国内外绝缘子在线检测方法的研究

李波 黄嫄

（杭州市电力局，杭州 310016）

绝缘子在电力系统的绝缘方面占有非常重要的地位，并且其数量也相当大，为保证电力系统安全、经济、稳定运行，绝缘子的在线检测技术一直以来都很受人们重视。按绝缘子材料分，可以将其分为三类，即瓷绝缘子、玻璃绝缘子和合成绝缘子。各种各类运行在输电线上以及变电站中的悬式绝缘子都长时间暴露在空气中，并且经受雨水、污秽、冰和雪的侵袭。因此，它们在雷击过电压和操作过电压下很容易发生污闪。

除了雷害之外，由污秽引起的污闪是另外一个主要引起故障的原因。但是，对于电力系统的运行来说，由污秽引起的绝缘子的污闪危害更大，造成的损失更加严重。因此，几乎世界各个地方的电力系统都发生过污闪并造成过巨大的经济损失。据统计，近年来绝缘污闪事故仅次于雷击，数量上居电网事故的第二位，而损失却是雷击事故的十倍[1]。

绝缘子的在线检测方法按其原理分可分为电量法和非电量法；按其检测方式可以分为接触式和非接触式；按自动化程度又可以分为远程在线检测法和非远程检测法。本文将着重介绍绝缘子的在线检测方法，并按电量与非电量法分类。与此同时，还介绍了两种离线适用的检测方法。

1 非电量检测方法

1.1 直接观察法

此法是用望远镜在塔下观察绝缘子，观察其伞裙及芯棒有无异常，例如伞裙表面的粗糙程度，有无明显的受侵蚀的痕迹，有无明显的裂痕。此方法设备简单，易于操作，在目前的线路检修中仍然在使用，但是直接观察法只能通过外部观察并凭借操作人员的经验判断绝缘子的好坏，误差较大，并且对绝缘子的内绝缘性能无法检测，仅作为辅助检测方法。

1.2 紫外成像法

绝缘子在局部放电过程中会放出紫外线，紫外成像法可检测到绝缘子因局部放电而形成的碳化通道和蚀损，并能检测到绝缘子的金具和均压环的电晕放电信息。文献[2]中给出了在实验室环境下利用紫外成像仪拍摄的画面，如图1所示。图中圆圈内的亮点即为绝缘子缺陷的位置。

图1 紫外成像仪所拍摄的绝缘子图像

目前，已经出现了可以白天使用的紫外成像仪[3]，但是紫外成像法均需要在局部放电发生时使用，且此时环境温度较高（往往局部放电在阴天甚至是雨天发生），这对检测带来相当大的难度。此外，紫外成像仪也较昂贵，不利于绝缘子在线检测的普及。

1.3 红外成像法

红外成像法是一种实用、便捷的现场在线检测方法，它利用导线、接头、套管以及绝缘子因泄漏电流或者内绝缘缺陷而引起的局部过热现象来检测绝缘子的性能。目前已出现了可以白天使用的高档红外热成像测温仪。在局部温度高于主体温度情况下，红外测温仪可准确的测量局部温度以判断绝缘子的损伤程度。这些局部过热的部位多表现为发黑、粉化、变脆、变硬甚至严重丧失憎水性。文献[4]中运用红外成像法对合成绝缘子进行检测，不良绝缘子的检测成功率较高。文献[5]中同样给出了用AGEM A 570 红外热成像测温仪对广东佛山局的3条 220/kV线路上的合成绝缘子进行检测，发现 9只合成绝缘子的热像图异常，如图2所示。并且发现发热点多集中在高压侧以及发热点至高压端一段不能承受工频耐压试验或者陡波冲击试验。但是，红外成像法对早期绝缘缺陷缺乏有效的检测，并且在绝缘子已大面积绝缘损伤时定位不准确，同时易受日光、风和环境温度和湿度的影响。

图2 利用红外测温仪拍摄的缺陷绝缘子热像图

1.4 超声检测法

超声波从一种介质进入另一种介质时，在两介质交界面上会发生反射、折射和模式变换，利用这一原理，如果绝缘子有裂纹，就可在超声波图像上观察到裂纹的反射波。文献[6]对超声检测法作了探索性研究，提出了通过界面波的高度来判断绝缘子的绝缘性能的好坏。文献[7]运用模拟裂纹试验分析了超声检测法对裂纹检测的有效性。图3为槽深1.2mm的裂纹超声检测图，其中R为沟槽处的反射波。

图3 槽深1.2mm时的超声波反射波形

超声检测法对机械缺陷检测相当有效，且操作简单，抗干扰能力强。但是此法因其耦合和衰减及超声波换能器性能问题还不适合现场检测，目前只广泛用于企业生产在线检测和实验室检定。

1.5 等值盐密法（ESDD）

目前全世界很多的国家和地区的标准都采用等值盐密法来划分绝缘子污秽等级。其基本原理是用一定量的蒸馏水将绝缘子表面的污秽全部洗下，并测量溶液的电导率，根据 NaCl的温度和浓度曲线将原溶液等效为NaCl溶液的数量，则等效的NaCl的质量除以绝缘子的表面积就得到了等值盐密度（Equivalent Salt Deposit Density，ESDD），用mg/cm2为单位来表示[8]。等值盐密法因其直观易懂，对人员和测量设备要求不是很高，在国内从20世纪70年代开始已普遍使用。我国国家标准 GB/T 16434-1996推荐了高压架空线路和发电厂和变电所外绝缘污秽等级和对应的盐密值，如表1所示[9]。

表1 高压线路和发电厂、变电所污秽等级

另一方面，等值盐密法在操作时消耗时间太长，也不适合绝缘子的在线检测，并且得出的结论仅仅是绝缘子整体污秽的平均水平，不能真实反映绝缘子的绝缘性能。所以此法多用做绝缘子的污秽等级的评定，或者从整体上对一个地区的污秽等级的评定，这也可以为该地区绝缘子的选型提供参考。

2 电量检测法

2.1 陡波试验

在这里介绍陡波试验主要因为此法在绝缘子的绝缘性能以及耐压性能检测效果较为明显。IEC也推荐将复合绝缘子的陡波试验列为抽查试验项目[10]。

陡波试验是在陡度大于等于1000kV/μs冲击电压的作用下对绝缘子进行绝缘缺陷的检验。如果在生产过程中绝缘子特别是复合绝缘子的粘接界面留有缝隙的话，那么这样的绝缘子在陡波试验中极有可能发生击穿。文献[10]在对陡波试验进行多方面的研究之后得出结论整体模压工艺比套装结构工艺的复合绝缘子耐陡波冲击性能有明显提高。此种方法较适合复合绝缘子在出厂前的检验，以剔除有缺陷绝缘子，防止隐患。但是陡波试验需要陡波冲击电压的发生器，目前此设备很多绝缘子生产厂家还不具备该条件。文献[10]中也提出了一种利用雷电冲击电压发生器改造产生的陡波冲击电压的方法，供参考。

1）电势测量法

电势测量法是很简单的一种检测法，它利用短路叉跨接在一串绝缘子中一片绝缘子的两端，然后听声音，若这片绝缘子两端存在电压，则可听到放电的声音。若该片绝缘子为零值，绝缘子则不会发出放电的声音。此方法国外已有经过改进的专利产品，在过去相当一段时期内针对瓷绝缘子应用较广泛，但是其操作危险性较高，受到影响的因素也较多，所以目前已很少使用[11]。

2）电阻法

早期的电阻测量法是利用高阻计对绝缘子作离线检测，比较适合于绝缘子的出厂或安装前的检定。1981年 C.W.Levine获得一项专利[12]，其产品可真正用于绝缘子的在线电阻测量，绝缘子的电阻值可直接从其测量单元读取，直观、方便，但是电阻法仅适用于低压线路，对于高压、超高压线路的长绝缘子串操作也十分不方便。

3）电场法

一串正常的绝缘子外围的电场分布应是均匀的，其等势线如图4所示[11]，从高压侧到低压侧等势线逐渐降低，所有的等势线构成一梨形。任何情况下电场线总是垂直于等势线的，于是在正常绝缘子串中，因等势线是梨形的，也就是说等势线并不同绝缘子串的轴线平行，所以电场线（图4中En）也不垂直于绝缘串的轴线。但是如果绝缘子串中存在缺陷绝缘子甚至是零值绝缘子，则该绝缘子两端的电压接近相等或者相等，此时绝缘子串的等势线（图4中的虚线）就近似平行或者平行于绝缘子串的轴线，相应的此处的电场线（图4中的Ed）也将接近垂直或者垂直于绝缘子串的轴线。所以通过检测绝缘子串的电场就可以得知绝缘子的绝缘性能，特别对零值绝缘子很有效。

图4 高压线路上绝缘子周围的等势线分布

此外，绝缘子串可以被看作是夹在高压侧电极与低压侧电极之间的连续绝缘材料，对于正常绝缘子串的电场分布应为均匀，若有绝缘缺陷存在，则电场会有突变，如图5所示[13]。图中的黑点处即为绝缘子缺陷的位置，从图中可以看出该处的电场分布已发生突变。文献[11]中也给出了测量绝缘子串电场分布的装置，如图6所示。

图5 高压线路绝缘子串周围的电场分布

图6 用于测量绝缘子串电场分布的装置

电场法可直接反映绝缘子的绝缘状况，受到干扰、影响较小，操作简单，但对某些不影响电场分布的绝缘损伤灵敏度不高，并且此法需登高操作，十分不方便，也增加了操作人员的劳动强度。虽然过去很长一段时间电场法曾得到广泛应用，但在目前条件下电场法使用较少。

4）泄漏电流法

绝缘子串的泄漏电流与其表面的状况密切相关[14]，所以可通过对泄漏电流的测量与分析来监测绝缘子的绝缘性能。目前已成功研制出适合用于检测泄漏电流的传感器[15]，并利用现代计算机信息技术，比如模糊理论，人工神经元网络以及专家系统再加入天气状况（如：温度、湿度、风速、风向等）和运行年限等因素对绝缘子进行综合评定，国外在这方面起步较早。主要是根据泄漏电流的峰值和在一定范围内的电流极值的个数建立与绝缘子性能的关系，从而判断绝缘子的运行状况。例如，对于400kV的线路来说，可分别统计极值在50～150mA、150～250mA、250～350mA、350～450mA和大于450mA范围内的的泄漏极值个数[16]。文献[16-18]在这方面从硬件到软件均作了相当的探索，有的也在实际中得到了应用。文献[16]中给出了泄漏的波形如图 7所示。但是泄漏电流的检测需要在每串绝缘子串上安装相应的设备，成本较高，且泄漏电流还受很多的因素影响，与此同时这种方法在判断出绝缘子存在绝缘缺陷之后留给检修人员的时间相当有限，不利于绝缘子检修工作的开展。

图7 泄漏电流波形

5）脉冲电流法

脉冲电流法的原理是：因为存在劣质绝缘子的绝缘子串，并由于劣化绝缘子电阻很低，它在绝缘子串中承受的电压很小，于是其他正常绝缘子在绝缘子串中承担的电压会明显增大，而回路总阻抗减小，绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流必将变大，根据线路上存在劣质绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过信号处理达到在低压端检出不良绝缘子的目的[19]。

文献[20-21]中对脉冲电流法检测绝缘子作了一定的研究工作，并给出了不同阻值的不良绝缘子在绝缘子串中的脉冲图（如图8所示），以及相同阻值的不良绝缘子在绝缘子串中不同位置的脉冲图（如图9所示）。

图8 一片不良绝缘子在绝缘子串中的脉冲电流

图9 不良绝缘子在绝缘子串中不同位置的脉冲电流

2.2 四个因素

由此进一步得出了影响脉冲电流法检测不良绝缘子分辨率的四个因素：

（1）不良绝缘子的阻值越低，检测分辨率越高。

（2）不良绝缘子在串中的位置越靠近导线侧，检测的分辨率越高。

（3）绝缘子串的片数越少，检测的分辨率越高。

（4）正常绝缘子的电晕起始电压越低，检测分辨率越高[20]。

目前，国内外均在进一步探索利用脉冲电流法检测绝缘子的性能以及运用相关的信息融合技术，该技术会逐渐成熟起来。无论是便携式产品还是遥测系统均可运用脉冲电流法。脉冲电流法在绝缘子的在线检测方面在未来的一段时间内将是热点和重点。

3 结论

虽然目前在实际中运用的绝缘子检测方法主要是红外成像法、泄漏电流法以及辅助方法直接观察法，但是脉冲电流在国内外的研究中已处于前沿地位，技术会不断完善，并且相应的产品也会很快投入运行。随着人工神经元网络和模糊理论在绝缘子在线检测中的不断运用以及数据采集技术和信息技术的日益成熟，在智能化理论基础上的、以数据分析为主的计算机辅助检测、监控和诊断技术将有长足的发展[21]。

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