侯思祖，鐘 正，張思敏，劉云鵬，耿江海

（華北電力大學 a.河北省電力網聯(lián)網技術重點實驗室；b.河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引言

復合絕緣子在輸電領域得到了廣泛的應用[1-2]，但在戶外高溫、高濕、強電場、機械載荷等因素綜合作用下復合絕緣子會出現酥朽劣化缺陷，而酥朽缺陷常伴有異常溫升現象[3-4]。通過紅外成像技術觀測復合絕緣子的溫升情況是及早發(fā)現潛在酥朽缺陷的有效手段[5-6]，但復合絕緣子的溫升情況易受環(huán)境濕度和觀測距離的影響[7-8]，因此亟需研究不同環(huán)境濕度和觀測距離下酥朽復合絕緣子的溫升特性。

2011年，南方電網公司在對全部掛網運行的復合絕緣子紅外測溫過程中發(fā)現大量220 kV和500 kV線路復合絕緣子存在異常發(fā)熱現象，高壓側附近溫度比中部高2～25℃[9]。絕緣電阻劣化、局部放電、水分侵入芯棒-護套界面缺陷處、傘套表面污穢等均可能使復合絕緣子異常發(fā)熱[10-16]。目前，紅外成像檢測技術主要依靠溫升的高低和面積大小來判斷復合絕緣子的運行狀況并制定運維策略[17]，但該技術受環(huán)境因素特別是環(huán)境濕度和觀測距離影響較大，從而導致檢測結果與故障類型的關聯(lián)度降低。

本研究針對500 kV酥朽劣化復合絕緣子在干燥、55%、75%、95%環(huán)境濕度以及3、5、7 m觀測距離下開展紅外溫升試驗，獲得不同濕度和觀測距離下酥朽復合絕緣子的溫升特性，并通過提取復合絕緣子軸線上的溫度分布，得到復合絕緣子的溫升分布特征與酥朽劣化段長度的對應關系，以期為提高酥朽劣化復合絕緣子的檢出率、降低漏檢率、保障電網安全運行提供理論基礎。

1 試驗

1.1 試品

選取3支退運500 kV線路酥朽復合絕緣子在不同濕度和觀測距離下開展紅外溫升試驗，試品具體參數如表1所示。該批劣化復合絕緣子運行約10年，已嚴重劣化，高壓端附近傘套均存在不同程度的老化發(fā)硬、粉化開裂現象，且芯棒質地變酥、形如枯木。1#絕緣子的外觀如圖1所示。

圖1 1#酥朽復合絕緣子外觀Fig.1 Appearance of 1#decay-like composite insulator

表1 復合絕緣子參數Tab.1 Parameters of composite insulators

1.2 試驗方案

在人工氣候室內開展復合絕緣子溫升試驗，氣候室尺寸為10 m×5 m×3 m，相對濕度在30%～95%連續(xù)可調，誤差為±5%，濕度可在30 min內達到穩(wěn)定值。受空間限制，復合絕緣子試品水平放置，高壓端由絕緣支架支撐，低壓端延伸至人工氣候室外，試品整體懸空離地1.3 m，試驗布置如圖2所示。

圖2 試驗布置圖Fig.2 Test layout diagram

使用FLIR-E60型手持式紅外成像儀記錄復合絕緣子的溫升情況，紅外成像儀的分辨率為320×240像素，焦距為18 mm，像元間距為25 μm，測量溫度范圍為-20～120℃，設置紅外成像儀發(fā)射率為90%。

試驗步驟如下：①試驗前，將復合絕緣子試品放置于人工氣候室內，調節(jié)氣候室內濕度至設定值并穩(wěn)定30 min，使氣候室內濕度均勻分布；②在濕度分別為干燥（未加霧，環(huán)境濕度為30%±5%）、55%、75%和95%環(huán)境下，對復合絕緣子試品施加工頻電壓，每15 min記錄一次試品溫升，加壓60 min后試品溫升達到穩(wěn)定，此時在3、5、7 m觀測距離下分別記錄試品的溫升情況。

2 結果及分析

2.1 不同濕度下酥朽復合絕緣子的溫升特性

為了便于定量分析酥朽復合絕緣子的溫升特征，本研究從紅外圖像中提取試品的溫度信息，考慮到環(huán)境溫度差異，根據DL/T 664—2016[18]對溫度數據進行處理，通過式（1）、式（2）得到試品的最大溫升值和溫升曲線。

式（1）～（2）中：T1為試品加壓60 min后的最高溫度，K；T0為環(huán)境溫度下參照體的溫度，即同一支試品上未發(fā)熱部位的溫度，K；ΔT為試品加壓60 min后軸線上單個像素點的溫升值，K；Ti為試品加壓60 min后軸線上單個像素點的溫度，K。

加壓60 min后溫升穩(wěn)定，不同濕度和觀測距離下3支試品的溫升情況如圖3所示。由圖3可知，各觀測距離下3支酥朽復合絕緣子的溫升均隨環(huán)境濕度的增大整體上呈增大趨勢。在3 m觀測距離下，1#試品的最大溫升出現在75%濕度下，最大溫升為26.6 K，比干燥環(huán)境下增大了22%；2#和3#試品的最大溫升均出現在95%濕度下，最大溫升分別為17.5 K和10.8 K，較干燥環(huán)境下分別增大了40%和35%。分析其原因為空氣中的水分從護套開裂處侵入絕緣子內部，由于水分子為極性分子，在交變電場作用下產生有損極化損耗，從而使復合絕緣子溫升增大。

圖3 3支試品溫升隨環(huán)境濕度的變化曲線Fig.3 Change curves of temperature rise of three samples with ambient humidity

另外，由于1#試品高壓端附近護套大面積脫落，酥朽芯棒直接裸露在外，在濕度超過75%時，環(huán)境濕度加快了芯棒的散熱，進而使該支復合絕緣子在濕度超過75%后溫升呈現飽和甚至略微下降的趨勢。

由此可見，適當提高環(huán)境濕度，可使酥朽劣化復合絕緣子的溫升現象更加明顯，更有利于對早期酥朽劣化復合絕緣子進行篩查。

2.2 不同觀測距離下酥朽復合絕緣子的溫升特性

以干燥和95%濕度環(huán)境為例，3支酥朽復合絕緣子溫升隨觀測距離的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，在干燥和95%濕度環(huán)境下，3支試品的溫升均隨觀測距離增大而減小，其中干燥條件下，1#、2#和3#試品在7 m觀測距離的溫升較3 m觀測距離分別減小了12%、41%和29%；95%濕度條件下，1#、2#和3#試品在7 m觀測距離的溫升較3 m觀測距離分別減小了11%、23%和21%。這是由于受紅外成像儀分辨率的限制，觀測距離越遠，被測對象的清晰度越低，同時紅外光在空氣中傳輸的距離越遠衰減越大，使得紅外成像儀觀測到的復合絕緣子溫升隨觀測距離增大而線性減小。

圖4 3支試品溫升隨觀測距離的變化曲線Fig.4 Change curves of temperature rise of three samples with observation distances

綜上所述，實際運檢過程中，在保證安全距離的前提下，應盡量近距離檢測待檢試品的溫升情況，進而減小距離因素和設備參數限制帶來的觀測誤差影響。

2.3 酥朽復合絕緣子軸線發(fā)熱分布特征分析

以3 m、7 m觀測距離，干燥和95%環(huán)境濕度條件為例，提取3支酥朽復合絕緣子試品沿串軸線上的溫度分布，對其溫升梯度特性進行分析。由于3支試品的溫升區(qū)域均集中在高壓端附近，因此本研究針對試品高壓端25片傘裙前的溫升分布進行分析，加壓60 min時3支試品的溫升梯度特征曲線如圖5～6所示。

圖5 3 m觀測距離下3支試樣溫升分布特征Fig.5 The temperature rise distribution characteristics of three samples under 3 m observation distance

從圖5～6可以看出，由于傘裙的遮擋作用，沿絕緣子串溫升呈現高低交替的趨勢，其中溫升較高的部分，即波峰部分為傘裙間的護套段，溫升降低的部分，即波谷部分為傘裙段。通過觀測波峰和波谷的分布情況，可以看出1#試品的溫升區(qū)域主要集中在前6片傘裙以及11～13片傘裙處，2#試品的溫升區(qū)域主要集中在前4片傘裙以及12～17片傘裙處，3#號試品的溫升區(qū)域主要集中在前4片傘裙以及8～13片傘裙處。1#試品溫升區(qū)域末端的最高溫升點出現在第11～12片傘裙處；2#試品溫升區(qū)域末端最高溫升點出現在15～16片傘裙處；3#試品溫升區(qū)域末端最高溫升點出現在11～12片傘裙處。3 m、7 m觀測距離和干燥、95%濕度環(huán)境下3支試品溫升區(qū)域末端的最高溫升點溫升如表2所示。對比表2可以看出，雖然觀測距離以及環(huán)境濕度對溫升區(qū)域的分布情況未產生影響，但7 m觀測距離以及干燥環(huán)境下溫升區(qū)域末端的溫升幅度不如3 m觀測距離以及95%濕度環(huán)境下。

表2 溫升區(qū)域末端最高溫升Tab.2 The highest temperature rise at the end of the temperature rise area

后續(xù)通過對3支試品解剖檢查發(fā)現，1#試品芯棒從高壓端金具開始酥朽劣化，發(fā)展至第11、12片傘裙之間，2#試品芯棒的劣化段發(fā)展至第15、16片傘裙，3#試品芯棒的劣化段發(fā)展至第11、12片傘裙之間。由此分析得出，可通過酥朽復合絕緣子軸線上的溫升曲線特征判斷芯棒酥朽劣化段發(fā)展的位置，而無需將復合絕緣子解剖查看，從而實現酥朽絕緣子酥朽段長度的無損檢測，避免了大量人力物力的浪費。

圖6 7 m觀測距離下3支試樣溫升分布特征Fig.6 The temperature rise distribution characteristics of three samples under 7 m observation distance

3 結論

針對3支500 kV酥朽復合絕緣子開展了不同濕度和觀測距離下的紅外溫升試驗，主要得到以下結論：

（1）酥朽復合絕緣子的溫升現象在高濕環(huán)境下更加明顯，且溫升隨環(huán)境濕度增大整體上呈增大趨勢。因此適當提高環(huán)境濕度有利于酥朽劣化復合絕緣子的檢測，降低漏檢率。

（2）一定環(huán)境濕度下，酥朽復合絕緣子的溫升隨觀測距離增大而減小。因此實際運檢過程中，在綜合考慮紅外設備參數限制、外界環(huán)境因素以及絕緣子傘裙干擾，同時保證安全距離的前提下，適當拉近觀測距離，可一定程度上減小距離因素帶來的觀測誤差。

（3）可通過酥朽復合絕緣子軸線上的溫升曲線特征判斷芯棒酥朽劣化段發(fā)展的位置，而無需將復合絕緣子解剖查看，從而實現酥朽絕緣子酥朽段長度的無損檢測。