李 特，王少華，葉金標(biāo)，魏仲鑌，王曉杰，王振國

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014;2.浙江金鳳凰電力科技有限公司，浙江 紹興 312399；3.浙江科成電氣有限公司，浙江 紹興 312399；4.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

0 引言

發(fā)熱、酥朽斷裂和內(nèi)部擊穿是目前架空線路復(fù)合絕緣子運(yùn)維面臨的重要問題[1-2]。酥?jǐn)嗪蛢?nèi)部擊穿在發(fā)展中往往出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，而紅外測試則是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場復(fù)合絕緣子早期發(fā)熱的重要手段[3-4]。

結(jié)合無人機(jī)開展現(xiàn)場紅外測試可以減少登塔，避免絕緣子傘裙遮擋，從而有效提升測試精度[5-6]。但是，大量的紅外測試圖譜需要運(yùn)維人員人工甄別，工作量極大且存在主觀影響?；诎l(fā)熱復(fù)合絕緣子的紅外圖譜特征，建立紅外圖譜的智能自動(dòng)識(shí)別方法是提升現(xiàn)場紅外測試分析效率的重要手段[7]。但現(xiàn)場復(fù)合絕緣子發(fā)熱紅外圖譜數(shù)量較少，因此有必要通過實(shí)驗(yàn)室模擬復(fù)合絕緣子發(fā)熱，從而獲取足夠數(shù)量的圖譜樣本，為紅外圖譜自動(dòng)識(shí)別方法的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

此外，現(xiàn)場無人機(jī)紅外測試鏡頭參數(shù)差異較大[8]，相同測試位置下，鏡頭空間分辨率對(duì)測試效果影響較大，針對(duì)發(fā)熱缺陷，目前對(duì)比不同參數(shù)鏡頭測試效果的研究極少。

本文建立了護(hù)套-芯棒粘接不良、芯棒-護(hù)套內(nèi)部金屬異物和端部金具-護(hù)套界面氣隙3 種人工缺陷模擬方法，完成了包含上述缺陷的復(fù)合絕緣子制作。在實(shí)驗(yàn)室獲得了不同缺陷的紅外圖譜，并采用不同參數(shù)紅外鏡頭對(duì)端部金具-護(hù)套界面氣隙缺陷發(fā)熱進(jìn)行了對(duì)比測試。

1 研究方法

1.1 人工缺陷制作

1.1.1 護(hù)套-芯棒粘接不良

現(xiàn)場斷串事件分析表明，護(hù)套、芯棒粘接不良可能是引發(fā)芯棒內(nèi)部電蝕的起始原因[9-10]。為模擬復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套粘接不良缺陷，選擇2 根220 kV 復(fù)合絕緣子，在絕緣子高壓端、中部分別設(shè)置2 個(gè)傘裙單元長度的粘接不良區(qū)域。相應(yīng)絕緣子在制造時(shí)，粘接不良區(qū)域芯棒表面不涂偶聯(lián)劑，形成的缺陷區(qū)域可以輕易將絕緣子護(hù)套從芯棒表面剝離。各部位粘接不良區(qū)域芯棒-護(hù)套粘接情況如圖1 所示。剝離的護(hù)套內(nèi)表面狀況如圖2 所示。

圖1 復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套粘接不良

圖2 復(fù)合絕緣子粘接不良區(qū)域剝落的護(hù)套

缺陷位置剝落的護(hù)套硅橡膠內(nèi)表面非常完整，芯棒表面無硅橡膠殘留，而正常粘接絕緣子護(hù)套被強(qiáng)制剝離時(shí)，護(hù)套表面會(huì)有大量硅橡膠殘留在芯棒表面[11]。由此可知，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套粘接不良的模擬。

1.1.2 芯棒-護(hù)套內(nèi)部金屬異物

現(xiàn)場芯棒酥朽缺陷復(fù)合絕緣子內(nèi)部存在因局部放電而產(chǎn)生的發(fā)熱[12]。為在芯棒內(nèi)部產(chǎn)生局部放電，選取220 kV 復(fù)合絕緣子3 支，先在高壓端位置將護(hù)套開槽，將一根金屬絲埋入護(hù)套中，且金屬絲一端與端部金具接觸；再用室溫硅橡膠將金屬絲表面封住，如圖3 所示。低壓側(cè)方向金屬絲端部電場強(qiáng)度較大，利用該位置產(chǎn)生的局部放電形成發(fā)熱。

圖3 護(hù)套金屬異物

為對(duì)比不同金屬絲異物長度對(duì)發(fā)熱的影響，埋設(shè)的金屬絲異物區(qū)域分別為高壓端至1 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)大傘。

1.1.3 端部金具-護(hù)套界面氣隙

現(xiàn)場復(fù)合絕緣子端部密封膠開裂、脫落時(shí)，金具-護(hù)套之間的氣隙將產(chǎn)生局部放電。選取500 kV 復(fù)合絕緣子3 支，控制壓接環(huán)節(jié)，使高壓端金具與芯棒間存在微小氣隙，同時(shí)不涂覆密封膠，如圖4 所示。

圖4 端部金具-護(hù)套界面氣隙

各類人工模擬缺陷的復(fù)合絕緣子以及用以對(duì)比的常規(guī)絕緣子明細(xì)如表1 所示，其中0 號(hào)（220 kV）、6 號(hào)（500 kV）2 支絕緣子無缺陷，為對(duì)比絕緣子。

表1 人工模擬缺陷復(fù)合絕緣子明細(xì)

1.2 紅外測試

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)含人工缺陷復(fù)合絕緣子施加運(yùn)行電壓，同時(shí)利用紅外測試儀對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行紅外測試，典型試驗(yàn)布置如圖5 所示。為盡量增大缺陷的發(fā)熱幅值，試驗(yàn)中絕緣子均未安裝均壓環(huán)。

圖5 人工缺陷復(fù)合絕緣子典型實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)布置

試驗(yàn)所用紅外設(shè)備分辨率為640 像素，溫度靈敏度＜50 mK，像元間距17 μm，設(shè)備配有2 個(gè)紅外鏡頭，焦距分別為15 mm 和45 mm。

2 人工缺陷紅外特征

2.1 芯棒-護(hù)套粘接不良

運(yùn)行電壓下試驗(yàn)持續(xù)30 min，不同試驗(yàn)時(shí)間下的溫升幅值如表2 所示，溫升指溫度曲線最高值與最低值之差。

表2 高壓端粘接不良缺陷溫升幅值變化

由表2 可知，運(yùn)行電壓作用下，220 kV 復(fù)合絕緣子高壓端粘接不良缺陷在數(shù)分鐘內(nèi)引起溫升達(dá)到1 K，隨后保持穩(wěn)定。

試驗(yàn)30 min 時(shí)絕緣子缺陷位置紅外圖像及溫度曲線如圖6 所示，在復(fù)合絕緣子紅外圖像上做測溫線，并將測溫線上的溫度數(shù)值導(dǎo)出，以便獲得溫度曲線。圖6（b）、圖6（d）、圖6（f）中的橫坐標(biāo)溫度測點(diǎn)序號(hào)指溫度曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)。

圖6 加壓30 min 下芯棒-護(hù)套粘接不良復(fù)合絕緣子紅外測試結(jié)果

圖6（b）溫度曲線左側(cè)為高壓端，可見溫度最高值位于粘接不良缺陷與金具邊界位置；圖6（c）、圖6（d）為無缺陷復(fù)合絕緣子測試結(jié)果，無缺陷絕緣子高壓端存在0.5 K 的溫升，因此判斷高壓端護(hù)套-芯棒粘接不良會(huì)產(chǎn)生輕微的溫升，但由于溫升幅值較低，現(xiàn)場將難以通過紅外測試予以發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)[13]對(duì)現(xiàn)場芯棒已發(fā)黑的復(fù)合絕緣子開展工頻耐壓及紅外測試，溫升幅值僅3.1 K；本文所用絕緣子芯棒本體完好，因此本文研究結(jié)果與文獻(xiàn)[13]一致。由圖6（e）、圖6（f）可知，220 kV 復(fù)合絕緣子中部的粘接不良缺陷在運(yùn)行電壓下無溫升出現(xiàn)。

2.2 芯棒-護(hù)套內(nèi)部金屬異物

金屬絲異物從高壓端短接至4 號(hào)大傘的缺陷絕緣子紅外圖像和高壓端溫度曲線如圖7 所示，此時(shí)試驗(yàn)時(shí)間為25 min。其他2 個(gè)長度的金屬絲異物缺陷紅外圖譜類似，文中不再給出。

由圖7 可知，從高壓端起始分布的金屬絲異物缺陷從高壓端至金屬絲端部均存在發(fā)熱，其中金屬絲端部發(fā)熱最為顯著，在金屬絲端部附近存在顯著的溫升。

圖7 加壓25 min 下金屬絲異物缺陷復(fù)合絕緣子紅外測試結(jié)果

不同時(shí)刻各支缺陷復(fù)合絕緣子溫升幅值如圖8 所示。不同長度金屬絲異物缺陷絕緣子發(fā)熱幅值分布于1.5～5.5 K，缺陷分布范圍為高壓端至4號(hào)大傘絕緣子的溫升幅值最大。

圖8 220 kV 絕緣子金屬絲異物缺陷溫升

2.3 金具-護(hù)套界面氣隙

含有金具-護(hù)套截面氣隙缺陷的7 號(hào)絕緣子與無缺陷的6 號(hào)絕緣子紅外圖譜、溫度曲線如圖9 所示。8 號(hào)、9 號(hào)絕緣子紅外圖譜與7 號(hào)絕緣子接近，其紅外圖譜本文不再給出。

圖9 高壓端金具-護(hù)套界面氣隙缺陷復(fù)合絕緣子與對(duì)比絕緣子典型紅外測試結(jié)果

由圖9 可知，7 號(hào)復(fù)合絕緣子溫度最高位置位于護(hù)套-金具交界處，從該位置向復(fù)合絕緣子低壓側(cè)方向，溫度迅速降低。6 號(hào)絕緣子為正常500 kV 復(fù)合絕緣子，不帶均壓環(huán)時(shí)溫度分布曲線與7 號(hào)絕緣子接近，存在4 K 溫升，可知金具-護(hù)套氣隙的存在提高了發(fā)熱幅值。

對(duì)含有高壓端金具-護(hù)套存在氣隙的7—9 號(hào)3 支500 kV 復(fù)合絕緣子及作為對(duì)比的6 號(hào)絕緣子，施加電壓后的溫升情況如圖10 所示。由圖10 可知，7—9 號(hào)3 支含缺陷的500 kV 復(fù)合絕緣子溫升穩(wěn)定在7～8 K。

圖10 500 kV 端部金具-護(hù)套截面氣隙絕緣子溫升曲線

3 鏡頭參數(shù)對(duì)紅外測試的影響

針對(duì)含金具-護(hù)套界面氣隙缺陷的500 kV 復(fù)合絕緣子，利用15 mm，45 mm 2 種焦距紅外鏡頭，在10 m 測試距離上進(jìn)行紅外測試效果對(duì)比。45 mm 鏡頭通過在15 mm 鏡頭紅外設(shè)備上加裝長焦鏡頭實(shí)現(xiàn)，因此除焦距不同外，2 種鏡頭其他參數(shù)一致。獲取絕緣子中軸線溫度曲線后，計(jì)算得到溫升、最大溫度梯度分別如圖11 所示。

圖11 2 種焦距鏡頭下紅外測試效果對(duì)比

由圖11 可知，對(duì)于高壓端金具-護(hù)套界面氣隙缺陷發(fā)熱，焦距為45 mm 時(shí)紅外測試得到的絕緣子溫升、最大溫度梯度均大于15 mm 紅外鏡頭。以45 mm 焦距測試結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)各支絕緣子15 mm 鏡頭測試結(jié)果偏差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3 所示。

表3 15 mm 鏡頭測試結(jié)果相對(duì)45 mm 鏡頭測試偏差

由表3 可知，相對(duì)于45 mm 測試結(jié)果，15 mm 焦距鏡頭下溫升測試偏差、最大溫度梯度測試偏差的平均值分別為-21.54%和-32.78%。

無人機(jī)紅外測試精度與其紅外探頭的空間分辨率密切相關(guān)，空間分辨率Sr（單位mrad）與焦距Len（單位mm）、像元距離Ap（單位μm）的關(guān)系為[8]：

對(duì)于本文所用紅外設(shè)備，像元間距均為17 μm，焦距分別為45 mm 和15 mm，對(duì)應(yīng)的空間分辨率分別為0.38 mrad 和1.13 mrad。對(duì)于相同長度的物體，紅外鏡頭沿長度方向所能采樣的溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量與空間分辨率成正比，也即本文中45 mm 鏡頭的空間采樣率是15 mm 鏡頭的3 倍。

對(duì)于局部發(fā)熱絕緣子，熱源呈點(diǎn)狀分布時(shí)，自熱源向其他區(qū)域溫度曲線近似呈指數(shù)規(guī)律變化。圖12 為2 種焦距鏡頭下紅外測試溫度曲線。

圖12 2 種焦距鏡頭下的紅外測試溫度曲線

圖12 中粗實(shí)線為被試絕緣子沿芯棒的溫度曲線，來自于7 號(hào)絕緣子高壓端。細(xì)實(shí)線表征15 mm 紅外鏡頭的采樣，虛線表征45 mm 紅外鏡頭的采樣。按照空間分辨率關(guān)系，45 mm 鏡頭采樣3 個(gè)點(diǎn)，15 mm 鏡頭采用1 個(gè)點(diǎn)，則15 mm 鏡頭采樣時(shí)很可能錯(cuò)失溫度最高點(diǎn)，因此15 mm 鏡頭測得的溫度低于45 mm 鏡頭。

溫度曲線上2 個(gè)相鄰采樣點(diǎn)的連線斜率即為測量得到的溫度梯度。由圖12 可知，溫度峰值附近溫度曲線為“凸函數(shù)”，距離溫度峰值較遠(yuǎn)時(shí)，溫度曲線為“凹函數(shù)”，溫度曲線梯度最大值位于“凸函數(shù)”區(qū)段與“凹函數(shù)”區(qū)段邊界。該位置附近的2 個(gè)采樣點(diǎn)連線斜率總是小于該點(diǎn)梯度，且相鄰采樣點(diǎn)距離越遠(yuǎn)，測量得到的溫度梯度離真實(shí)值相差越大。因此15 mm 鏡頭測量得到的溫度梯度最大值小于45 mm 鏡頭。

4 結(jié)論

本文制作了含芯棒-護(hù)套粘接不良、芯棒-護(hù)套內(nèi)部金屬異物缺陷的220 kV 復(fù)合絕緣子和含有金具-護(hù)套界面氣隙的500 kV 復(fù)合絕緣子，對(duì)缺陷復(fù)合絕緣子開展了工頻耐壓紅外測試，得到以下主要結(jié)論：

（1）單一芯棒-護(hù)套粘接不良缺陷位于220 kV復(fù)合絕緣高壓端時(shí)，缺陷位置產(chǎn)生輕微的溫升；缺陷位置位于中部時(shí)，無溫升出現(xiàn)。

（2）220 kV 復(fù)合絕緣子高壓端護(hù)套含金屬絲異物缺陷時(shí)，在金屬絲異物端部會(huì)出現(xiàn)集中熱點(diǎn)，本文所選異物長度下，溫升幅值位于1.5～5.5 K。

（3）500 kV 復(fù)合絕緣子高壓端金具與護(hù)套間存在氣隙時(shí)，氣隙位置出現(xiàn)顯著溫升，溫升幅值穩(wěn)定于7～8 K。

（4）為實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子顯著發(fā)熱的人工模擬，建議采用高壓端護(hù)套-金具內(nèi)埋設(shè)金屬絲異物、或在金具-護(hù)套之間設(shè)置氣隙。

（5）對(duì)于高壓端金具-護(hù)套界面氣隙缺陷，1.13 mrad 空間分辨率鏡頭測試得到單位溫度跨度、最大溫度梯度均小于0.38 mrad 空間分辨率鏡頭，偏差超過20%，建議現(xiàn)場測試盡量采用空間分辨率更為精細(xì)的紅外鏡頭。