祝永坤，孫 廣，高樹(shù)永，史文江，許大鵬，于明星，秦澔澔

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特010020；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074）

基于光學(xué)電場(chǎng)傳感技術(shù)的瓷質(zhì)劣化絕緣子在線檢測(cè)裝置

祝永坤1，孫 廣1，高樹(shù)永1，史文江1，許大鵬1，于明星1，秦澔澔2

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特010020；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074）

輸電線路絕緣子串的性能對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。為了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的檢測(cè)輸電線路中可能存在的劣化絕緣子，通過(guò)試驗(yàn)及仿真分析傳感器材料及封裝性等因素對(duì)檢測(cè)精度的影響，優(yōu)化了光學(xué)電場(chǎng)傳感器對(duì)絕緣子周邊電場(chǎng)強(qiáng)度的檢測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研制了劣化絕緣子在線檢測(cè)裝置。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該檢測(cè)裝置能夠?qū)崟r(shí)、有效的檢測(cè)出絕緣子串是否存在劣化情況。

光學(xué)電場(chǎng)傳感器；劣化絕緣子；電場(chǎng)分布；在線檢測(cè)裝置

0 引言

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略的布局和全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，對(duì)于電網(wǎng)在各類極端環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來(lái)越高。在輸電線路運(yùn)行中，絕緣子是輸電系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)目最多、安全運(yùn)行最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。絕緣子的劣化將直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，如果絕緣子串中存在零值，一旦發(fā)生閃絡(luò)，零值絕緣子的鋼帽經(jīng)常會(huì)炸裂或脫開(kāi)，從而出現(xiàn)絕緣子串的掉串和電力線路的導(dǎo)線落地等嚴(yán)重事故，有可能造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。

針對(duì)劣化絕緣子的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了很多研究，提出了多種方法[1-8]，可以歸為以下幾種：觀察法、紫外成像法、紅外測(cè)溫法、聲波檢測(cè)法、電壓分布法、電暈脈沖電流法以及電場(chǎng)分布法。紫外成像法主要通過(guò)夜間觀測(cè)絕緣子的局部放電現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行判斷，這種方法局限性在于需要夜間觀察且僅適用于檢測(cè)絕緣子的局部放電現(xiàn)象；紅外測(cè)溫法主要原理為絕緣材料損壞時(shí)泄漏電流或局部放電通過(guò)絕緣子時(shí)引起的溫度升高，這種方法缺點(diǎn)明顯，極易受到環(huán)境因素的干擾；聲波檢測(cè)法主要檢測(cè)因絕緣子局部放電產(chǎn)生的聲波，但這種方法極易受到電暈放電噪聲或外界噪聲的干擾，檢測(cè)效果不佳；電壓分布法主要原理為檢測(cè)絕緣子劣化導(dǎo)致的絕緣子分擔(dān)電壓降低，這種方法易受強(qiáng)電磁干擾且效率極低；電暈脈沖電流法主要是基于絕緣子劣化導(dǎo)致的電流脈沖數(shù)量增加而進(jìn)行檢測(cè)判斷，這種方法準(zhǔn)確度不高。

絕緣子一旦發(fā)生劣化，必然存在阻值的降低，從而導(dǎo)致絕緣子所承擔(dān)的電壓以及其周邊的電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化。筆者基于光學(xué)電場(chǎng)傳感[9]的基本原理，通過(guò)試驗(yàn)及軟件仿真，對(duì)傳感器材料及封裝性等因素進(jìn)行分析，優(yōu)化基于光學(xué)電場(chǎng)傳感的檢測(cè)方法，研制出光學(xué)電場(chǎng)傳感的在線檢測(cè)裝置，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 電場(chǎng)分布法的基本原理

筆者所研制的絕緣子劣化自動(dòng)檢測(cè)裝置主要采用對(duì)絕緣子附近電場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，判斷其是否符合良好運(yùn)行情況下的電場(chǎng)分布，從而判斷絕緣子是否發(fā)生劣化現(xiàn)象。

自動(dòng)檢測(cè)裝置的傳感器是其中最核心的部件，基于Pockels效應(yīng)[10]的光學(xué)電場(chǎng)傳感器。Pockels效應(yīng)又被稱為線性效應(yīng)，其主要存在于某些不具有對(duì)稱中心的晶體。當(dāng)入射光沿晶體光軸入射，不加電場(chǎng)時(shí)，入射光在晶體內(nèi)不發(fā)生雙折射，加電場(chǎng)后，晶體感生雙折射，光的相位發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)相位差可以反映電場(chǎng)強(qiáng)度。雙折射產(chǎn)生的相位差與所加電場(chǎng)強(qiáng)度值線性相關(guān)。

圖1 光學(xué)電場(chǎng)傳感器基本原理圖Fig.1 The principle of optical electric field sensor

通過(guò)測(cè)量絕緣子表面電場(chǎng)分布情況，可以獲得絕緣子在實(shí)際運(yùn)行中的電氣性能，判斷其是否發(fā)生劣化，從而實(shí)現(xiàn)絕緣子的帶電檢測(cè)。

2 光學(xué)電場(chǎng)傳感器的研制及試驗(yàn)

2.1 傳感器材料的選擇

感應(yīng)材料作為光學(xué)電場(chǎng)傳感器最重要的組成部分，直接決定了測(cè)量的準(zhǔn)確性。感應(yīng)材料的折射率和電光系數(shù)是其中的判斷材料是否適合的重要指標(biāo)。盡管有很多晶體都具有電光效應(yīng)，但是它們也同時(shí)具有了自然雙折射、熱釋電效應(yīng)等可能會(huì)影響檢測(cè)穩(wěn)定性的性能。

就目前來(lái)說(shuō)，BGO、BSO、KDP這幾種晶體在具備電光效應(yīng)的同時(shí)無(wú)自然雙折射、熱釋電效應(yīng)，屬于較為合適的傳感器材料。因BGO晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且不易潮解，適用于環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，筆者選擇該晶體作為傳感器材料。

BGO（Bi3Ge4O12）晶體基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 BGO晶體物理性能參數(shù)表Table 1 The physical property parameters of BGO crystal

2.2 傳感器對(duì)周邊電場(chǎng)的影響

傳感器進(jìn)入到電場(chǎng)中會(huì)對(duì)原電場(chǎng)產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致所測(cè)得的電場(chǎng)并非原來(lái)的電場(chǎng)，而是畸變電場(chǎng)[11-15]。為避免增大檢測(cè)誤差，筆者對(duì)傳感器所導(dǎo)致的畸變電場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)Ansys仿真軟件，建立絕緣子串及傳感器的電場(chǎng)仿真模型，分析實(shí)際測(cè)量時(shí)傳感器周邊的電場(chǎng)分布情況，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳感器周邊電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖Fig.2 The distribution of electric field intensity around the sensor

通過(guò)仿真計(jì)算可知，距離傳感器1.5 cm以內(nèi)的空間中，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有所變化，其變化的幅度小于20%，距離傳感器1.5 cm以上的空間中電場(chǎng)強(qiáng)度基本不變。由此說(shuō)明，只要距離大于1.5 cm，即可認(rèn)為傳感器對(duì)周邊電場(chǎng)不產(chǎn)生影響。

2.3 傳感器方向性的選擇

光學(xué)電場(chǎng)傳感器對(duì)電場(chǎng)的感應(yīng)具有明顯的方向性，其感應(yīng)到的電場(chǎng)是一個(gè)矢量電場(chǎng)。本文以大型平板電極為高電位，試驗(yàn)平臺(tái)作為零電位，兩者用支柱絕緣子進(jìn)行支撐，在中間水平放置傳感器晶體，以塑料瓶支撐進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 大型平板電極試驗(yàn)裝置圖Fig.3 The device of large plate electrode

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳感器不同方向時(shí)的測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results in different directions of the sensor

從表2中可得，采用水平方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)其電場(chǎng)感應(yīng)系數(shù)為1.14（即測(cè)量相對(duì)誤差的均值為14%），采用垂直方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)其電場(chǎng)感應(yīng)系數(shù)為1.65（即測(cè)量相對(duì)誤差的均值為65%）；因此，本文擬采用水平方式對(duì)絕緣子周邊電場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)。

2.4 傳感器封裝性對(duì)檢測(cè)精度的影響

傳感頭的封裝主要是根據(jù)封裝形狀以及封裝材料決定的。通常會(huì)選擇較小的尺寸和較小的介電常數(shù)，以便傳感頭所感應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度與空氣的電場(chǎng)強(qiáng)度具有較好的一致性。本文將裸傳感頭、鋼板封裝、有機(jī)玻璃封裝、環(huán)氧板封裝的傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在相同大小尺寸、相同加載環(huán)境下，分析不同封裝材料對(duì)檢測(cè)精度的影響情況，具體如表3所示。

從表3分析可得，任意一種封裝都會(huì)對(duì)電場(chǎng)測(cè)量系數(shù)產(chǎn)生影響。在相同大小尺寸情況下，采用鋼板進(jìn)行封裝會(huì)產(chǎn)生29.5%的系數(shù)變化，采用玻璃或環(huán)氧板進(jìn)行封裝，產(chǎn)生的系數(shù)變化基本相同，在21.5%左右。因此，若外界環(huán)境對(duì)傳感器材料影響較小，建議采用裸傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

表3 封裝性材料對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確性的影響Table 3 Influence of packaging materials on the accuracy of detection （V）

3 自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。圖中1為信號(hào)處理器，2為單模光纖，3為位置控制裝置，4為可伸縮絕緣桿，5為光學(xué)電場(chǎng)傳感器。

圖4 自動(dòng)檢測(cè)裝置基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure of automatic detection device

根據(jù)圖4的結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了自動(dòng)檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.5 Structure design of automatic detection device

該檢測(cè)裝置首先由計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)射無(wú)線信號(hào)遠(yuǎn)程控制裝置中的信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊根據(jù)操作者在計(jì)算機(jī)上輸入的測(cè)量位置控制定位裝置和傳動(dòng)裝置，使得絕緣桿調(diào)整自身長(zhǎng)度和與絕緣子的水平距離；當(dāng)光學(xué)電場(chǎng)傳感器到達(dá)給定的位置后，操作者在計(jì)算機(jī)上發(fā)出指令，通過(guò)信號(hào)處理模塊開(kāi)啟激光源通過(guò)光纖對(duì)傳感器進(jìn)行光激勵(lì)并返回場(chǎng)強(qiáng)光信號(hào)，信號(hào)處理模塊接收返回的場(chǎng)強(qiáng)光信號(hào)并加以處理，獲得電場(chǎng)強(qiáng)度值，將該值通過(guò)無(wú)線信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)記錄該位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度值；重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子串附近從高壓端到低壓端電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。計(jì)算機(jī)根據(jù)獲得的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得一條電場(chǎng)分布曲線。對(duì)于正常絕緣子串，其周邊的電場(chǎng)分布應(yīng)是一條平滑曲線，可以通過(guò)仿真計(jì)算獲得。因此，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以判斷該絕緣子是否發(fā)生劣化現(xiàn)象。

筆者所設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置可以長(zhǎng)時(shí)間掛網(wǎng)運(yùn)行，可以在地面通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)絕緣子周邊電場(chǎng)強(qiáng)度，判斷絕緣子的運(yùn)行情況。

4 自動(dòng)檢測(cè)裝置的研制及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于圖5的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，研制了絕緣子劣化自動(dòng)檢測(cè)裝置，其外形圖如圖6所示。

圖6 絕緣子劣化自動(dòng)檢測(cè)裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of automatic detection device for insulator deterioration

圖6 左上角為光學(xué)電場(chǎng)傳感器，通過(guò)光纖連接傳動(dòng)裝置和信號(hào)處理模塊，圖中黑色模塊為傳動(dòng)裝置，白色模塊為信號(hào)處理模塊。

為了驗(yàn)證裝置的有效性和準(zhǔn)確性，在某高壓試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)選用220 kV電壓等級(jí)瓷絕緣子串，總共15片，懸掛在單相導(dǎo)線上，加載電壓123.7 kV。濕度65%，溫度26～28℃。

圖7 選擇不同的瓷絕緣子片F(xiàn)ig.7 Choose different porcelain insulator string on wire

布置完畢后依據(jù)第3章所述方法進(jìn)行操作，獲得良好絕緣子串周邊的電場(chǎng)分布；分別將第1片、第7片、第15片絕緣子更換為零值絕緣子，采用同樣的方法進(jìn)行操作，獲得劣化絕緣子串的電場(chǎng)分布。

檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 將傳感頭固定于絕緣桿端部，上下移動(dòng)絕緣桿Fig.8 The sensing head is moved up and down through the insulating tools

圖9 良好絕緣子與劣化絕緣子周邊電場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比Fig.9 Comparison of the electric field around the good insulator and the deteriorated insulator

從圖9中可得，良好絕緣子串的電場(chǎng)分布為V字型。若存在零值絕緣子片，在零值絕緣子附近，電場(chǎng)會(huì)有一個(gè)明顯的畸變。因此從曲線的畸變中明顯的觀察出零值絕緣子的存在以及位置，而且不論零值絕緣子出現(xiàn)在高壓端、低壓端還是中部，都能通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)，從而可以驗(yàn)證本文所研制裝置的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

為了能夠?qū)崟r(shí)、在線檢測(cè)絕緣子的電氣性能，筆者基于光學(xué)電場(chǎng)傳感的基本原理，采用電場(chǎng)分布法，設(shè)計(jì)研制了絕緣子劣化自動(dòng)檢測(cè)裝置并形成以下結(jié)論。

1）光學(xué)電場(chǎng)傳感器晶體材料應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性好、不易潮解的物理特性，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)，應(yīng)具備檢測(cè)穩(wěn)定性高、不受外部環(huán)境干擾的特性；

2）光學(xué)電場(chǎng)傳感器所產(chǎn)生的畸變電場(chǎng)對(duì)絕緣子周邊電場(chǎng)幾乎無(wú)影響；

3）光學(xué)電場(chǎng)傳感頭在檢測(cè)時(shí)應(yīng)水平放置，以提高檢測(cè)精度；

4）筆者所研制的自動(dòng)檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子串周邊電場(chǎng)的測(cè)量，可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行繪圖，準(zhǔn)確判斷絕緣子是否存在劣化情況。

筆者所研制的自動(dòng)檢測(cè)裝置為非接觸式電場(chǎng)測(cè)量，采用光纖傳輸光信號(hào)，避免強(qiáng)電磁干擾，可以地面控制傳感頭進(jìn)行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)，可準(zhǔn)確判斷絕緣子串是否存在劣化情況，保證了操作人員的安全性，降低了工作強(qiáng)度，提高了工作效率，為輸電線路的檢修提供了新的檢測(cè)設(shè)備和方法。

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On-Line Detection Device of Porcelain Deteriorated Insulator Based on Optical Electric Field Sensor Technology

ZHU Yongkun1，SUN Guang1，GAO Shuyong1，SHI Wenjiang1，XU Dapeng1，YU Mingxing1，QIN Haohao2
（1.Inner Mongolia Eastern Electric Power Co.，Ltd.，Hohhot 010020，China；2.Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China ）

The performance of insulator strings of transmission line is very important to the stability of power system.In order to detect deteriorated insulators of transmission lines in real-time and accurate，the influence on the detection accuracy by test and simulation analysis of sensor materials and packaging and other factors.The detection method of the electric field strength around the insulator is optimized by the optical electric field sensor，and the on-line detection device of the deteriorated insulator is designed and developed on the basis of the above.Through the field test，it is proved that the design of the detection device can effectively detect the existence of the insulator strings in real time.

optical electric field sensor；deteriorated insulator；electric field distribution；on-line detection device

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.026

2016-05-02

祝永坤 （1976—），男，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路檢修運(yùn)維的研究工作。