红外热成像技术在劣化绝缘子检测上的应用(20160912)

红外热成像技术在劣化绝缘子检测上的应用Application of Infrared Thermal Imaging Technology to Detection of Faulty Insulators牟义革1，李东钦1，刘秀明1，李文波1，张晓鹏2胡庆伟（1.大唐三门峡发电有限责任公司，三门峡 472143；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司，郑州 450000）摘要：红外热成像技术自20世纪60年代在电力系统推广应用后，因其具有远距离、不接触、不取样、不解体，且准确、快速、直观等特点，目前已在我国电力系统中得到广泛应用，并取得了显著地效果，为设备的在线检测和故障诊断提供了依据，有效地预防了一些事故的发生，大大提高了设备运行的可靠性。本文结合红外热成像技术的特点，利用不同类型劣化绝缘子在热场分布上存在的差异，将红外热成像技术应用于绝缘子的在线检测和故障诊断，该方法在安全性、经济性、实用性、准确性等方面均大大优于绝缘电阻法、电压分布法、脉冲电流法等传统检测绝缘子的方法。关键词：红外热成像技术；劣化绝缘子；在线检测0 引言绝缘子长期运行于强电场、高温日照、污秽物等环境下，其绝缘性能会出现降低，如果绝缘子串中存在零值，相当于部分绝缘被短路，相应地减少了绝缘子串的整体爬电距离，大大增加了该串绝缘子的闪络概率。当绝缘子劣化发展到一定程度，或者受到雷击过电压、冲击过电压、污秽闪络等外部作用，容易造成流注放电、头部绝缘击穿等现象，有可能发展成瓷裙炸裂、钢帽爆炸、钢脚烧断等故障，甚至发生断串、掉线事故。因此，对绝缘子进行劣化检测十分必要。目前，劣化绝缘子的检测方法较多，主要有绝缘电阻法、电压分布法、脉冲电流法、超声波检测法、紫外成像法、红外热成像法等1，本文通过介绍红外热成像方法在低值、零值、污秽、破裂等劣化绝缘子检测的实例，重点阐述红外热成像技术对于绝缘子的在线检测和故障诊断有着非常重要的应用价值和意义。1 劣化绝缘子主要检测方法1.1(1) 绝缘电阻法劣化绝缘子在绝缘性能上主要分为低值和零值绝缘子。以500kV电压等级的绝缘子为例，正常绝缘子的绝缘电阻值，使用2500V及以上的兆欧表测量，不应低于500 M；当绝缘子的绝缘性能劣化后，绝缘电阻降为 10500 M 时，称为“低值绝缘子”；绝缘电阻降为 10 M 以下时，称为“零值绝缘子”。绝缘电阻法2就是根据绝缘子的绝缘电阻测量值在正常以及劣化条件下明显变化的特点，实现对劣化绝缘子的识别，如图1所示。该方法存在检测工作量大、检测周期长、检测成本高、安全性差等缺点。图1 绝缘电阻法检测劣化绝缘子1.2(2)电压分布法由于绝缘子对导线杂散电容及对地杂散电容的影响，绝缘子串的电压分布呈不对称的马鞍形，靠近导线的绝缘子的分布电压相对较高，中间绝缘子承受的电压稍低，靠近横担分布电压有所回升，如表1所示。电压分布法是指架空线路在运行中，采用特制的工具进行带电试验，主要测量绝缘子串上每个绝缘子上的电压分布是否符合标准。如果在某一绝缘子串中带有损坏的绝缘子，则损坏的绝缘子上没有电压分布，而加在该绝缘子上的电压将分布在其他良好的绝缘子上。该方法存在劳动强度大、安全性差、效率低且受电磁干扰等缺点，易造成误检或漏检。 表1 瓷绝缘子串电压分布典型标准工作电压(kV)个数按由导线起绝缘子元件顺序的分布电压(kV)线相123456789101112131435203956484.53.5411065718.5108.575692201278171086.54.55581322.518.212.112.197.57.16.96666.57.550028814131612976.5655556.5682821.519.517.51614.5131211109.598.587.5续编号1516171819202122232425262728777777777.588.59.510.511.51.3(3)脉冲电流法通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状况，其原理是：由于劣化绝缘子的绝缘电阻很低，它在绝缘子串中承担的电压也较小，于是其它正常绝缘子在绝缘子串上的承受电压必然明显大于正常情况时的承受电压，而因回路阻抗变小、绝缘子电晕现象的加剧,电晕脉冲电流必将变大，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入绝缘子取出电晕脉冲电流信号，从而达到在低压端检出不良绝缘子的目的。利用脉冲电流检测劣化绝缘子，具有成本低、检测方便的优点，该方法的检测较为方便，但灵敏度受劣化绝缘子阻值、所处位置、绝缘子串长度和环境温度、湿度的影响，且容易受到金具、导线电晕等因素的干扰。1.4(4)超声波法当污秽或劣化绝缘子的绝缘劣化，引起绝缘子表面局部放电增加时，随着电能量的释放过程，对周围的介质产生压力，从而引起空气振动，造成声波发射现象。由于是检测绝缘子局部放电发出的声波，灵敏度低于红外成像法，属于非接触式测量。该方法更适合判断由污秽等原因造成的较为明显的局部放电，对绝缘子劣化、绝缘阻值下降的早期预报有一定困难。1.5(5)紫外成像法在绝缘子表面发生放电时，根据电场强度(或高压差)的不同，会产生电晕、闪络或电弧，其中含有部分紫外光。紫外成像仪能直接检测出设备异常温升之前的放电过程。紫外成像法比起其他检测手段，具有观察直观、 预见性好、观测距离远等优点，主要适用于局部放电的观测，难以做劣化绝缘子的早期预报，且价格昂贵。 1.6(6)红外热成像法在绝缘子发生绝缘劣化或者表面污秽严重后，会造成运行中绝缘子串的分布电压改变、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉迹象。通过红外热成像，可得到绝缘子串的热场分布，进而判定绝缘子的运行状态3-6。该方法能实现对绝缘子进行非接触式检测，且不受高压电磁场的干扰，具有检测成本低、安全性高、实用性强，检测准确、快捷的特点。 2 红外热成像技术在劣化绝缘子检测上的应用2.1红外热成像技术检测原理无论是劣化的瓷绝缘子还是合成绝缘子，在其劣化区域都会出现热场分布异常的现象，红外热成像技术就是利用这一机理7根据测量绝缘子温度异常的变化，来确定绝缘子劣化情况的一种检测手段。2.1.1 (1)绝缘子串电压分布由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导体间有电容存在，使得绝缘子串的电位分布不均匀8-9，良好的绝缘子串可按图2的等效电路10来分析。每片绝缘子的对地电流分为3个分量：流过每片绝缘子极间电容CiC1的电流I1，流过绝缘子对地电容CEiCE1的电流I2和流过绝缘子对高压导线电容CLiCL1的电流I3。由于CEiCE1和CLiCL1的影响，使得绝缘子串电压分布是不均匀的。CEiCE1起分流作用，该电容值越大，主链中的电流被分流越多，使靠近导线侧的绝缘子电流大，电压降也大；CLiCL1从导线获得电流向主链汇流，则该侧电容值越大，靠近接地侧的绝缘子流过电流越大，分布电压抬高，使得绝缘子串电压分布呈非对称“马鞍形”，如图2所示。2.1.2 (2)绝缘子串热场分布根据焦耳定律：JQ= I2Rt=U2/Rt (1)（式中：Q为热能，I为电流，R为电阻，U为电压，t为时间。）， 发热量的大小与电阻的大小、电阻上的电压大小、流过电阻的电流大小及作用时间等有关。串联回路中，即同样的电流和时间下，电阻越大，发热就越严重；电压越大，发热也越严重；并联回路中，同样的电压和时间下，电流越大，发热就越严重；电阻越小，发热也越严重。从图2的绝缘子串电压分布可知，运行的绝缘子串中，靠近接地横担及高压导体的绝缘子承担的电压较高，其中靠近导体的绝缘子上的电压最大。因此靠近导体处的绝缘子发热最为严重，红外热图谱也最为明显，靠近横担处的绝缘子发热次之，绝缘子串中部的绝缘子发热最轻。图2 绝缘子串等效电路和电压分布2.1.3(3)劣化绝缘子热场分布（1） 零值绝缘子狭义的零值绝缘子是指绝缘子绝缘特性完全丧失，即绝缘电阻为零或极低。因此，在整个绝缘子串中，零值绝缘子是不会发热的，其温度与环境温度一致。（2）低值绝缘子低值绝缘子指绝缘子绝缘特性部分丧失，绝缘性能下降。可用如图3 所示的等效电路来表示。将绝缘子等效为电阻电容并联电路，其中C为绝缘子两极间主电容，R1为绝缘子良好部分绝缘电阻，R2为绝缘子绝缘性能下降部分绝缘电阻。根据焦耳定律，由于R1远大于R2，在相同的电压下，R2上产生的损耗更大，也即发热更为严重。从红外图谱来看，低值绝缘子应该存在温度分布不均匀的现象。图3 低值绝缘子等效电路图2.2 红外热成像技术检测方法2.2.1 (1)红外热成像仪器的选择检测劣化绝缘子的红外热成像仪器要求相对较高，一般温度分辨率不大于0.1，测温范围-20200，像素不低于320*240。能满足精确检测的要求，测量精度和测温范围满足现场测试要求，性能指标较高，具有较高的温度分辨率及空间分辨率，具有大气条件的修正模型，操作简便，图像清晰、稳定。2.2.2 (2)红外热成像时机的选择红外热成像技术检测劣化绝缘子，要求环境温度一般不低于5，相对湿度不大于85%，天气以阴天、多云为宜，夜间图像质量为佳，检测时风速控制在5m/s以内。 2.2.3(3)红外热成像仪器使用方法（1）仪器在开机后进行内部温度校准，待图像稳定后即可开始工作。 （2）将仪器的色标温度量程设置在环境温度加10k20K左右的温升范围。 （3）先远距离对所有被测设备进行全面扫描，发现有温度偏高或偏低绝缘子后，再有针对性地近距离对异常部位和重点区域进行准确检测和对比检查。 2.2.4(4) 劣化绝缘子的诊断依据（1）零值绝缘子：发热温度比正常绝缘子要低1以上，热像特征与正常绝缘子相比，呈暗色调。 （2）低值绝缘子：以铁帽为发热中心的热像图，其比正常绝缘子温度高1以上，热像特征与正常绝缘子相比，呈暖色调。2.3 红外热成像技术检测劣化绝缘子实例2.3.1(1) 正常绝缘子检测实例由图4所示，对500kV升压站内运行线路一悬挂绝缘子串进行红外热成像，靠近接地横担及高压导体的绝缘子片相对中间位置的绝缘子片色调较亮，但该绝缘子串的各位置温度在6左右，温差1以内，为正常绝缘子。图4 正常绝缘子热像图2.3.2 (2)零值绝缘子检测实例由图5所示，对500kV升压站内运行线路一悬挂绝缘子串进行红外热成像发现，在靠近接地横担第四片绝缘子呈现明显暗色调，温度较临近绝缘子偏低2，通过多次红外热成像跟踪记录对比分析，该绝缘子片诊断为零值绝缘子。图5 零值绝缘子热像图2.3.3 (3)低值绝缘子检测实例由图6所示，对500kV升压站内运行线路一悬挂绝缘子串进行红外热成像发现，在靠近母线侧2/3绝缘子串红外图像呈暖色调，以铁帽为发热中心，温度偏高4，多次红外热成像跟踪记录对比分析，该绝缘子串靠近母线侧2/3部分诊断为低值绝缘子。图6 低值绝缘子热像图2.3.4 (4)破裂绝缘子检测实例由图7所示，对500kV升压站内运行线路一悬挂绝缘子串进行红外热成像发现，在靠近导线侧第三片绝缘子较临近绝缘子片温度偏高5，通过放大镜观察该绝缘子片瓷瓶破裂。图7 破裂绝缘子热像图3 结论（1）绝缘子串在运行电压下的发热情况与绝缘子串电压分布一致，其发热程度与承受的电压大小及作用时间成正比关系；（2）红外热成像技术应用于绝缘子的在线检测和故障诊断时，对红外热成像仪器以及检测时机、方法有着较为严格的要求。（3）劣化绝缘子发热功率随绝缘电阻值呈非线性变化。对于逐渐劣化的绝缘子，当绝缘电阻值比正常值稍有降低时，发热功率增大;当绝缘电阻值降低至等效容抗值时，发热功率达到最大值;当绝缘电阻继续降低时，发热功率下降。当绝缘电阻值降至某个区段(510 10-5M)时，发热功率与正常绝缘子相似;当绝缘电阻值降至很低时，发热功率接近于零。因此，利用红外热像仪检测低值和零值绝缘子时，可能存在检测盲区。所以，红外热像技术检测低、零值绝缘子，需要将红外热像结果与同一绝缘子的历史红外热像检测档案相比较。分析绝缘子在不同时期的红外检测结果,包括温度、温升和温度场分布有无变化,掌握绝缘子发热的变化趋势 ,从而做出更准确的判断。 （4）劣化绝缘子会呈现出热场分布异常的现象，红外热成像技术可以根据这种机理应用于绝缘子的在线检测和故障诊断，因其采用非接触式测量，使用时不接触高压设备，保证了操作人员的安全，可以快速扫描成像，快捷方便，检测成本低，效率高，同时能弥补传统绝缘电阻检测方法的不足。因此，推广红外热成像技术在劣化绝缘子检测上的应用，十分必要。参考文献：1 卢明，姚德贵，张国民，等. 劣化绝缘子检测方法的对比分析J. 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