环境条件对基于无人机红外检测的零值绝缘子检测判据的影响研究

尹 林,胡 京,王文彬,贺林轩,周 恺,苏朝辉,闫 磊,刘若溪,王 博,屠幼萍

(1.国网江西省电力有限公司,南昌 330096;2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院,南昌 330096;3.华北电力大学 ,北京 102206;4.北京电科院,北京 100040; 5.国网北京市电力公司昌平供电公司,北京 102299)

0 引言

瓷绝缘子具有良好的电气性能和机械性能,因此广泛应用于输电线路中[1-3]。在运行过程中,瓷绝缘子内部可能会产生小气泡或细小裂纹等现象,并逐渐变大,最终导致瓷绝缘子的阻值下降[4-5],同时由于电磁场和机械应力的作用,绝缘子的阻值进一步降低,最终劣化为低值/零值绝缘子,从而导致绝缘子串的闪络概率增大,同时可能引起绝缘子钢帽开裂,产生绝缘子掉串等现象,对电网的完全稳定运行产生影响[6-7]。

目前,电网应用较多的低值/零值绝缘子检测方法包括火花间隙法、泄漏电流检测法、脉冲电流检测法、电场测量法、分布电压法等[8-11],但这些方法一方面需要进行人工登塔测试,另一方面工作强度较大、存在较大的安全隐患,且易受电磁干扰等因素的影响。随着红外检测技术[12-14]的飞速发展,红外热像仪的测温精度等参数越来越高,将红外热像仪搭载在无人机上实现劣化绝缘子的检测,使得零值绝缘子的自主巡检成为可能[15-19]。文献[20]通过分析环境湿度对绝缘子红外检测的影响,提出了适合绝缘子红外检测的湿度条件,文献[21]研究了环境湿度对绝缘子串电压分布以及绝缘子钢帽温升的影响,并建议检测湿度应保持在80%。但光照强度、风速等环境条件对绝缘子零值检测判据的研究尚属空白,需要进行进一步研究。

笔者通过在不同光照强度、环境湿度、温度、风速下拍摄绝缘子红外图像,分析这些影响因素对绝缘子钢帽温度及零值绝缘子检测判据的影响,为规范零值绝缘子红外检测环境条件提供依据。

1 零值绝缘子红外检测原理

1.1 零值绝缘子发热机理

随着运行时间的增加,瓷质绝缘子的机械性能等参数逐渐下降,导致绝缘电阻降低,从而产生零值/低值绝缘子,并对绝缘子的发热程度产生影响。瓷绝缘子发热可以分为3个部分[22-23],分别是极化损耗发热Pj、等效电阻损耗发热PL、漏电损耗发热Pw,劣化绝缘子的等效电路图见图1。

图1 劣化绝缘子等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of insulator

其中C0为绝缘子的极间电容;Rj为极化损耗发热等效电阻;RL为主绝缘劣化通道等效电阻;RW为漏电损耗等效电阻。

设绝缘子串两端的额定电压为UN,等效阻抗为ZD,则发热功率可以表示为公式(1)。

(1)

式中,ZS为绝缘子的极间等效阻抗,计算公式见式(2)。

(2)

以220 kV 瓷绝缘子为例,取C0=40 pF,Rj=4 000 MΩ,UN=127 kV,将参数代入公式(1)和(2)即可得出劣化绝缘子钢帽的发热功率P与RL关系,见图2。

图2 绝缘子钢帽发热功率与等效电阻的关系Fig.2 Relation between heating power and equivalent resistance of insulator

随着劣化绝缘子主绝缘劣化通道等效电阻RL的降低,该绝缘子钢帽的发热呈现先升高后降低的趋势,等效电阻降至零时,绝缘子发热为零。对于低值绝缘子,钢帽发热较正常绝缘子高;对于零值绝缘子,钢帽发热较正常绝缘子低。因此通过拍摄绝缘子红外图像,并计算各绝缘子钢帽温度,即可实现对零值绝缘子的检测。

1.2 红外测温原理

红外测温是检测并显示处理被测物体发射的红外辐射的过程[24-26]。被测物体的红外辐射在大气传输过程中产生衰减,由红外热像仪接收,并在红外探测器上进行聚焦,同时将红外辐射信号转换成电信号,以红外图像的形式对被测物体的温度场分布进行描述。红外成像原理见图3。

图3 红外成像原理图Fig.3 Principle of infrared imaging

造成红外测温误差的原因有如下几种[27-29]:当红外热像仪与被测物体的距离较远时,物体的辐射能量损耗较大,导致所测结果偏低;在强风、雨雪天气,室外的电气设备散热功率较高,导致设备温升较低;在光照强度较高时,环境辐射较强,进入红外热像仪镜头的辐射量增大,导致测温结果偏高。

1.3 基于红外图像的零值绝缘子判别方法

1.3.1 基于相邻相绝缘子温差的判别方法

由文献[30]可知,当绝缘子钢帽温度与相邻相绝缘子钢帽的温差达到1 ℃时,即认为该绝缘子为零值绝缘子。

1.3.2 基于绝缘子串温升曲线的判别方法

文献[31]提出了基于绝缘子串温升曲线的判别方法,其中绝缘子温升为绝缘子钢帽温度与环境温度的差值,通过典型温度特征曲线与现场样本曲线生成现场基准温度特征曲线,结合温、湿度等环境因素对阈值进行修正,并与待测绝缘子串的温度曲线进行比较,从而实现零值绝缘子的检测。该方法在江西某变电站得到了应用,并检测出多片劣化绝缘子。

1.3.3 基于绝缘子钢帽相对温差的判别方法

由于文献[30]只考虑到与相邻相绝缘子钢帽温差达到1 ℃即判断该绝缘子为劣化绝缘子,笔者通过计算该绝缘子与相邻两相绝缘子钢帽温度平均值的差值,用来表示该绝缘子的相对温差,绝缘子钢帽相对温差见公式(3)。

ΔTAj=TAj-(TBj+TCj)/2
ΔTBj=TBj-(TAj+TCj)/2
ΔTCj=TCj-(TAj+TBj)/2

(3)

式中ΔTAj、ΔTBj、ΔTCj是A、B、C相绝缘子串第j片绝缘子的相对温差,TAj、TBj、TCj分别为A、B、C相绝缘子串第j片绝缘子的钢帽温度。

当相对温差为正值时,认为该绝缘子为低值绝缘子;当相对温差为负值时,认为该绝缘子为零值绝缘子。

2 无人机搭载红外相机巡检测试环境

为确定光照强度、环境温湿度、风速对绝缘子零值检测结果的影响,针对110 kV输电线路瓷绝缘子,在不同环境条件下采用无人机搭载红外热像仪开展了瓷绝缘子红外检测实验,无人机为御2行业进阶版,红外热像仪分辨率为640×512,热灵敏度为40 mK,测温精度为±2 ℃和读数的±2%的较大值。在拍摄绝缘子红外图像时,无人机与绝缘子的水平距离为5 m,相机俯角为0°,无人机高度与绝缘子中心齐平。3个拍摄时段对应的环境参数见表1。

表1 不同时段环境参数Table 1 Light intensity at each time

其中光照强度指单位面积上接受可见光的光通量,单位为勒克斯(lx),1 lx表示在1平方米面积上光通量是1流明时的光照强度。

不同环境参数下瓷绝缘子红外图像见图4。图4(a) 、(b)、 (c)分别为表1中a、b、c环境参数下拍摄获得的绝缘子红外图像。

图4 不同环境参数下绝缘子红外图像Fig.4 Infrared image of insulator in different light intensity

3 光照强度对零值绝缘子检测影响分析

3.1 光照强度对基于相邻相绝缘子温差的判别方法影响分析

由文献[30]可知,当绝缘子钢帽温度与相邻相绝缘子钢帽温差为1 ℃时,即认为该绝缘子为零值绝缘子。计算不同光照强度下相间绝缘子钢帽温差,图3所示绝缘子的计算结果见图5。

图5 不同光照强度下相间绝缘子钢帽温差Fig.5 Temperature difference of steel caps between phases in different light intensity

由测温结果可知,在不同光照强度下,各绝缘子钢帽相间温差较小,即光照强度变化不会对相间绝缘子钢帽温差产生影响。

3.2 光照强度对基于绝缘子串温升曲线的判别方法影响分析

不同光照强度下的绝缘子温升曲线见图6。

图6 不同光照强度下绝缘子温升曲线Fig.6 Temperature rise curve of insulator in different light intensity

低压端绝缘子在光照照射下温度明显升高,光强为23 800 lx时,低压端绝缘子钢帽温升为12.4 ℃,光照强度为83 000 lx时,低压端绝缘子钢帽温升为19.3 ℃,因此在基于绝缘子串温升曲线的判别方法中,仅对1号～6号绝缘子进行判别,由图6可知,在不同光照强度下绝缘子温度呈现马鞍形分布,且没有明显的突变,因此光照强度不会对基于绝缘子串温升曲线的判别方法产生影响;由于在光照直射下低压端绝缘子钢帽温度过高,使得低压端绝缘子完全偏离绝缘子串温升曲线,容易被判别为低值绝缘子。因此在光照强强度较高时,不宜采用基于绝缘子串温升曲线的判别方法对零值/低值绝缘子进行检测。

3.3 光照强度对基于绝缘子相对温差的判别方法影响分析

计算不同光照强度下绝缘子钢帽相对温差,结果见图7。

图7 不同光照强度下绝缘子钢帽相对温差Fig.7 Relative temperature difference of steel cap in different light intensity

由图7可知,在不同光照强度下拍摄绝缘子红外图像时,各绝缘子钢帽的相对温差均在-0.5 ℃～0.5 ℃之间,这是因为当光照强度发生变化时,对绝缘子钢帽温度以及红外热像仪测温误差的影响是线性变化的,即光照强度的变化不会对绝缘子钢帽相对温差产生影响,因此不会引起零值绝缘子的误判。

因此,光照强度发生变化时,不适合采用基于绝缘子温升曲线的判别方法进行零值绝缘子检测,但对基于绝缘子相间温差和绝缘子相对温差的判别方法没有影响。

4 环境温、湿度、风速条件对零值绝缘子红外检测影响分析

4.1 环境温度、湿度零值绝缘子红外检测影响分析

环境温度发生变化,而光照条件、环境湿度等条件不变时,绝缘子的发热功率与散热功率不变,因此在绝缘子钢帽温度达到稳定时,绝缘子钢帽温升也不会发生变化。因此环境温度变化时,对绝缘子钢帽温差没有影响,不会影响零值绝缘子检测。

为分析环境湿度对现场运行中瓷绝缘子红外检测的影响,本研究分别在不同环境湿度下开展了瓷绝缘子红外检测实验。分别计算不同湿度条件下绝缘子钢帽相对温差,计算结果见图8。

图8 不同环境湿度下绝缘子钢帽相对温差Fig.8 Relative temperature difference of steel caps in different ambient humidity

由图8可知,在不同湿度条件下,红外热像仪所测的绝缘子钢帽相对温差基本相同,因此从钢帽温度测量结果上分析,环境湿度不会对红外热像仪的测温结果产生影响,但环境湿度不同时,绝缘子钢帽发热程度也不同,为此在环境湿度为78%条件下对该绝缘子进行复测,不同湿度条件下的绝缘子温升曲线见图9。

图9 不同湿度条件绝缘子钢帽温升曲线Fig.9 Temperature rise curve of insulator in different humidity conditions

由图9可知,在高湿环境下,绝缘子钢帽温升更为明显,而在低湿环境下,绝缘子钢帽发热量相对较小,不同绝缘子钢帽温度基本相同,不适合进行零值绝缘子检测。

4.2 风速对零值绝缘子红外检测影响分析

风速对绝缘子的散热会产生较大的影响,当风速过大时,绝缘子钢帽可能不会出现明显温升,从而导致零值绝缘子的漏检。分别在弱风和强风条件下拍摄绝缘子红外图像,不同风速条件下绝缘子串温升曲线见图10。

图10 不同风速条件下绝缘子钢帽温升曲线Fig.10 Temperature rise curve of insulator in different wind speed

由图10可知,在无风条件下,绝缘子钢帽温度呈马鞍形分布,与正常绝缘子发热特征相同;在强风条件下绝缘子散热较快,导致绝缘子串中各绝缘子钢帽温度相同,同时低压端绝缘子钢帽温度比其余绝缘子钢帽温度低,因为低压端绝缘子钢帽与横担相连接,通过固体传热导致低压端绝缘子温度与横担相同。因此在强风条件下,绝缘子串中各绝缘子钢帽相同,且低压端绝缘子易受横担的影响,不适合进行零值绝缘子红外检测。

5 结论

通过在不同光照强度与环境湿度下拍摄输电线路中现场运行的瓷绝缘子红外图像,分析了光照强度环境湿度、环境温度、风速对零值绝缘子红外检测的影响。研究结果表明:

1)当采用基于绝缘子串温升曲线的判别方法检测零值绝缘子时,光照强度越高,低压端绝缘子温升越高,容易引起零值绝缘子的误判,但对基于绝缘子相间温差与绝缘子相对温差的零值绝缘子判别方法没有影响。

2)当环境湿度、光照强度等条件不变时,绝缘子发热功率、散热功率不变,因此环境温度不会影响绝缘子钢帽温差,当采用绝缘子钢帽相对温差、相间绝缘子钢帽温差和绝缘子温升曲线判别方法时,不会引起零值绝缘子的误判。

3)当采用基于绝缘子钢帽相对温差和相间绝缘子钢帽温差的判别方法时,不同湿度条件下的检测结果一致,当采用绝缘子温升曲线判别方法时,低湿条件下绝缘子发热不明显,容易引起零值绝缘子的误判。

4)强风条件下绝缘子散热功率较高,导致各绝缘子钢帽温度一致,对基于绝缘子钢帽温升或绝缘钢帽温差的任意判别方法均会产生较大影响,不适合进行零值绝缘子红外检测。