秦威南，方玉群，張 博，雷興列

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000;2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430072;3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢，430074))

0 引言

復(fù)合絕緣子具有良好電氣、物理等性能，已在我國輸電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。隨著長期的掛網(wǎng)運(yùn)行，由于地理環(huán)境、氣候、強(qiáng)電磁場等因素的影響，導(dǎo)致復(fù)合絕緣子出現(xiàn)機(jī)械老化、絕緣喪失等缺陷，造成復(fù)合絕緣子破損、老化、掉串等故障，對電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-4]。特別的，當(dāng)復(fù)合絕緣子出現(xiàn)絕緣性能喪失，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部貫穿性導(dǎo)通缺陷時(shí)，其有效的絕緣距離將減小，導(dǎo)致絕緣子放電、閃絡(luò)概率上升，此類缺陷通常存在于復(fù)合絕緣子內(nèi)部芯棒而不易發(fā)現(xiàn)。如果在含有此類缺陷的復(fù)合絕緣子線路上開展檢修及帶電作業(yè)[5]，將造成不可挽回的人身傷亡事故，因此有效檢測復(fù)合絕緣子的導(dǎo)通性缺陷狀態(tài)具有重要意義。目前國內(nèi)尚無明確的針對復(fù)合絕緣子導(dǎo)通性缺陷檢測評估方法及應(yīng)用[6]，缺乏絕緣子串的正常運(yùn)行及帶電作業(yè)安全評估依據(jù)。

復(fù)合絕緣子中存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)將直接改變絕緣子自身的電容分布，使得運(yùn)行中絕緣子及周圍空間的電場分布與正常狀態(tài)時(shí)相比，出現(xiàn)較大的變化[7-12]。本研究從復(fù)合絕緣子串電場分布特性著手，通過仿真建模計(jì)算，分析了導(dǎo)通性缺陷長度、位置對復(fù)合絕緣子串電場分布的影響；通過模擬缺陷條件下的電場測量試驗(yàn)，提出了基于電場測量原理的復(fù)合絕緣子導(dǎo)通性缺陷檢測判定方法，并分析了其準(zhǔn)確性和精度，為復(fù)合絕緣子安全檢修作業(yè)提供了支撐。

1 復(fù)合絕緣子電場計(jì)算方法及模型

本研究采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行復(fù)合絕緣子串電場及電位分布計(jì)算，遵循麥克斯韋方程[13-15]：

?×E=0

(1)

?×D=ρ

(2)

采用有限元方法計(jì)算時(shí)，邊界條件如下：絕緣子串所處空間域邊界點(diǎn)位為零，絕緣子串高壓端與導(dǎo)線等電位，為線路運(yùn)行的相電壓。ANSYS建模、計(jì)算分析邏輯如圖1所示。

圖1 ANSYS計(jì)算分析流程圖Fig.1 Calculation analysis flow chart of ANSYS

電場建模過程中，以500 kV線路為例。計(jì)算時(shí)選取20 m長導(dǎo)線作為參考對象，同時(shí)不計(jì)導(dǎo)線弧垂的影響。桿塔選取典型的500 kV SVZ1A塔型，呼高為42 m。復(fù)合絕緣子串采用I型布置，結(jié)構(gòu)高度為4 450 mm，最小電弧距離為4 000 mm，最小爬電距離13 750 mm。絕緣子上下裝有圓環(huán)直徑600 mm、截面直徑100 mm的均壓環(huán)，罩入深度為300 mm。計(jì)算時(shí)，空氣、傘裙、芯棒的相對介電常數(shù)分別按1、4.3、7.2考慮。

根據(jù)設(shè)定的邊界條件原則，線路高壓端等電位位置的電壓均為導(dǎo)線運(yùn)行的最大相電壓有效值，即318 kV；地電位處的電壓為0 V；懸浮導(dǎo)體是未加電壓的導(dǎo)體，其感應(yīng)電荷總量為0 C。對于導(dǎo)通性缺陷段，其電阻為0 Ω，其電導(dǎo)率為無窮大，以模擬實(shí)際中最壞的缺陷情況。

2 電場仿真計(jì)算

2.1 正常絕緣子串

復(fù)合絕緣子串無任何缺陷時(shí)，絕緣子電場分布計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 復(fù)合絕緣子串無缺陷時(shí)電場分布Fig.2 Electric field distribution of composite insulator strings without defects

仿真計(jì)算結(jié)果表明，正常復(fù)合絕緣子串電場分布曲線呈U型分布，高壓端、接地端電場較強(qiáng)，考慮均壓環(huán)作用，絕緣子中間段電場分布較為均勻，且電場強(qiáng)度顯著低于絕緣子串高壓端、接地端。

2.2 絕緣子串高壓端存在缺陷

導(dǎo)通性缺陷于導(dǎo)線段金具連通時(shí)，設(shè)定缺陷長度L=0.3 m時(shí)，計(jì)算得到復(fù)合絕緣子電場分布如圖3所示。為了進(jìn)行對比分析，通過設(shè)定不同長度的缺陷，計(jì)算電場分布變化情況，絕緣子串關(guān)鍵位置的電場強(qiáng)度如表1所示。

圖3 復(fù)合絕緣子串缺陷長度L=0.3 m時(shí)電場分布Fig.3 Electric field distribution of composite insulator string with defect length L=0.3 m

表1 不同長度導(dǎo)通性缺陷絕緣子電場分布計(jì)算結(jié)果Table1 Results of electric field distribution of insulators with different lengths of defects

2.3 串中存在缺陷

當(dāng)絕緣子串中間位置存在缺陷時(shí)，仿真計(jì)算中通過固定缺陷長度L為0.3 m，當(dāng)缺陷距離導(dǎo)線連接的高壓端S0為0.4 m時(shí)，計(jì)算得到的電場分布曲線如圖4所示。

圖4 缺陷位于中間位置時(shí)電場分布曲線Fig.4 Electric field distribution of composite insulator string with defect in middle of the string

改變?nèi)毕菥嚯x高壓端的距離，計(jì)算得到絕緣子串關(guān)鍵位置電場強(qiáng)度如表2所示。

表2 缺陷位于不同位置時(shí)絕緣子電場計(jì)算結(jié)果Table 2 Electric field strength of insulators with defect at different position

從計(jì)算結(jié)果可以看出，復(fù)合絕緣子中導(dǎo)通性缺陷與高壓端連通時(shí)，絕緣子高壓端電場將顯著增強(qiáng)，且導(dǎo)通性缺陷越長，電場強(qiáng)度增加越多；相同長度導(dǎo)通性缺陷位于不同位置時(shí)，對絕緣子串兩端電場分部影響較小，但對缺陷兩端電場分部影響較大，缺陷位置越靠近絕緣子高壓端，缺陷兩端電場越強(qiáng)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)復(fù)合絕緣子串中存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)，復(fù)合絕緣子串表面電場會(huì)出現(xiàn)明顯畸變。通過與正常絕緣子電場分布曲線對比，可以分辨出絕緣子導(dǎo)通性缺陷的位置及其長度，因此可通過測量復(fù)合絕緣子電場分布曲線及最大電場值實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子導(dǎo)通性缺陷檢測和定位。

3 復(fù)合絕緣子電場測量

采用國產(chǎn)DY-JC10-Y1劣化絕緣子分布電場檢測儀作為試驗(yàn)檢測設(shè)備，該設(shè)備是通過光學(xué)傳感器定位絕緣子串位置并觸發(fā)電場傳感器測量當(dāng)前位置的電場強(qiáng)度，其主要結(jié)構(gòu)如圖5所示，檢測模塊用于測量、記錄電場強(qiáng)度，由絕緣子傘裙觸發(fā)測量，通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)將檢測數(shù)據(jù)回傳到手機(jī)。

圖5 電場檢測裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of electric field detection device

本次試驗(yàn)過程中使用設(shè)備包括有600 kV工頻試驗(yàn)變壓器、500 pF電容分壓器等。600 kV工頻試驗(yàn)變壓器可穩(wěn)定連續(xù)升壓，測量系統(tǒng)包括64M型峰值電壓表；Tek TDS 340示波器等。

為方便數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)采用110 kV復(fù)合絕緣子，該復(fù)合絕緣子共13片大傘裙，首末兩片大傘裙距離為1.0 m。為避免其他不可控制條件的影響，試品復(fù)合絕緣子為未投入使用的嶄新絕緣子，試驗(yàn)中采用銅絲進(jìn)行短接，以模擬不同位置、不同長度的導(dǎo)通性缺陷。

3.1 高壓端存在不同長度缺陷下電場測量

試驗(yàn)前，使缺陷與高壓端金具連通，分別設(shè)置長度為0.2 m、0.3 m的導(dǎo)通性缺陷，提升模擬導(dǎo)線及復(fù)合絕緣子，通過試驗(yàn)變壓器升壓至相電壓，待升壓穩(wěn)定后，試驗(yàn)人員通過手持絕緣操作桿操作檢測儀開始檢測復(fù)合絕緣子表面電場，為便于操作，檢測時(shí)從低壓端開始，試驗(yàn)照片如圖6所示。高壓端存在0.2 m導(dǎo)通性缺陷時(shí)，復(fù)合絕緣子表面電場分布檢測結(jié)果如圖7所示。

圖6 絕緣子串電場測量Fig.6 Electric field measurement of insulator string

圖7 高壓端存在0.2 m缺陷時(shí)的電場測量Fig.7 Electric field measurement while defect on the high-voltage side (0.2 m)

改變?nèi)毕蓍L度，重復(fù)測量絕緣子串電場分布大小，每種長度條件下進(jìn)行三次反復(fù)測量，并取平均值作為最終測量數(shù)據(jù)，并與無模擬缺陷的正常絕緣子電場進(jìn)行對比，繪制成分布曲線如圖8所示。

圖8 正常以及高壓端存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)電場分布對比Fig.8 Comparison of results between normal and high-voltage terminals with defect

從電場分布對比曲線可以看出，當(dāng)導(dǎo)通性缺陷與高電位連通時(shí)，絕緣子串高壓端的電場會(huì)出現(xiàn)明顯的畸變，使得整個(gè)絕緣子串表面電場分布出現(xiàn)波峰，同時(shí)在高壓端電場強(qiáng)度有上升的趨勢。0.2 m缺陷時(shí)曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在絕緣子的第10片傘裙與第11片傘裙之間，如果分別以第10片傘裙、第10-11片傘裙中間位置、第11片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的首端，以第13片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的末端，則檢測出缺陷的長度分別為0.25 m、0.21 m、0.17 m，與實(shí)際模擬缺陷長度之間的誤差分別為0.05 m、0.01 m、0.03 m。

0.3 m缺陷時(shí)曲線的拐點(diǎn)出現(xiàn)在絕緣子的第9片傘裙，如果分別以第9片傘裙、第9-10片傘裙中間位置、第11片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的首端，以第13片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的末端，則檢測出缺陷的長度分別為0.33 m、0.29 m、0.25 m，與實(shí)際模擬缺陷長度之間的誤差分別為0.03 m、0.01 m、0.05 m。從檢測原理可以看出，該誤差不隨絕緣子串長的變化而改變，只與絕緣子串的單節(jié)長度有關(guān)。

3.2 串中位置存在缺陷下電場測量

試驗(yàn)前，使缺陷與導(dǎo)線高壓端金具間的距離0.2 m，分別設(shè)置缺陷長度L分別為0.2 m、0.3 m，待升壓穩(wěn)定后，試驗(yàn)人員開始檢測復(fù)合絕緣子表面電場，同樣將缺陷絕緣子的電場分布測量數(shù)據(jù)與正常絕緣子測量數(shù)據(jù)繪成曲線如圖9所示。

圖9 正常以及串中部存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)電場分布對比Fig.9 Comparison of results between normal and with defect in middle of the string

從電場分布對比曲線可以看出，當(dāng)導(dǎo)通性缺陷存在于絕緣子串中間位置時(shí)，缺陷部位的電場會(huì)出現(xiàn)明顯的下降，使得整個(gè)絕緣子串表面電場分布出現(xiàn)波谷，同時(shí)缺陷末端會(huì)出現(xiàn)非平滑拐點(diǎn)。

從缺陷絕緣子的電場分布曲線可以看出，0.2 m缺陷時(shí)曲線的波谷出現(xiàn)在絕緣子的第9片傘裙，拐點(diǎn)出現(xiàn)在第12片傘裙，如果分別以第9片傘裙、第9-10片傘裙中間位置、第10片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的首端，以第12片傘裙為導(dǎo)通性缺陷的末端，則檢測出缺陷的長度分別為0.25 m、0.21 m、0.17 m，與實(shí)際模擬缺陷長度之間的誤差分別為0.05 m、0.01 m、0.03 m。0.3 m缺陷時(shí)，測量結(jié)果與實(shí)際模擬缺陷長度之間的誤差分別為0.03 m、0.01 m、0.05 m。

從實(shí)測結(jié)果可以看出，提出的測量方法可以準(zhǔn)確檢測出導(dǎo)通性缺陷，測量出缺陷的長度誤差最大為半個(gè)單節(jié)結(jié)構(gòu)長度，在實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中，該誤差可以忽略不計(jì)，因此滿足現(xiàn)場檢測作業(yè)要求。

4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子導(dǎo)通性缺陷的檢測，本文以仿真計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了一種基于電場測量的復(fù)合絕緣子缺陷檢測方法，結(jié)論如下：

1)通過仿真計(jì)算表明，復(fù)合絕緣子串中存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)，缺陷處電場強(qiáng)度與正常情況下存在明顯差異，其畸變情況可以判斷缺陷位置、缺陷長度。

2)通過模擬試驗(yàn)，可以通過電場測量獲取復(fù)合絕緣子串電場分布，并根據(jù)曲線的畸變情況判斷缺陷的位置及長度。

3)本研究提出的測量方法，其測量精度與單節(jié)串結(jié)構(gòu)長度有關(guān)，最大誤差為半個(gè)單節(jié)串結(jié)構(gòu)長度，可以忽略不計(jì),滿足實(shí)際應(yīng)用需求。