張志猛，李 抗，劉 杰，賈伯巖，王 平，耿江海*

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司,寧波 315000；3.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,保定 071003)

絕緣子是輸電線路中起到機(jī)械支撐及電氣連接的重要部件。其中復(fù)合絕緣子因其良好的機(jī)械性能、耐污性能得到廣泛應(yīng)用。隨著運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子會(huì)出現(xiàn)不同程度和類型的劣化。由于絕緣子劣化導(dǎo)致的線路閃絡(luò)停電事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅[1-2]。

中外的絕緣子帶電檢測(cè)方法主要有紫外成像法、紅外成像法和電場(chǎng)測(cè)量法。文獻(xiàn)[3]基于紫外成像技術(shù)檢測(cè)劣化絕緣子的放電動(dòng)態(tài)特性，但受到污穢影響，其劣化位置無(wú)法確定，特別當(dāng)中部的絕緣子發(fā)生劣化時(shí)，紫外成像儀存在靈敏度低等問(wèn)題，經(jīng)常出現(xiàn)誤判等情況；文獻(xiàn)[4-5]基于紅外圖像技術(shù)提出絕緣子狀態(tài)評(píng)價(jià)模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了方法的有效性，但紅外法受對(duì)焦情況、太陽(yáng)和背景輻射等環(huán)境因素的影響；文獻(xiàn)[6-7]指出復(fù)合絕緣子傘裙和護(hù)套破損時(shí)，空間電場(chǎng)強(qiáng)度相比正常時(shí)并不會(huì)發(fā)生明顯改變；文獻(xiàn)[8]指出碳化通道的存在使復(fù)合絕緣子串周圍空間的電場(chǎng)分布發(fā)的畸變，通道附近的場(chǎng)強(qiáng)值有所增大。碳化通道距高壓端越近，電場(chǎng)的畸變程度越大，距高壓端越遠(yuǎn)，電場(chǎng)畸變的程度越小。

綜上可知，外界因素影響會(huì)導(dǎo)致紫外法和紅外法極大的測(cè)量誤差，造成漏檢錯(cuò)檢。而已有的空間電場(chǎng)檢測(cè)手段只能在試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，無(wú)法做到帶電檢測(cè)。采用高集成度光學(xué)元件，設(shè)計(jì)完成小型化的空間電場(chǎng)傳感器，分析了無(wú)人機(jī)介入對(duì)絕緣子原有空間電場(chǎng)的影響。搭建了包括機(jī)載端和地面端的無(wú)人機(jī)巡檢平臺(tái)，配套研制基于A/D轉(zhuǎn)換模塊和射頻模塊的電場(chǎng)信號(hào)無(wú)線傳輸裝置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)巡檢平臺(tái)電場(chǎng)測(cè)量信號(hào)在機(jī)載端與地面端的傳輸，并進(jìn)行了復(fù)合絕緣子芯棒局部導(dǎo)通的帶電檢測(cè)試驗(yàn)。

1 無(wú)人機(jī)巡檢平臺(tái)的構(gòu)成

1.1 電場(chǎng)測(cè)量裝置

帶電運(yùn)行的絕緣子周圍分布有空間電場(chǎng)，利用電場(chǎng)傳感器可以測(cè)量絕緣子串的空間電場(chǎng)?；诠怆娋w泡克爾斯效應(yīng)的高電壓電場(chǎng)測(cè)量原理為利用晶體的光折射率在一定方向的外加場(chǎng)強(qiáng)下發(fā)生改變的特性[9]，將空間場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為光功率信號(hào)傳輸，再通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將光功率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的換算得到電場(chǎng)值。如圖1所示的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由光發(fā)射單元，保偏光纖，電場(chǎng)傳感器及光電轉(zhuǎn)換單元組成，并通過(guò)信號(hào)線連接示波器。具體工作原理為：光發(fā)射單元發(fā)出某一波長(zhǎng)的線偏振光，線偏振光經(jīng)過(guò)保偏光纖進(jìn)入電場(chǎng)傳感器，經(jīng)過(guò)外界電場(chǎng)的作用，輸出的光功率發(fā)生改變，輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳入光電轉(zhuǎn)換單元，光電轉(zhuǎn)化裝置將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)化為與輸入光功率幅值成正比的電壓信號(hào)，在示波器進(jìn)行顯示。根據(jù)前述的原理設(shè)計(jì)制作的電場(chǎng)傳感器探頭如圖2所示，探頭主要由外殼，晶體，及光纖組成，其外殼材料為聚乙烯材料，具有良好的絕緣及抗壓性能，外部尺寸為55 mm×8 mm×4 mm。

圖1 電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)原理圖

圖2 電場(chǎng)傳感器探頭實(shí)物圖

為了研究傳感器的工頻響應(yīng)特性，將測(cè)量裝置輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)行了電場(chǎng)傳感器的工頻電場(chǎng)響應(yīng)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)將電場(chǎng)傳感器放置于0.5 m平板電極中，對(duì)板-板間隙施加12～120 kV工頻電壓，升壓步長(zhǎng)為10 kV，所對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為24～240 kV/m，將電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓與相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度制作成特性曲線，通過(guò)該曲線可以得到電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)輸出的電壓與外界電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系

1.2 無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)

無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，核心的控制器件使用STC89C52單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)、射頻模塊、AD模塊和LED顯示模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電壓信號(hào)的采集，同時(shí)進(jìn)行無(wú)線傳輸，然后經(jīng)過(guò)采樣運(yùn)算在LED顯示屏上顯示出來(lái)波形信號(hào)的峰值。系統(tǒng)中傳送的電壓信號(hào)最初是模擬正弦信號(hào)，然后通過(guò)AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，為了求取峰值，系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)容量為40的數(shù)組存放一定的樣本信號(hào)，每4 ms采樣一次放入數(shù)組，一個(gè)周期采樣5次，采取8個(gè)周期的樣本，放入數(shù)組中，然后篩選出樣本中的最大值，作為正弦信號(hào)的峰值，將此指通過(guò)射頻模塊，從發(fā)射端傳送到接收端，單片機(jī)將此峰值信號(hào)，然后通過(guò)液晶顯示模塊。其總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中存在發(fā)射端和接收端兩個(gè)部分每個(gè)部分都有一個(gè)單片機(jī)作為核心控制器，其主要功能如圖5所示。

圖5 發(fā)射端及接收端單片機(jī)的主要功能

在發(fā)射端的51單片機(jī)，其主要功能為：接收AD模塊采集到的電壓信號(hào)，此模擬電壓信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了模數(shù)轉(zhuǎn)換，成為數(shù)字代碼，可以被單片機(jī)讀??；將數(shù)字電壓信號(hào)放入樣本數(shù)組中，樣本容量為40，當(dāng)樣本放滿后，便通過(guò)算法篩選樣本中的電壓峰值；將峰值電壓進(jìn)行拆解分離，設(shè)計(jì)中分離成了四位，分別代表電壓信號(hào)的個(gè)、十、百、千位(電壓?jiǎn)挝粸楹练?；將四位數(shù)值依次放入射頻程序的發(fā)射包中；通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)，依次發(fā)送發(fā)射包中的四位數(shù)字信息；設(shè)立LED燈的閃爍程序，當(dāng)成功發(fā)送時(shí)，LED 燈會(huì)多個(gè)一起閃爍代表發(fā)送成功。

在接收端的51單片機(jī)，其主要功能為：接收NRF24L01芯片收到的數(shù)據(jù)包，并且有相應(yīng)的接收數(shù)組放置數(shù)字信息將接收包數(shù)組放入LCD1602液晶顯示的程序中去，通過(guò)循環(huán)結(jié)構(gòu)顯示出四位數(shù)字信息，代表檢測(cè)到的電壓信號(hào)峰值。設(shè)立LED燈的閃爍程序，當(dāng)成功接收到數(shù)據(jù)時(shí)，LED燈會(huì)閃爍，代表接收數(shù)據(jù)成功。

根據(jù)前述的設(shè)計(jì)思路，研制出了無(wú)線傳輸裝置，如圖6(a)、圖6(b)所示。為了測(cè)試傳輸性能，用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值1 V，頻率為50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，輸入到無(wú)線傳輸裝置的發(fā)送端，接收端通過(guò)顯示屏觀測(cè)。測(cè)量結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 無(wú)線傳輸裝置

如圖6(c)可知，液晶屏的顯示值與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓值(峰值1 V)相比，誤差為1.1%～8.8%，估測(cè)平均誤差范圍在1%～9%。滿足工程需要，在無(wú)遮擋的空地上進(jìn)行測(cè)試，得到系統(tǒng)的傳輸極限距離大約為150 m。

結(jié)合多個(gè)商業(yè)綜合體開發(fā)的實(shí)踐案例來(lái)看，商業(yè)綜合體的開發(fā)往往和交通規(guī)劃是緊密相連的，商業(yè)綜合體一般都建設(shè)在城市的交通發(fā)達(dá)區(qū)域。對(duì)于交通規(guī)劃而言，商業(yè)綜合體的開發(fā)需要交通規(guī)劃的有效支撐，交通快速和便利的因素對(duì)商業(yè)綜合體的開展運(yùn)營(yíng)發(fā)揮著重要影響，如果交通不暢通或不便捷，就會(huì)影響人們的高效率出行，那么產(chǎn)生的消費(fèi)行為也就明顯的減少，這對(duì)商業(yè)綜合體的運(yùn)營(yíng)是極為不利的。因此，在商業(yè)綜合體的實(shí)際開發(fā)建設(shè)中，必須要將交通規(guī)劃納入到整體開發(fā)建設(shè)當(dāng)中，并為其創(chuàng)造積極有利的條件。

2 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)原電場(chǎng)影響分析

高壓輸電線路是三相交流電，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，并不斷向四周激發(fā)，與高壓線的距離越近，場(chǎng)強(qiáng)也就越大[10]?；贑OMSOL軟件，建立了一個(gè)均勻空間電場(chǎng)，分析無(wú)人機(jī)的引入對(duì)空間電場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的影響。針對(duì)大疆M600 PRO型號(hào)的無(wú)人機(jī)，在COMSOL軟件中建立其三維模型，物理場(chǎng)選擇靜電場(chǎng)，分析了在穩(wěn)態(tài)情況下無(wú)人機(jī)對(duì)均勻空間電場(chǎng)的影響。

當(dāng)無(wú)人機(jī)位于均勻空間電場(chǎng)中時(shí)，由于無(wú)人機(jī)的存在會(huì)造成周圍空間電場(chǎng)的變化，如果電場(chǎng)傳感器正好處于電場(chǎng)變化區(qū)域，會(huì)造成測(cè)量誤差。因此為確定電場(chǎng)傳感器的最佳懸掛位置，利用COMSOL建立一個(gè)1 V/m的均勻電場(chǎng)空間，將無(wú)人機(jī)位于該電場(chǎng)空間的中心位置，計(jì)算由于無(wú)人機(jī)的引入對(duì)電場(chǎng)的影響。為了測(cè)量的安全性，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)不能距離絕緣子過(guò)近，故在無(wú)人機(jī)下方安裝了長(zhǎng)度為50 cm的絕緣桿，將場(chǎng)強(qiáng)傳感器探頭安裝在絕緣桿頂部，由于無(wú)人機(jī)飛行方向與空間電場(chǎng)方向的關(guān)系的任意性，計(jì)算了外加電場(chǎng)垂直于無(wú)人機(jī)和外加電場(chǎng)平行于無(wú)人機(jī)兩種情況下無(wú)人機(jī)對(duì)均勻電場(chǎng)的影響。根據(jù)圖7建立無(wú)人機(jī)全尺寸模型。圖8給出了外加電場(chǎng)垂直于無(wú)人機(jī)和外加電場(chǎng)平行于無(wú)人機(jī)兩種情況下的電場(chǎng)加載方式。

圖7 無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置實(shí)物圖

圖8 外加電場(chǎng)

2.1 外加電場(chǎng)平行于無(wú)人機(jī)

由圖9可知，當(dāng)外加電場(chǎng)垂直于無(wú)人機(jī)時(shí)，無(wú)人機(jī)整體場(chǎng)強(qiáng)在0.2～1.4 kV/m，無(wú)人機(jī)的起落架場(chǎng)強(qiáng)較大，電場(chǎng)傳感器表面電場(chǎng)在0.981～0.921 kV/m，與產(chǎn)生的1 kV/m標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)期相比，誤差為0.8%～1.9%，滿足工程需要。

圖9 外加電場(chǎng)垂直時(shí)無(wú)人機(jī)電場(chǎng)表面分布

2.2 外加電場(chǎng)垂直于與無(wú)人機(jī)

由圖10可知，當(dāng)外加電場(chǎng)平行于無(wú)人機(jī)時(shí)，無(wú)人機(jī)整體場(chǎng)強(qiáng)比受到垂直電場(chǎng)時(shí)要大，場(chǎng)強(qiáng)在0.1～1.6 kV/m，電場(chǎng)傳感器探頭在0.921～0.982 kV/m，與產(chǎn)生的1 kV/m標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)相比，誤差為1.8%～7.9%，滿足工程需要。

圖10 外加電場(chǎng)平行時(shí)無(wú)人機(jī)電場(chǎng)表面分布

3 帶電檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 無(wú)人機(jī)搭載裝置

整個(gè)系統(tǒng)包括機(jī)載端和地面端。機(jī)載端包括電場(chǎng)測(cè)量模塊和激光測(cè)距模塊；地面段包括電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)接收模塊，無(wú)人機(jī)飛行控制遙控器和高清顯示屏；機(jī)載端和地面端通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行通信。整個(gè)測(cè)量模塊包括無(wú)人機(jī)平臺(tái)、電場(chǎng)測(cè)量模塊、激光測(cè)距模塊、可見(jiàn)光拍攝模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。電場(chǎng)傳感器模塊由電場(chǎng)傳感器探頭、光纖、絕緣桿和信號(hào)處理單元構(gòu)成。激光測(cè)距模塊由激光鏡頭和脈沖寬度調(diào)制開關(guān)組成?？梢?jiàn)光拍攝模塊包含高清鏡頭和高清顯示屏。無(wú)線傳輸模塊主要由數(shù)據(jù)鏈路。無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置模塊，如圖11所示。

圖11 無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置模塊

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證無(wú)人機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的性能，在電力科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，選擇場(chǎng)地比較開闊測(cè)試點(diǎn)，并且無(wú)居民區(qū)和樹木。測(cè)試當(dāng)天溫度25 ℃，相對(duì)濕度為50%。輸電線路為110 kV交流電壓，線路上所懸掛的絕緣型號(hào)為FXBW-110/120-2，長(zhǎng)度為1 240 mm，一共片25傘裙，其中大傘13片，小傘12片。無(wú)人機(jī)飛行時(shí)通過(guò)激光測(cè)距儀保持電場(chǎng)傳感器探頭距離絕緣子兩傘裙間芯棒距離不變，到達(dá)每個(gè)測(cè)量位置時(shí)，地面端等數(shù)據(jù)穩(wěn)定記錄下該位置的數(shù)據(jù)后，為了減小誤差，測(cè)試時(shí)沿軸向方向從高壓端到低壓端采集一次數(shù)據(jù)，再?gòu)牡蛪憾说礁邏憾瞬杉淮螖?shù)據(jù)，求得測(cè)量平均數(shù)。在得到最終數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行分析。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)一

由圖12可知，當(dāng)絕緣子串完好時(shí)，不同距離下得到各測(cè)量點(diǎn)得到的電場(chǎng)分布曲線都為U形分布，高壓端和低壓端電場(chǎng)強(qiáng)度較大，中壓端電場(chǎng)強(qiáng)度最小。測(cè)量距離越大，整體電場(chǎng)越小。

圖12 無(wú)劣化時(shí)不同距離下電場(chǎng)分布曲線

3.2.2 實(shí)驗(yàn)二

在絕緣子高壓端設(shè)置不同長(zhǎng)度缺陷時(shí)保持無(wú)人測(cè)量系統(tǒng)探頭距離絕緣子串40 cm時(shí)得到測(cè)量值。

圖13可知，當(dāng)高壓端存在5 cm缺陷時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)3處電場(chǎng)明顯減小，在點(diǎn)2、4缺陷兩端電場(chǎng)增大。當(dāng)高壓端存在10 cm缺陷時(shí)在測(cè)量點(diǎn)3、4處電場(chǎng)，在點(diǎn)2、5電場(chǎng)增大。當(dāng)高壓端存在15 cm缺陷時(shí)，在測(cè)量點(diǎn)3、4、5處電場(chǎng)明顯減小，在點(diǎn)2、6缺陷兩端電場(chǎng)增大。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)(圖13)可知，缺陷長(zhǎng)度越大，越容易檢測(cè)出來(lái)。

圖13 高壓端存在不同長(zhǎng)度缺陷時(shí)電場(chǎng)分布曲線

3.2.3 實(shí)驗(yàn)三

在絕緣子串的高壓端、中壓端和低壓端芯棒處分別埋上10 cm銅線，保持無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)探頭距離絕緣子串40 cm，測(cè)量得到相應(yīng)的電場(chǎng)。

圖14可知，在高壓端存在10 cm缺陷時(shí)，電場(chǎng)畸變較大。當(dāng)缺陷位于中壓端和低壓端時(shí)，電場(chǎng)畸變較小，不易檢測(cè)。

圖14 不同位置存在10 cm缺陷時(shí)電場(chǎng)分布曲線

4 結(jié)論

主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)了小型化電場(chǎng)測(cè)量裝置，研制了電場(chǎng)信號(hào)無(wú)線傳輸裝置并測(cè)試了傳輸性能，將其搭載在無(wú)人機(jī)上，通過(guò)仿真分析研究了無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置介入對(duì)原空間電場(chǎng)的影響，并利用集成后的無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置進(jìn)行了劣化絕緣子帶電檢測(cè)試驗(yàn)。得到如下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)性能線性度較好，可以用于測(cè)量絕緣子串的空間電場(chǎng)，研制的無(wú)線信號(hào)傳輸裝置性能良好，接收端誤差在10%以內(nèi)。

(2)通過(guò)仿真可知，當(dāng)外加電場(chǎng)垂直或者平行于無(wú)人機(jī)測(cè)量裝置時(shí)，電場(chǎng)傳感器測(cè)得的電場(chǎng)誤差都在10%以內(nèi)，證明基于無(wú)人機(jī)的電場(chǎng)測(cè)量裝置滿足工程實(shí)際需要。

(3)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)表明，基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載電場(chǎng)傳感器能有效地檢測(cè)出存在芯棒導(dǎo)通的劣化絕緣子串，絕緣子串的不同位置存在導(dǎo)通情況都可以檢測(cè)出來(lái)。