劉 嶸,賈 然,沈 浩,劉傳彬,張 洋
(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003)
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。
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
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)。
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??筛鶕?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。
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
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)。
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)
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
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。
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。
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。