2022, Vol. 41
文章编号: 2096-3203(2022)01-0141-08 中图分类号: TM755
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 陶玉宁(1995), 男, 硕士在读, 研究方向为电力设备状态在线监测(E-mail: taoyuning12@163.com); |
瓷质绝缘子因其良好的绝缘和机械性能、相对较低的成本等优势，被广泛用于电网建设运行[1-2]。但在实际运行中，瓷质绝缘子多处于室外环境，长期经受机电负荷、大气污染、冷热变化等作用，绝缘性能和机械性能会下降[3-4]。绝缘子的劣化与其内部结构有关，瓷件、水泥胶合剂、钢帽和铁脚所用材料不同，导热和膨胀系数也不同，且各部分连接处难免存在空气隙。绝缘子在外界因素的长期无规律作用下，内部微孔逐渐渗透，扩展成小裂纹直至开裂；在强电场的作用下，劣化绝缘子内部极易产生电击穿，使其成为零值绝缘子[5-6]。绝缘子串发生闪络后，流过绝缘子内的短路电流将会产生较大热量，使绝缘子的瓷件炸裂、钢帽裂开，进而导致绝缘子断串或输电导线落地等严重事故[7-8]。为避免零值绝缘子引起的此类事故发生，在巡检工作中及时有效地检测和判断绝缘子状态，并有计划地对其进行处理显得尤为重要。
与传统检测方法相比，红外检测具有远距离、非接触、可带电检测等优点[9-13]。文献[14]通过红外热像仪采集图像, 对图像进行去噪分割等预处理，并采用模式识别的方式对零值绝缘子进行检测，但该方法受环境因素影响，准确率较低。文献[15]提出基于概率神经网络的红外热像零值绝缘子检测方法，但在相对湿度较大时误判率较高。文献[16]利用基于卷积神经网络的劣化绝缘子识别模型检测零值绝缘子，但适合该方法的环境条件尚不清晰。目前，各种红外零值绝缘子检测方法均有其局限性。为了将红外技术更好地用于现场零值绝缘子检测，提出适用范围精确且快捷简便的检测方法尤为重要。
文中建立污秽绝缘子串电-热-流场耦合模型，通过多物理场耦合分析不同零值绝缘子位置、环境相对湿度和污秽度时的绝缘子串温度分布差异和规律，提出一种基于相邻温升差的零值绝缘子红外检测方法，并通过红外检测试验验证所提方法。该方法可为电力部门利用红外技术进行绝缘子巡检提供科学依据，对减少工作量、降低事故概率具有重要意义。
1 含零值绝缘子串的仿真模型及参数为模拟输电线路绝缘子串的真实工况，文中建立绝缘子串电场、热场和流场耦合模型进行耦合分析。仿真对象为110 kV线路所用标准瓷质悬式绝缘子，由钢帽、铁脚、具有较强绝缘性能的瓷件和粘合连接各组成部分的水泥胶合剂组成，其二维轴对称模型简化后如图 1所示，相关材料属性如表 1所示。
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图 1 绝缘子二维轴对称截面 Fig. 1 2-D axisymmetric section of insulators |
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表 1 各部分材料属性 Table 1 Material properties of each part |
零值绝缘子建模时，将钢帽及铁脚间的瓷件与胶合剂设为金属导体材料，以模拟贯穿性缺陷，其他部分与正常绝缘子相同。仿真基于COMSOL软件，在无限远开区域电场仿真边界条件设置中采用人工截断边界法，截断区域选用圆柱形，截断半径为2 m，高度为20 m，将截断边界设为零电位。在设置边界条件时，将空气设置为压缩性流体，外壁设置为无滑移壁，模型的初始温度值和环境温度值均设定为20 ℃。当仿真计算时，高压端绝缘子铁脚处施加63.5 kV电压，低压端绝缘子钢帽处施加0 kV电压，进行50 Hz的频域分析。
文中将各污秽状态下绝缘子表面污秽层的相对介电常数设置为81[17]。根据文献[18]，污秽层饱和湿润时吸附的10~20 ml水会均匀覆盖在绝缘子表面，因此将污秽层厚度设置为0.1 mm，污秽层在饱和湿润时的电导率γs为[19]：
| $ {\gamma _{\rm{s}}} = 230{\rho _{{\rm{ESDD}}}}\rho _{{\rm{NSDD}}}^{0.575} $ | (1) |
式中：ρESDD为盐密；ρNSDD为灰密，文中不同污秽度下的灰密值均设置为1 mg/cm2。实验采用人工污秽法，污秽可溶盐采用NaCl。对于设置不同污秽度和湿度的污秽层电导率，需要考虑污秽层中盐分在不同环境湿度下的溶解率和溶解量。当污秽层未饱和湿润时，其电导率可通过文献[20]获得。相关污秽等级材料属性如表 2所示。
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表 2 污秽参数 Table 2 Contamination parameters |
在进行污秽含零值绝缘子串的电-热-流多物理场耦合仿真时，将电场中与电压和电流密度分布直接相关的电磁能量作为对流散热计算的热源，获得污秽含零值绝缘子串的热特征。
2.1 零值绝缘子位置对热场的影响对污秽绝缘子串中的绝缘子片位置进行编号，由高压端至接地端依次编为1~7号。选择典型零值绝缘子2、4、7号位置，即高压、中间和低压接地位置，分别进行温度分布仿真计算。
当污秽含NaCl且盐密为0.05 mg/cm2，环境相对湿度为80%时，绝缘子串的温度分布如图 2所示。零值的存在会改变绝缘子串原有无零值时连续性马鞍型的温度分布。
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图 2 湿污时绝缘子串的温度分布 Fig. 2 Temperature distribution of insulator string during wet contamination |
绝缘子串钢帽处、铁脚与下表面连接处的温升如图 3所示。由图 3(b)可知，2号为零值绝缘子时与相邻1号和3号绝缘子的温升差分别为1.68 ℃和0.72 ℃，而2号为正常绝缘子时与相邻绝缘子的温升差分别为0.6 ℃和0.19 ℃；4号为零值绝缘子时与相邻3号和5号绝缘子的温升差分别为0.87 ℃和0.74 ℃, 而4号为正常绝缘子时与相邻绝缘子的温升差分别为0.09 ℃和0 ℃；7号为零值绝缘子时与相邻6号绝缘子的温升差为0.96 ℃，而7号为正常绝缘子时与相邻绝缘子的温升差为0.15 ℃。零值绝缘子与相邻位置绝缘子温升差最大的是零值处于高压端，其次是低压接地端，最小的是处于中间位置。因此，相同环境条件下高压端零值相对较易检测，其次是低压接地端，最后是中间位置。
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图 3 湿污时绝缘子串钢帽和铁脚的温升 Fig. 3 Temperature rise of steel cap and iron foot of insulator strings during wet contamination |
根据牛顿冷却定律，相邻绝缘子产生的热量必然向几乎无温升的零值绝缘子传递，因此在热稳定时零值绝缘子有较小温升，温升大小与所在位置有关。图 3中，零值绝缘子在2号位置时，钢帽以及铁脚与下表面连接处温升分别为0.24 ℃和0.28 ℃；在4号位置时，温升分别为0.17 ℃和0.18 ℃；在7号位置时，温升分别为0.10 ℃和0.13 ℃。
2.2 环境相对湿度对热场的影响在相同污秽条件(污秽含NaCl，盐密为0.10mg/cm2)且2号位置为零值绝缘子的情况下，环境相对湿度逐渐增加，其污秽绝缘子串的等温线分布见图 4，绝缘子串钢帽处和铁脚与下表面连接处的温升见图 5。
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图 4 不同环境相对湿度下绝缘子串的等温线分布 Fig. 4 Isothermal distribution of insulator strings under different environmental relative humidity |
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图 5 环境相对湿度逐渐增加时绝缘子串钢帽和铁脚的温升 Fig. 5 Temperature rise of steel cap and iron foot of insulator strings when environmental relative humidity increases gradually |
图 5中，1号和3号绝缘子与2号零值绝缘子钢帽处的温升差，在相对湿度70%时分别为0.76 ℃和0.13 ℃，相对湿度75%时分别为1.00 ℃和0.50 ℃，相对湿度80%时分别为1.33 ℃和1.00 ℃；1号和3号绝缘子与2号零值绝缘子铁脚与下表面连接处的温升差，在相对湿度70%时分别为1.55 ℃和0.27 ℃，相对湿度75%时分别为1.68 ℃和0.72 ℃，相对湿度80%时分别为2.08 ℃和1.32 ℃。结合图 4、图 5可得，随着环境相对湿度的增加，绝缘子串的整体温升逐渐增加，串中正常绝缘子的温升变化较明显，在热量传递的影响下零值绝缘子也出现较小温升，零值绝缘子与相邻位置绝缘子的温升差随湿度增加而逐渐增大，而相邻正常绝缘子的温升差依然较小且整体呈现马鞍型分布规律。
2.3 污秽度对热场的影响在环境相对湿度为80%且7号位置为零值绝缘子的情况下，绝缘子表面污秽度分别为0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2，绝缘子串等温线分布如图 6所示。绝缘子表面污秽度增加后，绝缘子串中各处温升增大，零值绝缘子与相邻位置绝缘子的温升差也逐渐增大。
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图 6 不同污秽度下绝缘子串的等温线分布 Fig. 6 Isothermal distribution of insulator strings with different contamination degrees |
通过测取绝缘子串钢帽处和铁脚与下表面连接处的温升差可知，当污秽度分别为0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2时，零值绝缘子与相邻6号绝缘子在钢帽处的温升差分别为0.63 ℃，0.92 ℃，1.11 ℃，在铁脚与下表面连接处的温升差分别为1.5 ℃，2.08 ℃，2.93 ℃。
3 零值绝缘子红外检测方法通过不同情况下绝缘子串的温度分布差异和规律，提出基于相邻温升差的零值绝缘子红外检测方法。
3.1 检测点的选取由仿真结果可知，绝缘子串中每片绝缘子的温度分布随着绝缘子上各个位置与回转中心轴的距离改变而改变。因此，若要基于相邻绝缘子温升差进行红外检测，应选取各绝缘子的相同位置进行检测，检测点宜选取污秽绝缘子最大温升位置，如图 7所示。
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图 7 绝缘子串红外检测点 Fig. 7 Infrared insulator string detection point |
对绝缘子串进行红外检测以识别串中零值绝缘子，以绝缘子串温度分布规律为依据，使用高精度红外热像仪，进行基于相邻温升差的零值绝缘子红外检测，检测流程如图 8所示。
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图 8 绝缘子串红外检测流程 Fig. 8 Flow chart of infrared insulator string detection |
由仿真结果分析可知，零值绝缘子处于高压端时最易检测，其次是处于低压接地端时，最后是处于中间位置。随着环境相对湿度、污秽度的逐渐增加，绝缘子串中相邻正常绝缘子间的温升差逐渐缩小，正常绝缘子与零值绝缘子间的温升差逐渐增大，有利于红外检测。当环境相对湿度在70%左右时，绝缘子表面污秽物中盐分才开始吸湿潮解，影响绝缘子表面电导率，并逐渐显现零值绝缘子与正常绝缘子的温升差；而干燥污秽的情况下绝缘子串整体温升不明显，难以进行红外检测。同时根据DL/T 664-2016《带电设备红外诊断应用规范》标准要求，检测环境相对湿度不宜大于85%。因此根据文中的红外检测方法，提出检测条件、可检测位置和检测式，分别如表 3、式(2)所示。
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表 3 红外检测条件及可检测位置 Table 3 Infrared detection conditions and detectable locations |
| $ K = \left\{ \begin{array}{l} 3.19 \times {2^{2\left( {{R_{\rm{H}}} - 70} \right)/5}}{\rho _{{\rm{ESDD}}}}\rho _{{\rm{NSDD}}}^{0.575}\;\;\;70 \le {R_{\rm{H}}} < 75\\ 12.77 \times {2^{\left( {{R_{\rm{H}}} - 75} \right)/5}}{\rho _{{\rm{ESDD}}}}\rho _{{\rm{NSDD}}}^{0.575}\;\;\;75 \le {R_{\rm{H}}} < 85 \end{array} \right. $ | (2) |
式中：RH为环境相对湿度；K为检测系数。当K≥0.32时，按照检测流程对绝缘子串全部位置进行零值检测；当0.32>K≥0.16时，能检测绝缘子串高压端第一片和低压接地端第一片是否为零值绝缘子；当0.16>K≥0.09时，仅能检测绝缘子串高压端第一片是否为零值绝缘子；当K＜0.09时，无法对绝缘子串中任何位置进行零值检测。
4 零值绝缘子红外检测试验 4.1 试验方法、装置与试品按照IEC 60507-1991《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》标准进行试验，试验原理见图 9。调压器额定输入电压为220 V，输出电压为0~250 V，额定容量为15 kV ·A；电源由10 kV ·A/100 kV的工频试验交流变压器提供，高压侧导线通过环氧套管引入人工雾室；将试品悬挂在2 000 mm×1 300 mm×1 300 mm的人工雾室中，由超声雾化发生器产生蒸汽来改变装置内的湿度，并用温湿度计进行监测。加压时采用均匀升压的方式快速升压至试验电压，再采用恒压方式持续加压1 h，使用分压比为3 000 ∶1的电容分压器监测电压，同时用高精度红外热像仪拍摄绝缘子串温度分布。
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图 9 试验原理 Fig. 9 Schematic diagram of test principle |
试验中零值和正常阻值绝缘子均为实际运行线路取下的自然零值和正常阻值标准瓷质悬式绝缘子。使用绝缘电阻测试仪按照DL/T 474.1-2018《现场绝缘试验实施导则》对试验绝缘子进行电阻值测量并做相应记录。经测量所用自然零值绝缘子的电阻实测为0.2 MΩ，正常绝缘子绝缘电阻值为100 GΩ，符合绝缘电阻值等级划分(小于5 MΩ时为零值绝缘子)的相关要求。试验绝缘子实物图及基本参数如图 10和表 4所示。
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图 10 试验绝缘子 Fig. 10 Test insulator |
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表 4 试验绝缘子基本参数 Table 4 Basic parameters of test insulator |
绝缘子采用IEC 60507-1991中的固体层法进行人工涂污。试验所选的盐密分别为0.03 mg/cm2，0.05 mg/cm2，0.10 mg/cm2，0.20 mg/cm2，灰密为1 mg/cm2。
4.2 试验结果 4.2.1 不同环境相对湿度时的试验结果表 5为在相同污秽度(盐密0.10 mg/cm2)含零值绝缘子的条件下，环境相对湿度分别为70%，80%时的铁脚与下表面连接位置的温升差。
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表 5 不同相对湿度时铁脚与下表面连接位置的温升差 Table 5 Temperature rise difference between iron foot and lower surface at different relative humidity |
不同环境相对湿度和零值绝缘子在绝缘子串中处于不同位置时，高压侧正常绝缘子与零值绝缘子的温升差均不小于低压侧绝缘子与零值绝缘子的温升差。零值绝缘子的温度较低，与正常绝缘子温升差较大，这种温升差随着相对湿度的增加而逐渐变大。
4.2.2 不同污秽度时的试验结果表 6为在相同环境相对湿度(80%)，且1号位置为零值绝缘子的条件下，污秽度不同时的各绝缘子与零值绝缘子在铁脚与下表面连接位置的温升差。
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表 6 不同污秽度时铁脚与下表面连接位置的温升差 Table 6 Temperature rise difference between connecting position of iron foot and lower surface with different degree of filth |
正常绝缘子与零值绝缘子温升差随污秽度增加而增大，虽有个别数据无明显增大，但整体来看依然呈现增大趋势，与仿真结果相同。
4.3 检测方法的验证将不同位置零值、不同环境湿度和不同污秽度下的部分试验结果使用文中检测方法进行验证。将1号与2号绝缘子温升差、2号与3号绝缘子温升差、3号与2号绝缘子温升差分别定义为T12, T23, T32，表达式为：
| $ \left\{ \begin{array}{l} {T_{12}} = {T_1} - {T_2}\\ {T_{23}} = {T_2} - {T_3}\\ {T_{32}} = {T_3} - {T_2} \end{array} \right. $ | (3) |
式中: T1, T2, T3分别为1、2、3号绝缘子的温度。
(1) 盐密0.03 mg/cm2，相对湿度70%，1号绝缘子零值时红外检测结果如图 11所示，T1，T2，T3分别为17.9 ℃，18.7 ℃，18.6 ℃。用文中所提方法对T12，T23，T32进行计算, 此时，可检测出零值绝缘子处于1号位置，同时使用式(2)对相应情况下的检测系数进行计算，其值为0.10，在0.09~0.16之间，因此可对高压端第一片进行检测，判断是否为零值。
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图 11 1号绝缘子零值时的试验数据 Fig. 11 Test results of zero value of No.1 insulator (盐密0.03 mg/cm2，相对湿度70%) (salt density 0.03 mg/cm2, relative humidity 70%) |
(2) 盐密0.03 mg/cm2，相对湿度70%，2号绝缘子零值时检测结果如图 12所示，T1，T2，T3分别为18.4 ℃，17.8 ℃，18.0 ℃, 并对T12, T23, T32进行运算。通过使用红外检测方法，不能检测出处于2号位置的零值绝缘子，同时使用式(2)对相应情况下的检测系数进行计算，其值为0.10，在0.09~0.16之间，不能对除高压端第一片外的其他位置绝缘子进行零值检测，因此未能检测出处于2号位置的零值绝缘子。
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图 12 2号绝缘子零值时的试验数据 Fig. 12 Test results of zero value of No.2 insulator (盐密0.03 mg/cm2，相对湿度70%) (salt density 0.03 mg/cm2, relative humidity 70%) |
(3) 盐密0.10 mg/cm2，相对湿度80%，2号零值绝缘子零值时检测结果如图 13所示，T1，T2，T3分别为20.4 ℃，19.1 ℃，20.1 ℃。用文中所提方法对T12，T23，T32进行运算，可检测出零值绝缘子处于2号位置，同时使用式(2)对相应情况下的检测系数进行计算，其值大于0.32，因此可对全部位置绝缘子进行零值检测。
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图 13 2号绝缘子零值时的试验数据 Fig. 13 Test results of zero value of No.2 insulator (盐密0.10 mg/cm2，相对湿度80%) (salt density 0.10 mg/cm2, relative humidity 80%) |
结合试验数据对零值绝缘子红外检测方法进行了验证，检测结果准确。
5 结论文中建立污秽绝缘子串电-热-流场耦合模型，研究零值绝缘子在串中不同位置、不同环境相对湿度和不同污秽度等多因素影响下，绝缘子串温度分布的差异和规律，提出相应零值绝缘子红外检测方法，并加以验证，结论如下：
(1) 绝缘子串中零值绝缘子与相邻正常绝缘子的温升差较大，绝缘子串在零值位置温升骤降，零值的存在会使绝缘子串在原有无零值时的连续性马鞍型的温度分布遭到改变。
(2) 绝缘子上不同位置的温升与回转中心轴距离有关，离回转中心轴越远，则温升越小，反之越大，最大温升出现在铁脚与下表面连接处。
(3) 随着环境相对湿度和污秽度的增加，绝缘子串的整体温升逐渐增加，零值绝缘子与正常绝缘子温升差逐渐变大，但相邻正常绝缘子间的温升差依然较小，均不大于0.25 ℃。
(4) 环境相对湿度在70%左右时，零值绝缘子与正常绝缘子的温升差才逐渐显现，干燥污秽的情况下绝缘子串整体温升不明显，难以进行红外检测。
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