高压绝缘子在线监测技术

组长：房祥亮

组员：张志强、刘军、赵科、王发蛟、李泽民、张建宁、乔谦、美娟、张田田指导老师：张飞

摘要:概述了绝缘子在线检测技术的研究现状，阐述了以超声波检测法、激光多普勒振动法、红外测温法等，为代表的非接触式检测法。综合评价了紫外线电晕成像法、超声波检测及无线电波检测法等优缺点。探讨了绝缘子检测方法发展趋势。

关键词：绝缘子在线检测；电气设备；远程在线检测

0 前言

高压绝缘子在电力系统运行中,长期工作于强电场、机械应力、污秽及温湿度等共同构成的错综复杂的恶劣环境中。因此绝缘子出现故障的机率很大, 严重威胁电力系统的安全运行。但是高压绝缘在线监测难度较大，多年来高压输电线路绝缘子的在线检测一直困绕着众多的电力系统从业人员。世界各国的研究者们一直在寻找着有效的测量手段去解决这一难题，国内已经出现了很多高压绝缘子在线检测方法，并取得了一定的效果。

1国内高压绝缘子在线检测主要方法

国内高压绝缘子在线检测的主要方法一般分为两类: 一类是非接触式检测法, 另一类是接触式检测法。

1.1非接触式检测法

主要包括超声波检测法、激光多普勒振动法、外测温法、电晕摄像机法、声波检测及无线电波检测法等。其检测原理、主要设备及优缺点见表1。由表1 可见, 非接触式检测法中多数方法都对某一种或某几种类型的故障检测效果明显, 但对其他类型的故障难以检测出, 且设备造价昂贵。设备简单、操作方便的检测设备, 其检测效果多数不是很理想。虽多数方法可不登杆登塔, 但需到现场逐个进行检测。

1.1.1紫外成像法和红外成像法

有绝缘缺陷的高压电气设备在运行时会产生高电场强度而发生电晕电，使周围空气电离。由于空气主要成分是氮气(N2) , 而氮气电离的放射频(=280 nm～400 nm)主要落在紫外光波段。紫外成像技术就是利用特殊的仪器接收放电产生的紫外线信号, 经处理后转换为可见图像信号, 来分析判断电气设备外绝缘的真实状况。紫外成像检测系统主要包括: 紫外成像物镜、紫外光滤光镜、紫外像增强系统、CCD、图像显示等。紫外信号源被背景光(包括可见光、紫外光和红外光等)照射, 从信号源传输到成像镜头的有信号源自身辐射的紫外光, 也有信号源反射的背景光。成像光束经过紫外成像镜头后, 部分背景光被滤除, 其后光束再通过“日盲”滤光片, 进一步滤除背景光后, 照到紫外像增强器的光电阴极上, 经过紫外增强器后, 信号被增强放大并被转化为可见光信号输出, 然后, 成像光束经 CCD 相机, 最后,经信号处理后输出到观察记录设备。过去的紫外成

像仪需夜间操作以避开阳光中的紫外线。但随着科学技术的发展, 目前已研制出了可避开阳光中紫外线光谱的新型紫外成像仪, 从而可以使该项技术在白天使用。但检测结果容易受到观察角度的影响。红外成像法的原理与紫外成像相同, 不同的是检测缺陷绝缘子与正常绝缘子表面温度的差异。由于这种温度差很小, 对于瓷质绝缘子只有一度左右, 因而灵敏度较低[1]。

1.1.2超声波检测法[2]

超声波是机械波, 衰减很慢, 当它在弹性介质中传播时, 遇界面会产生反射、折射和模式变换。因此材料中的缺陷、微观组织结构、铸造缺陷(微裂纹、夹杂)等信息都可以通过超声波信号反应出来。超声波脉冲由超声波发生器进入绝缘子介质,当绝缘子有裂缝时, 就会在超声波传播的相应时间产生该裂缝的反射波。由反射波的大小和产生反射波的时间位置即可判断绝缘子的缺陷情况。该方法具有灵敏度高、速度快、成本低、操作简单及安全可靠等优点, 可以准确地检测出有裂缝的绝缘子。但对未开裂的绝缘子不起作用, 而且由于超声波本身存在耦合、衰减及超声换能器性能问题, 只能到现场逐个检测。目前该方法主要用于企业生产中的检测以及实验室鉴定。

1.1.3红外测温法[3,4]

绝缘子发生电晕放电或泄漏电流流过绝缘物质时的电阻损耗都可引起绝缘子局部温度升高。红外测温技术就是利用观察绝缘子局部发热所发出的红外线来发现缺陷。现有的红外测温仪一般由光学系统探测器、信号处理电路及显示终端等组成。当被测物体辐射的能量通过大气媒介传输到红外测温仪上时, 它内部的光学系统会将辐射能量汇聚到探测器上, 并转换成电信号, 再通过放大电路、补偿电路及线性处理后, 在终端显示出被测物体的温度。红外测温具有携带方便、操作简单等特点。但测量易受阳光、大风、潮气、环境温度及一些能引起绝缘子表面温度急剧变化因素的影响, 测量结果不是很准确。

1.1.4无线电波法

不良绝缘子发生电晕放电时, 会发出一定频的电磁波, 无线电波法就是根据

接收电磁波的天的方向和电磁波的强度来判断被测绝缘子是否存缺陷的。无线电波法具有设备简单、操作方便的优但其抗干扰能力差, 灵敏度低。

1.1.5激光多谱勒法

存在裂缝的绝缘子的振动中心频率与正常绝子有很大差异。将超声波发生器所发出的超声用抛物型反射镜或用激光源对准被测绝缘子, 以起绝缘子的微小振动, 然后将激光多谱勒仪发出激光对准被测绝缘子, 根据反射回来的信号的频分析, 即获得该绝缘子的振动中心频率值, 据此判断被测绝缘子的好坏。由于该仪器对未开裂的绝缘子检测无效以及作复杂、体积庞大、笨重、使用维修复杂、造价等缺点, 没有广泛使用。

2接触式检测法

接触式检测法按工作原理主要有电压分布法、泄漏电流检测法及脉冲电流检测法等。

2.1电压分布法目前很多实验和理论研究已经证明, 正常绝缘子串的电压分布为不完全马鞍型, 即靠近导线处绝缘子所承受的电压最高, 约为接地端绝缘子所承受电压的1. 7～

3. 0 倍[5], 而绝缘子串中间部分所承受的电压最低。当出现不良绝缘子时, 绝缘子串上的电压将重新分布, 如把实际测得电压分布与正常时绝缘子串上的电压分布作比较, 有利于判断不良绝缘子是否存在。目前国内利用电压分布原理进行绝缘子检测的方法较多, 主要有短路叉法、火花间隙

法、光电式检测杆法、声脉冲检测法等。短路叉法及火花间隙法[6]是早期绝缘子检测的主要方法。短路叉法是依靠单片绝缘子短路时所发出的火花及放电声音来检测不良绝缘子的。测试结果受周围环境背景噪声影响很大, 且因测试人员的判断不同而异。火花间隙法是用可调间隙来测量每片绝缘子上的电压, 主要缺点是读数分散性大。两种方法最主要的优点是测试设备原理简单、操作方便; 最大的缺点是准确度低, 且都要登杆登塔, 因而劳动强度大、危险性高。光电检测杆法是随着光纤技术的发展而产生的。主要原理是将高压探头上的感应电压经光电转换变成光信号, 经绝缘杆内部的光纤传到低压侧,经处理后以数字形式显示出来。其优点是测量危险性小、绝缘子串电压分布能够直观地测量出来,不足之处仍需到现场逐个进行测量,且需登杆登塔。声脉冲检测法的主要原理是某片绝缘子上电压通过两个探头组成的回路对电容器充电, 然后经放电管和扬声器放电, 扬声器发出声波的频率及发声间隔随两个探头之间电压变化而变化, 因此根据测量扬声器所发出的声脉冲周期及频率来检测沿绝缘子的电压分布[7]。

2.2绝缘电阻法

绝缘子在线检测中, 绝缘电阻的测量是通过泄漏电流的测量得以实现的。众所周知, 高压输电线路绝缘子一般都采用结构简单、机械强度高、老化率低的盘形悬式绝缘子串接成串后, 可在任意电压等级的输电线上使用, 其等效电路可用RC 串并联电路表示[8], 如图1 所示。正常时, 泄漏电流为毫安级, 当绝缘子串中有零值或低值绝缘子时, 其对地泄漏电流的值将发生较大的变化。该变化值依绝缘子劣化的程度及个数而异, 但通过检测灵敏度及准确度较高的电流传感器是完全可以准确判断的, 文献[9]在实验室证明了这一点。