紅外熱成像技術(shù)在劣化絕緣子檢測(cè)上的應(yīng)用

1、紅外熱成像技術(shù)在劣化絕緣子檢測(cè)上的應(yīng)用Application of Infrared Thermal Imaging Technology toDetection of Faulty Insulators牟義革1，李東欽1，劉秀明1,李文波1,張曉鵬2(1.大唐三門(mén)峽發(fā)電有限責(zé)任公司，三門(mén)峽472143；2.中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，鄭州450000)摘要：紅外熱成像技術(shù)自20世紀(jì)60年代在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用后，因其具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、 不解體，且準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn)，目前巳在我國(guó)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著地效果，為 設(shè)備的在線(xiàn)檢測(cè)和故障診斷提供了依據(jù)，有效地預(yù)防了

2、一些事故的發(fā)生，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。 本文結(jié)合紅外熱成像技術(shù)的特點(diǎn)，利用不同類(lèi)型劣化絕緣子在熱場(chǎng)分布上存在的差異，將紅外熱成像技術(shù) 應(yīng)用于絕緣子的在線(xiàn)檢測(cè)和故障診斷，該方法在安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、準(zhǔn)確性等方面均大大優(yōu)于絕緣 電阻法、電壓分布法、脈沖電流法等傳統(tǒng)檢測(cè)絕緣子的方法。關(guān)鍵詞：紅外熱成像技術(shù)；劣化絕緣子；在線(xiàn)檢測(cè)0引言絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行于強(qiáng)電場(chǎng)、高溫日照、污穢物等環(huán)境下，其絕緣性能會(huì)出現(xiàn)降低，如果 絕緣子串中存在零值，相當(dāng)于部分絕緣被短路，相應(yīng)地減少了絕緣子串的整體爬電距離，大 大增加了該串絕緣子的閃絡(luò)概率。當(dāng)絕緣子劣化發(fā)展到一定程度，或者受到雷擊過(guò)電壓、沖 擊過(guò)電壓、污穢閃絡(luò)等

3、外部作用，容易造成流注放電、頭部絕緣擊穿等現(xiàn)象，有可能發(fā)展成 瓷裙炸裂、鋼帽爆炸、鋼腳燒斷等故障，甚至發(fā)生斷串、掉線(xiàn)事故。因此，對(duì)絕緣子進(jìn)行劣 化檢測(cè)十分必要。目前，劣化絕緣子的檢測(cè)方法較多，主要有絕緣電阻法、電壓分布法、脈 沖電流法、超聲波檢測(cè)法、紫外成像法、紅外熱成像法等1，本文通過(guò)介紹紅外熱成像方法 在低值、零值、污穢、破裂等劣化絕緣子檢測(cè)的實(shí)例，重點(diǎn)闡述紅外熱成像技術(shù)對(duì)于絕緣子 的在線(xiàn)檢測(cè)和故障診斷有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值和意義。1 劣化絕緣子主要檢測(cè)方法絕緣電阻法劣化絕緣子在絕緣性能上主要分為低值和零值絕緣子。以500kV電壓等級(jí)的絕緣子為例， 正常絕緣子的絕緣電阻值，使用2500V及

4、以上的兆歐表測(cè)量，不應(yīng)低于500 MQ ；當(dāng)絕緣子 的絕緣性能劣化后，絕緣電阻降為10500 MQ時(shí)，稱(chēng)為“低值絕緣子”；絕緣電阻降為10 MQ以下時(shí)，稱(chēng)為“零值絕緣子，。絕緣電阻法就是根據(jù)絕緣子的絕緣電阻測(cè)量值在正常以 及劣化條件下明顯變化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)劣化絕緣子的識(shí)別，如圖1所示。該方法存在檢測(cè)工 作量大、檢測(cè)周期長(zhǎng)、檢測(cè)成本高、安全性差等缺點(diǎn)。圖1絕緣電阻法檢測(cè)劣化絕緣子(2)電壓分布法由于絕緣子對(duì)導(dǎo)線(xiàn)雜散電容及對(duì)地雜散電容的影響，絕緣子串的電壓分布呈不對(duì)稱(chēng)的馬 鞍形，靠近導(dǎo)線(xiàn)的絕緣子的分布電壓相對(duì)較高，中間絕緣子承受的電壓稍低，靠近橫擔(dān)分布 電壓有所回升，如表1所示。電壓分布法是指架空

5、線(xiàn)路在運(yùn)行中，采用特制的工具進(jìn)行帶電 試驗(yàn)，主要測(cè)量絕緣子串上每個(gè)絕緣子上的電壓分布是否符合標(biāo)準(zhǔn)。如果在某一絕緣子串中 帶有損壞的絕緣子，則損壞的絕緣子上沒(méi)有電壓分布，而加在該絕緣子上的電壓將分布在其 他良好的絕緣子上。該方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差、效率低且受電磁干擾等缺點(diǎn)，易造 成誤檢或漏檢。表1瓷絕緣子串電壓分布典型標(biāo)準(zhǔn)工作電壓(kV)線(xiàn)相個(gè)按由導(dǎo)線(xiàn)起絕緣子元件順序的分布電壓(kV)14數(shù)1234567891011121339563520484.53.5411065718.5108.5756922128171086.54.5558071322.518.212.112.197.57.16.

6、96666.57.514131612976.5655556.5682821.519.517.51614.5131211109.598.587.55028續(xù)08編1516171819202122232425262728號(hào)777777777.588.59.510.511.5(3)脈沖電流法通過(guò)測(cè)量絕緣子電暈脈沖電流的方法來(lái)判斷絕緣子的絕緣狀況，其原理是：由于劣化絕 緣子的絕緣電阻很低，它在絕緣子串中承擔(dān)的電壓也較小，于是其它正常絕緣子在絕緣子串 上的承受電壓必然明顯大于正常情況時(shí)的承受電壓，而因回路阻抗變小、絕緣子電暈現(xiàn)象的 加劇，電暈脈沖電流必將變大，利用寬頻帶電暈脈沖電流傳感器套入絕緣子取出電

7、暈脈沖電 流信號(hào)，從而達(dá)到在低壓端檢出不良絕緣子的目的。利用脈沖電流檢測(cè)劣化絕緣子，具有成 本低、檢測(cè)方便的優(yōu)點(diǎn)，該方法的檢測(cè)較為方便，但靈敏度受劣化絕緣子阻值、所處位置、 絕緣子串長(zhǎng)度和環(huán)境溫度、濕度的影響，且容易受到金具、導(dǎo)線(xiàn)電暈等因素的干擾。(4 )超聲波法當(dāng)污穢或劣化絕緣子的絕緣劣化，引起絕緣子表面局部放電增加時(shí)，隨著電能量的釋放 過(guò)程，對(duì)周?chē)慕橘|(zhì)產(chǎn)生壓力，從而引起空氣振動(dòng)，造成聲波發(fā)射現(xiàn)象。由于是檢測(cè)絕緣子 局部放電發(fā)出的聲波，靈敏度低于紅外成像法，屬于非接觸式測(cè)量。該方法更適合判斷由污 穢等原因造成的較為明顯的局部放電，對(duì)絕緣子劣化、絕緣阻值下降的早期預(yù)報(bào)有一定困難。(5)紫外成

8、像法在絕緣子表面發(fā)生放電時(shí)，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度(或高壓差)的不同，會(huì)產(chǎn)生電暈、閃絡(luò)或電弧， 其中含有部分紫外光。紫外成像儀能直接檢測(cè)出設(shè)備異常溫升之前的放電過(guò)程。紫外成像法 比起其他檢測(cè)手段，具有觀察直觀、預(yù)見(jiàn)性好、觀測(cè)距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于局部放電 的觀測(cè)，難以做劣化絕緣子的早期預(yù)報(bào)，且價(jià)格昂貴。(6)紅外熱成像法在絕緣子發(fā)生絕緣劣化或者表面污穢嚴(yán)重后，會(huì)造成運(yùn)行中絕緣子串的分布電壓改變、 泄漏電流異常，出現(xiàn)發(fā)熱或局部發(fā)涼跡象。通過(guò)紅外熱成像，可得到絕緣子串的熱場(chǎng)分布， 進(jìn)而判定絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)3-6該方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子進(jìn)行非接觸式檢測(cè)，且不受高壓電 磁場(chǎng)的干擾，具有檢測(cè)成本低、安全性高、實(shí)用性

9、強(qiáng)，檢測(cè)準(zhǔn)確、快捷的特點(diǎn)。2紅外熱成像技術(shù)在劣化絕緣子檢測(cè)上的應(yīng)用2.1紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)原理無(wú)論是劣化的瓷絕緣子還是合成絕緣子，在其劣化區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)熱場(chǎng)分布異常的現(xiàn)象， 紅外熱成像技術(shù)就是利用這一機(jī)理口根據(jù)測(cè)量絕緣子溫度異常的變化，來(lái)確定絕緣子劣化情 況的一種檢測(cè)手段。絕緣子串電壓分布由于絕緣子的金屬部分與接地鐵塔或帶電導(dǎo)體間有電容存在，使得絕緣子串的電位分布 不均勻日，良好的絕緣子串可按圖2的等效電路10來(lái)分析。每片絕緣子的對(duì)地電流分為3 個(gè)分量：流過(guò)每片絕緣子極間電容c1的電流l，流過(guò)絕緣子對(duì)地電容ce1的電流i2和流過(guò)絕 緣子對(duì)高壓導(dǎo)線(xiàn)電容cl1的電流13。由于ce1和cl1的影響，使

10、得絕緣子串電壓分布是不均勻 的。ce1起分流作用，該電容值越大，主鏈中的電流被分流越多，使靠近導(dǎo)線(xiàn)側(cè)的絕緣子電 流大，電壓降也大；cl1從導(dǎo)線(xiàn)獲得電流向主鏈匯流，則該側(cè)電容值越大，靠近接地側(cè)的絕 緣子流過(guò)電流越大，分布電壓抬高，使得絕緣子串電壓分布呈非對(duì)稱(chēng)“馬鞍形”，如圖2所 示。絕緣子串熱場(chǎng)分布根據(jù)焦耳定律：Q= l2Rt=U2/Rt(1)式中：Q一熱能，I一電流，R一電阻，U一電壓，t時(shí)間。發(fā)熱量的大小與電阻的大小、電阻上的電壓大小、流過(guò)電阻的電流大小及作用時(shí)間等有 關(guān)。串聯(lián)回路中，即同樣的電流和時(shí)間下，電阻越大，發(fā)熱就越嚴(yán)重；電壓越大，發(fā)熱也越 嚴(yán)重；并聯(lián)回路中，同樣的電壓和時(shí)間下，電流

11、越大，發(fā)熱就越嚴(yán)重；電阻越小，發(fā)熱也越 嚴(yán)重。從圖2的絕緣子串電壓分布可知，運(yùn)行的絕緣子串中，靠近接地橫擔(dān)及高壓導(dǎo)體的絕緣 子承擔(dān)的電壓較高，其中靠近導(dǎo)體的絕緣子上的電壓最大。因此靠近導(dǎo)體處的絕緣子發(fā)熱最 為嚴(yán)重，紅外熱圖譜也最為明顯，靠近橫擔(dān)處的絕緣子發(fā)熱次之，絕緣子串中部的絕緣子發(fā) 熱最輕。圖2絕緣子串等效電路和電壓分布接地橫擔(dān)O高壓電極絕緣子編從導(dǎo)線(xiàn)測(cè)到橫擔(dān)例接地橫擔(dān)O高壓電極絕緣子編從導(dǎo)線(xiàn)測(cè)到橫擔(dān)例劣化絕緣子熱場(chǎng)分布零值絕緣子狹義的零值絕緣子是指絕緣子絕緣特性完全喪失，即絕緣電阻為零或極低。因此，在整 個(gè)絕緣子串中，零值絕緣子是不會(huì)發(fā)熱的，其溫度與環(huán)境溫度一致。低值絕緣子低值絕緣子指絕

12、緣子絕緣特性部分喪失，絕緣性能下降?？捎萌鐖D3所示的等效電路 來(lái)表示。將絕緣子等效為電阻電容并聯(lián)電路，其中C為絕緣子兩極間主電容，&為絕緣子良 好部分絕緣電阻，虬為絕緣子絕緣性能下降部分絕緣電阻。根據(jù)焦耳定律，由于R1遠(yuǎn)大于 R2,在相同的電壓下，r2產(chǎn)生的損耗更大，也即發(fā)熱更為嚴(yán)重。從紅外圖譜來(lái)看，低值絕 緣子應(yīng)該存在溫度分布不均勻的現(xiàn)象。圖3低值絕緣子等效電路圖2.2紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)方法(1)紅外熱成像儀器的選擇檢測(cè)劣化絕緣子的紅外熱成像儀器要求相對(duì)較高，一般溫度分辨率不大于0.1C，測(cè)溫 范圍-20C200C，像素不低于320*240。能滿(mǎn)足精確檢測(cè)的要求，測(cè)量精度和測(cè)溫范圍滿(mǎn) 足現(xiàn)場(chǎng)

13、測(cè)試要求，性能指標(biāo)較高，具有較高的溫度分辨率及空間分辨率，具有大氣條件的修 正模型，操作簡(jiǎn)便，圖像清晰、穩(wěn)定。(2 )紅外熱成像時(shí)機(jī)的選擇紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)劣化絕緣子，要求環(huán)境溫度一般不低于5C，相對(duì)濕度不大于85%， 天氣以陰天、多云為宜，夜間圖像質(zhì)量為佳，檢測(cè)時(shí)風(fēng)速控制在5m/s以?xún)?nèi)。(3)紅外熱成像儀器使用方法儀器在開(kāi)機(jī)后進(jìn)行內(nèi)部溫度校準(zhǔn)，待圖像穩(wěn)定后即可開(kāi)始工作。將儀器的色標(biāo)溫度量程設(shè)置在環(huán)境溫度加10k20K左右的溫升范圍。先遠(yuǎn)距離對(duì)所有被測(cè)設(shè)備進(jìn)行全面掃描，發(fā)現(xiàn)有溫度偏高或偏低絕緣子后，再有針對(duì) 性地近距離對(duì)異常部位和重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和對(duì)比檢查。(4 )劣化絕緣子的診斷依據(jù)零值

14、絕緣子：發(fā)熱溫度比正常絕緣子要低1C以上，熱像特征與正常絕緣子相比，呈 暗色調(diào)。低值絕緣子：以鐵帽為發(fā)熱中心的熱像圖，其比正常絕緣子溫度高1C以上，熱像特 征與正常絕緣子相比，呈暖色調(diào)。2.3紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)劣化絕緣子實(shí)例(1)正常絕緣子檢測(cè)實(shí)例由圖4所示，對(duì)500kV升壓站內(nèi)運(yùn)行線(xiàn)路一懸掛絕緣子串進(jìn)行紅外熱成像，靠近接地橫 擔(dān)及高壓導(dǎo)體的絕緣子片相對(duì)中間位置的絕緣子片色調(diào)較亮，但該絕緣子串的各位置溫度在 6C左右，溫差1C以?xún)?nèi)，為正常絕緣子。圖4正常絕緣子熱像圖零值絕緣子檢測(cè)實(shí)例由圖5所示，對(duì)500kV升壓站內(nèi)運(yùn)行線(xiàn)路一懸掛絕緣子串進(jìn)行紅外熱成像發(fā)現(xiàn)，在靠近 接地橫擔(dān)第四片絕緣子呈現(xiàn)明顯暗

15、色調(diào)，溫度較臨近絕緣子偏低2C，通過(guò)多次紅外熱成像 跟蹤記錄對(duì)比分析，該絕緣子片診斷為零值絕緣子。圖5零值絕緣子熱像圖由圖6所示，對(duì)500kV升壓站內(nèi)運(yùn)行線(xiàn)路一懸掛絕緣子串進(jìn)行紅外熱成像發(fā)現(xiàn)，在靠近 母線(xiàn)側(cè)2/3絕緣子串紅外圖像呈暖色調(diào)，以鐵帽為發(fā)熱中心，溫度偏高4C，多次紅外熱成 像跟蹤記錄對(duì)比分析，該絕緣子串靠近母線(xiàn)側(cè)2/3部分診斷為低值絕緣子。圖6低值絕緣子熱像圖破裂絕緣子檢測(cè)實(shí)例由圖7所示，對(duì)500kV升壓站內(nèi)運(yùn)行線(xiàn)路一懸掛絕緣子串進(jìn)行紅外熱成像發(fā)現(xiàn)，在靠近導(dǎo)線(xiàn)側(cè)第三片絕緣子較臨近絕緣子片溫度偏高5C,通過(guò)放大鏡觀察該絕緣子片瓷瓶破裂。圖7破裂絕緣子熱像圖3結(jié)論絕緣子串在運(yùn)行電壓下的發(fā)

16、熱情況與絕緣子串電壓分布一致，其發(fā)熱程度與承受的電 壓大小及作用時(shí)間成正比關(guān)系；紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于絕緣子的在線(xiàn)檢測(cè)和故障診斷時(shí)，對(duì)紅外熱成像儀器以及檢測(cè) 時(shí)機(jī)、方法有著較為嚴(yán)格的要求。劣化絕緣子發(fā)熱功率隨絕緣電阻值呈非線(xiàn)性變化。對(duì)于逐漸劣化的絕緣子，當(dāng)絕緣電 阻值比正常值稍有降低時(shí)，發(fā)熱功率增大;當(dāng)絕緣電阻值降低至等效容抗值時(shí)，發(fā)熱功率達(dá) 到最大值;當(dāng)絕緣電阻繼續(xù)降低時(shí)，發(fā)熱功率下降。當(dāng)絕緣電阻值降至某個(gè)區(qū)段(510MQ) 時(shí)，發(fā)熱功率與正常絕緣子相似;當(dāng)絕緣電阻值降至很低時(shí)，發(fā)熱功率接近于零。因此，利 用紅外熱像儀檢測(cè)低值和零值絕緣子時(shí)，可能存在檢測(cè)盲區(qū)。所以，紅外熱像技術(shù)檢測(cè)低、 零值絕

17、緣子，需要將紅外熱像結(jié)果與同一絕緣子的歷史紅外熱像檢測(cè)檔案相比較。分析絕緣 子在不同時(shí)期的紅外檢測(cè)結(jié)果，包括溫度、溫升和溫度場(chǎng)分布有無(wú)變化,掌握絕緣子發(fā)熱的變 化趨勢(shì)，從而做出更準(zhǔn)確的判斷。劣化絕緣子會(huì)呈現(xiàn)出熱場(chǎng)分布異常的現(xiàn)象，紅外熱成像技術(shù)可以根據(jù)這種機(jī)理應(yīng)用于 絕緣子的在線(xiàn)檢測(cè)和故障診斷，因其采用非接觸式測(cè)量，使用時(shí)不接觸高壓設(shè)備，保證了操 作人員的安全，可以快速掃描成像，快捷方便，檢測(cè)成本低，效率高，同時(shí)能彌補(bǔ)傳統(tǒng)絕緣 電阻檢測(cè)方法的不足。因此，推廣紅外熱成像技術(shù)在劣化絕緣子檢測(cè)上的應(yīng)用，十分必要。參考文獻(xiàn)：盧明，姚德貴，張國(guó)民，等.劣化絕緣子檢測(cè)方法的對(duì)比分析J.電瓷避雷器，2006(05)： 9-13.陳海拔.懸式盤(pán)形絕緣子的帶電檢測(cè)J.電網(wǎng)技術(shù)，2007, 31 (1)： 128-130.邱東曉，陳永根，劉偉，等.影響帶電設(shè)備紅外檢測(cè)及診斷的因素J.電力安全技術(shù)，2011, 13(9)： 62-63.陳金法.基于紅外熱像技術(shù)的絕緣子狀態(tài)檢測(cè)與診斷J.電工電氣，2011(12)： 42-47.卞玉萍，康宇斌.紅外、紫外檢測(cè)技術(shù)在特高壓輸電線(xiàn)路中的應(yīng)用J.華北電力技術(shù)，2012(2)： 23-26.周春榮，石幸利，張占龍.劣質(zhì)絕緣子檢測(cè)逆問(wèn)題診斷誤差分析J.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué) 版，2012, 14(3): 1