高 陽(yáng)，代小敏，曹 宇，張 博，張永輝（沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

電場(chǎng)測(cè)量法檢測(cè)絕緣子內(nèi)缺陷的研究

高 陽(yáng)，代小敏，曹 宇，張 博，張永輝
（沈陽(yáng)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

絕緣子是電力系統(tǒng)中使用量巨大并且十分重要的電力設(shè)備。針對(duì)目前絕緣子檢測(cè)方法中存在的操作復(fù)雜、檢測(cè)結(jié)果不直觀和準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題，本論文提出采用電場(chǎng)測(cè)量法測(cè)量絕緣子的內(nèi)絕緣缺陷，研究了影響絕緣子帶電檢測(cè)儀靈敏度的因素以及帶電工作狀態(tài)下可能存在的干擾問(wèn)題，提出了相應(yīng)的抗干擾措施，能夠有效地檢測(cè)出絕緣子的內(nèi)絕緣導(dǎo)通性故障信息。

絕緣子；電場(chǎng)測(cè)量法；靈敏度；抗干擾

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.228

0　引言

絕緣子的用途是將電位不同的導(dǎo)體在機(jī)械上相互連接，而在電氣上相互絕緣［1］。常見的絕緣子有陶瓷絕緣子、玻璃鋼化絕緣子、合成絕緣子和半導(dǎo)體絕緣子等［2］，合成絕緣子因其優(yōu)良的機(jī)械性能以及優(yōu)異的憎水性、憎水遷移性和憎水恢復(fù)性，而被廣泛應(yīng)用于電力輸電線路中。隨著合成絕緣子用量及運(yùn)行時(shí)間的增加，合成絕緣子性能逐步下降導(dǎo)致其自身缺陷不斷增加。絕緣子缺陷主要分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷［3］。綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，絕緣子的檢測(cè)方法分為電量檢測(cè)法和非電量檢測(cè)法，非電量檢測(cè)法的檢測(cè)成本比較高，且或多或少會(huì)受到外界環(huán)境因素的影響。電量檢測(cè)法需要登高測(cè)量，危險(xiǎn)性高，且污穢而潮濕的合成絕緣子電場(chǎng)分布扭曲嚴(yán)重，難以識(shí)別缺陷［4］。從目前的現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還是空白，沒(méi)有成熟的理論和儀器設(shè)備。因此，為了發(fā)現(xiàn)合成絕緣子存在的早期缺陷，及時(shí)防止因缺陷的發(fā)展而造成的事故，開展合成絕緣子內(nèi)缺陷帶電檢測(cè)技術(shù)的研究并開發(fā)相應(yīng)的帶電檢測(cè)裝置十分必要和緊迫。

1　電場(chǎng)法的檢測(cè)原理

高壓線路上的合成絕緣子可以簡(jiǎn)化為夾在兩金屬電極之間的連續(xù)的絕緣材料，絕緣子的傘裙對(duì)電場(chǎng)分布幾乎沒(méi)有影響，可以不予考慮［5］。圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)化模型，曲線A是根據(jù)電磁場(chǎng)理論計(jì)算出的電場(chǎng)強(qiáng)度沿絕緣子軸向的變化曲線。正常情況下該曲線是光滑的，顯“U”形。當(dāng)絕緣子存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)（見圖中黑點(diǎn)），此處的電位變?yōu)橐怀?shù)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度是電位沿長(zhǎng)度的變化率，因此此處的電場(chǎng)強(qiáng)度將突然降低，作出的電場(chǎng)分布曲線也不再光滑，而是在相應(yīng)的位置上有畸變（中間下陷，兩端上升），見圖1中曲線B。由此可見，通過(guò)測(cè)量合成絕緣子串的軸向電場(chǎng)分布，可以找出絕緣子的內(nèi)絕緣導(dǎo)通性故障［6-9］。

圖1　電場(chǎng)分布曲線

2　靈敏度實(shí)驗(yàn)研究

2.1均壓環(huán)對(duì)測(cè)量靈敏度的影響

一些合成絕緣子在高壓端帶有均壓環(huán)［10-11］。均壓環(huán)會(huì)對(duì)絕緣子電場(chǎng)分布特別是對(duì)高壓端的電場(chǎng)產(chǎn)生影響［12］，使高壓端附近電場(chǎng)分布趨于均勻，所以我們對(duì)均壓環(huán)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索。

圖2是良好絕緣子加均壓環(huán)后的電壓分布曲線與無(wú)均壓環(huán)時(shí)的曲線相比，高壓端變化趨慢。圖3（a），（b），（c）分別是加均壓環(huán)后絕緣子高壓端一片、兩片、三片傘被短路后的電壓分布曲線?？梢钥闯?，曲線高壓端的下降幅度與同類缺陷無(wú)均壓環(huán)時(shí)相比明顯減小，以至一片短路缺陷不能被識(shí)別，兩片短路缺陷能夠識(shí)別但不十分明顯，三片短路缺陷仍然十分明顯。曲線的中部、低壓端沒(méi)有變化，說(shuō)明均壓環(huán)對(duì)絕緣子中部、低壓端缺陷的檢測(cè)不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖 2 場(chǎng)強(qiáng)曲線

圖3　高壓端帶均壓環(huán)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)曲線

2.2水分和污穢對(duì)測(cè)量的影響

由于污穢和水分可能增強(qiáng)絕緣子表面泄露電流［13-15］并且造成表面電阻分布不均勻，從而改變絕緣子電場(chǎng)分布，對(duì)靈敏度產(chǎn)生影響，所以我們對(duì)這些因素的作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探索，測(cè)量了干燥有污穢、潮濕清潔、潮濕有污穢等情況下絕緣子有、無(wú)缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，表面有污穢但干燥的良好絕緣子和清潔但潮濕的良好絕緣子都具有與清潔干燥的良好絕緣子相同的電場(chǎng)分布曲線，即污穢和水分單獨(dú)不會(huì)影響絕緣子電場(chǎng)的分布。例如，圖4（a）是絕緣子表面有水分中部第4片、5片、6片傘被短路時(shí)電場(chǎng)分布曲線，此曲線與無(wú)水分的曲線基本相同。但是，當(dāng)良好絕緣子即受污又受潮時(shí)，曲線具有波動(dòng)，污穢越嚴(yán)重，波動(dòng)越大。曲線本身的波動(dòng)與一些由微小缺陷引起的畸變難以區(qū)分。因此在檢測(cè)潮濕污穢絕緣子時(shí)，檢測(cè)儀的靈敏度會(huì)有所下降，而且更需要良好絕緣子的曲線作為參考，如圖4（b）（潮濕輕度污穢，中部第3、4、5、6片傘短路）所示。在潮濕輕污穢情況下，此方法仍可以檢測(cè)出中部短路三片傘裙和高壓端短路兩片傘裙的導(dǎo)體短路故障，在潮濕重污穢情況下，曲線劇烈波動(dòng)，無(wú)法判斷缺陷情況。

圖4　絕緣子被短路時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)曲線

2.3靈敏度分析

綜上所述，僅有水分或僅有污穢不會(huì)影響檢測(cè)靈敏度。均壓環(huán)不影響對(duì)中部缺陷的檢測(cè)靈敏度，均壓環(huán)會(huì)使儀器對(duì)高壓端缺陷的檢測(cè)靈敏度下降。水分和污穢同時(shí)存在時(shí)，判斷將受較大影響，污穢越重影響越大，直至無(wú)法做出判斷。但實(shí)際使用時(shí)，一般選擇良好天氣條件。

3　抗干擾措施

電氣設(shè)備工作時(shí)，在接收的信號(hào)中，除了接收有用的信號(hào)之外，還夾雜著一些無(wú)用的信號(hào)這種無(wú)用且不規(guī)則變化的信號(hào)—“噪聲”［16-19］，為了研究方便，把噪聲分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲兩類。外部噪聲對(duì)電氣設(shè)備的干擾幾乎都是通過(guò)以下兩種方式藕合實(shí)現(xiàn)的。

傳導(dǎo)藕合：噪聲通過(guò)導(dǎo)線（電源線、信號(hào)線等）直接進(jìn)入電氣設(shè)備，從而對(duì)電氣電路形成傳導(dǎo)禍合干擾。其干擾模式一般為常模干擾和共模干擾［20］。

空間藕合：空間藕合是噪聲通過(guò)“場(chǎng)”的禍合形式干擾電氣設(shè)備的。一種是“輻射藕合”，它是高頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁波在空間傳播，從而對(duì)電氣設(shè)備形成干擾。另一種是“感應(yīng)藕合”，它可分為“電場(chǎng)禍合”和“磁場(chǎng)禍合”［21-22］。

3.1傳導(dǎo)藕合干擾的抑制

對(duì)信號(hào)線上干擾的抑制前端機(jī)要正常工作，首先應(yīng)正確無(wú)誤地檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)。若信號(hào)受到嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致信號(hào)難以辨識(shí)，尤其對(duì)比較微弱的泄漏電流信號(hào)。在一些干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合，泄漏電流信號(hào)甚至?xí)谎蜎](méi)于干擾之中［23］。本系統(tǒng)漏電流、溫度、濕度都是mV級(jí)，是弱信號(hào)，為了獲得真實(shí)信號(hào)，采取如下措施：首先是提高信號(hào)幅值，從抑制傳輸干擾的角度看，提高信號(hào)幅值是一種簡(jiǎn)單而有效的方法。提高信號(hào)幅值就提高了“信噪比”，因而增強(qiáng)了信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗千擾能力。便于使用濾波器濾除噪聲信號(hào)。為此前端機(jī)硬件上人為地將信號(hào)進(jìn)行前期放大。

3.2空間藕合干擾的抑制

空間藕合主要是通過(guò)“場(chǎng)”的藕合形式對(duì)前端機(jī)形成干擾，因此抑制干擾的措施應(yīng)放在對(duì)“場(chǎng)”的隔離上，場(chǎng)的隔離采用屏蔽的方法。屏蔽的實(shí)質(zhì)是通過(guò)屏蔽物體對(duì)外來(lái)的電磁干擾進(jìn)行吸收或反射以防止噪聲侵害電氣設(shè)備［24］。用導(dǎo)電性能良好的金屬導(dǎo)體制成的屏蔽體適用于電場(chǎng)的屏蔽，用高導(dǎo)磁材料制成的屏蔽體適用于磁場(chǎng)屏蔽［25］。

為了防止“干擾噪聲”通過(guò)空間藕合方式侵入信號(hào)線而進(jìn)入前端機(jī)，在干擾比較強(qiáng)的高壓線旁邊，傳輸線必須選用雙絞屏蔽線［26］。屏蔽層采用一點(diǎn)接地的方式，采用雙絞屏蔽線是因?yàn)殡p絞線相互絞合，在導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生相反的電動(dòng)勢(shì)，因此對(duì)外部干擾磁通的抑制較強(qiáng)。特別對(duì)低頻信號(hào)的傳輸，雙絞屏蔽線的屏蔽效果比較好。

4　總結(jié)

本文研究了電場(chǎng)測(cè)量法檢測(cè)絕緣子的內(nèi)缺陷故障，能夠檢測(cè)出合成絕緣子內(nèi)絕緣的大多數(shù)故障，對(duì)能夠產(chǎn)生短路危險(xiǎn)的、損壞嚴(yán)重的絕緣子具有較高的靈敏度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了水分、污穢和均壓環(huán)對(duì)檢測(cè)儀靈敏度的影響規(guī)律，提出了提高信號(hào)幅值和采用雙絞線屏蔽“場(chǎng)”的抗干擾措施來(lái)抑制外部信號(hào)對(duì)電氣設(shè)備的干擾，能夠有效提高檢測(cè)儀的工作質(zhì)量?；陔妶?chǎng)測(cè)量的絕緣子缺陷帶電檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)單，靈敏度高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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