劉 嶸，賈 然，沈 浩，劉傳彬，張 洋

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

對(duì)輸電線路復(fù)合絕緣子進(jìn)行帶電檢測(cè)，是發(fā)現(xiàn)絕緣子是否存在絕緣缺陷的有效手段［1-2］，已得到廣泛應(yīng)用。目前復(fù)合絕緣子的帶電檢測(cè)方法主要有紅外檢測(cè)和紫外檢測(cè)兩種，需要對(duì)絕緣子進(jìn)行精確檢測(cè)。復(fù)合絕緣子由傘裙、護(hù)套、芯棒和端部連接組成，帶電檢測(cè)時(shí)須重點(diǎn)對(duì)芯棒部位檢測(cè)，如果現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)芯棒外的護(hù)套被傘裙遮擋，難以準(zhǔn)確獲取芯棒部位的運(yùn)行狀況，不能準(zhǔn)確判斷絕緣子是否存在絕緣缺陷。受絕緣子等設(shè)備安裝情況和現(xiàn)場(chǎng)周圍環(huán)境等因素影響，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)需選取合適的檢測(cè)位置，保證絕緣子傘裙不會(huì)完全遮擋芯棒外的護(hù)套。目前無人機(jī)、直升機(jī)在輸電線路的智能巡檢中已應(yīng)用較為廣泛，現(xiàn)場(chǎng)需尋找更優(yōu)的測(cè)試位置以避免傘裙遮擋，尤其對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)V 型串塔身內(nèi)側(cè)絕緣子［3-6］，現(xiàn)場(chǎng)受環(huán)境因素、儀器精度影響，存在肉眼無法判斷是否存在遮擋的情況，如復(fù)合絕緣子紅外檢測(cè)屬于精確測(cè)溫，夜間或光線較暗情況下檢測(cè)時(shí)難以看到芯棒外的護(hù)套是否遮擋。

檢測(cè)距離對(duì)紅外測(cè)溫的精度影響較大［7-8］，復(fù)合絕緣子紅外精確測(cè)溫的識(shí)別距離，即紅外測(cè)溫儀器的最大測(cè)溫距離，可根據(jù)熱像儀參數(shù)計(jì)算［9］。目前尚無考慮復(fù)合絕緣子芯棒外護(hù)套遮擋的帶電檢測(cè)距離范圍的計(jì)算方法。

本文分析了紅外熱像儀儀器參數(shù)與檢測(cè)距離的關(guān)系，分析復(fù)合絕緣子表面結(jié)構(gòu)形狀，得出復(fù)合絕緣子帶電檢測(cè)有效距離范圍的計(jì)算方法，彌補(bǔ)了以上不足，從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性；在采用智能化巡檢手段時(shí)，可采用該計(jì)算方法進(jìn)行自動(dòng)判斷，確定檢測(cè)位置是否滿足檢測(cè)要求，是否存在芯棒被傘裙遮擋的情況。

對(duì)于人工地面檢測(cè)，通過計(jì)算確定最大檢測(cè)距離和最小檢測(cè)距離，得出人工地面檢測(cè)的有效距離范圍；對(duì)于直升機(jī)或無人機(jī)檢測(cè)，計(jì)算確定檢測(cè)角度范圍，以保證在對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，能準(zhǔn)確獲取芯棒部位的運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確判斷絕緣子是否存在絕緣缺陷。

1 紅外鏡頭參數(shù)與距離的關(guān)系

1.1 視場(chǎng)角與距離的關(guān)系

視場(chǎng)角在光學(xué)工程中又稱視場(chǎng)，視場(chǎng)角的大小決定了光學(xué)儀器的視野范圍。視場(chǎng)角越大，視野就越大。紅外熱像儀的紅外鏡頭視場(chǎng)角一般分為水平視場(chǎng)角HFOV和垂直視場(chǎng)角VFOV。視場(chǎng)角示意如圖1所示。

圖1 視場(chǎng)角示意

在對(duì)復(fù)合絕緣子紅外檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡量保證絕緣子充滿熱像儀視場(chǎng)，對(duì)于長(zhǎng)度為l的復(fù)合絕緣子，充滿水平視場(chǎng)時(shí)，距離D應(yīng)滿足

充滿垂直視場(chǎng)時(shí)，距離D應(yīng)滿足

1.2 空間分辨率與距離的關(guān)系

紅外熱像儀的空間分辨率是指熱像儀能夠識(shí)別的兩個(gè)目標(biāo)的最小距離?？梢哉J(rèn)為是一個(gè)溫度點(diǎn)代表實(shí)際空間方形區(qū)域的邊長(zhǎng)，是熱像儀的最小分辨單元，在熱像圖中就是一個(gè)像素點(diǎn)的邊長(zhǎng)。通常用熱像儀的瞬時(shí)視場(chǎng)角IFOV的大小表示，即圖1 中的4，單位為mrad。瞬時(shí)視場(chǎng)角IFOV為

式中：m為水平像素?cái)?shù)；n為垂直像素?cái)?shù)。

根據(jù)1 個(gè)像素點(diǎn)的邊長(zhǎng)代表的實(shí)際尺寸和IFOV，就可以計(jì)算出1 rad 代表的實(shí)際尺寸，即熱像儀到目標(biāo)的距離D。

對(duì)復(fù)合絕緣子紅外檢測(cè)時(shí)，應(yīng)保證兩個(gè)相鄰傘裙間的芯棒外護(hù)套有足夠數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，即熱像圖中兩個(gè)相鄰傘裙間有足夠數(shù)量的像素?cái)?shù)，對(duì)于兩個(gè)相鄰傘裙間距離為lmin的復(fù)合絕緣子，檢測(cè)距離D應(yīng)滿足

式中：n為識(shí)別所需像素?cái)?shù)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)距離的確定

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)待檢測(cè)的復(fù)合絕緣子串長(zhǎng)和所使用的紅外熱像儀鏡頭參數(shù)計(jì)算，確定適合的檢測(cè)距離。

目前常用紅外熱像儀鏡頭，根據(jù)視場(chǎng)角的不同，有7°×5.3°（7°鏡頭）、12°×9°（12°鏡頭）、24°×18°（24°鏡頭）、45°×34°（45°鏡頭）等幾種，7°鏡頭和24°鏡頭應(yīng)用最多。探測(cè)器紅外分辨率大多為640×480。

現(xiàn)有部分紅外鏡頭視場(chǎng)角采用對(duì)角視場(chǎng)角DFOV，即視野對(duì)角線的角度。可根據(jù)探測(cè)器紅外分辨率換算成HFOV和VFOV。例如某型號(hào)無人機(jī)紅外鏡頭DFOV為40.6°，紅外分辨率640×512，換算后HFOV和VFOV分別為32°和25.6°。

本文列出了不同電壓等級(jí)線路復(fù)合絕緣子的典型長(zhǎng)度，如表1 所示。在不考慮現(xiàn)場(chǎng)絕緣子懸掛造成視野中傾斜的情況下，分別對(duì)7°鏡頭、24°鏡頭和32°鏡頭，按照式（2）計(jì)算絕緣子充滿垂直視場(chǎng)時(shí)的最小檢測(cè)距離，測(cè)量點(diǎn)的大小按照垂直像素?cái)?shù)480 計(jì)算得出。

表1 不同長(zhǎng)度絕緣子不同鏡頭時(shí)的檢測(cè)距離

從表1 可以看出，在絕緣子串充滿垂直視場(chǎng)的情況下，鏡頭視場(chǎng)角越大，需要的最小檢測(cè)距離越小。測(cè)量點(diǎn)的大小，只與串長(zhǎng)和鏡頭垂直像素?cái)?shù)有關(guān)；使用視場(chǎng)角大的紅外鏡頭，雖然縮短了檢測(cè)距離，但不會(huì)提高測(cè)溫的準(zhǔn)確程度；使用視場(chǎng)角小的紅外鏡頭，在現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜難以靠近絕緣子或桿塔高度較高時(shí)，可適當(dāng)加大檢測(cè)距離，保證測(cè)溫的準(zhǔn)確程度。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)使用紅外成像儀，對(duì)某500 kV 線路復(fù)合絕緣子，在地面同一檢測(cè)位置，先后用兩種鏡頭對(duì)存在過熱缺陷的同一支絕緣子進(jìn)行了檢測(cè)，熱像儀與絕緣子的直線距離為53 m，圖2 包含24°鏡頭和7°鏡頭測(cè)溫圖像。從圖像可以看出，這兩種鏡頭在溫度的測(cè)量上差別不大，但7°鏡頭圖像比24°鏡頭圖像清晰的多，大傘裙輪廓清楚，可從圖像上得知過熱點(diǎn)位置。兩種鏡頭在檢測(cè)距離滿足要求的情況下，均可用于檢測(cè)絕緣子是否存在絕緣缺陷，但要確定過熱點(diǎn)位置，使用7°鏡頭最佳。

圖2 不同鏡頭測(cè)溫圖像對(duì)比

圖3（a）為絕緣子地面檢測(cè)時(shí)，采用24°鏡頭得到的紅外圖像，熱像儀與絕緣子的直線距離為24 m；圖3（b）為無人機(jī)檢測(cè)時(shí)，采用32°鏡頭得到的紅外圖像，熱像儀與絕緣子的直線距離為10 m。從圖像可以看出，雖無人機(jī)測(cè)溫比地面檢測(cè)距離小，但無人機(jī)測(cè)溫圖像質(zhì)量明顯不如地面測(cè)溫。采用搭載廣角鏡頭的無人機(jī)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)縮短檢測(cè)距離，以保證紅外圖像質(zhì)量。

圖3 無人機(jī)與地面紅外測(cè)溫圖像對(duì)比

1.5 紅外熱像儀的選擇

從以上分析可以看出，視場(chǎng)角和探測(cè)器紅外分辨率這兩個(gè)紅外鏡頭參數(shù)與絕緣子紅外檢測(cè)精度密切相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)選擇紅外熱像儀時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩個(gè)參數(shù)能否滿足檢測(cè)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。

在采用無人機(jī)紅外檢測(cè)時(shí)，如果紅外鏡頭視場(chǎng)角過大，需要拉近無人機(jī)與絕緣子的距離，才能保證一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的大小能夠滿足精度要求。無人機(jī)與線路距離過小，有可能發(fā)生無人機(jī)碰線，導(dǎo)致線路故障；人員操作無人機(jī)與線路距離過大，則無法保證測(cè)溫精度。因此無人機(jī)配置的紅外鏡頭參數(shù)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)和安全距離選取，建議增大安全距離裕度，選擇視場(chǎng)角小一些的紅外鏡頭，同時(shí)保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全和測(cè)溫精度。

對(duì)于500 kV 以上電壓等級(jí)線路復(fù)合絕緣子，紅外檢測(cè)時(shí)如要使整支絕緣子充滿熱像圖垂直視場(chǎng)，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際尺寸超過1.5 cm，分辨率下降，影響紅外檢測(cè)的準(zhǔn)確程度，因此對(duì)于500 kV 以上電壓等級(jí)線路復(fù)合絕緣子，可采取分段測(cè)溫的方法，將一支絕緣子分成2段進(jìn)行檢測(cè)。

2 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)形狀對(duì)檢測(cè)距離的影響

對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行紅外測(cè)溫，應(yīng)保證絕緣子傘裙不會(huì)完全遮擋芯棒外的護(hù)套。從復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)形狀出發(fā)，根據(jù)傘裙伸出長(zhǎng)度、傘間距及傘傾角，進(jìn)行計(jì)算，得出復(fù)合絕緣子檢測(cè)的距離范圍。

目前應(yīng)用最廣泛的復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)形式為大小傘結(jié)構(gòu)［10］，以大小傘結(jié)構(gòu)形式（一大一?。┑膹?fù)合絕緣子為例進(jìn)行說明，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合絕緣子也可參照下述計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。一大一小復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖4 中，P1為大傘裙傘伸出長(zhǎng)度，mm；P2為小傘裙傘伸出長(zhǎng)度，mm；α為傘裙上傾角，°；β為傘裙下傾角，°；S1為兩個(gè)相鄰大傘的傘間距離，mm；S2為兩個(gè)相鄰大傘與小傘的傘間距離，mm。

圖4 復(fù)合絕緣子傘裙結(jié)構(gòu)

2.1 復(fù)合絕緣子垂直懸掛

復(fù)合絕緣子垂直懸掛時(shí)檢測(cè)示意如圖5 所示，圖5 中θ為無人機(jī)或直升機(jī)巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角；d為無人機(jī)或直升機(jī)巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角；h為絕緣子待檢測(cè)位置距離地面的高度，d1為地面巡檢大傘裙下方芯棒時(shí)與桿塔的最小檢測(cè)距離；d2為地面巡檢小傘裙下方芯棒時(shí)與桿塔的最小檢測(cè)距離。

圖5 復(fù)合絕緣子垂直懸掛時(shí)檢測(cè)示意

1）地面檢測(cè)距離范圍的確定。

絕緣子在線路桿塔上的懸掛高度h一般超過10 m，傘間距S1一般為100～200 mm，傘裙上傾角α一般為10°左右，傘裙下傾角β一般為0～5°。

根據(jù)相似三角形定律可知

近似的，可取sinβ≈0，因此，

同理，

為保證兩個(gè)相鄰傘裙間的芯棒外護(hù)套有足夠數(shù)量的測(cè)量點(diǎn)，滿足紅外熱像儀測(cè)溫精度的最大檢測(cè)dmax按式（4）計(jì)算。

dmax為熱像儀與絕緣子的直線距離，檢測(cè)位置距離桿塔的距離為

從以上結(jié)果可以確定適合開展復(fù)合絕緣子檢測(cè)的距離范圍，檢測(cè)位置距離桿塔的水平距離d應(yīng)滿足

2）直升機(jī)或無人機(jī)巡檢檢測(cè)角度范圍的確定。

采用直升機(jī)或無人機(jī)巡檢的方式開展復(fù)合絕緣子紅外或紫外檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)位置應(yīng)盡量與被檢測(cè)芯棒位置平齊；紅外檢測(cè)時(shí)盡量保證整只復(fù)合絕緣子在儀器視場(chǎng)范圍內(nèi)，檢測(cè)位置盡量與高壓端平齊，至少應(yīng)保證高壓端芯棒不被傘裙遮擋，即檢測(cè)位置與最下端（高壓端）芯棒的連線與水平方向的夾角應(yīng)能滿足芯棒不被傘裙遮擋的要求。

從圖5可以得出

近似的，可取tanβ≈0，因此

從以上計(jì)算得出，無人機(jī)或直升機(jī)巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角為

無人機(jī)或直升機(jī)巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角為

2.2 復(fù)合絕緣子傾斜懸掛

復(fù)合絕緣子懸掛與垂直方向存在夾角時(shí)的檢測(cè)示意如圖6 所示，圖6 中ε 為復(fù)合絕緣子懸掛方向與垂直方向的夾角，°；a為大傘裙邊緣與上方相鄰小傘裙根部連線與芯棒的夾角，°；b為小傘裙邊緣與上方相鄰大傘裙根部連線與芯棒的夾角，°。

圖6 復(fù)合絕緣子懸掛與垂直方向存在夾角時(shí)的檢測(cè)示意

1）地面檢測(cè)距離范圍的確定。

根據(jù)相似三角形定律可知

由于

計(jì)算得出

同理，

從以上結(jié)果可以確定適合開展復(fù)合絕緣子檢測(cè)的距離范圍，檢測(cè)位置距離桿塔的水平距離d應(yīng)滿足式（9）。

2）直升機(jī)或無人機(jī)巡檢檢測(cè)角度范圍的確定。

從2.1.2的推導(dǎo)可以得出圖6無人機(jī)或直升機(jī)巡檢小傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角為

無人機(jī)或直升機(jī)巡檢大傘裙下方芯棒最大檢測(cè)俯角為

復(fù)合絕緣子傾斜懸掛時(shí)的計(jì)算公式也適用于ε=0 的情況，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合絕緣子也可參照上述計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

以某500 kV 線路復(fù)合絕緣子地面紅外檢測(cè)為例，該復(fù)合絕緣子為大小傘結(jié)構(gòu)，傘間距S1為100 mm，大傘裙傘伸出長(zhǎng)度P1為68 mm；小傘裙傘伸出長(zhǎng)度P2為50 mm，絕緣子垂直懸掛，懸掛高度h為21 m。按式（18）計(jì)算，d1為21m；按式（19）計(jì)算，d2為28.56 m；采用7°鏡頭，熱像儀與絕緣子的直線距離dmax按表1，取48.6 m。因此，按式（9），地面檢測(cè)位置距離桿塔的水平距離d應(yīng)大于28.56 m 且小于48.6 m。圖7 為地面檢測(cè)距離為31 m 時(shí)的紅外檢測(cè)圖像，絕緣子傘裙輪廓及芯棒成像清晰。

圖7 復(fù)合絕緣子紅外檢測(cè)圖像

通過以上計(jì)算分析可以看出，對(duì)復(fù)合絕緣子地面測(cè)溫時(shí)，可以根據(jù)復(fù)合絕緣子傘裙的傘伸出長(zhǎng)度、傘間距和懸掛的傾斜角度，按式（18）和式（19）計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)紅外檢測(cè)時(shí)的最小距離，再結(jié)合式（4）對(duì)測(cè)溫精度的要求，得出地面測(cè)溫的距離范圍。采用直升機(jī)或無人機(jī)巡檢時(shí)，根據(jù)復(fù)合絕緣子傘裙的傘伸出長(zhǎng)度、傘間距和懸掛的傾斜角度，可以按式（20）和式（21）計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的角度范圍。

3 結(jié)語

分析了紅外熱像儀鏡頭參數(shù)與檢測(cè)距離的關(guān)系，說明了通過鏡頭參數(shù)計(jì)算檢測(cè)距離的方法，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)選擇紅外熱像儀時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮視場(chǎng)角和探測(cè)器紅外分辨率這兩個(gè)紅外鏡頭參數(shù)能否滿足檢測(cè)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。無人機(jī)配置紅外鏡頭應(yīng)兼顧現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全和測(cè)溫精度，建議增大安全距離裕度，選擇視場(chǎng)角小一些的紅外鏡頭。對(duì)于500 kV 以上電壓等級(jí)線路復(fù)合絕緣子，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際尺寸超過1.5cm，分辨率下降，可采取分段測(cè)溫的方法。

根據(jù)復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)形狀（傘裙的傘伸出長(zhǎng)度、傘間距）、現(xiàn)場(chǎng)懸掛情況和紅外熱像儀參數(shù)，可通過本文的方法計(jì)算出滿足絕緣子紅外檢測(cè)精度要求的距離范圍或航巡角度范圍，保證現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)能夠準(zhǔn)確獲取絕緣子運(yùn)行狀況。