基于红外测温的劣质绝缘子在线检测技术研究

谢冰

(云南电网公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100)

基于红外测温的劣质绝缘子在线检测技术研究

谢冰

(云南电网公司玉溪供电局，云南 玉溪 653100)

分析了绝缘子发热机理和红外测温技术的原理，进行劣质绝缘子的检测与排查技术研究，介绍利用高精度红外测温技术实现对串中零值绝缘子和污秽绝缘子快速甄别的方法。

红外测温；试验研究；污秽绝缘子；劣质绝缘子

0 前言

绝缘子是电网中尤其是输电线路的主要绝缘部件，是保障电气性能的重要部件。其质量主要取决于电气绝缘性能和力学性能。由于绝缘子长期运行于强电场、高温日照、机械应力、湿度、污秽物等环境下，当其劣化达到一定程度时，其绝缘性能就会降低。特别在高压输电线路上，绝缘子的劣化直接威胁着电力系统的安全运行。如果绝缘子串中存在零值，相当于有部分绝缘被短路，相应的也减少了绝缘子串的整体爬电距离，因而增加了该串绝缘子的闪络概率。一旦发生闪络，零值绝缘子的钢帽经常会炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的掉串和电力线路的导线落地等严重事故。

目前劣质绝缘子的检测方法有绝缘电阻测定法、分布电压测定法、脉冲电流法、电场法、超声波测量法、紫外电晕检测法等[1-3]。但这些方法具有如劳动强度大，检测精度低、易受电磁干扰、安全隐患大、检测成本高等缺点，并且缺少对设备外绝缘性能实时信息的获取，不能做到及时准确地判断，因此亟需一种安全准确、经济高效的零值绝缘子检测方法，以实现输电线路由定期检修到状态检修的转变。

红外热像测温技术具有不接触、不停运、不取样、检测速度快的优点，已被证明是电力设备预知性故障诊断的重要手段之一。绝缘子的红外检测是在其工作状态下通过红外测温仪检测绝缘子获取绝缘子的运行状态和故障信息，在整个检测过程中，始终不需要与绝缘子直接接触，可以安全高效检测到绝缘子在运行状态下的真实状态信息[4-8]。但由于受到环境温湿度、光照、风速等因素的影响，利用红外热像技术对绝缘子串进行现场检测的效果并不明显，该技术在绝缘子检测方面的广泛应用仍有待于红外热成像设备分辨率的进一步提高。对劣化绝缘子发热机理进行了分析，通过试验室模拟试验通过红外测温技术分别对污秽绝缘子和零值绝缘子进行了快速检测辨别以验证其有效性和实用性。

1 检测原理

1.1 绝缘子分布电压分析

由于绝缘子的钢脚、钢帽等金具部分、接地的杆塔和带电的输电线路三者之间都存在杂散电容，使得绝缘子串的电压分布不均匀，随着绝缘子串长度增加，电压分布不均的现象将更为显著。一般情况下，线路中正常的绝缘子串中绝缘子本身电容C约为40～60 pF，绝缘子对杆塔的杂散电容CE约为4～5 pF，而绝缘子对导线的杂散电容CL为0.5～1 pF，因此CE的影响比CL大，即绝缘子串中电压分配不均，靠近导线的绝缘子承担的电压降较大，靠近杆塔的绝缘子承担的电压降较小，整串绝缘子的电压分布呈不对称的马鞍形[6]。绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压如图1所示。

图1 绝缘子串中各绝缘子承受的电压

1.2 绝缘子发热机理

绝缘子的发热由三部分组成：一是在交变电场作用下，电介质的极化效应引起的发热，其发热功率可表示为：

式中，Ud为绝缘子的分布电压 (V)；ω为角频率；C0为绝缘子的极间电容 (约40～60 pF)；tanδ为绝缘子介质损耗角的正切值。二是内部穿透性泄漏电流所引起的发热，其发热功率可表示为：

式中，Ud为绝缘子的分布电压 (V)，Ip为贯穿绝缘子的泄漏电流 (A)，Rp是绝缘子劣化后穿透性泄露电损耗的等值电阻。三是由于绝缘子表面污秽，表面爬电泄漏电流所引起的发热，其发热功率可表示为：

式中，Ud为绝缘子的分布电压 (V)，Ic为绝缘子爬电泄漏电流 (A)，Rc是绝缘子表面污秽层漏电损耗的等值电阻。

由于绝缘子串的电压分布呈不对称的马鞍形，靠近导线的绝缘子的分布电压相对较高，中间绝缘子承受的电压则低一些，而靠近横担分布电压又有所回升。绝缘子的发热功率与分布电压的平方成正比，正常绝缘子串的热像分布规律同电压分布规律相对应，即呈不对称的马鞍形。

图2是绝缘子的并联等效电路，C0为极间电容，一般约为40～60 pF，对应工频电压下的容抗约为79.6～53.1 MΩ；Rm为介质极化损耗等效电阻；Rp为内部穿透性泄漏电流损耗等效电阻，其大小取决于绝缘子内部劣化情况，对于正常绝缘子其值为无穷大；Rc为表面泄漏电流损耗等效电阻，其值与绝缘子表面清洁程度和气象条件有关，正常情况下认为趋于无穷大。

图2 绝缘子等效电路

这样，绝缘子的等效电阻满足：

绝缘子总发热功率为：

式 (5)中，XD为等效容抗，显然P与RE呈非线性关系。另外，发热功率还与分布电压Ud的平方成正比。因此，若零值绝缘子出现在不同位置，产生发热功率也不同。

用求函数极值的方法求出它的最大发热时的电阻值：

由此可知，劣化绝缘子的发热功率只有一个极大值，即当绝缘子的绝缘电阻降低到等效容抗XD值时，绝缘子的发热功率最大，称这个电阻值为最大发热电阻，它的数值决定于绝缘子的极间电容值C0和绝缘子串的片数。

对于一个正常绝缘子来说，Rp和Rc均明显大于Rm，故RE≈Rm，故此时的发热功率：P=U2dωC0tanδ，其值很小，与分布电压的平方成正比。当绝缘子发生劣化时，Rp值开始变小，当小于300 MΩ时，RE≈Rp，此时发热功率集中在钢帽内部，钢帽温度明显升高。当Rp继续下降且明显小于XD时，尽管流过Rp的电流随Rp的下降而增大，但其发热功率呈下降趋势。当Rp降至5 MΩ以下时，发热功率小于正常值，理论上零值绝缘子的发热功率接近于零。相同电压下，积污越严重，绝缘子发热量就越大。

1.3 红外热像技术

红外热像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，产生的电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分，从而在显示器获得红外热像图，热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像技术就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像的上面的不同灰度 (颜色或亮度等)代表被测物体的不同温度。

通过检测被测绝缘子串的温度场分布情况，以判断绝缘子的良好状况。红外热成像技术具有如下优点：非接触遥感检测，不用接触被测绝缘子串，可以安全直观的找到发热点；二维画面，可以体现被测范围所有点的温度情况，具有直观性。还可比较处于同一区域的物体的温度，查看两点间的温差等；实时快速扫描静止或者移动目标，可以实时传输到电脑进行分析监控。

盘形悬式绝缘子属于电压致热型设备，因此良好绝缘子与劣质绝缘子之间的温差不是很大[4]。但目前最先进的红外热像仪的温度灵敏可达0.05摄氏度，因此仍然可以用红外热成像技术来实现劣质绝缘子的检测。

零值绝缘子是指绝缘子绝缘特性完全丧失，即绝缘电阻为零或极低。理论上在整个绝缘子串中，零值绝缘子是不会发热的，其温度与环境温度一致，因此通过红外热像技术的特征图谱判别法可快速检测出绝缘子串中的零值绝缘子。

2 模拟试验与结果分析

2.1 试验方法

对四串盘形悬式陶瓷绝缘子串在高压试验大厅进行试验，共四串绝缘子串，每串从上至下分别标记为第1到8片，试验电压为65 kV，上端为高压端。

首先对绝缘子串含有一个零值绝缘子的情况进行加压带电试验，第一串绝缘子串中第四片绝缘子被短接，为零值绝缘子，第二串绝缘子串中第六片绝缘子为零值绝缘子，第四串绝缘子串中第二片绝缘子为零值绝缘子。上电工作20分钟后每隔10分钟利用红外热像仪得到零值绝缘子在不同位置时红外图谱进行对比分析；然后对污秽绝缘子串与清洁绝缘子串进行试验，四串分别依次为污秽串、清洁串、清洁串、污秽串，污秽是由硅藻土和氯化钠组成的混合物。人工涂刷第一和第四串绝缘子串各绝缘子，各绝缘子等值附盐密度均为0.15 mg/cm2。同样加压20分钟后每隔10分用红外热像仪得到污秽串和清洁串的红外图谱进行对比分析。通过以上两组试验以验证红外测温技术在污秽绝缘子和零值绝缘子检测中的效果。

2.2 试验结果分析

图3(a)(b) (c)分别为第2、4、6片为零值绝缘子的绝缘子串的红外热像图与其对应温度曲线图。

零值绝缘子的位置对红外检测有一定的影响。当零值绝缘子处于高压端时，零值与相邻正常绝缘子平均温差最大；零值绝缘子处于绝缘子串中部时，相对温差最小；处于低压端时，温差介于高压端与中部之间。因此，高压端的零值绝缘子易于红成像法检测，低压端次之，中部最低。

图3 第2、4、6分别为零值绝缘子时的红外图谱和对应温度曲线

图4(a)、(b)分别为污秽绝缘子串与清洁绝缘子串的红外热像图与其对应温度曲线图，两边的绝缘子串为污秽串，中间的为清洁串。通过对比，图4(a)的温度曲线图突变较多，绝缘子串间温差差异较显著。污秽绝缘子的发热比正常绝缘子要大，因此，与正常清洁绝缘子相比，污秽绝缘子其热像表征图像会有明显的突变发生，可通过精度较高的红外热像仪对不同污秽程度的绝缘子红外图像进行辨别。此外，靠近两端的两片绝缘子发热较大，主要是由于该处绝缘子承受的电压较高。

图4 污秽串与清洁串红外图谱和对应温度曲线

2.3 试验结论

对劣质绝缘子的发热机理进行了探讨分析，通过基于红外测温的污秽和零值绝缘子快速检测试验室模拟试验，得到如下结论：

1)污秽绝缘子的发热较正常绝缘子要大，而零值绝缘子理论上发热功率很低或为零，其温度与环境温度接近，污秽绝缘子和零值绝缘子与相邻正常绝缘子温度变化大，故当绝缘子有严重污秽和零值绝缘子存在时，其热像表征图像会有明显的突变发生；

2)当零值绝缘子位于串中靠近高压端时，其热像图像显示零值绝缘子与相邻正常绝缘子平均温差最大，位于中部时与相邻正常绝缘子平均温差最小，位于低压端时为高压端和中部之间；

3)基于红外测温技术可利用精度较高的红外热像仪对不同污秽程度的绝缘子进行辨别；高压端的零值绝缘子易于红外测温技术检测，低压端次之，中部较难。

3 结束语

通过试验验证红外热成像测温技术在零值和污秽绝缘子检测中的有效性，红外测温技术进行绝缘子带电检测，该方法通过遥测绝缘子串温度分布来检测零值和污秽绝缘子，不需要人工爬塔进行检测，具有工作量小、工作效率高、检测速度快等优点。

[1] 黄军凯，曾华荣，杨佳鹏，等.红外热像技术在低零值绝缘子检测中的应用 [J].电磁避雷器，2013(2)：40 -44.

[2] 陈金法.基于红外热像技术的绝缘子状态检测与诊断 [J] .电工电气，2011(12)：42-47.

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[7] 周文涛，李东利，罗开信.红外检测技术应用研究 [J].天津电力技术，2011(2)：20-24.

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Research on Online Detection of Inferior Insulator Based on Infrared Temperature Measurement

XIE Bing
(Yunnan Yuxi Power Supply Bureau，Yuxi，Yunnan 653100)

This paper analysised the principle of which heating mechanism of insulator and infrared temperature measurement technology，and certain research on detection and diagnose of inferior insulator has been applied.

infrared temperature measurement；test；polluted insulators；inferior insulator

TM80

B

1006-7345(2014)04-0116-05

2014-04-04

谢冰 (1978)，男，工程师，云南电网公司玉溪供电局。