环境因素对电力送电线路绝缘子性能的影响分析与预测

尹德强

（国网黑龙江省电力有限公司哈尔滨供电公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

在电力系统中，绝缘子被广泛使用，但极端环境和材料老化等因素会使其绝缘性能受到影响，进而导致绝缘子劣化。因此，精确检测和评估绝缘子的性能已成为目前电力系统面临的一项重大挑战。红外热像技术已被广泛应用于电力系统中的带电设备检测，其具有操作简单、无须接触等优点，可以有效提高检测效率和准确性。目前，红外检测技术可以提供有限的数据和评估标准，用于诊断绝缘子的劣化情况，但是，由于容易受环境条件和绝缘子工况的影响，该方法的工作量极大，而且错误率也极高，严重影响其应用效果。因此，该文对绝缘子在各种环境条件下的发热和劣化特性进行深入分析，建立了一套全面而有效的劣化绝缘子识别方法，并将其与时间序列模型和红外图像技术相结合，以此来进行有效诊断。

1 电力送电线路绝缘子性能分析

随着时代的进步，电力行业取得了巨大成就，特别是在电力输配线路方面，绝缘材料的选择和使用更广泛，而且其性能也更出色。目前，中国使用的绝缘材料包括钢化玻璃、瓷和合成材料3 类。由于表面积污染和长期暴露在潮湿环境中，瓷绝缘子的耐压性能显著下降，从而影响了其使用寿命和安全性。瓷绝缘子的性能容易受吸湿影响，这是其性能下降的主要原因。长时间暴露在外界水分中会导致绝缘性能下降，并且长期处于热胀冷缩状态，瓷件也会出现裂纹，从而损害瓷绝缘子的整体性能。随着合成绝缘子技术的不断发展和改进，现在的合成绝缘子具有更高的强度和更轻的质量，同时还具有良好的耐污性能，也不需要清扫和检查[1]。

2 环境因素对绝缘子发热规律的影响

2.1 环境温度对绝缘子发热的影响

绝缘子的总体温升受温度变化的影响，该影响主要是由其表面的散热能力决定的。绝缘材料的热量传导主要通过周围的气流来实现。在热量的3 种传递方式中，对流效应主要发生在流体热质中。热量在热传递介质中进行相对位移，使流体内部的温度变化趋于稳定，进而可实现热量的有效传输。绝缘子所处的环境大部分由空气、水等流体组成，因此，其热传导主要是依靠对流来实现，但也会有一定程度的散热。

2.2 环境湿度对绝缘子发热的影响

湿度是一个复杂的因素，会影响绝缘子的发热。由于绝缘子的表面容易受潮湿影响，导致表面污垢，从而降低绝缘子的表面电阻R。因此，在湿度变化的情况下，必须采取措施来维护绝缘子的正常工作。

当绝缘子暴露在潮湿环境下时，其表面的等效电阻可能会引起泄漏电流增加，进而释放出大量的焦耳损耗热量。这些热量可以通过多种途径，如对流传热、热传导、热辐射和蒸发散热，但是蒸发散热的影响最突出。当绝缘子的表层水分减少到足以抵消它内部的热量流失时，这些湿润的部分将会迅速蒸发，最终形成一个完全不受潮湿环境影响的空间。如果绝缘子的表面水分含量超过了其蒸发能力，那么它就会变得潮湿。相反，如果表面水分含量低于其蒸发能力，那么潮湿绝缘子的发热情况就会改变，包括潮湿的一部分和干燥的一部分。这种改变将对绝缘子的等效发热模型产生影响。如果绝缘子表面的干燥带场强大于其闪络场强E（V/m），那么它将会释放出大量电流，导致出现一连串的干燥带电弧。

绝缘子的特性非常复杂，为了更精确地预测其在潮湿环境中的发热情况，该文对其模型进行了优化，使之达到理想状态。忽略绝缘子表面的复杂结构，假定其具有理想的轴向对称性，在该情况下，由于水分的蒸发，形成的干燥带会呈现一个圆环形，其直径为ld（m），从而使绝缘子的性能得到有效提升。确保绝缘子表面的污染物被完全覆盖，并保持一致的湿润度，以确保污染物能被有效控制，而水分的蒸发量则取决于发动机的功率，以确保绝缘子表面的完整性和可靠性。忽略表面湿度和水分蒸发的影响，可以更准确地估算出湿污层的电阻率，从而更好地控制环境污染。如果所有条件都得到满足，该文将会深入探讨湿污绝缘子的发热特性。

3 试验材料

该文试验使用的绝缘子样品均来自当地变电站，其中包括经过正常使用和劣化处理的绝缘子。随着时间的推移，绝缘子的耐久性和耐腐蚀性都得到了显著改善，对其表面污染物的精确检测，可以将其污秽程度降至C，这样就可以更精确地反映出其实际运行情况。在该文试验中，将电压等级设定为220kV，并使用XWP-70 瓷质悬式绝缘子，每组由15片组成，以确保系统的安全性和可靠性[2]，XWP-70 绝缘子参数见表1。

表1 XWP-70 绝缘子参数表（mm）

4 环境素对瓷质绝缘子发热规律的影响

4.1 环境温度对零值绝缘子温升规律的影响

通过控制变量法，该文试验旨在探究不同温度下绝缘子串中零值绝缘子的性能变化和其对环境温度的响应规律。

4.1.1 试验流程

为了精确检测出样品绝缘子的温度变化，该文将实验室的空气湿度降至55%，而且将试验区域的温度也降至10℃～35℃，这样就可以更精细地检查每个样品绝缘子的温度变化，最终通过红外光谱技术来收集样品绝缘子的温度信息。为了确保试验结果的准确性，该文从1 号样本中挑选出没有劣质绝缘子的，而从3、4、5 号样本中挑选出零值绝缘子。

4.1.2 试验结果及数据分析

不同温度下绝缘子串样本1 相对温升曲线如图1所示。

图1 不同温度下绝缘子串样本1 相对温升曲线

首先，经分析发现，绝缘子的温度变化与环境温度密切相关，当环境温度降至35℃时，绝缘子串的均温比10℃时高24.65℃，从而导致钢帽温度也随上升。从图1 可以看出，当环境温度较低时，绝缘子的温度也会相应上升，从而使钢帽温度也随上升。该升高在25℃～30℃是最显著的。当环境温度升至30℃以上时，绝缘子串的温度就会迅速上升，而当环境温度达到35℃以上时，绝缘子串的温度就会接近与环境温度的平衡点。

其次，根据计算，当环境温度升至35℃或10℃时，1 号绝缘子串的温差几乎没有变化，只有0.13℃和0.10%，远低于25℃的0.26%，说明绝缘子串的耐热性能存在较大差距。经过对Tmax值的分析可以明显看出，无论是10℃还是25℃的环境，绝缘子串的最高温差均显著增加。

根据测量和试验结果，在25℃～30℃运行的绝缘子串温度升高曲线呈明显的马鞍形曲线。随着温度的升高，绝缘子串的温度变化呈明显的上升趋势，特别是在中部，会与坐标轴呈直线。在极端的气候条件下，1 号绝缘子的温度会显著升高，而其他绝缘子的温度则会相对稳定，几乎与周围的气候状况一致，因此不能准确地预测其温度变化情况。

最后，根据已获得的数据，当环境温度超过35℃或低于10℃时，零值绝缘子的负温升特征仍然明显，但是位于中段和后段的劣化绝缘子很难被发现。因此，在湿度条件下，零值绝缘子的负温升特征仍然是一个重要的问题。当气温处于25℃～30℃时，劣质绝缘子的负温升特性表现得极其突出，而且即使温度发生变化，其影响也不会有太大变化。在极端的环境条件下，劣质绝缘子的中段和末端的负温升特征发生了显著变化，尤其是当环境温度升至25℃时，其负温升特征更是达到了惊人的0.11 和0.18，该变化非常突出。

4.2 环境湿度对零值绝缘子温升规律的影响

4.2.1 试验流程

该文在严格控制的25℃环境中进行了这项试验。在加压后，利用热雾装置缓慢地将试验区域的湿度调节至45%～85%，以确保绝缘子表面能够充分吸收潮气，从而取得良好的湿度控制效果。当绝缘子达到稳定温度后，可以通过红外图谱来观察其变化情况[3]。

经过试验分析该文发现，在1、8、12 号绝缘子串中，零值绝缘子的数量均未发生变化。

4.2.2 试验结果及数据分析

通过试验，该文研究了含有劣质绝缘子的钢帽和盘面在不同湿度条件下的温度变化情况，并对其进行了统计分析。

劣化出现在绝缘子串1 号位置时的情況如图2所示。根据图2 可知，当绝缘子串的劣化发生在接近导线的1 号位置时，其温度曲线出现了明显偏差，表明该位置的温度要远低于其他位置。经过该次试验，当湿度增加时，劣质绝缘子的钢帽温度会急剧攀升，其波动范围为1.05℃～1.3℃。当湿度达到82%时，负温的攀升程度将会达到最高点。当空气中的水分含量增加时，地表的温度也会相应提高。在60%的水分含量下，温度会先下降，再回升，最终降至1.22℃。在85%的水分含量下，温度会进一步下降，最终降至1.71℃。

图2 劣化出现在绝缘子串1 号位置时

在绝缘子串8 号位置，当温度达到45%时，钢帽和盘面的温度分布没有发生任何异常，而且在劣化的部分，负温的上升幅度只有0.07℃。当湿度升至59%时，零值绝缘子及其相邻绝缘子的钢帽温度出现了明显变化，其中零值绝缘子的负温上升了0.15℃，而盘满绝缘子的负温上升了0.19℃，这表明湿度增加会对绝缘性能产生重要影响。随着环境湿度的升高，畸变的程度也会显著提升。当空气湿度达到85%时，相邻钢帽之间的温度变化非常显著，甚至达到0.25℃，而整个盘子的温度变化更是达到了0.33℃。当环境湿度达到一定程度时，就能利用温升特征来评估材料的性能，该评估方法比钢帽的评估更准确。

由于12 号位置的湿度较低，使绝缘子串每个钢帽的温度都没有出现明显的变化，这就导致无法准确观察到负温升的变化，从而也就无法准确评估劣化的程度。当湿度升至60%时，钢帽和盘面的温度变化呈负温增长的趋势，该趋势可以通过观察来证实。随着湿度增加，相邻的温差将变得越来越大，最高可达0.27℃，能显著提高对气象数据的识别精度。当空气中的水分含量达到80%以上时，12 号绝缘子的表面会变得非常脆弱，其负温会升至0.39℃，该情况非常糟糕。随着环境湿度增加，12 号劣质绝缘子串的性能显著下降，呈现出明显的劣化趋势[4]。

通过试验发现，在25℃的高温和60%的高湿条件下，零值绝缘子的绝缘子串会呈现出明显的负温上升趋势，并且随着湿度增加，该特征会越来越明显。为了确保安全，绝缘子表面的湿度应为60%～85%，因为过高的湿度会导致水滴凝结，进而影响检测的准确性。当劣质绝缘子安装在1～5号电缆附近时，其钢帽温度将显著提升，其增长范围大约为1.05℃～1.3℃。这是一个非常明显的变化，尤其是在某些特殊环境中。在中段6～9 号位置安装的钢帽具有极佳的负温升能力，能够在0.18℃～0.25℃保持稳定，具有极高的耐久性。在末端10～15 号位置，绝缘子的负温升明显提高，变化幅度为0.27℃～0.39℃[5]。

5 结语

该文聚焦于当前广泛使用的低品质绝缘子红外检测技术及其所面临的挑战，同时也将深入分析不同的环境条件，如温度、湿度如何影响绝缘子的发热量和零值温升情况。该文通过模拟试验发现，在恶劣的环境下，零值绝缘子的性能会有明显的改善，特别是“负温升”现象，绝缘子的钢帽及盘面的温度均呈现上升趋势。随着环境条件的变化，零值绝缘子的位置也会对其负温升程度产生重要影响，这将导致劣化特征的显著改变，进而带来不同的结果。通过测量零值绝缘子的负温度变化，可以准确评估其在红外光谱分析中的表现，从而更好地了解其性能。绝缘子的温度会受多种因素的影响，但湿度对其温度影响最大。然而，由于湿度的变化会导致绝缘子的发热变化，因此进行红外检测时，必须特别注意湿度的变化。当环境温度在25℃以上，湿度为60%～85%时，劣化绝缘子的红外检测能力将达到最佳状态。