基于红外检测的劣化瓷绝缘串诊断方法

周学明，黄江林，胡丹晖，毕如玉，王万昆，张耀东

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.国网咸宁供电公司，湖北 咸宁437100；3.国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉430050）

0 引言

瓷绝缘子因其机械性能和电气性能稳定、使用寿命长等优点，获得广大输电线路运维人员认可，在输电线路上获得了广泛应用。但在应用过程中，瓷绝缘子串中因存在低零值劣化绝缘子，使得发生闪络故障时，工频故障电流从劣化绝缘子钢帽内部通过，瞬间引起绝缘子钢帽内部水泥发热膨胀，致使劣化绝缘子钢帽炸裂，造成掉串事件时有发生［1-11］。某电网所运维输电线路自2016 年以来每年至少发生一次瓷绝缘子掉串事件。根据《DL/T 741-2010 架空输电线路运行规程》要求，针对220 kV 及以下输电线路每10 年应进行一次绝缘子电阻测试，以便排查低零值绝缘子［12］。根据《DL/T 626-2015 劣化盘形悬式绝缘子检测规程》［13］，目前相对成熟的瓷绝缘检测技术有绝缘电阻测试法、火花叉法、工频耐压测试法，其中火花叉法应用最为广泛，是在正常运行条件下，人工登塔逐片检测绝缘子。随着电网的快速发展，运维线路的逐年增加，瓷绝缘子片数以万计，难以按规程周期要求逐片开展瓷绝缘子检测工作，这是近年来瓷绝缘子串掉串事件频繁发生的重要因素。另外，DL/T 626-2015 还要求，瓷绝缘子投运2年内年均劣化率不得大于0.04%，2年后检测周期内年均裂化率不得大于0.02%，即运行中的瓷绝缘子实际劣化率是很低的，因此研究高效定位劣化绝缘子，避免盲目逐片检测绝缘子的检测技术具有重要意义［14-17］。绝缘子发生绝缘劣化后，会造成绝缘子串的分布电压改变［18-21］、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉现象［22-25］，本文基于红外热像仪采集每片绝缘子钢帽温度，对比正常绝缘子串和劣化绝缘子串的温度分布曲线特征，提出劣化绝缘子串判据，实现高效定位劣化绝缘子串，为精细化逐片诊断劣化绝缘子极大地缩小范围。

1 红外检测基本原理

1.1 瓷绝缘子劣化机理

瓷绝缘子劣化受多方面因素的影响，既与制造厂家选用的材料、配方、工艺流程有关，也与运行环境（如温湿度变化、污秽情况）、运行中承受的电压，以及外力的作用有关［26］。尤其是国产绝缘子，在制造过程中，由于工艺和配方的问题，或者原料混合不均、烧制火力不均等原因，容易在陶瓷内部形成微裂纹、吸湿性气孔，并造成内部应力不均衡，存在局部应力集中现象，特别是钢帽碗口处的局部应力集中和疲劳效应难以避免，遇到外部环境变化时，各部分涨缩不均匀、造成微裂纹加大、局部老化等现象，进而发生劣化。劣化的瓷绝缘子在电气性能方面体现为绝缘电阻低零值。

1.2 绝缘子发热原理

绝缘子等效电路可以用3个并联的等效电阻来表示，如图1所示［27］。C0为极间电容，其值约为50 pF；Rj为介质损耗发热等效电阻；Rw为表面泄漏电流损耗等效电阻，其值与绝缘子表面清洁程度和气象条件有关，正常情况下可认为趋于无穷大；Rl为内部穿透性泄漏电流损耗等效电阻，其大小取决于绝缘子内部劣化情况，对于正常绝缘子其值可为无穷大。绝缘子等效电导如式（1）所示。

图1 绝缘子等效电路Fig.1 Equivalent circuit diagram

绝缘子的分布电压直接导致绝缘子的发热。绝缘子的发热由3 部分组成，一部分为电介质在工频电压作用下极化效应发热，即电介质损耗发热；一部分为内部穿透性泄漏电流发热，即绝缘子劣化通道等效电阻发热；另一部分为表面爬电泄漏电流发热。

同时考虑以上3 种发热，绝缘子的总发热功率P可以用式（2）表达：

式（2）中：Rj= 1/ωC0tan δ，对于瓷绝缘子，介质损耗角正切值tan δ约为0.02，则工频条件下Rj约为3 185 MΩ，Uk为绝缘子两端电压。

绝缘子性能良好时，Rl无穷大，绝缘子钢帽发热功率近似为P=ωC0tan δ；绝缘子劣化时，Rl减小，绝缘子钢帽发热由劣化通道等效电阻和介质损耗决定，其发热功率为

当绝缘子劣化，Rl变小，表现为一定低值时，绝缘子钢帽发热功率增加，温度明显升高；当绝缘子严重劣化，Rl进一步减小，表现为零值时，分布电压Uk明显减小，绝缘子钢帽发热功率小于正常值，温度明显下降。

1.3 劣化绝缘子红外检测原理

绝缘子发生绝缘劣化后，会造成绝缘子串的分布电压改变、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉现象，这是红外成像法检测低零值绝缘子的基本原理。利用红外检测技术，对绝缘子进行红外热像处理，可以得到绝缘子串的热场分布，通过与其他正常绝缘子温度的比对来甄别低零值绝缘子［28-30］。

在瓷绝缘子红外热像检测方面，20世纪80年代初开始已有不少对绝缘子劣化和污秽方面的红外热像实验研究论文，有些成果已被收入到电力行业标准。在《DL/T 664-2008 带电设备红外诊断技术应用导则》中规定：运行中的零值绝缘子温度较正常绝缘子低1 K。但是实际情况是，受检测距离、连接金具热传导、劣化绝缘子在串中所处位置、风速风向等多方面因素的影响，在不同区域和不同检测环境下，以1 K温差为标准的检出效果也存在较大的变化，普适性不强。为此，湖南大学姚建刚团队从2002 年起开始瓷绝缘子零值红外检测技术研究，能够精确自动提取绝缘子串各片绝缘子钢帽温度，并提出了劣化瓷绝缘子判据，但受检测条件影响，漏判误判情况依然存在［9］。本文通过研究劣化绝缘子串的温度分布曲线特征，提出劣化绝缘子串判据，实现精确定位劣化绝缘子串，为精细化逐片诊断劣化绝缘子缩小范围。

2 劣化绝缘子串诊断方法

正常条件下，瓷绝缘子串电压分布和绝缘电阻基本相同，故其温度分布基本一致。受风速风向等环境因素影响，背风面或风速小的瓷绝缘子串温度往往总体偏低，但温度分布曲线形态基本一致。当绝缘子串出现一片或多片劣化绝缘后，会造成绝缘子串的分布电压改变、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉现象，即绝缘子串温度分布曲线形态发生改变。那么劣化绝缘子串各绝缘子钢帽温度对比正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温度的差值离散性较大。

图2 正常串和劣化串绝缘子温度分布曲线Fig.2 Temperature distribution curves of normal string and deteriorated string insulators

数学上，方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数，通常用字母D表示，用于衡量一组数据的离散程度。方差的算术平方根称为该随机变量的标准差，通常用字母S表示，标准差越大，说明这组数据离散程度越大；反之，离散程度越小。本文引入标准差概念，用以衡量劣化绝缘子温度分布相对正常绝缘子串温度分布的差异性。

根据检测获取的绝缘子串温度信息，按编号提取各绝缘子串的铁帽温度Tik（i 代表绝缘子串的编号；k=1，2，…，N，代表绝缘子在串中的位置编号，导线端绝缘子位置编号为1，接地端绝缘子位置编号为N）。

式（3）中，T0k为正常绝缘子串第k 片绝缘子钢帽温度，Tik为绝缘子串编号为i的第k片绝缘子钢帽温度，ΔTik0k为绝缘子串编号为i 的第k 片绝缘子钢帽温度和正常绝缘子串第k片绝缘子钢帽温度的差值。

3 劣化绝缘子串判据阀值

评价绝缘子串是否存在劣化绝缘子即可根据劣化绝缘子串各绝缘子钢帽温度相对于正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温度差值的S(ΔT)而定。本文基于现场检测的瓷绝缘子红外测温数据和绝缘电阻测量数据，研究劣化瓷绝缘子串判据阀值。

某220 kV 线路53 号杆塔B 相绝缘子发生掉串事故，运维单位当天针对该塔B 相双串绝缘子进行了更换处理，并在后续工作中进一步完成了另外两相绝缘子的全部更换。

3.1 红外测温数据

2019 年5 月15 日晚，天气晴，温度20.2 ℃，湿度66.5%，针对某220 kV 线53 号杆塔绝缘子串进行红外测温，获得测温数据如表1所示。

B相大号侧左串和右串为新更换的正常瓷绝缘子串，以B 相大号侧左串温度分布为参考相，根据公式（2）计算得到其它相绝缘子串各绝缘子钢帽温度相对于正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温度的差值的S(ΔT)如表2所示。

3.2 绝缘电阻测量数据

2019 年5 月16 日白天，天气晴，温度27 ℃，湿度85%，将某220 kV 线53 号杆塔绝缘子串进行全部更换，并进行逐片进行绝缘电阻测试，然后根据DL/T 626-2015要求（运行中500 kV以下绝缘子的绝缘电阻值低于300 MΩ 时判定为低值绝缘子，绝缘电阻值低于10 MΩ 时判定为零值绝缘子），判断各绝缘串是否存在劣化绝缘子，评判结果如表3所示。

3.3 判据阀值确定

根据表3 中绝缘电阻检测诊断结果可知，除新更换的B 相大号侧两串绝缘子为完好绝缘子串外，其它绝缘子串均存在不同程度的劣化。分析相对参考绝缘子串温差的标准差可知，正常绝缘子串的温差标准差为0.089，劣化绝缘子串的温差标准差为0.232-1.504。

当取劣化绝缘子串判据阀值为0.15 时，即当S(ΔT)≥0.15时，判 定 该 串 绝 缘 子 存 在 劣 化；当S(ΔT)＜0.15时，判定该串绝缘子正常。根据表3 可知，该判据的可靠性为0.15/0.089=1.68；灵敏度大于1.5。从判据的可靠性和灵敏度来看，认为0.15的阀值具有一定科学性。

表1 53号杆塔瓷绝缘子红外检测温度数据Table 1 Infrared temperature data of porcelain insulator on NO.53 tower

表2 相对参考绝缘子串温差的标准差Table 2 Standard deviation of temperature difference relative to reference insulator string

表3 绝缘电阻检测诊断结果Table 3 Insulation resistance detection and diagnosis results

表4 劣化绝缘子串判据阀值灵敏度Table 4 Deteriorated insulator string criterion threshold sensitivity

3.4 案例验证

根据以上方式方法对3 km 外的41 号杆塔瓷绝缘子串进行红外数据采集和绝缘电阻检测，进一步验证本文提出的劣化瓷绝缘子串诊断方法和判据阀值的合理性。

同样以53 号杆塔B 相大号侧左串温度分布为参考相，根据公式（2）计算得到41 号杆塔各相绝缘子串各绝缘子钢帽温度相对于正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温度的差值的S(ΔT)。同时，基于逐片绝缘子电阻检测可知，41号杆塔中的12串瓷绝缘子串均存在不同程度的劣化绝缘子，对应的S(ΔT)值亦均大于0.15，最小灵敏度大于1.33，即本文提出的劣化绝缘串诊断方法和判据具有很好的普适性。

表5 41号杆塔劣化绝缘子串诊断结果Table 5 The NO.41 tower's diagnosis result of deteriorated insulator string

4 结语

正常瓷绝缘子串运行条件相同，各片绝缘子钢帽温度分布曲线基本一致，对应位置绝缘子钢帽之间的温差大小基本相同，即温差标准差的值较小。

当瓷绝缘子串中存在劣化绝缘时，绝缘子串温度分布会发生整体性变化，劣化绝缘子串各绝缘子钢帽温度相对于正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温度差值的离散性较大，即温差标准差的值较大。

文章将绝缘子串各绝缘子钢帽相对于正常绝缘子串对应位置绝缘子钢帽温差标准差的大小作为绝缘串是否劣化的判据，并基于现场检测数据提出劣化绝缘子串判定阀值为0.15，并通过案例验证判定阀值具有较好的可靠性和灵敏度。同时验证了本文所提出通过目标绝缘子串相对正常绝缘子串温差的标准差大于0.15来判断绝缘子串存在劣化的方法是有效的。

文章正常绝缘子串是已知的，实际工程中如何准确判定正常绝缘子串，准确选择参考绝缘子串是需要进一步研究的课题。另外，将进一步基于大量的现场检测数据，验证本文提出的劣化绝缘子串判定阀值的合理性，研究影响其可靠性和灵敏度的因素，以便做进一步优化。

［参考文献］（References）

［1］ 张秀斌，彭鹏，温定筠，等.一起330 kV悬式绝缘子炸裂故障分析［J］.电气技术，2017，（01）：129-132.

［2］ 郭金明，李婧，唐捷.35 kV 盘形悬式瓷绝缘子串断裂事故分析［J］.广西电力，2014，37（06）：38-41.GUO Jinming，LI Jing，TANG Jie.Analysis of fracture accident of 35 kV disc type suspension porcelain insulator［J］.Guangxi Electric Power，2014，37（06）：38-41.

［3］ 李伟，王刘芳.高压支柱瓷绝缘子故障情况分析及对策［J］.安徽电力，2005，22（04）：14-16.LI Wei，WANG Liufang.Analysis and countermeasures of failures conditions of high voltage strut porcelain insulator［J］.Anhui Electric Power，2005，22（04）：14-16.

［4］ 雍军，沈庆河，胡晓黎，等.浅析山东电网高压支柱瓷绝缘子断裂原因［J］.高电压技术，2005，31（03）：90-91.YONG Jun，SHEN Qinghe，HU Xiaoli，et al.Analysis on broken accident of high voltage porcelain post insulators of shandong electric power corporation［J］.High Voltage Engineer，2005，31（03）：90-91.

［5］ 吕华忠.输电线路瓷绝缘子掉串原因分析及对策［J］.江西电力，2001，25（02）：19-20，34.LV Huazhong.The causes analysis and countermeasures of transmission line ceramic insulator drop-in cascadecommeeted［J］.Jiangxi Electric Power，2001，25（02）：19-20，34.

［6］ 苏冬冬.悬式瓷绝缘子炸裂的分析及改进措施［J］.上海铁道科技，2013，（02）：70-71，74.

［7］ 肖雷，施景垒，陈平春，等.双伞瓷绝缘子故障试验分析［J］.江苏电机工程，2015，34（01）：15-17.XIAO Lei，SHI Jinglei，CHEN Pingchun，et al.Fault test for double-umbrella porcelain insulator［J］.Jiangsu Electrical Engineering，2015，34（01）：15-17.

［8］ 黄松泉，周学明，胡丹辉，等.500 kV 线路玻璃绝缘子集中自爆原因分析［J］.湖北电力，2017，41（04）：5-8，30.HUANG Songquan，ZHOU Xueming，HU Danhui，et al.Analysis of the concentrated self-blast cause of glass insulator on 500 kV transmission line［J］.Hubei Electric Power，2017，41（04）：5-8，30.

［9］ 周学明，李健，朱昌成.鸟粪下落畸变绝缘子串附近电场引起闪络的机理与故障特性分析［J］.湖北电力，2015，39（10）：26-28.ZHOU Xueming，LI Jian，ZHU Changcheng.Analysis of mechanism and fault characteristics of flashover caused by electric field near insulator string of bird feces［J］.Hubei Electric Power，2015，39（10）：26-28.

［10］ 林俊标.输电线路瓷绝缘子掉串事故分析及防范措施［J］.广东输电与变电技术，2005，（02）：39-42.LIN Junbiao.Analysis of the bunch-drop accident of ceramic insulator in transmission line and countermeasures［J］.Guangdong Power Transmission Technology，2005，（02）：39-42.

［11］ 杨朝军.浅析绵阳供电公司瓷绝缘子掉串故障及解决措施［J］.中国高新技术企业，2016，（30）：75-76.

［12］ 国家能源局.架空输电线路运行规程：DL/T 741-2010［S］.北京：中国标准出版社，2010.National Energy Administration.Operating code for overhead transmission line：DL/T 741-2010［S］.Beijing：China Machine Press，2010.

［13］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会.劣化盘形悬式绝缘子检测规程：DL/T 626-2005［S］.北京：中国标准出版社，2005.National Development and Reform Commission.Code of aging cap and pin insulators inspection：DL/T 626-2005［S］.Beijing：China Machine Press，2005.

［14］ 张斌.劣化绝缘子检测技术的国内外研究现状［J］.电网技术，2006，30（S1）：275-278.ZHANG Bin.Current study situation of faulty insulator detection method home and abroad［J］.Power System Technology，2006，30（S1）：275-278.

［15］ 蔡敏.特高压输电线路运行维护技术的研究现状分析［J］.湖北电力，2011，35（06）：1-6.CAI Min.Status analysis of the study on the operation and maintenance of UHV transmission line［J］.Hubei Electric Power，2011，35（06）：1-6.

［16］ 张彦涛，王绍华，马晟.基于超声波技术的绝缘子污秽放电检测方法［J］.山西电力，2010，（03）：32-34 ZHANG Yantao，WANG Shaohua，MA Sheng.Detection of insulator flashover discharge based on the technology of ultrasonic［J］.Shanxi Electric Power，2010，（03）：32-34.

［17］ 刘鹏.基于红外和紫外成像法的零值绝缘子发热与放电特性研究［D］.北京：华北电力大学，2016.LIU Peng.Study on zero value insulator heating and discharge characteristic based on the infrared and ultraviolet imaging method［D］.Beijing：North China Electric Power University，2016.

［18］ 袁小娴.110 kV 线路绝缘子串电压和电场分布的研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.YUAN Xiaoxian.Researches of voltage and electric field distribution along insulator strings 110 kV transmission line［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2007

［19］ 王力农，李小春，宋斌，等.输电线路劣化绝缘子电场分布仿真与检测研究［J］.高压电器，2018，54（10）：49-55，62.WANG Linong，LI Xiaochun，SONG Bin，et al.Researches of simulation and detection for electric field distribution along faulty insulator on transmission line［J］.High Voltage Apparatus，2018，54（10）：49-55，62.

［20］ 郑重，冯伟，潘春辉，等.支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测［J］.高压电器，2015，51（12）：38-42.ZHENG Zhong，FENG Wei，PAN Chunhui，et al.Detection and electric field analysis of surface defects on porcelain post insulator［J］.High Voltage Apparatus，2015，51（12）：38-42.

［21］ 王万昆，周学明，胡丹晖，等.220 kV悬式瓷绝缘子零值原因研究［J］.湖北电力，2019，43（05）：27-32.WANG Wankun，ZHOU Xueming，HU Danhui，et al.Research on zero-value cause of 220 kV suspension porcelain insulator［J］.Hubei Electric Power，2019，43（05）：27-32.

［22］ 江秀臣，李锋，付正才，等.低零值绝缘子判断方法的研究［J］.高电压技术，1995，21（03）：72-75 JIANG Xiuchen，LI Feng，FU Zhengcai，et al.Study on the discrimination methods of low and zero resistance insulators［J］.High Voltage Engineering，1995，21（03）：72-75.

［23］ 赵江辉，岳红利.一种瓷质绝缘子故障状态判定方法介绍［J］.电气技术，2017，（01）：120-122.ZHAO Jianghui，YUE Hongli.The introduction of fault state determination method for porcelain insulators［J］.Electrical Engineering，2017，（01）：120-122.

［24］ 金光熙，权光日，郎成，等.故障绝缘子的发热机理及其红外热像检测［J］.电瓷避雷器，2011，（05）：12-15.JIN Guangxi，QUAN Guangri，LANG Cheng，et al.Heating mechanism and infrared thermography detection of failure insulators［J］.Insulators and Surge Arresters，2011，（05）：12-15.

［25］ 陈金法.绝缘子红外热像检测及诊断技术研究［D］.杭州：浙江大学，2011.CHEN Jinfa.Research on infrared thermal image detection and diagnostic techniques of insulators［D］.Hangzhou：Zhe Jiang University，2011.

［26］ 李翔，顾洪连.三种绝缘子可靠性的比较［J］.高电压技术，2007，33（05）：191-193.

［27］ 胡淋波，李唐兵，姚建刚，等.一起劣化悬式瓷质高压绝缘子红外检测案例分析［J］.红外技术，2016，38（07）：622-626.HU Linbo，LI Tangbing，YAO Jiangang，et al.Analysis of an infrared detection case of degradated ceramic voltage insulator［J］.Infrared Technology，2016，38（07）：622-626.

［28］ 李唐兵，陈国锋，饶斌斌，等.一种改进的劣化盘形悬式瓷绝缘子红外热像诊断方法［J］.电瓷避雷器，2014，（06）：8-13.LI Tangbing，CHEN Guofeng，RAO Binbin，et al.A improved method of detecting deterioration insulator based on infrared thermal image［J］.Insulators and Surge Arresters，2014，（06）：8-13.

［29］ 姚建刚，张也，李唐兵，等.高压瓷质绝缘子红外检测盲区分析［J］.高电压技术，2017，43（09）：2903-2910.YAO Jiangang，ZHANG Ye，LI Tangbing，et al.Analysis of high-voltage ceramic insulators infrared detection blind areas［J］.High Voltage Engineering，2017，43（09）：2903-2910.

［30］ 陈勇，郭俊峰，邬小均.基于红外测温的零值和污秽绝缘子快速检测试验研究［J］.高压电器，2015，51（06）：191-194，199.CHEN Yong，GUO Junfeng，WU Xiaojun.Fast detection of zero insulator and polluted insulator based on infrared temperature measurement［J］.High Voltage Apparatus，2015，51（06）：191-194，199.