在滑轮上，并均匀拉动牵引绳，牵引绳与绝缘子串中心距离为300 mm，如图8所示。

图8 模拟零值绝缘子及现场测试情况Fig.8 Simulation on zero-value insulator and the test environment

2.3 上位机检测结果及分析

空间电场探测装置数据实时发送至后台上位机，上位机系统由Labview软件编译，进行实时数据及曲线显示，其过程如下：

a)数据预处理。由于实验室试验环境与仿真模型中的杆塔线路环境有差异，相同检测距离下，空间电场检测结果与仿真结果有一定的幅值偏差；此外，由于装置本身尺寸、探头尺寸的影响，实验室的实际检测距离与仿真模拟中的检测距离难以完全一致，也造成一定的幅值差异。为了排除这2个因素，对原始数据进行归一化处理，使检测结果与正常情况下数据有可比性。归一化公式为

(7)

式中：xi为原始数据序列；Xi为归一化后数据序列；xmax、xmin为原始数据序列最大、最小值。

b)曲线平滑。采用最小二乘曲线拟合法，对曲线进行多项式拟合、滤波、去噪，使曲线平滑。

c)零值绝缘子识别。试验中，空间电场探测装置从高压端检测起始点至低压端检测结束点之间的距离难以与仿真模型保持一致，不同组别试验下的检测长度也难以完全保持一致，这造成上位机接收到的数据点个数会有差异，使得电场分布曲线不具有可比性。为排除此影响，本文采用数值内插法使检测曲线数据点与正常曲线数据点个数一致。通过对比做差，求得差值绝对值的最大值数据点位置，除以数据点个数，再乘以绝缘子片数，作为疑似零值绝缘子的位置。为提高零值绝缘子识别的准确性，采用幅值、斜率双重对比，当双重对比结果相近或相等时，可判断出零值绝缘子。

(8)

式中：P为检测曲线幅值序列；Q为正常曲线幅值序列；m为(P-Q)序列最大值A的位置；n为P序列、Q序列数值个数；N为绝缘子片数；W为疑似零值绝缘子位置。

(9)

式中：kP为检测曲线斜率值序列；kQ为正常曲线斜率值序列；mk为(kP-kQ)序列最大值B的位置；nk为kP序列、kQ序列数值个数。

检测结果如图9、图10所示。

图9 第5片零值绝缘子检测结果Fig.9 Detection results of the fifth zero-value insulator

图10 第9片零值绝缘子检测结果Fig.10 Detection results of the 9th zero-value insulator

由图9、图10可知：当绝缘子串中存在零值绝缘子时，其电场强度幅值与斜率曲线发生明显变化；在检测距离300 mm下，当实际零值绝缘子为5、9号时，通过幅值对比检测零值绝缘子为4、9号，通过斜率对比检测零值绝缘子为5、8号。通过幅值与斜率对比，可有效识别零值绝缘子位置，误差为上下1片。

3 结论

本文研究了不同零值绝缘子位置对其空间电场分布的影响，继而研制了非接触式空间电场探测装置，开发了零值绝缘子检测算法及后台上位机系统，得到结论如下：

a)架空线路杆塔绝缘子串前后左右4个方位的空间电场分布趋势接近，且零值绝缘子使其空间电场分布发生明显畸变，其中轴向分量最为明显。检测距离d=200 mm时，轴向电场最大变化率可达22%。

b)随着d值增大，零值绝缘子引起绝缘子串空间电场的畸变程度范围有限，空间电场畸变程度越来越小；当d>300 mm时，含零值绝缘子的绝缘子串空间电场分布与正常情况的差异已不再明显。

c)零值绝缘子检测试验结果表明，当检测距离d=300 mm时，以做差的方式，对比正常与存在零值绝缘子情况下的检测曲线幅值或斜率，均可有效识别零值绝缘子位置，误差为上下1片。