温度、湿度和风速对红外检测绝缘子的影响分析

夏 凡

（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

引言

随着我国经济进入高质量发展阶段，对电能供应的量与质的要求也越来越高，在各电压等级输电线路规模快速增加的同时，对线路的运维水平也提出了越来越高的要求。传统的人工巡检无法满足，现阶段，利用红外热像检测绝缘子技术逐渐成熟，劣化绝缘子智能化检测成为了可能，该技术具有安全、高效、抗干扰能力强等优点，但在绝缘子劣化识别的应用中仍存在着诊断标准不完善、难以避免检测盲区、检测效果易受环境影响等不足。如何高效检测劣化绝缘子成为电力运行部门越来越关注的问题[1-3]。

目前对于绝缘子状态检测方法，国内外研究学者进行了大量的研究并取得了丰硕的研究成果，主要有电压分布法、泄露电流法、超声波法、紫外成像法和红外成像法等多种方法[4-12]。这些方法不能全面地反映绝缘子具体结构信息，也未考虑不同风速对不同污秽绝缘子发热特性的影响。

针对绝缘子红外检测容易受到复杂环境影响、诊断标准不完善问题，本研究以瓷质绝缘子为例，研究环境温度、湿度和风速在绝缘子表面均匀污秽和非均匀污秽情况下的发热规律及其对红外检测的影响。

1 绝缘子分析模型

1.1 热平衡方程

结合绝缘子热传递方式和传热学[13]得到绝缘子在柱坐标下的热平衡方程式：

式中：T为绝缘子温度，单位为℃；λ为导热系数，单位为W/(m·K)；P为热流密度，单位为W/m2；r、z、φ分别为柱坐标变量。

由实际情况可确定边界条件为对流散热[14]，因此绝缘子表面有式（2）关系：

式（2）和（3）中：qh为热流密度，单位为W/m2；h为对流换热系数，单位为 W/(m2·K)；v为风速大小，单位为m/s；T、T0分别为绝缘子表面温度、环境温度，单位为℃。

通过comsol有限元软件结合绝缘子热平衡方程和边界条件便可求出绝缘子的温度分布情况。

1.2 瓷绝缘子仿真模型及参数

选取110 kV输电线路所用的瓷绝缘子进行1∶1建模。由于绝缘子为对称模型，可以将瓷绝缘子进行二维简化，单片绝缘子模型如图1所示。在瓷件的上下表面建立一定厚度的污秽层，以便后面仿真分析，绝缘子的具体技术参数如表1所示，污秽层电导率参数参见文献[15]。

图1 绝缘子二维对称截面

表1 各种材料属性

2 模型验证

对7片绝缘子仿真计算时，从下往上依次排列1～7号绝缘子，对1号绝缘子钢脚设置电压为63.5 kV，7号绝缘子钢帽设置0电位，改变零值绝缘子的不同位置，得到绝缘串电压分布如图2所示，当绝缘子串中无零值绝缘子时，绝缘子串电压呈现U型分布，即首端绝缘子电压最高，尾端绝缘子次之，中部绝缘子电压最低；当绝缘子串首端、中部和尾端依次出现零值绝缘子时，绝缘子串电压分布将会发生改变，较无零值绝缘子的绝缘子串，有零值绝缘子的电压分布有所抬升，与实际线路中绝缘子电压分布情况相符，证明该模型的可行性。

图2 绝缘子串电压分布

3 绝缘子串温度分布影响因素分析

3.1 环境温度对检测的影响

改变环境温度分别20℃、25℃和30℃，绝缘子串温度分布如图3所示。从图3可知，当环境温度一样时，绝缘子表面均匀污秽的温度略高于绝缘子表面非均匀污秽的温度；当绝缘子表面为均匀污秽或者非均匀污秽时，环境温度越高，绝缘子表面温度也越高。

图3 环境温度对检测的影响

3.2 湿度对绝缘子温度分布的影响

改变湿度，绝缘子串温度分布如图4所示。由图4可知，当相对湿度一定时，绝缘子表面均匀污秽时的温度分布略高于绝缘子表面非均匀污秽分布对应的温度，这是由于绝缘子上表面污秽盐密高于下表面污秽的盐密的缘故，符合实际情况；当绝缘子表面为均匀污秽或者非均匀污秽时，湿度越大，绝缘子相对环境温度越高，利于检测。

图4 湿度对绝缘子温度分布影响

3.3 风速对绝缘子温度分布影响

风速对绝缘子温度分布的影响如图5所示。

图5 风速对绝缘子串温度分布影响

从图5可知，当风速一定时，绝缘子表面均匀污秽的温度分布略高于绝缘子表面非均匀污秽的温度，这是由于绝缘子上表面污秽盐密高于下表面污秽的盐密的缘故，符合实际情况；当绝缘子表面为均匀污秽或者非均匀污秽时，风速越大，绝缘子表面相对环境温度越低，容易造成误检，因此对绝缘子进行红外检测时，风速不宜过大。

4 结论

（1）考虑绝缘子运行的实际情况，绝缘子表面上层污秽比绝缘子下表面污秽严重，当其它影响因素不变时，均匀污秽绝缘子比非均匀污秽绝缘子温度略高。

（2）环境越高时，绝缘子表面温度也越高，相对湿度可能降低，不利于检测，因此，对绝缘子进行红外检测时，环境温度不宜过30℃。

（3）当其他影响因素不变时，湿度越高，绝缘子温度越高，越利于检测，因此，对绝缘子红外检测时，相对湿度不宜低于80%。

（4）当其他影响因素不变时，风速越大，绝缘子温升越低，越不利于检测，容易造成误检。因此，在对绝缘子红外检测时，风速不宜超过4 m/s。