夏展鵬，王凌云，楊劍，邱立

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

瓷質(zhì)絕緣子串在變電站、發(fā)電廠、輸電線路中有著重要的應(yīng)用，不僅要求其具有良好的機(jī)械性能，還應(yīng)有著良好的電氣性能。由于瓷質(zhì)絕緣子串在運(yùn)行過程中長(zhǎng)期承受冷熱變化、機(jī)電負(fù)荷、機(jī)械應(yīng)力、大氣污染等作用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后會(huì)出現(xiàn)絕緣劣化、絕緣擊穿和閃絡(luò)放電等缺陷，為電網(wǎng)帶來重大的安全隱患[1-3]。

近年來，隨著紅外熱像技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及紅外圖像處理手段的提升，基于紅外熱像技術(shù)的劣化絕緣子檢測(cè)有了夯實(shí)的基礎(chǔ)條件[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同環(huán)境情況下絕緣子串電壓分布情況，對(duì)紅外熱像識(shí)別劣化絕緣子進(jìn)行了大量研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)濕度盡可能保持在80%左右，能提升零值絕緣子檢測(cè)準(zhǔn)確率[5-7]。針對(duì)工程實(shí)踐中劣化絕緣子的漏報(bào)問題，文獻(xiàn)[8]提出一種基于戴維南等效電路法的紅外檢測(cè)盲區(qū)計(jì)算方法，并得出電壓分布和溫度差范圍是影響盲區(qū)范圍大小的兩大核心因素。文獻(xiàn)[9-11]通過對(duì)絕緣子發(fā)熱機(jī)理與紅外熱像技術(shù)的研究，以工程中低零值為依據(jù)，分別對(duì)零值絕緣子處于絕緣子串中不同位置的紅外圖譜進(jìn)行分析，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的絕緣子串中有嚴(yán)重污穢絕緣子和零值絕緣子時(shí)，其熱像圖譜與正常圖譜有明顯差異，當(dāng)絕緣子串中的零值絕緣子位于高壓端時(shí)，紅外測(cè)溫圖譜表征為相鄰正常絕緣子示與零值絕緣子間溫差明顯。但以上文獻(xiàn)均未討論變電站內(nèi)劣化絕緣子的分布情況及相關(guān)結(jié)論。

本文分析瓷質(zhì)絕緣子的發(fā)熱機(jī)理，對(duì)運(yùn)行絕緣子串中零值絕緣子和污穢絕緣子進(jìn)行有效識(shí)別，論證紅外測(cè)溫技術(shù)的有效性和實(shí)用性，并得出相關(guān)結(jié)論，對(duì)實(shí)際工程中開展紅外檢測(cè)識(shí)別劣化絕緣子具有指導(dǎo)意義。

1 絕緣子串電壓分布的計(jì)算

1.1 絕緣子串等效電路模型

絕緣子的鋼帽、鋼腳、瓷盤等金具部分，帶電的輸電線路和接地的桿塔三者間存在雜散電容，導(dǎo)致絕緣子串中單片絕緣子的電壓分布不均勻，本文假設(shè)所有單片絕緣子的絕緣特性一致，絕緣子串的等效電路如圖1所示[12-13]。

在圖1中：Cgn為第n只絕緣子與接地構(gòu)架間的對(duì)地電容，其值約為2～5 pF；Cln為第n只絕緣子與高壓導(dǎo)線端電容，其值約為0.5～1.0 pF；C0n為第n只絕緣子的單只絕緣子電容；R0n為第n只絕緣子的絕緣電阻，其中絕緣電阻R0包含貫穿性電流的體積電阻Rv和表面電阻Rs。在表面干燥且絕緣性能良好的情況下，絕緣子的表面電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)部電流貫穿性體積電阻Rv，且等效電路中表面電阻Rs與體積電阻Rv為并聯(lián)關(guān)系，故絕緣電阻R0就等效為內(nèi)部電流貫穿性體積電阻Rv。

絕緣子串中的電壓分布發(fā)生畸變，靠近高壓電極側(cè)的絕緣子承擔(dān)的電壓降比較大，靠近接地構(gòu)架側(cè)的絕緣子承擔(dān)的電壓較小，因此整串絕緣子的電壓分布情況呈不對(duì)稱的馬鞍形。

圖1 絕緣子串的等效電路Fig.1 Equivalent circuit of insulator string

1.2 絕緣子串的電網(wǎng)絡(luò)方程

電網(wǎng)絡(luò)法是依據(jù)絕緣子串的等效電路，采用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣和交流電路進(jìn)行計(jì)算，并得出各絕緣子的電壓分布。本文根據(jù)絕緣子串等效電路，計(jì)算出節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，并應(yīng)用節(jié)點(diǎn)電壓法建立電網(wǎng)絡(luò)方程[14]，在MATLAB中對(duì)各絕緣子分布電壓進(jìn)行計(jì)算，該方法能快速、有效地改變絕緣子的運(yùn)行參數(shù)和所加的電壓，模擬不同電壓等級(jí)和絕緣子不同運(yùn)行參數(shù)，并得到電壓分布情況。

由圖1可知，等效電路的節(jié)點(diǎn)電壓矩陣

U=[U1U2…Un]T.

(1)

節(jié)點(diǎn)電流矩陣

I=[(G01+Gl1)UgGl2U2…Gl(n-1)U(n-1)]T.

(2)

節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣

(3)

式(1)—(3)中：Gli為絕緣子串中第i片絕緣子對(duì)高壓導(dǎo)線側(cè)的導(dǎo)納；Gci為絕緣子串中第i片絕緣子的高壓側(cè)導(dǎo)納和接地導(dǎo)納的和；G0i為絕緣子串中第i片絕緣子的自身導(dǎo)納；Ug為單相絕緣子串的運(yùn)行電壓；Un為第n片絕緣子的電壓。

絕緣子串中相鄰絕緣子間的電壓差(Udn為第n-1片與第n片絕緣子間的電壓差)分布為

(4)

綜上，依據(jù)電網(wǎng)絡(luò)方程，進(jìn)行仿真計(jì)算。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

在工程應(yīng)用中，變電站220 kV電壓等級(jí)的瓷質(zhì)絕緣子串通常采用13～18片，110 kV電壓等級(jí)采用7～10片。本次仿真實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)220 kV電壓等級(jí)的取14片、110 kV電壓等級(jí)的取8片，設(shè)導(dǎo)線端第1片絕緣子序號(hào)為1，并依次編號(hào)。按照絕緣子串的電網(wǎng)絡(luò)方程進(jìn)行仿真，考慮仿真的可操作性，假設(shè)該絕緣子串中所有單片絕緣子為同一批次，所有參數(shù)均一致，絕緣子串電壓分布及相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置見表1[15]。

為驗(yàn)證該算法的可行性，利用國(guó)內(nèi)某電力科學(xué)研究院帶電檢測(cè)試驗(yàn)中的電壓分布數(shù)據(jù)[16]，見表2。

表1 絕緣子串的電壓分布仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of voltage distribution of insulator string

表2 絕緣子串電壓的分布Tab.2 Voltage distribution of insulator string

通過電網(wǎng)絡(luò)方程模型，仿真計(jì)算得出電壓分布情況如圖2和圖3所示。

圖2 110 kV絕緣子串仿真與高壓測(cè)試電壓分布對(duì)比Fig.2 Comparison of voltage distribution between 110 kV insulator string simulation and high voltage test

圖 2為110 kV絕緣子串的電壓分布圖，高壓試驗(yàn)與仿真的電壓分布的平均誤差為3.38%；圖3為220 kV絕緣子串的電壓分布圖，高壓試驗(yàn)與仿真的電壓分布的平均誤差為5.01%。由圖2、圖3可以看出：絕緣子串的電壓分布均呈現(xiàn)不對(duì)稱的馬鞍形，與高壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的電壓分布情況表征一致，驗(yàn)證了絕緣子串等效電路模型和絕緣子串電壓分布計(jì)算方法的一致性與可行性。

圖3 220 kV絕緣子串仿真與高壓測(cè)試電壓分布對(duì)比Fig.3 Comparison of voltage distribution between 220 kV insulator string simulation and high voltage test

2 絕緣子串的電-熱轉(zhuǎn)換模型

瓷質(zhì)絕緣子串單片絕緣子等效電路如圖4所示，正常情況下體積電阻Rv和表面電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極化電阻Rj[16]。

圖4 單片絕緣子等效電路Fig.4 Equivalent circuit of monolithic insulator

絕緣子的極化電阻Rj和等效電阻Req分別為：

Rj=1/(ωC0tanδ).

(5)

Req=1/(1/Rj+1/Rs+1/Rv).

(6)

式中：ω為電流頻率；C0為單片絕緣子電容值；瓷質(zhì)絕緣子介質(zhì)損耗角δ的正切值約為0.015～0.025。

由等效電路可知絕緣子的發(fā)熱功率

(7)

其中

(8)

式中：Uk為單片絕緣子電壓；Xd為等效容抗。

由絕緣子的發(fā)熱模型可得該絕緣子的溫差

本工作利用Y對(duì)X的條件分布的非參數(shù)貝葉斯估計(jì)來構(gòu)造回歸函數(shù)的非參數(shù)貝葉斯估計(jì),在此過程中,用分布估計(jì)的核估計(jì)替代Ferguson估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù),用較高階的局部多項(xiàng)式回歸替代原構(gòu)造中的Nadaraya-Watson回歸估計(jì),獲得了較為理想的估計(jì)效果,同時(shí)還給出了估計(jì)的均方誤差及其均方收斂性.實(shí)證結(jié)果表明,對(duì)于非參數(shù)貝葉斯估計(jì),當(dāng)先驗(yàn)分布選擇較合適時(shí),在數(shù)據(jù)擬合和預(yù)測(cè)方面均表現(xiàn)出了較好的效果.

(9)

式中：Hj為絕緣子瓷面溫度；Hh為環(huán)境溫度；S為絕緣子表面積；h為絕緣子盤面散熱系數(shù)(包括對(duì)流散熱和輻射散熱)，在實(shí)際工程中，散熱系數(shù)是一個(gè)非常復(fù)雜的變量，受環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度、日照等影響[17]。

由于絕緣子的鋼帽為金屬，鋼帽的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)大于瓷面的，所以鋼帽的溫差反映了絕緣子的發(fā)熱情況，同理鋼帽的溫差即反映絕緣子的運(yùn)行情況。

2.1 正常絕緣子的發(fā)熱分析

在絕緣子串絕緣性能良好、交流電壓作用時(shí)，絕緣子電介質(zhì)極化效應(yīng)引起介質(zhì)損耗發(fā)熱[18-19]，其發(fā)熱功率Pk和絕緣子與環(huán)境的溫差ΔHj分別為：

(10)

(11)

由式(11)可知，相鄰絕緣子的溫差與電壓的平方成正比，正常運(yùn)行的絕緣子串的溫度分布呈不規(guī)則馬鞍形分布，相鄰絕緣子的溫差很小。

2.2 污穢絕緣子的發(fā)熱分析

在相對(duì)濕度較大情況下，受潮后污穢絕緣子體積電阻Rv和極化電阻Rj基本不受影響，而表面電阻Rs逐漸變小。均勻濕污的表面電阻為

(12)

式中：L為絕緣子的爬電距離；l為外絕緣表面爬電距離；rl為爬電距離微分搭配絕緣子中軸的距離；rs絕緣子表面的電導(dǎo)率；ρws為污穢系數(shù)；絕緣子的形態(tài)系數(shù)

(13)

絕緣子型號(hào)一旦確定，形態(tài)系數(shù)f是常數(shù)，Rs與絕緣子表面電導(dǎo)率成反比。大量研究表明，相對(duì)濕度增大時(shí)，絕緣子表面電導(dǎo)率急劇增大，表面電阻急速下降至臨界值[14-15]。

絕緣子的主要發(fā)熱是由介質(zhì)損耗發(fā)熱轉(zhuǎn)為表面爬電泄漏電流發(fā)熱，發(fā)熱點(diǎn)位于瓷盤表面的污穢處，其熱像圖譜的特征為瓷盤表面發(fā)亮。

2.3 絕緣子發(fā)生絕緣擊穿后的發(fā)熱分析

當(dāng)絕緣子性能劣化、絕緣電阻降低時(shí)，泄漏電流主要從絕緣子內(nèi)部流過，其發(fā)熱功率和絕緣子的溫升分別為：

Pk=UkIg.

(14)

(15)

式中Ig為貫穿性絕緣子泄漏電流。

當(dāng)絕緣子的等效容抗Xd與等效電阻Req相等時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率為最大。當(dāng)絕緣子絕緣電阻逐漸減小到等效容抗值時(shí)，發(fā)熱功率逐漸增加；當(dāng)絕緣電阻繼續(xù)減小時(shí)發(fā)熱功率逐漸較??；當(dāng)絕緣電阻進(jìn)一步減小到幾乎為零時(shí)，即劣化為零值絕緣子時(shí)，發(fā)熱功率幾乎為零。可以看出，當(dāng)絕緣阻值降至某個(gè)區(qū)段時(shí)，其發(fā)熱功率與正常絕緣子類似，此時(shí)為紅外檢測(cè)盲區(qū)。

2.4 電熱轉(zhuǎn)化模型的相關(guān)結(jié)論

經(jīng)過上述3個(gè)發(fā)熱過程的分析可知：

a)絕緣子串絕緣性能良好時(shí)，相鄰絕緣子的溫差與電壓的平方成正比，所以正常運(yùn)行的絕緣子串的溫度分布呈不規(guī)則馬鞍形分布，相鄰絕緣子的溫差很??；

b)污穢絕緣子的發(fā)熱功率以絕緣子表面爬電泄漏電流發(fā)熱為主，絕緣子的發(fā)熱集中于瓷盤表面，其熱象圖的特征為瓷盤表面發(fā)亮；

c)當(dāng)絕緣子的等效電阻Req與等效容抗Xd相等時(shí)，絕緣子的發(fā)熱功率最大，此時(shí)溫差最大，最易被紅外測(cè)溫所識(shí)別；

d)當(dāng)絕緣子被擊穿后，發(fā)熱功率幾乎為零，表征為鋼帽溫度與環(huán)境溫度一致，可被判別為零值絕緣子。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試案例驗(yàn)證分析

2018年8月對(duì)西南地區(qū)某220 kV變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的110 kV、220 kV的絕緣子串進(jìn)行紅外檢測(cè)，測(cè)濕了時(shí)間為20：00至23：00(全站閉燈)，該變電站現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的參數(shù)見表3。

表3 220 kV變電站紅外測(cè)溫參數(shù)Tab.3 Infrared temperature measurement parameters of 220 kV substation

根據(jù)DL/T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》的規(guī)定[20]：對(duì)于瓷質(zhì)類絕緣子，當(dāng)絕緣子鋼帽的溫度比相鄰絕緣子鋼帽溫度高1 ℃時(shí)判定為低值絕緣子，低1 ℃時(shí)判定為零值絕緣子；當(dāng)絕緣子瓷盤的溫度比相鄰絕緣子瓷盤溫度高0.5 ℃時(shí)判定為污穢絕緣子。利用紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)絕緣子串缺陷27個(gè)，劣化絕緣子全為220 kV絕緣子串，詳細(xì)情況分類見表4。

表4 220 kV變電站實(shí)測(cè)絕緣子串缺陷匯總Tab.4 Summary of insulator string defects in 220 kV substation 片

由于耐張串長(zhǎng)期受橫向拉力，所以單串耐張絕緣子串容易劣化成低值絕緣子，2臺(tái)主變壓器的12串單串耐張絕緣子串的高壓端第1片絕緣子全為低值絕緣子。如圖5所示，某主變壓器220 kV側(cè)B相絕緣子串靠導(dǎo)線側(cè)第1片絕緣子鋼帽溫度為21.3 ℃，第2片絕緣子鋼帽溫度為19.7 ℃，溫差為1.6 ℃，溫差超過1 ℃，靠導(dǎo)線側(cè)第一片絕緣子疑似低值絕緣子。

當(dāng)耐張串為雙串絕緣子時(shí)，每單串絕緣子承受的拉力降低，所以不易劣化為低值絕緣子。如圖6所示，某出線間隔B相耐張串靠導(dǎo)線側(cè)第1片瓷面最高溫度為20.1 ℃，第2片絕緣子瓷面最高溫度為19.5 ℃，瓷面溫差近0.6 ℃，溫差超過0.5 ℃，第1片絕緣子疑似污穢絕緣子。

圖5 單串耐張絕緣子串為低值絕緣子情況分析Fig.5 Analysis on the situation of single strain insulator string being low-value insulator

圖6 雙串耐張絕緣子串為污穢絕緣子情況分析Fig.6 Analysis on the situation of double strain insulator strings being polluted insulators

直線串主要承受垂直方向的拉力，因?qū)Ь€長(zhǎng)度較短，單串絕緣子承受的拉力較小，基本處于水平方向的瓷面易積污，在一定濕度條件下會(huì)發(fā)生閃絡(luò)放電導(dǎo)致絕緣劣化，在紅外檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)污穢絕緣子，瓷盤溫度較高。如圖7所示，某出線間隔線路側(cè)A相直線串，靠導(dǎo)線側(cè)第1片絕緣子瓷面最高溫度為25.5 ℃，第2片瓷面最高溫度為24.8 ℃，導(dǎo)線側(cè)第1片高出第2片絕緣子近0.7 ℃，溫差超過0.5 ℃，第1片絕緣子疑似污穢絕緣子。

圖7 單串絕緣子直線串為污穢絕緣子情況分析Fig.7 Analysis of single insulator string as contaminated insulator

2018年12月底全站輪停檢修期間，對(duì)紅外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的27片劣化絕緣子進(jìn)行高壓試驗(yàn)，其中13片低值絕緣子的絕緣電阻均在80 MΩ與250 MΩ之間，確診為低值絕緣子。對(duì)14片污穢絕緣子加壓至45 kV時(shí)，均呈現(xiàn)不同程度的閃絡(luò)現(xiàn)象，論證了紅外熱像技術(shù)對(duì)劣化絕緣子檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

由于主變壓器220 kV側(cè)導(dǎo)線的電流較大，采用單串耐張絕緣子串致使該站2臺(tái)主變壓器的12串單串耐張絕緣子串高壓端第1片絕緣子全為低值絕緣子，故將該站主變壓器220 kV側(cè)絕緣子串全部更換為雙串耐張絕緣子串。

4 結(jié)束語

本文建立了電壓分布模型和電熱轉(zhuǎn)化模型，通過仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和高壓試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

a)仿真計(jì)算、高壓試驗(yàn)和紅外熱像實(shí)測(cè)表明，正常絕緣子串的電壓分布和溫度分布均呈現(xiàn)不對(duì)稱的馬鞍形，且具有正相關(guān)性。

b)鋼帽溫度偏高的瓷質(zhì)低值絕緣子紅外熱像圖譜呈亮色調(diào)；鋼帽溫度偏低的零值絕緣子紅外熱像圖譜呈暗色調(diào)；磁盤溫度較高的污穢絕緣子瓷面紅外熱像圖譜為亮色調(diào)。

c)水平的瓷質(zhì)耐張絕緣子串長(zhǎng)期承受很強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力，易致高壓側(cè)第1片絕緣子易劣化為低值絕緣子；垂直的瓷質(zhì)絕緣子直線串瓷面為水平方向，容易積污、劣化為污穢絕緣子。

d)主變壓器220 kV側(cè)采用單串耐張絕緣子串極易劣化，建議全部更換為雙串耐張絕緣子串。

e)對(duì)劣化絕緣子串應(yīng)定期開展帶電檢測(cè)，監(jiān)測(cè)缺陷發(fā)展情況；若單串絕緣子串劣化的絕緣子數(shù)超過1/3，應(yīng)檢修更換。

f)針對(duì)強(qiáng)污染地區(qū)的變電站，應(yīng)定期開展帶電水沖洗和紅外檢測(cè)工作；在下雨初期和陰雨階段應(yīng)觀察、跟蹤閃絡(luò)情況，如發(fā)現(xiàn)絕緣子串發(fā)生大面積閃絡(luò)應(yīng)采取事故處理、隔離故障。