張寶棟，邵明燕，李曉磊，劉 寶，王京瓊

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

絕緣子是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其中瓷質(zhì)絕緣子在輸變電設(shè)備尤其是110～220 kV線路中應(yīng)用非常廣泛。瓷質(zhì)絕緣子由鋼帽、瓷件和鋼腳3部分組成，瓷件作為其主要絕緣材料，在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期受到強(qiáng)電場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力、冷熱交替以及各種復(fù)雜工況的沖擊，極易發(fā)生污穢閃絡(luò)、泥膠膨脹破壞、電熱老化擊穿和本身銹跡爬電等現(xiàn)象，導(dǎo)致絕緣子絕緣劣化，形成零值或低值絕緣子［1-3］。當(dāng)含有零值或低值絕緣子的絕緣子串發(fā)生閃絡(luò)、遭到雷電或操作過(guò)電壓沖擊時(shí)，零值或低值絕緣子的瓷件內(nèi)部會(huì)形成導(dǎo)電通道，電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的熱量將引起瓷件熱膨脹，從而導(dǎo)致鋼帽炸裂、絕緣子掉串等一系列問(wèn)題，這將對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。為掌握絕緣子的運(yùn)行實(shí)況，將開(kāi)展設(shè)備的狀態(tài)檢修工作提上日程，而不停電、高效率的檢測(cè)方法將是未來(lái)絕緣子檢測(cè)的主要發(fā)展方向。

1 瓷質(zhì)絕緣子檢測(cè)方法介紹

目前，瓷質(zhì)絕緣子的檢測(cè)方法主要有短路叉法、電壓分布法、超聲波法、紫外成像法和紅外熱像法等［4-7］。短路叉法是目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)方法之一，該方法通過(guò)短路叉將絕緣子片鋼帽和鋼腳短接，根據(jù)短路叉尾端放電間隙是否產(chǎn)生放電來(lái)判斷絕緣子的運(yùn)行狀況，該方法操作簡(jiǎn)單，能夠有效地檢測(cè)出低值及零值絕緣子，但是檢測(cè)效率低、安全性差，容易造成漏檢或誤檢。電壓分布法是使用絕緣子串電壓分析儀對(duì)停電絕緣子串的電壓分布進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)分析各個(gè)絕緣子承受的電壓大小來(lái)判斷，該方法測(cè)試準(zhǔn)確，能夠靈敏地檢測(cè)到低值及零值絕緣子，但該方法需要申請(qǐng)停電檢修，在檢測(cè)時(shí)需要登桿作業(yè)，局限性較大。超聲波檢測(cè)法是通過(guò)檢測(cè)絕緣子表面局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)來(lái)判定是否有零值絕緣子的存在，該方法操作簡(jiǎn)便，但是在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)容易受到周圍設(shè)備噪聲影響，準(zhǔn)確率低。紫外成像法是利用成像儀接收放電時(shí)產(chǎn)生的微弱紫外線光子實(shí)現(xiàn)確定零值絕緣子位置的目的，此法不易受到外界干擾，但紫外成像法只能檢測(cè)到較強(qiáng)的放電，低值絕緣子漏檢現(xiàn)象較嚴(yán)重［7］。紅外熱像法是利用紅外熱像儀檢測(cè)被測(cè)設(shè)備輻射出的紅外能量，從而檢測(cè)出被測(cè)設(shè)備的溫度值，通過(guò)對(duì)比分析設(shè)備正常運(yùn)行狀況下的發(fā)熱規(guī)律與故障狀況下的典型圖譜，得出是否存在低值或零值絕緣子的結(jié)論，紅外熱像法檢測(cè)絕緣子運(yùn)行狀況具有非接觸、安全距離大、不停電、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在易受環(huán)境影響、測(cè)試時(shí)需要避開(kāi)各種熱源干擾的缺點(diǎn)［8-13］。

根據(jù)以上分析，利用紅外熱像法對(duì)絕緣子串進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，一方面能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的劣化絕緣子，合理安排檢修計(jì)劃，避免事故發(fā)生；另一方面通過(guò)定期對(duì)輸變電設(shè)備展開(kāi)紅外測(cè)試，分析各絕緣子串的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，可將故障扼殺在早期的萌芽狀態(tài)。

2 紅外熱像法檢測(cè)原理

絕緣子正常運(yùn)行時(shí)通過(guò)的電流主要由電解質(zhì)在工頻電壓作用下的極化電流、表面爬電泄漏電流和內(nèi)部穿透性泄漏電流3部分組成。運(yùn)行狀況良好時(shí)主要是電解質(zhì)在工頻電壓作用下的極化電流，當(dāng)絕緣子表面出現(xiàn)裂紋、積污以及內(nèi)部老化時(shí)表面爬電泄漏電流或者內(nèi)部穿透性泄漏電流就會(huì)增大，且劣化現(xiàn)象越嚴(yán)重電流增大越多，此時(shí)將導(dǎo)致絕緣子溫度升高。紅外熱像法正是利用良好絕緣子和劣化絕緣子之間溫升的不同，通過(guò)同相或相間絕緣子之間紅外圖譜的比較，檢測(cè)出劣化的絕緣子。

運(yùn)行良好的絕緣子串溫度分布曲線表現(xiàn)為一種不對(duì)稱的馬鞍形［14］，如圖1所示，但當(dāng)存在劣化絕緣子時(shí)，溫度分布曲線中會(huì)出現(xiàn)溫度升高的某點(diǎn)，表現(xiàn)為不正常的突變，利用這些特征即可對(duì)劣化絕緣子進(jìn)行識(shí)別和定位。

由于正常絕緣子與劣化絕緣子運(yùn)行時(shí)溫度差別很小，為保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，應(yīng)采用精確檢測(cè)法。

圖1 正常絕緣子串溫度分布曲線

3 紅外熱像法檢測(cè)絕緣子的應(yīng)用

采用紅外精確檢測(cè)法對(duì)220 kV變電站瓷質(zhì)絕緣子展開(kāi)缺陷排查工作，通過(guò)對(duì)紅外圖片進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了兩起瓷質(zhì)絕緣溫度異常缺陷。

3.1 主變壓器進(jìn)線瓷質(zhì)絕緣子溫度異常缺陷

甲變電站間隔絕緣子為xp-7型戶外用防污絕緣子，每串16片，投運(yùn)年限較長(zhǎng)，位于e級(jí)污穢區(qū)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，污染十分嚴(yán)重。測(cè)量環(huán)境為無(wú)風(fēng)干燥的夜間，環(huán)境溫度5℃，測(cè)量中發(fā)現(xiàn)2號(hào)主變壓器進(jìn)線220 kV側(cè)B相和C相瓷質(zhì)絕緣子溫度異常，B相第1片、第4片絕緣子和C相第1片絕緣子均呈現(xiàn)出較相鄰絕緣子片溫度升高現(xiàn)象，如圖2和圖3所示。

圖2 220 kV 2號(hào)主變壓器進(jìn)線側(cè)B相紅外圖譜

圖3 220 kV 2號(hào)主變壓器進(jìn)線側(cè)C相紅外圖譜

從圖2、圖3中可以看出絕緣子串以鋼帽為中心到瓷件邊緣溫度逐漸減小，整體溫度十分接近，但B相第1片和第4片絕緣子、C相第1片絕緣子鋼帽溫度明顯升高。這是由于內(nèi)部穿透性泄漏電流產(chǎn)生較大的熱效應(yīng)，大量的熱量通過(guò)鋼帽向外傳導(dǎo)，體現(xiàn)在紅外色譜上即較正常絕緣子呈現(xiàn)出較亮的顏色。

利用紅外分析軟件將所測(cè)紅外圖譜中絕緣子串中心軸向溫度導(dǎo)出，并繪制成溫度分布曲線，得到絕緣子串中心軸向溫度分布曲線如圖4所示。

圖4 三相絕緣子串溫度分布

從圖4中可以看出三相絕緣子串溫度整體上呈現(xiàn)為一條鋸齒狀的曲線，A相絕緣子串溫度分布均呈不對(duì)稱的馬鞍形，相鄰兩片絕緣子串的溫度差異很小。B相與C相溫度曲線雖然呈現(xiàn)出鋸齒狀曲線，但是B相第1片絕緣子溫度比第2片絕緣子溫度高1.5℃，第4片絕緣子溫度比第3片絕緣子溫度高0.7℃左右，C相第1片絕緣子溫度比第2片絕緣子溫度高0.6℃，明顯不符合正常絕緣子串相鄰兩片絕緣子溫度分布規(guī)律。根據(jù)DL／T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》可初步判定：B相第1片絕緣子為低值絕緣子：B相第4片及C相第1片絕緣子由于溫差沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的大于1℃的要求，不屬于低值絕緣子。從三相絕緣子串總體溫度分布曲線可以看出，由于劣化絕緣子的存在導(dǎo)致B和C相絕緣子串整體溫度升高，尤其是高壓端溫度抬升現(xiàn)象明顯，這是由于劣化絕緣子絕緣電阻大幅下降致使泄漏電流增大的緣故。

3.2 韓錦線瓷質(zhì)絕緣子溫度異常缺陷

220 kV韓錦線1號(hào)桿為耐張桿，絕緣子串長(zhǎng)期承受較高的機(jī)械應(yīng)力，絕緣子為瓷質(zhì)戶外防污型絕緣子，每串16片，位于e級(jí)污穢區(qū)，防污閃措施為涂防污閃材料。測(cè)試環(huán)境為日落2h后，溫度為零度，測(cè)量中發(fā)現(xiàn)C相絕緣子串溫度分布異常，紅外圖譜及絕緣子串中心軸向溫度分布曲線如圖5和圖6所示。

圖5 錦韓線C相絕緣子紅外圖譜

圖6 三相絕緣子串溫度分布

從圖5中可以看出韓錦線C相高壓側(cè)第3片絕緣子亮度明顯高于第2片及第4片絕緣子，圖6中可以看出三相絕緣子溫度分布曲線中A和B相絕緣子溫度曲線基本一致，C相第3片絕緣子最高溫度為7℃，較第4片絕緣子（6℃）的溫升為1℃，根據(jù)DL／T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》可初步判斷出第3片為低值絕緣子?？傮w上看，含有劣化絕緣子的絕緣子串整體溫度會(huì)升高，高壓端升高明顯，低壓端溫差略有降低。

4 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

及時(shí)安排停電計(jì)劃，對(duì)紅外熱像檢測(cè)方法確定的異常絕緣子串進(jìn)行更換，對(duì)更換下的瓷質(zhì)絕緣子進(jìn)行外觀檢查、絕緣電阻測(cè)量、短路叉法測(cè)量、直流泄漏電流及交流耐壓試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)室檢查項(xiàng)目測(cè)試，確定各絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)紅外熱像檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 外觀檢查

對(duì)更換下來(lái)的絕緣子外觀進(jìn)行檢查，如圖7所示，更換下來(lái)的絕緣子串受環(huán)境影響表面臟污比較嚴(yán)重，在主變壓器進(jìn)線側(cè)B相第1片和第4片絕緣子鋼帽、C相第1片瓷件和鋼腳連接處，錦韓線C相第3片絕緣子瓷件和鋼腳連接處發(fā)現(xiàn)有放電燒蝕痕跡。

圖7 外觀檢查

4.2 絕緣電阻測(cè)試

對(duì)更換下來(lái)的絕緣子逐片進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中A1、B1、C1表示甲變電站2號(hào)主變壓器進(jìn)線間隔三相絕緣子串，A2、B2、C2表示韓錦線間隔三相絕緣子串。

表1 絕緣子絕緣電阻測(cè)試數(shù)據(jù) MΩ

根據(jù)DL／T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷技術(shù)應(yīng)用規(guī)范》規(guī)定：絕緣電阻值在10～300 MΩ的瓷質(zhì)絕緣子為低值絕緣子。從表1中可以看出B1第4片絕緣子為200 MΩ，C2第3片絕緣子為130 MΩ，這兩片絕緣子為低值絕緣子。試驗(yàn)結(jié)果與紅外熱像檢測(cè)所得結(jié)論不是十分吻合。該試驗(yàn)證明紅外熱像法可以有效地檢測(cè)到劣化絕緣子的狀態(tài)，但是所依據(jù)的1K的判據(jù)在判斷低值絕緣子的過(guò)程中并不是十分的精確。

4.3 短路叉法測(cè)試

利用短路叉法對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)是目前絕緣子檢零工作中應(yīng)用最為廣泛的方法，在實(shí)驗(yàn)室中模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境并使用短路叉進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中正常絕緣子產(chǎn)生明顯的火花放電現(xiàn)象，對(duì)于低值絕緣子即B1第4片和C2第3片絕緣子沒(méi)有明顯的放電現(xiàn)象，可以看出短路叉法可以檢測(cè)出低值絕緣子，檢測(cè)過(guò)程中對(duì)于已經(jīng)劣化但未達(dá)到低值絕緣子水平的B1第1片和C1第1片檢測(cè)效果不明顯，進(jìn)而無(wú)法對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)做出正確的判斷。將紅外熱像法分析結(jié)果與短路叉法測(cè)試結(jié)果均與絕緣子串實(shí)際絕緣電阻測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得出短路叉法檢測(cè)效果較紅外熱像法檢測(cè)效果更準(zhǔn)確，但對(duì)于已經(jīng)劣化但未達(dá)到低值絕緣子水平的絕緣子不靈敏。

4.4 絕緣子泄漏電流測(cè)試

為更好地掌握絕緣子的狀況，將5 kV、10 kV、20 kV、30 kV的直流電壓分別施加到4片劣化絕緣子以及正常絕緣子上，測(cè)量其對(duì)應(yīng)電壓下的直流泄漏電流，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 絕緣子直流泄漏電流測(cè)試結(jié)果

由表2可知，正常絕緣子各直流電壓下泄漏電流數(shù)值基本為0，運(yùn)行狀態(tài)良好。B1第4片和C2第3片絕緣子泄漏電流數(shù)值較大，在直流20 kV時(shí)均出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象，B1第1片、C1第1片相對(duì)于正常絕緣子各電壓下的直流泄漏電流均有明顯增大。直流泄漏電壓測(cè)試結(jié)果與絕緣電阻測(cè)試結(jié)果一致，從另一方面驗(yàn)證了紅外熱像法檢測(cè)劣化絕緣子的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著狀態(tài)檢修工作的全面開(kāi)展，利用紅外熱像法及時(shí)掌握瓷絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要的意義，通過(guò)對(duì)兩起紅外熱像法發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析和驗(yàn)證，證明紅外熱像法在檢測(cè)絕緣子狀態(tài)中的有效性。

使用紅外熱像法檢測(cè)絕緣子狀態(tài)時(shí)，宜在陰天或夜間使用精度較高的紅外熱像儀進(jìn)行，正常的絕緣子串溫度分布為一條鋸齒狀的不對(duì)稱分布的馬鞍形曲線，判斷絕緣子狀態(tài)是否異常時(shí)可以用同相或者相間絕緣子之間相互比較的方法。

在分析中發(fā)現(xiàn)紅外熱像法檢測(cè)瓷質(zhì)絕緣子串高壓側(cè)絕緣子運(yùn)行狀況效果不理想，應(yīng)進(jìn)一步研究各種異常情況下的典型圖譜，進(jìn)一步完善紅外熱像法檢測(cè)規(guī)程，推廣紅外熱像檢測(cè)方法以提高絕緣子的安全運(yùn)行水平。