电场测量法检测绝缘子内缺陷的研究

高 阳，代小敏，曹 宇，张 博，张永辉（沈阳工程学院，沈阳 110136）

电场测量法检测绝缘子内缺陷的研究

高 阳，代小敏，曹 宇，张 博，张永辉
（沈阳工程学院，沈阳 110136）

绝缘子是电力系统中使用量巨大并且十分重要的电力设备。针对目前绝缘子检测方法中存在的操作复杂、检测结果不直观和准确度不高等问题，本论文提出采用电场测量法测量绝缘子的内绝缘缺陷，研究了影响绝缘子带电检测仪灵敏度的因素以及带电工作状态下可能存在的干扰问题，提出了相应的抗干扰措施，能够有效地检测出绝缘子的内绝缘导通性故障信息。

绝缘子；电场测量法；灵敏度；抗干扰

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.228

0　引言

绝缘子的用途是将电位不同的导体在机械上相互连接，而在电气上相互绝缘［1］。常见的绝缘子有陶瓷绝缘子、玻璃钢化绝缘子、合成绝缘子和半导体绝缘子等［2］，合成绝缘子因其优良的机械性能以及优异的憎水性、憎水迁移性和憎水恢复性，而被广泛应用于电力输电线路中。随着合成绝缘子用量及运行时间的增加，合成绝缘子性能逐步下降导致其自身缺陷不断增加。绝缘子缺陷主要分为表面缺陷和内部缺陷［3］。综合国内外研究现状，绝缘子的检测方法分为电量检测法和非电量检测法，非电量检测法的检测成本比较高，且或多或少会受到外界环境因素的影响。电量检测法需要登高测量，危险性高，且污秽而潮湿的合成绝缘子电场分布扭曲严重，难以识别缺陷［4］。从目前的现状来看，国内在这方面的研究还是空白，没有成熟的理论和仪器设备。因此，为了发现合成绝缘子存在的早期缺陷，及时防止因缺陷的发展而造成的事故，开展合成绝缘子内缺陷带电检测技术的研究并开发相应的带电检测装置十分必要和紧迫。

1　电场法的检测原理

高压线路上的合成绝缘子可以简化为夹在两金属电极之间的连续的绝缘材料，绝缘子的伞裙对电场分布几乎没有影响，可以不予考虑［5］。图1给出了一个简化模型，曲线A是根据电磁场理论计算出的电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线。正常情况下该曲线是光滑的，显“U”形。当绝缘子存在导通性缺陷时（见图中黑点），此处的电位变为一常数，由于电场强度是电位沿长度的变化率，因此此处的电场强度将突然降低，作出的电场分布曲线也不再光滑，而是在相应的位置上有畸变（中间下陷，两端上升），见图1中曲线B。由此可见，通过测量合成绝缘子串的轴向电场分布，可以找出绝缘子的内绝缘导通性故障［6-9］。

图1　电场分布曲线

2　灵敏度实验研究

2.1均压环对测量灵敏度的影响

一些合成绝缘子在高压端带有均压环［10-11］。均压环会对绝缘子电场分布特别是对高压端的电场产生影响［12］，使高压端附近电场分布趋于均匀，所以我们对均压环的影响进行了实验探索。

图2是良好绝缘子加均压环后的电压分布曲线与无均压环时的曲线相比，高压端变化趋慢。图3（a），（b），（c）分别是加均压环后绝缘子高压端一片、两片、三片伞被短路后的电压分布曲线。可以看出，曲线高压端的下降幅度与同类缺陷无均压环时相比明显减小，以至一片短路缺陷不能被识别，两片短路缺陷能够识别但不十分明显，三片短路缺陷仍然十分明显。曲线的中部、低压端没有变化，说明均压环对绝缘子中部、低压端缺陷的检测不会产生影响。

图 2 场强曲线

图3　高压端带均压环时的场强曲线

2.2水分和污秽对测量的影响

由于污秽和水分可能增强绝缘子表面泄露电流［13-15］并且造成表面电阻分布不均匀，从而改变绝缘子电场分布，对灵敏度产生影响，所以我们对这些因素的作用进行了实验探索，测量了干燥有污秽、潮湿清洁、潮湿有污秽等情况下绝缘子有、无缺陷时的电场分布。

实验中发现，表面有污秽但干燥的良好绝缘子和清洁但潮湿的良好绝缘子都具有与清洁干燥的良好绝缘子相同的电场分布曲线，即污秽和水分单独不会影响绝缘子电场的分布。例如，图4（a）是绝缘子表面有水分中部第4片、5片、6片伞被短路时电场分布曲线，此曲线与无水分的曲线基本相同。但是，当良好绝缘子即受污又受潮时，曲线具有波动，污秽越严重，波动越大。曲线本身的波动与一些由微小缺陷引起的畸变难以区分。因此在检测潮湿污秽绝缘子时，检测仪的灵敏度会有所下降，而且更需要良好绝缘子的曲线作为参考，如图4（b）（潮湿轻度污秽，中部第3、4、5、6片伞短路）所示。在潮湿轻污秽情况下，此方法仍可以检测出中部短路三片伞裙和高压端短路两片伞裙的导体短路故障，在潮湿重污秽情况下，曲线剧烈波动，无法判断缺陷情况。

图4　绝缘子被短路时的场强曲线

2.3灵敏度分析

综上所述，仅有水分或仅有污秽不会影响检测灵敏度。均压环不影响对中部缺陷的检测灵敏度，均压环会使仪器对高压端缺陷的检测灵敏度下降。水分和污秽同时存在时，判断将受较大影响，污秽越重影响越大，直至无法做出判断。但实际使用时，一般选择良好天气条件。

3　抗干扰措施

电气设备工作时，在接收的信号中，除了接收有用的信号之外，还夹杂着一些无用的信号这种无用且不规则变化的信号—“噪声”［16-19］，为了研究方便，把噪声分为内部噪声和外部噪声两类。外部噪声对电气设备的干扰几乎都是通过以下两种方式藕合实现的。

传导藕合：噪声通过导线（电源线、信号线等）直接进入电气设备，从而对电气电路形成传导祸合干扰。其干扰模式一般为常模干扰和共模干扰［20］。

空间藕合：空间藕合是噪声通过“场”的祸合形式干扰电气设备的。一种是“辐射藕合”，它是高频电磁场产生的电磁波在空间传播，从而对电气设备形成干扰。另一种是“感应藕合”，它可分为“电场祸合”和“磁场祸合”［21-22］。

3.1传导藕合干扰的抑制

对信号线上干扰的抑制前端机要正常工作，首先应正确无误地检测到被测信号。若信号受到严重干扰，导致信号难以辨识，尤其对比较微弱的泄漏电流信号。在一些干扰严重的场合，泄漏电流信号甚至会被淹没于干扰之中［23］。本系统漏电流、温度、湿度都是mV级，是弱信号，为了获得真实信号，采取如下措施：首先是提高信号幅值，从抑制传输干扰的角度看，提高信号幅值是一种简单而有效的方法。提高信号幅值就提高了“信噪比”，因而增强了信号在传输过程中的抗千扰能力。便于使用滤波器滤除噪声信号。为此前端机硬件上人为地将信号进行前期放大。

3.2空间藕合干扰的抑制

空间藕合主要是通过“场”的藕合形式对前端机形成干扰，因此抑制干扰的措施应放在对“场”的隔离上，场的隔离采用屏蔽的方法。屏蔽的实质是通过屏蔽物体对外来的电磁干扰进行吸收或反射以防止噪声侵害电气设备［24］。用导电性能良好的金属导体制成的屏蔽体适用于电场的屏蔽，用高导磁材料制成的屏蔽体适用于磁场屏蔽［25］。

为了防止“干扰噪声”通过空间藕合方式侵入信号线而进入前端机，在干扰比较强的高压线旁边，传输线必须选用双绞屏蔽线［26］。屏蔽层采用一点接地的方式，采用双绞屏蔽线是因为双绞线相互绞合，在导线上会产生相反的电动势，因此对外部干扰磁通的抑制较强。特别对低频信号的传输，双绞屏蔽线的屏蔽效果比较好。

4　总结

本文研究了电场测量法检测绝缘子的内缺陷故障，能够检测出合成绝缘子内绝缘的大多数故障，对能够产生短路危险的、损坏严重的绝缘子具有较高的灵敏度。通过实验研究了水分、污秽和均压环对检测仪灵敏度的影响规律，提出了提高信号幅值和采用双绞线屏蔽“场”的抗干扰措施来抑制外部信号对电气设备的干扰，能够有效提高检测仪的工作质量。基于电场测量的绝缘子缺陷带电检测仪操作简单，灵敏度高，具有广阔的应用前景。

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