输电线路复合绝缘子红外测温检测距离的计算方法

刘 嵘，贾 然，沈 浩，刘传彬，张 洋

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

对输电线路复合绝缘子进行带电检测，是发现绝缘子是否存在绝缘缺陷的有效手段［1-2］，已得到广泛应用。目前复合绝缘子的带电检测方法主要有红外检测和紫外检测两种，需要对绝缘子进行精确检测。复合绝缘子由伞裙、护套、芯棒和端部连接组成，带电检测时须重点对芯棒部位检测，如果现场检测时芯棒外的护套被伞裙遮挡，难以准确获取芯棒部位的运行状况，不能准确判断绝缘子是否存在绝缘缺陷。受绝缘子等设备安装情况和现场周围环境等因素影响，现场检测时需选取合适的检测位置，保证绝缘子伞裙不会完全遮挡芯棒外的护套。目前无人机、直升机在输电线路的智能巡检中已应用较为广泛，现场需寻找更优的测试位置以避免伞裙遮挡，尤其对于现场V 型串塔身内侧绝缘子［3-6］，现场受环境因素、仪器精度影响，存在肉眼无法判断是否存在遮挡的情况，如复合绝缘子红外检测属于精确测温，夜间或光线较暗情况下检测时难以看到芯棒外的护套是否遮挡。

检测距离对红外测温的精度影响较大［7-8］，复合绝缘子红外精确测温的识别距离，即红外测温仪器的最大测温距离，可根据热像仪参数计算［9］。目前尚无考虑复合绝缘子芯棒外护套遮挡的带电检测距离范围的计算方法。

本文分析了红外热像仪仪器参数与检测距离的关系，分析复合绝缘子表面结构形状，得出复合绝缘子带电检测有效距离范围的计算方法，弥补了以上不足，从而提高检测的准确性；在采用智能化巡检手段时，可采用该计算方法进行自动判断，确定检测位置是否满足检测要求，是否存在芯棒被伞裙遮挡的情况。

对于人工地面检测，通过计算确定最大检测距离和最小检测距离，得出人工地面检测的有效距离范围；对于直升机或无人机检测，计算确定检测角度范围，以保证在对复合绝缘子进行检测时，能准确获取芯棒部位的运行状况，准确判断绝缘子是否存在绝缘缺陷。

1 红外镜头参数与距离的关系

1.1 视场角与距离的关系

视场角在光学工程中又称视场，视场角的大小决定了光学仪器的视野范围。视场角越大，视野就越大。红外热像仪的红外镜头视场角一般分为水平视场角HFOV和垂直视场角VFOV。视场角示意如图1所示。

图1 视场角示意

在对复合绝缘子红外检测时，应尽量保证绝缘子充满热像仪视场，对于长度为l的复合绝缘子，充满水平视场时，距离D应满足

充满垂直视场时，距离D应满足

1.2 空间分辨率与距离的关系

红外热像仪的空间分辨率是指热像仪能够识别的两个目标的最小距离。可以认为是一个温度点代表实际空间方形区域的边长，是热像仪的最小分辨单元，在热像图中就是一个像素点的边长。通常用热像仪的瞬时视场角IFOV的大小表示，即图1 中的4，单位为mrad。瞬时视场角IFOV为

式中：m为水平像素数；n为垂直像素数。

根据1 个像素点的边长代表的实际尺寸和IFOV，就可以计算出1 rad 代表的实际尺寸，即热像仪到目标的距离D。

对复合绝缘子红外检测时，应保证两个相邻伞裙间的芯棒外护套有足够数量的测量点，即热像图中两个相邻伞裙间有足够数量的像素数，对于两个相邻伞裙间距离为lmin的复合绝缘子，检测距离D应满足

式中：n为识别所需像素数。

1.3 现场检测距离的确定

现场检测时，可根据待检测的复合绝缘子串长和所使用的红外热像仪镜头参数计算，确定适合的检测距离。

目前常用红外热像仪镜头，根据视场角的不同，有7°×5.3°（7°镜头）、12°×9°（12°镜头）、24°×18°（24°镜头）、45°×34°（45°镜头）等几种，7°镜头和24°镜头应用最多。探测器红外分辨率大多为640×480。

现有部分红外镜头视场角采用对角视场角DFOV，即视野对角线的角度。可根据探测器红外分辨率换算成HFOV和VFOV。例如某型号无人机红外镜头DFOV为40.6°，红外分辨率640×512，换算后HFOV和VFOV分别为32°和25.6°。

本文列出了不同电压等级线路复合绝缘子的典型长度，如表1 所示。在不考虑现场绝缘子悬挂造成视野中倾斜的情况下，分别对7°镜头、24°镜头和32°镜头，按照式（2）计算绝缘子充满垂直视场时的最小检测距离，测量点的大小按照垂直像素数480 计算得出。

表1 不同长度绝缘子不同镜头时的检测距离

从表1 可以看出，在绝缘子串充满垂直视场的情况下，镜头视场角越大，需要的最小检测距离越小。测量点的大小，只与串长和镜头垂直像素数有关；使用视场角大的红外镜头，虽然缩短了检测距离，但不会提高测温的准确程度；使用视场角小的红外镜头，在现场地形复杂难以靠近绝缘子或杆塔高度较高时，可适当加大检测距离，保证测温的准确程度。

1.4 现场检测对比

现场检测时使用红外成像仪，对某500 kV 线路复合绝缘子，在地面同一检测位置，先后用两种镜头对存在过热缺陷的同一支绝缘子进行了检测，热像仪与绝缘子的直线距离为53 m，图2 包含24°镜头和7°镜头测温图像。从图像可以看出，这两种镜头在温度的测量上差别不大，但7°镜头图像比24°镜头图像清晰的多，大伞裙轮廓清楚，可从图像上得知过热点位置。两种镜头在检测距离满足要求的情况下，均可用于检测绝缘子是否存在绝缘缺陷，但要确定过热点位置，使用7°镜头最佳。

图2 不同镜头测温图像对比

图3（a）为绝缘子地面检测时，采用24°镜头得到的红外图像，热像仪与绝缘子的直线距离为24 m；图3（b）为无人机检测时，采用32°镜头得到的红外图像，热像仪与绝缘子的直线距离为10 m。从图像可以看出，虽无人机测温比地面检测距离小，但无人机测温图像质量明显不如地面测温。采用搭载广角镜头的无人机检测时，应适当缩短检测距离，以保证红外图像质量。

图3 无人机与地面红外测温图像对比

1.5 红外热像仪的选择

从以上分析可以看出，视场角和探测器红外分辨率这两个红外镜头参数与绝缘子红外检测精度密切相关的两个参数。在现场检测选择红外热像仪时，应重点考虑这两个参数能否满足检测设备和现场环境的要求。

在采用无人机红外检测时，如果红外镜头视场角过大，需要拉近无人机与绝缘子的距离，才能保证一个测量点的大小能够满足精度要求。无人机与线路距离过小，有可能发生无人机碰线，导致线路故障；人员操作无人机与线路距离过大，则无法保证测温精度。因此无人机配置的红外镜头参数应结合现场设备参数和安全距离选取，建议增大安全距离裕度，选择视场角小一些的红外镜头，同时保证现场作业安全和测温精度。

对于500 kV 以上电压等级线路复合绝缘子，红外检测时如要使整支绝缘子充满热像图垂直视场，一个测量点的实际尺寸超过1.5 cm，分辨率下降，影响红外检测的准确程度，因此对于500 kV 以上电压等级线路复合绝缘子，可采取分段测温的方法，将一支绝缘子分成2段进行检测。

2 复合绝缘子结构形状对检测距离的影响

对复合绝缘子进行红外测温，应保证绝缘子伞裙不会完全遮挡芯棒外的护套。从复合绝缘子结构形状出发，根据伞裙伸出长度、伞间距及伞倾角，进行计算，得出复合绝缘子检测的距离范围。

目前应用最广泛的复合绝缘子结构形式为大小伞结构［10］，以大小伞结构形式（一大一小）的复合绝缘子为例进行说明，对于其他结构形式的复合绝缘子也可参照下述计算方法进行计算。一大一小复合绝缘子伞裙结构如图4 所示。图4 中，P1为大伞裙伞伸出长度，mm；P2为小伞裙伞伸出长度，mm；α为伞裙上倾角，°；β为伞裙下倾角，°；S1为两个相邻大伞的伞间距离，mm；S2为两个相邻大伞与小伞的伞间距离，mm。

图4 复合绝缘子伞裙结构

2.1 复合绝缘子垂直悬挂

复合绝缘子垂直悬挂时检测示意如图5 所示，图5 中θ为无人机或直升机巡检小伞裙下方芯棒最大检测俯角；d为无人机或直升机巡检大伞裙下方芯棒最大检测俯角；h为绝缘子待检测位置距离地面的高度，d1为地面巡检大伞裙下方芯棒时与杆塔的最小检测距离；d2为地面巡检小伞裙下方芯棒时与杆塔的最小检测距离。

图5 复合绝缘子垂直悬挂时检测示意

1）地面检测距离范围的确定。

绝缘子在线路杆塔上的悬挂高度h一般超过10 m，伞间距S1一般为100～200 mm，伞裙上倾角α一般为10°左右，伞裙下倾角β一般为0～5°。

根据相似三角形定律可知

近似的，可取sinβ≈0，因此，

同理，

为保证两个相邻伞裙间的芯棒外护套有足够数量的测量点，满足红外热像仪测温精度的最大检测dmax按式（4）计算。

dmax为热像仪与绝缘子的直线距离，检测位置距离杆塔的距离为

从以上结果可以确定适合开展复合绝缘子检测的距离范围，检测位置距离杆塔的水平距离d应满足

2）直升机或无人机巡检检测角度范围的确定。

采用直升机或无人机巡检的方式开展复合绝缘子红外或紫外检测时，检测位置应尽量与被检测芯棒位置平齐；红外检测时尽量保证整只复合绝缘子在仪器视场范围内，检测位置尽量与高压端平齐，至少应保证高压端芯棒不被伞裙遮挡，即检测位置与最下端（高压端）芯棒的连线与水平方向的夹角应能满足芯棒不被伞裙遮挡的要求。

从图5可以得出

近似的，可取tanβ≈0，因此

从以上计算得出，无人机或直升机巡检小伞裙下方芯棒最大检测俯角为

无人机或直升机巡检大伞裙下方芯棒最大检测俯角为

2.2 复合绝缘子倾斜悬挂

复合绝缘子悬挂与垂直方向存在夹角时的检测示意如图6 所示，图6 中ε 为复合绝缘子悬挂方向与垂直方向的夹角，°；a为大伞裙边缘与上方相邻小伞裙根部连线与芯棒的夹角，°；b为小伞裙边缘与上方相邻大伞裙根部连线与芯棒的夹角，°。

图6 复合绝缘子悬挂与垂直方向存在夹角时的检测示意

1）地面检测距离范围的确定。

根据相似三角形定律可知

由于

计算得出

同理，

从以上结果可以确定适合开展复合绝缘子检测的距离范围，检测位置距离杆塔的水平距离d应满足式（9）。

2）直升机或无人机巡检检测角度范围的确定。

从2.1.2的推导可以得出图6无人机或直升机巡检小伞裙下方芯棒最大检测俯角为

无人机或直升机巡检大伞裙下方芯棒最大检测俯角为

复合绝缘子倾斜悬挂时的计算公式也适用于ε=0 的情况，对于其他结构形式的复合绝缘子也可参照上述计算方法进行计算。

2.3 现场检测应用

以某500 kV 线路复合绝缘子地面红外检测为例，该复合绝缘子为大小伞结构，伞间距S1为100 mm，大伞裙伞伸出长度P1为68 mm；小伞裙伞伸出长度P2为50 mm，绝缘子垂直悬挂，悬挂高度h为21 m。按式（18）计算，d1为21m；按式（19）计算，d2为28.56 m；采用7°镜头，热像仪与绝缘子的直线距离dmax按表1，取48.6 m。因此，按式（9），地面检测位置距离杆塔的水平距离d应大于28.56 m 且小于48.6 m。图7 为地面检测距离为31 m 时的红外检测图像，绝缘子伞裙轮廓及芯棒成像清晰。

图7 复合绝缘子红外检测图像

通过以上计算分析可以看出，对复合绝缘子地面测温时，可以根据复合绝缘子伞裙的伞伸出长度、伞间距和悬挂的倾斜角度，按式（18）和式（19）计算出现场红外检测时的最小距离，再结合式（4）对测温精度的要求，得出地面测温的距离范围。采用直升机或无人机巡检时，根据复合绝缘子伞裙的伞伸出长度、伞间距和悬挂的倾斜角度，可以按式（20）和式（21）计算出现场检测的角度范围。

3 结语

分析了红外热像仪镜头参数与检测距离的关系，说明了通过镜头参数计算检测距离的方法，在现场检测选择红外热像仪时，应重点考虑视场角和探测器红外分辨率这两个红外镜头参数能否满足检测设备和现场环境的要求。无人机配置红外镜头应兼顾现场作业安全和测温精度，建议增大安全距离裕度，选择视场角小一些的红外镜头。对于500 kV 以上电压等级线路复合绝缘子，一个测量点的实际尺寸超过1.5cm，分辨率下降，可采取分段测温的方法。

根据复合绝缘子结构形状（伞裙的伞伸出长度、伞间距）、现场悬挂情况和红外热像仪参数，可通过本文的方法计算出满足绝缘子红外检测精度要求的距离范围或航巡角度范围，保证现场检测能够准确获取绝缘子运行状况。