悬式瓷质绝缘子零值缺陷的综合诊断分析

2019-01-07张宝栋邵明燕李晓磊王京琼

山东电力技术 2018年12期

张宝栋，邵明燕，李晓磊，刘宝，王京琼

（国网山东省电力公司济南供电公司，山东济南 250012）

0 引言

绝缘子是电力系统的重要组成部分，其中瓷质绝缘子在输变电设备尤其是110～220 kV线路中应用非常广泛。瓷质绝缘子由钢帽、瓷件和钢脚3部分组成，瓷件作为其主要绝缘材料，在运行过程中长期受到强电场、机械应力、冷热交替以及各种复杂工况的冲击，极易发生污秽闪络、泥胶膨胀破坏、电热老化击穿和本身锈迹爬电等现象，导致绝缘子绝缘劣化，形成零值或低值绝缘子［1-3］。当含有零值或低值绝缘子的绝缘子串发生闪络、遭到雷电或操作过电压冲击时，零值或低值绝缘子的瓷件内部会形成导电通道，电流通过时产生的热量将引起瓷件热膨胀，从而导致钢帽炸裂、绝缘子掉串等一系列问题，这将对电网和电力设备产生严重的危害。为掌握绝缘子的运行实况，将开展设备的状态检修工作提上日程，而不停电、高效率的检测方法将是未来绝缘子检测的主要发展方向。

1 瓷质绝缘子检测方法介绍

目前，瓷质绝缘子的检测方法主要有短路叉法、电压分布法、超声波法、紫外成像法和红外热像法等［4-7］。短路叉法是目前现场应用最广泛的检测方法之一，该方法通过短路叉将绝缘子片钢帽和钢脚短接，根据短路叉尾端放电间隙是否产生放电来判断绝缘子的运行状况，该方法操作简单，能够有效地检测出低值及零值绝缘子，但是检测效率低、安全性差，容易造成漏检或误检。电压分布法是使用绝缘子串电压分析仪对停电绝缘子串的电压分布进行测量，通过分析各个绝缘子承受的电压大小来判断，该方法测试准确，能够灵敏地检测到低值及零值绝缘子，但该方法需要申请停电检修，在检测时需要登杆作业，局限性较大。超声波检测法是通过检测绝缘子表面局部放电时产生的超声波信号来判定是否有零值绝缘子的存在，该方法操作简便，但是在现场应用时容易受到周围设备噪声影响，准确率低。紫外成像法是利用成像仪接收放电时产生的微弱紫外线光子实现确定零值绝缘子位置的目的，此法不易受到外界干扰，但紫外成像法只能检测到较强的放电，低值绝缘子漏检现象较严重［7］。红外热像法是利用红外热像仪检测被测设备辐射出的红外能量，从而检测出被测设备的温度值，通过对比分析设备正常运行状况下的发热规律与故障状况下的典型图谱，得出是否存在低值或零值绝缘子的结论，红外热像法检测绝缘子运行状况具有非接触、安全距离大、不停电、测试效率高等优点，但存在易受环境影响、测试时需要避开各种热源干扰的缺点［8-13］。

根据以上分析，利用红外热像法对绝缘子串进行状态检测，一方面能够及时发现运行中的劣化绝缘子，合理安排检修计划，避免事故发生；另一方面通过定期对输变电设备展开红外测试，分析各绝缘子串的运行状态，监测其发展趋势，可将故障扼杀在早期的萌芽状态。

2 红外热像法检测原理

绝缘子正常运行时通过的电流主要由电解质在工频电压作用下的极化电流、表面爬电泄漏电流和内部穿透性泄漏电流3部分组成。运行状况良好时主要是电解质在工频电压作用下的极化电流，当绝缘子表面出现裂纹、积污以及内部老化时表面爬电泄漏电流或者内部穿透性泄漏电流就会增大，且劣化现象越严重电流增大越多，此时将导致绝缘子温度升高。红外热像法正是利用良好绝缘子和劣化绝缘子之间温升的不同，通过同相或相间绝缘子之间红外图谱的比较，检测出劣化的绝缘子。

运行良好的绝缘子串温度分布曲线表现为一种不对称的马鞍形［14］，如图1所示，但当存在劣化绝缘子时，温度分布曲线中会出现温度升高的某点，表现为不正常的突变，利用这些特征即可对劣化绝缘子进行识别和定位。

由于正常绝缘子与劣化绝缘子运行时温度差别很小，为保证检测的准确性，应采用精确检测法。

图1 正常绝缘子串温度分布曲线

3 红外热像法检测绝缘子的应用

采用红外精确检测法对220 kV变电站瓷质绝缘子展开缺陷排查工作，通过对红外图片进行分析发现了两起瓷质绝缘温度异常缺陷。

3.1 主变压器进线瓷质绝缘子温度异常缺陷

甲变电站间隔绝缘子为xp-7型户外用防污绝缘子，每串16片，投运年限较长，位于e级污秽区，运行环境恶劣，污染十分严重。测量环境为无风干燥的夜间，环境温度5℃，测量中发现2号主变压器进线220 kV侧B相和C相瓷质绝缘子温度异常，B相第1片、第4片绝缘子和C相第1片绝缘子均呈现出较相邻绝缘子片温度升高现象，如图2和图3所示。

图2 220 kV 2号主变压器进线侧B相红外图谱

图3 220 kV 2号主变压器进线侧C相红外图谱

从图2、图3中可以看出绝缘子串以钢帽为中心到瓷件边缘温度逐渐减小，整体温度十分接近，但B相第1片和第4片绝缘子、C相第1片绝缘子钢帽温度明显升高。这是由于内部穿透性泄漏电流产生较大的热效应，大量的热量通过钢帽向外传导，体现在红外色谱上即较正常绝缘子呈现出较亮的颜色。

利用红外分析软件将所测红外图谱中绝缘子串中心轴向温度导出，并绘制成温度分布曲线，得到绝缘子串中心轴向温度分布曲线如图4所示。

图4 三相绝缘子串温度分布

从图4中可以看出三相绝缘子串温度整体上呈现为一条锯齿状的曲线，A相绝缘子串温度分布均呈不对称的马鞍形，相邻两片绝缘子串的温度差异很小。B相与C相温度曲线虽然呈现出锯齿状曲线，但是B相第1片绝缘子温度比第2片绝缘子温度高1.5℃，第4片绝缘子温度比第3片绝缘子温度高0.7℃左右，C相第1片绝缘子温度比第2片绝缘子温度高0.6℃，明显不符合正常绝缘子串相邻两片绝缘子温度分布规律。根据DL／T 664—2016《带电设备红外诊断技术应用规范》可初步判定：B相第1片绝缘子为低值绝缘子：B相第4片及C相第1片绝缘子由于温差没有达到标准中规定的大于1℃的要求，不属于低值绝缘子。从三相绝缘子串总体温度分布曲线可以看出，由于劣化绝缘子的存在导致B和C相绝缘子串整体温度升高，尤其是高压端温度抬升现象明显，这是由于劣化绝缘子绝缘电阻大幅下降致使泄漏电流增大的缘故。

3.2 韩锦线瓷质绝缘子温度异常缺陷

220 kV韩锦线1号杆为耐张杆，绝缘子串长期承受较高的机械应力，绝缘子为瓷质户外防污型绝缘子，每串16片，位于e级污秽区，防污闪措施为涂防污闪材料。测试环境为日落2h后，温度为零度，测量中发现C相绝缘子串温度分布异常，红外图谱及绝缘子串中心轴向温度分布曲线如图5和图6所示。

图5 锦韩线C相绝缘子红外图谱

图6 三相绝缘子串温度分布

从图5中可以看出韩锦线C相高压侧第3片绝缘子亮度明显高于第2片及第4片绝缘子，图6中可以看出三相绝缘子温度分布曲线中A和B相绝缘子温度曲线基本一致，C相第3片绝缘子最高温度为7℃，较第4片绝缘子（6℃）的温升为1℃，根据DL／T 664—2016《带电设备红外诊断技术应用规范》可初步判断出第3片为低值绝缘子。总体上看，含有劣化绝缘子的绝缘子串整体温度会升高，高压端升高明显，低压端温差略有降低。

4 实验室验证

及时安排停电计划，对红外热像检测方法确定的异常绝缘子串进行更换，对更换下的瓷质绝缘子进行外观检查、绝缘电阻测量、短路叉法测量、直流泄漏电流及交流耐压试验等实验室检查项目测试，确定各绝缘子的运行状态，对红外热像检测结果进行验证。

4.1 外观检查

对更换下来的绝缘子外观进行检查，如图7所示，更换下来的绝缘子串受环境影响表面脏污比较严重，在主变压器进线侧B相第1片和第4片绝缘子钢帽、C相第1片瓷件和钢脚连接处，锦韩线C相第3片绝缘子瓷件和钢脚连接处发现有放电烧蚀痕迹。

图7 外观检查

4.2 绝缘电阻测试

对更换下来的绝缘子逐片进行绝缘电阻测试，测试结果如表1所示，其中A1、B1、C1表示甲变电站2号主变压器进线间隔三相绝缘子串，A2、B2、C2表示韩锦线间隔三相绝缘子串。

表1 绝缘子绝缘电阻测试数据 MΩ

根据DL／T 664—2016《带电设备红外诊断技术应用规范》规定：绝缘电阻值在10～300 MΩ的瓷质绝缘子为低值绝缘子。从表1中可以看出B1第4片绝缘子为200 MΩ，C2第3片绝缘子为130 MΩ，这两片绝缘子为低值绝缘子。试验结果与红外热像检测所得结论不是十分吻合。该试验证明红外热像法可以有效地检测到劣化绝缘子的状态，但是所依据的1K的判据在判断低值绝缘子的过程中并不是十分的精确。

4.3 短路叉法测试

利用短路叉法对绝缘子进行检测是目前绝缘子检零工作中应用最为广泛的方法，在实验室中模拟现场的实际运行环境并使用短路叉进行检测。检测过程中正常绝缘子产生明显的火花放电现象，对于低值绝缘子即B1第4片和C2第3片绝缘子没有明显的放电现象，可以看出短路叉法可以检测出低值绝缘子，检测过程中对于已经劣化但未达到低值绝缘子水平的B1第1片和C1第1片检测效果不明显，进而无法对其运行状态做出正确的判断。将红外热像法分析结果与短路叉法测试结果均与绝缘子串实际绝缘电阻测试试验结果对比，可以得出短路叉法检测效果较红外热像法检测效果更准确，但对于已经劣化但未达到低值绝缘子水平的绝缘子不灵敏。

4.4 绝缘子泄漏电流测试

为更好地掌握绝缘子的状况，将5 kV、10 kV、20 kV、30 kV的直流电压分别施加到4片劣化绝缘子以及正常绝缘子上，测量其对应电压下的直流泄漏电流，测试结果如表2所示。

表2 绝缘子直流泄漏电流测试结果

由表2可知，正常绝缘子各直流电压下泄漏电流数值基本为0，运行状态良好。B1第4片和C2第3片绝缘子泄漏电流数值较大，在直流20 kV时均出现击穿现象，B1第1片、C1第1片相对于正常绝缘子各电压下的直流泄漏电流均有明显增大。直流泄漏电压测试结果与绝缘电阻测试结果一致，从另一方面验证了红外热像法检测劣化绝缘子的有效性。