基于红外热像技术的变电站瓷质劣化绝缘子识别

夏展鹏，王凌云，杨剑，邱立

(三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

瓷质绝缘子串在变电站、发电厂、输电线路中有着重要的应用，不仅要求其具有良好的机械性能，还应有着良好的电气性能。由于瓷质绝缘子串在运行过程中长期承受冷热变化、机电负荷、机械应力、大气污染等作用，长时间运行后会出现绝缘劣化、绝缘击穿和闪络放电等缺陷，为电网带来重大的安全隐患[1-3]。

近年来，随着红外热像技术的不断进步，以及红外图像处理手段的提升，基于红外热像技术的劣化绝缘子检测有了夯实的基础条件[4]。

国内外学者针对不同环境情况下绝缘子串电压分布情况，对红外热像识别劣化绝缘子进行了大量研究，实验结果表明检测湿度尽可能保持在80%左右，能提升零值绝缘子检测准确率[5-7]。针对工程实践中劣化绝缘子的漏报问题，文献[8]提出一种基于戴维南等效电路法的红外检测盲区计算方法，并得出电压分布和温度差范围是影响盲区范围大小的两大核心因素。文献[9-11]通过对绝缘子发热机理与红外热像技术的研究，以工程中低零值为依据，分别对零值绝缘子处于绝缘子串中不同位置的红外图谱进行分析，当实验的绝缘子串中有严重污秽绝缘子和零值绝缘子时，其热像图谱与正常图谱有明显差异，当绝缘子串中的零值绝缘子位于高压端时，红外测温图谱表征为相邻正常绝缘子示与零值绝缘子间温差明显。但以上文献均未讨论变电站内劣化绝缘子的分布情况及相关结论。

本文分析瓷质绝缘子的发热机理，对运行绝缘子串中零值绝缘子和污秽绝缘子进行有效识别，论证红外测温技术的有效性和实用性，并得出相关结论，对实际工程中开展红外检测识别劣化绝缘子具有指导意义。

1 绝缘子串电压分布的计算

1.1 绝缘子串等效电路模型

绝缘子的钢帽、钢脚、瓷盘等金具部分，带电的输电线路和接地的杆塔三者间存在杂散电容，导致绝缘子串中单片绝缘子的电压分布不均匀，本文假设所有单片绝缘子的绝缘特性一致，绝缘子串的等效电路如图1所示[12-13]。

在图1中：Cgn为第n只绝缘子与接地构架间的对地电容，其值约为2～5 pF；Cln为第n只绝缘子与高压导线端电容，其值约为0.5～1.0 pF；C0n为第n只绝缘子的单只绝缘子电容；R0n为第n只绝缘子的绝缘电阻，其中绝缘电阻R0包含贯穿性电流的体积电阻Rv和表面电阻Rs。在表面干燥且绝缘性能良好的情况下，绝缘子的表面电阻Rs远远大于内部电流贯穿性体积电阻Rv，且等效电路中表面电阻Rs与体积电阻Rv为并联关系，故绝缘电阻R0就等效为内部电流贯穿性体积电阻Rv。

绝缘子串中的电压分布发生畸变，靠近高压电极侧的绝缘子承担的电压降比较大，靠近接地构架侧的绝缘子承担的电压较小，因此整串绝缘子的电压分布情况呈不对称的马鞍形。

图1 绝缘子串的等效电路Fig.1 Equivalent circuit of insulator string

1.2 绝缘子串的电网络方程

电网络法是依据绝缘子串的等效电路，采用节点导纳矩阵和交流电路进行计算，并得出各绝缘子的电压分布。本文根据绝缘子串等效电路，计算出节点导纳矩阵，并应用节点电压法建立电网络方程[14]，在MATLAB中对各绝缘子分布电压进行计算，该方法能快速、有效地改变绝缘子的运行参数和所加的电压，模拟不同电压等级和绝缘子不同运行参数，并得到电压分布情况。

由图1可知，等效电路的节点电压矩阵

U=[U1U2…Un]T.

(1)

节点电流矩阵

I=[(G01+Gl1)UgGl2U2…Gl(n-1)U(n-1)]T.

(2)

节点导纳矩阵

(3)

式(1)—(3)中：Gli为绝缘子串中第i片绝缘子对高压导线侧的导纳；Gci为绝缘子串中第i片绝缘子的高压侧导纳和接地导纳的和；G0i为绝缘子串中第i片绝缘子的自身导纳；Ug为单相绝缘子串的运行电压；Un为第n片绝缘子的电压。

绝缘子串中相邻绝缘子间的电压差(Udn为第n-1片与第n片绝缘子间的电压差)分布为

(4)

综上，依据电网络方程，进行仿真计算。

1.3 计算结果分析

在工程应用中，变电站220 kV电压等级的瓷质绝缘子串通常采用13～18片，110 kV电压等级采用7～10片。本次仿真实验中分别对220 kV电压等级的取14片、110 kV电压等级的取8片，设导线端第1片绝缘子序号为1，并依次编号。按照绝缘子串的电网络方程进行仿真，考虑仿真的可操作性，假设该绝缘子串中所有单片绝缘子为同一批次，所有参数均一致，绝缘子串电压分布及相关仿真参数设置见表1[15]。

为验证该算法的可行性，利用国内某电力科学研究院带电检测试验中的电压分布数据[16]，见表2。

表1 绝缘子串的电压分布仿真参数Tab.1 Simulation parameters of voltage distribution of insulator string

表2 绝缘子串电压的分布Tab.2 Voltage distribution of insulator string

通过电网络方程模型，仿真计算得出电压分布情况如图2和图3所示。

图2 110 kV绝缘子串仿真与高压测试电压分布对比Fig.2 Comparison of voltage distribution between 110 kV insulator string simulation and high voltage test

图 2为110 kV绝缘子串的电压分布图，高压试验与仿真的电压分布的平均误差为3.38%；图3为220 kV绝缘子串的电压分布图，高压试验与仿真的电压分布的平均误差为5.01%。由图2、图3可以看出：绝缘子串的电压分布均呈现不对称的马鞍形，与高压试验数据的电压分布情况表征一致，验证了绝缘子串等效电路模型和绝缘子串电压分布计算方法的一致性与可行性。

图3 220 kV绝缘子串仿真与高压测试电压分布对比Fig.3 Comparison of voltage distribution between 220 kV insulator string simulation and high voltage test

2 绝缘子串的电-热转换模型

瓷质绝缘子串单片绝缘子等效电路如图4所示，正常情况下体积电阻Rv和表面电阻Rs远远大于极化电阻Rj[16]。

图4 单片绝缘子等效电路Fig.4 Equivalent circuit of monolithic insulator

绝缘子的极化电阻Rj和等效电阻Req分别为：

Rj=1/(ωC0tanδ).

(5)

Req=1/(1/Rj+1/Rs+1/Rv).

(6)

式中：ω为电流频率；C0为单片绝缘子电容值；瓷质绝缘子介质损耗角δ的正切值约为0.015～0.025。

由等效电路可知绝缘子的发热功率

(7)

其中

(8)

式中：Uk为单片绝缘子电压；Xd为等效容抗。

由绝缘子的发热模型可得该绝缘子的温差

本工作利用Y对X的条件分布的非参数贝叶斯估计来构造回归函数的非参数贝叶斯估计,在此过程中,用分布估计的核估计替代Ferguson估计的经验分布函数,用较高阶的局部多项式回归替代原构造中的Nadaraya-Watson回归估计,获得了较为理想的估计效果,同时还给出了估计的均方误差及其均方收敛性.实证结果表明,对于非参数贝叶斯估计,当先验分布选择较合适时,在数据拟合和预测方面均表现出了较好的效果.

(9)

式中：Hj为绝缘子瓷面温度；Hh为环境温度；S为绝缘子表面积；h为绝缘子盘面散热系数(包括对流散热和辐射散热)，在实际工程中，散热系数是一个非常复杂的变量，受环境温度、风速、湿度、日照等影响[17]。

由于绝缘子的钢帽为金属，钢帽的导热能力远大于瓷面的，所以钢帽的温差反映了绝缘子的发热情况，同理钢帽的温差即反映绝缘子的运行情况。

2.1 正常绝缘子的发热分析

在绝缘子串绝缘性能良好、交流电压作用时，绝缘子电介质极化效应引起介质损耗发热[18-19]，其发热功率Pk和绝缘子与环境的温差ΔHj分别为：

(10)

(11)

由式(11)可知，相邻绝缘子的温差与电压的平方成正比，正常运行的绝缘子串的温度分布呈不规则马鞍形分布，相邻绝缘子的温差很小。

2.2 污秽绝缘子的发热分析

在相对湿度较大情况下，受潮后污秽绝缘子体积电阻Rv和极化电阻Rj基本不受影响，而表面电阻Rs逐渐变小。均匀湿污的表面电阻为

(12)

式中：L为绝缘子的爬电距离；l为外绝缘表面爬电距离；rl为爬电距离微分搭配绝缘子中轴的距离；rs绝缘子表面的电导率；ρws为污秽系数；绝缘子的形态系数

(13)

绝缘子型号一旦确定，形态系数f是常数，Rs与绝缘子表面电导率成反比。大量研究表明，相对湿度增大时，绝缘子表面电导率急剧增大，表面电阻急速下降至临界值[14-15]。

绝缘子的主要发热是由介质损耗发热转为表面爬电泄漏电流发热，发热点位于瓷盘表面的污秽处，其热像图谱的特征为瓷盘表面发亮。

2.3 绝缘子发生绝缘击穿后的发热分析

当绝缘子性能劣化、绝缘电阻降低时，泄漏电流主要从绝缘子内部流过，其发热功率和绝缘子的温升分别为：

Pk=UkIg.

(14)

(15)

式中Ig为贯穿性绝缘子泄漏电流。

当绝缘子的等效容抗Xd与等效电阻Req相等时，绝缘子的发热功率为最大。当绝缘子绝缘电阻逐渐减小到等效容抗值时，发热功率逐渐增加；当绝缘电阻继续减小时发热功率逐渐较小；当绝缘电阻进一步减小到几乎为零时，即劣化为零值绝缘子时，发热功率几乎为零。可以看出，当绝缘阻值降至某个区段时，其发热功率与正常绝缘子类似，此时为红外检测盲区。

2.4 电热转化模型的相关结论

经过上述3个发热过程的分析可知：

a)绝缘子串绝缘性能良好时，相邻绝缘子的温差与电压的平方成正比，所以正常运行的绝缘子串的温度分布呈不规则马鞍形分布，相邻绝缘子的温差很小；

b)污秽绝缘子的发热功率以绝缘子表面爬电泄漏电流发热为主，绝缘子的发热集中于瓷盘表面，其热象图的特征为瓷盘表面发亮；

c)当绝缘子的等效电阻Req与等效容抗Xd相等时，绝缘子的发热功率最大，此时温差最大，最易被红外测温所识别；

d)当绝缘子被击穿后，发热功率几乎为零，表征为钢帽温度与环境温度一致，可被判别为零值绝缘子。

3 现场测试案例验证分析

2018年8月对西南地区某220 kV变电站现场运行的110 kV、220 kV的绝缘子串进行红外检测，测湿了时间为20：00至23：00(全站闭灯)，该变电站现场所测得的参数见表3。

表3 220 kV变电站红外测温参数Tab.3 Infrared temperature measurement parameters of 220 kV substation

根据DL/T 664—2016《带电设备红外诊断应用规范》的规定[20]：对于瓷质类绝缘子，当绝缘子钢帽的温度比相邻绝缘子钢帽温度高1 ℃时判定为低值绝缘子，低1 ℃时判定为零值绝缘子；当绝缘子瓷盘的温度比相邻绝缘子瓷盘温度高0.5 ℃时判定为污秽绝缘子。利用红外测温发现绝缘子串缺陷27个，劣化绝缘子全为220 kV绝缘子串，详细情况分类见表4。

表4 220 kV变电站实测绝缘子串缺陷汇总Tab.4 Summary of insulator string defects in 220 kV substation 片

由于耐张串长期受横向拉力，所以单串耐张绝缘子串容易劣化成低值绝缘子，2台主变压器的12串单串耐张绝缘子串的高压端第1片绝缘子全为低值绝缘子。如图5所示，某主变压器220 kV侧B相绝缘子串靠导线侧第1片绝缘子钢帽温度为21.3 ℃，第2片绝缘子钢帽温度为19.7 ℃，温差为1.6 ℃，温差超过1 ℃，靠导线侧第一片绝缘子疑似低值绝缘子。

当耐张串为双串绝缘子时，每单串绝缘子承受的拉力降低，所以不易劣化为低值绝缘子。如图6所示，某出线间隔B相耐张串靠导线侧第1片瓷面最高温度为20.1 ℃，第2片绝缘子瓷面最高温度为19.5 ℃，瓷面温差近0.6 ℃，温差超过0.5 ℃，第1片绝缘子疑似污秽绝缘子。

图5 单串耐张绝缘子串为低值绝缘子情况分析Fig.5 Analysis on the situation of single strain insulator string being low-value insulator

图6 双串耐张绝缘子串为污秽绝缘子情况分析Fig.6 Analysis on the situation of double strain insulator strings being polluted insulators

直线串主要承受垂直方向的拉力，因导线长度较短，单串绝缘子承受的拉力较小，基本处于水平方向的瓷面易积污，在一定湿度条件下会发生闪络放电导致绝缘劣化，在红外检测时发现污秽绝缘子，瓷盘温度较高。如图7所示，某出线间隔线路侧A相直线串，靠导线侧第1片绝缘子瓷面最高温度为25.5 ℃，第2片瓷面最高温度为24.8 ℃，导线侧第1片高出第2片绝缘子近0.7 ℃，温差超过0.5 ℃，第1片绝缘子疑似污秽绝缘子。

图7 单串绝缘子直线串为污秽绝缘子情况分析Fig.7 Analysis of single insulator string as contaminated insulator

2018年12月底全站轮停检修期间，对红外检测发现的27片劣化绝缘子进行高压试验，其中13片低值绝缘子的绝缘电阻均在80 MΩ与250 MΩ之间，确诊为低值绝缘子。对14片污秽绝缘子加压至45 kV时，均呈现不同程度的闪络现象，论证了红外热像技术对劣化绝缘子检测的准确性。

由于主变压器220 kV侧导线的电流较大，采用单串耐张绝缘子串致使该站2台主变压器的12串单串耐张绝缘子串高压端第1片绝缘子全为低值绝缘子，故将该站主变压器220 kV侧绝缘子串全部更换为双串耐张绝缘子串。

4 结束语

本文建立了电压分布模型和电热转化模型，通过仿真计算、现场实测和高压试验，得出以下结论：

a)仿真计算、高压试验和红外热像实测表明，正常绝缘子串的电压分布和温度分布均呈现不对称的马鞍形，且具有正相关性。

b)钢帽温度偏高的瓷质低值绝缘子红外热像图谱呈亮色调；钢帽温度偏低的零值绝缘子红外热像图谱呈暗色调；磁盘温度较高的污秽绝缘子瓷面红外热像图谱为亮色调。

c)水平的瓷质耐张绝缘子串长期承受很强的机械应力，易致高压侧第1片绝缘子易劣化为低值绝缘子；垂直的瓷质绝缘子直线串瓷面为水平方向，容易积污、劣化为污秽绝缘子。

d)主变压器220 kV侧采用单串耐张绝缘子串极易劣化，建议全部更换为双串耐张绝缘子串。

e)对劣化绝缘子串应定期开展带电检测，监测缺陷发展情况；若单串绝缘子串劣化的绝缘子数超过1/3，应检修更换。

f)针对强污染地区的变电站，应定期开展带电水冲洗和红外检测工作；在下雨初期和阴雨阶段应观察、跟踪闪络情况，如发现绝缘子串发生大面积闪络应采取事故处理、隔离故障。