悬式绝缘子分布电压无线传输测量装置的研制-标准图集电气图集

悬式绝缘子分布电压无线传输测量装置的研制

国网烟台供电公司变电检修室常青QC小组

一、小组概况

国网烟台供电公司常青QC小组是一个具有较强理论基础和丰富工作经验的小组。小组

自成立以来，定期开展QC活动，坚持技术创新，注重解决各类现场问题，取得了良好成绩,

获得了多项QC成果及专利成果奖励，先后获得“科技创新先进单位”、“全国电力行业质

量信得过小组”、“山东省优秀质量管理小组”等荣誉称号。

表I小组成员概况表

小组名称常青QC小组成立日期2010.3发布人梁雯、宋方超

所在部门烟台供电公司课题类型创新型组长金爱民

QC/305-02.06-

注册号登记日期2016.1成员人数10

2016

TQC教育人均48小时2016年1月至

活动次数每月5次活动时间

情况考试成绩优秀2016年9月

姓％性别文化程度职务及职称小组职务组内分工

金爱民男中专班长组长方案制定

小

宋志涛男大专技师组员技术指导

郭富胜男博士副班长组员课题实施

组

梁小雨女本科工程师组员课题实施

成高振兴男硕士工程师组员课题实施

梁雯女博士助理工程师组员报告撰写

员

宋方超男硕士助理工程师组员课题实施

武文成男硕士助理工程师组员课题实施

满超楠女硕士助理工程师组员课题实施

孙国峰男硕士助理工程师组员课题实施

制表人：郭富胜制表时间：2016-1-8

二、选择课题

（一）课题背景

在高压输电线路上，绝缘子起到对导线固定悬挂和对杆塔绝缘的作用。

1

图1线路中悬挂的绝缘子串

小组成员统计发现，仅烟台公司使用的绝缘子数量就达到了5万多片。

表2烟台公司绝缘子数量统计表

变电站名称绝缘子数/片变电站名称绝缘子数/片变电站名称绝缘子数/片

桃村变电站2163路宿变电站408初家变电站270

开发变电站174古柳变电站1620丰粟变电站240

徐家店变电站528掖县变电站2160岗翁变电站216

金牛山变电站312东江变电站1455海发变电站667

祟义变电站585沈布变电站972沙旺变电站378

沐山变电站226芦头变电站747上疥变电站619

蚕庄变电站384梁家变电站282新港变电站216

竹林变电站294汤邱变电站1608新桥变电站210

宁海变电站432福山变电站1193..........

总计53927

制表人：武文成制表时间：2016-1-15

但受到环境、运行因素的影响，绝缘子在运行过程中会发生劣化，按DLAT626-2005《劣

化盘形悬式绝缘子检测规程》要求，低于300MQ的绝缘子判定为劣化绝缘子。对于绝缘电

阻为10MQ以上的劣化绝缘子称为低值绝缘子，绝缘电阻为10MQ以下者称为零值绝缘子。

当绝缘子串中存在低、零值绝缘子时，就有可能存在以下隐患：

(1)减少绝缘子串的整体爬电距离，增加该串绝缘子的闪络概率；

(2)绝缘子发生闪络，导致其脱开掉落；

(3)造成线路短路接地，引发大面积停电。

如果这些绝缘子不能及时被检测出来，就会导致线路短路事故的发生，严重影响电网的

安全可靠运行。

2

图2线路短路事故

因此，对运行中的绝缘子进行低值、零值检测是一项必须开展的重要工作。

（二）课题的提出

1.传统检测方法

目前，我们采用的绝缘子检测方法为火花间隙法，其工作原理为：检测杆端部装有一个

留有间隙的金属探头，当探头接触被测绝缘子上下两端的钢帽时，间隙会产生火花，工作人

员通过火花和放电声音判断绝缘子劣化情况,如果被测绝缘子是零值绝缘子,就不承受电压,

没有火花和放电声音。检测原理如图3所示，现场检测情况如图4所示。

图3火花间隙法检测原理图

2016-1-18

3

2.传统检测方法存在问题

小组成员对2015年我公司所辖变电站悬式绝缘子检零工作进行统计，如表3所示。

表3绝缘子检测工作统计表(2015)

变电站名称绝缘子数/片检出数/片核定数/片误检率/%

桃村变电站2163372240.5

开发变电站1744325.0

徐家店变电站528181327.8

海发变电站3124325.0

祟义变电站5856433.3

沐山变电站2265340.0

蚕庄变电站3843233.3

竹林变电站2942150.0

宁海变电站4328625.0

路宿变电站40810730.0

古柳变电站1620221245.4

掖县变电站2160351945.7

东江变电站1455241345.8

沈静变电站97220955.0

芦头变电站747141121.4

梁家变电站2825420.0

汤邱变电站1608271737.1

总计1435024414938.9

制表人：郭富胜制表时间：2016-1-22

通过统计表可以看出：传统检测方法的误检率高达38.9%。小组成员讨论得出，产

生这么高误检率的原因主要有以下四个方面：

(1)检测结果受周围环境、背景噪声影响大；

(2)通过声音判断不准确；

(3)无法定量检测绝缘子的分布电压；

(4)检测工作危险性高、强度大。

因此，我们急需研究一种新的检测方法。

3.课题提出

使用火花间隙法检测零值绝缘子不仅耗费大量人力，而且误检率高达38.9%,不能满足

目前悬式绝缘子的检测工作。为解决这一问题，小组成员从工作实际出发，利用QC理念，

探讨如何解决这一问题，最终决定研究一种新的检测方法取代传统检测方法。

(三)选择并确定课题

1.提出课题

小组成员开拓思路、集思广益，运用“头脑风暴法”提出了三个课题，如图5所示：

4

图5亲和图

制图人：宋方超制图时间：2016-1-25

2.课题分析

小组成员对三个课题进行分析对比，如表4所示。

表4课题分析对比表

课题提出课题分析课题评价结论

工作量每检测100片绝缘子耗用20工时

1.需要拆卸后检

选取100片劣化绝缘子

测量悬式测，工作量大不

劣化绝缘检出劣化绝

绝缘子绝准确性准确率2.检测准确率高选

子数量缘子数量

缘电阻3.需线路停电，择

100片100片100%

减少供电负荷

经济性需停电作业，经济损失不可估量。

工作量每检测100片绝缘子耗用4工时。

选取100片劣化绝缘子1.工作量相对小

加装火花

劣化绝缘检出劣化绝2.通过声音判断不

间隙检测准确性准确率

子数量缘子数量准确性低选

声音放大

3.研制简单，造

装置100片67片67%择

价低

研制声音放大装置需投入资金2000

经济性

元，研制时间1个月。

工作量每检测100片绝缘子耗用4工时

选取100片劣化绝缘子

1.工作量相对小

测量悬式劣化绝缘检出劣化绝

准确性准确率2.检测准确率高选

绝缘子分子数量缘子数量

3.制作过程复择

布电压

100片100片100%杂，造价略高

研制分布电压测量装置需投入资金1

经济性

万元，研制时间4个月.

制表人：梁雯制表时间：2016-1-25

通过分析对比表可以看出，“测量悬式绝缘子分布电压”这一课题综检测准确率高，工

作量小，所以小组选择这一课题作为本次QC活动课题。

5

3.课题查新

小组成员查阅往年电力系统的优秀质量管理成果，没有发现“悬式绝缘子分布电压测量

装置”这一课题。

小组成员应用国家专利查新系统，确定检索词为“悬式绝缘子、分布电压、测量”，未

找到相关内容，目前没有一种基于分布电压法对悬式绝缘子进行测量的装置。

检索项目或困还二一丽留行分布一斓KZS

显示设量：设置显示手段过滤中国文觎类组设黄林序方式设置日期区间设置文献优先显示语言

选择愫作：全逢本页取涓全选浏览文献砒L全部文献

没有脸索到结果？

选择掾作：全选本页取消全选浏览文献浏览全部文献

检常项目发明名v悬式避行分布电压测量JO

防校声明系步地由咨询信箝联系建（0货皆艘接流量统计票烧帮助

图6课题查新

制图人：梁小雨制图时间:2016-1-28

4.确定课题

最终，小组确定本次QC活动课题为：

悬式绝缘子分布电压测量装置的研制

三'设定目标及可行性分析

（一）设定目标

小组成员对我公司不同电压等级电力线路上安装的绝缘子片数进行统计，并计算每片绝

缘子承担的电压值，如表5所示。

表5绝缘子片数及实际电压统计表

电压等级/kV绝缘子数量/片承担电压值/kV

3545.1

11097.1

220158.5

制表人：武文成制表时间：2016-2-24

通过表6可知，每片绝缘子承担的电压值不超过10kV,即测量范围在0~10kV就能满

足检测要求：根据计算结果可知，当测量误差值超过O.lkV时，就不能精准判断绝缘子的劣

6

化情况。根据误差计算公式:

测量误差=最不产值x100%

里程

得到测量误差为1%,即当测量误差＜1%就能满足检测要求。

小组成员通过以上分析确定量化目标为：

1.检测范围0~10kV；

2.测量误差＜1%。

（二）目标可行性分析

1.小组成员对检测范围0~10kV的量化目标分析如下:

想要测量绝缘子上的分布电压,就必须将绝缘子实际承担的电压值转换成测量电路可测

量的电压值，这一过程就是由分压器来实现的，分压器的原理如图7所示。

高

压

臂

采

集

电

压

输

低

出

压

电

臂

压

图7分压器原理图

制图人：郭富胜制图时间：2016-2-26

检测范围主要是由分压器的分压比决定，分压器分压比的计算公式如下：

输出电压低压臂

分压比=X100%=r…X100%

采集电压低压臂+[WJ压臂

由于测量电压可检测的电压值（低压输出）最高为5V,而采集电压（高压）最大值设

定为10kV,计算可得分压比为5X10-4,如果分压器分压比小于5x10-4,就能满足检测范围

在0~10kV。

分压比的大小取决于其高、低压臂的阻值，小组成员通过市场调研发现，目前电子科技

市场可以买到的高压电阻阻值范围从几欧到几十兆欧都有，欧与兆欧之间数量级相差1OR

小于5x10",满足检测需求。

2.小组成员对测量误差〈现的量化目标分析如下：

测量误差的大小主要由高压分压器阻臂的精度、滤波电路对信号的衰减以及A/D转换

器的精度决定。

7

(1)高压分压器阻臂的精度主要由购买的阻抗元件决定，目前电子科技市场可以买到

的电阻元件误差小于0.3%。

(2)滤波电路会对采集到的电压信号产生一定衰减，但常用的滤波电路对信号幅值的

衰减不超过其幅值的0.2%»

(3)A/D转换器的精度主要由其位数决定，常用的A/D转换器有8位和16位的，8

位的A/D精度可达到1/28,16位的精度可达到1/2%无论选用哪款A/D转换器，其转换误

差都不会超过01％。

通过计算，测量电路的总误差不超过0.6%,小于目标设定的1%。

通过以上分析，从技术方面是可行的，同时，小组成员具有较强的业务能力，所以：

我们的目标可以实现！

四、提出方案并确定最佳方案

(-)提出方案

小组成员根据数据的采集和显示不在同一位置、需要实时传输这一特性，提出有线传输

和无线传输两种方案，并进行对比分析，如表6所示。

表6方案的对比分析

方案方案描述方案分析方案评价结论

1.连线多，

信号传输7隹确率测试空间跨越

通过连接信号线序号1210平均值大，测量不

传输电压信号。输入安全

121()不

有线(V)2.连接转

选

传输输出换部位多，

0.9810择

(V)易出现接触

准确不良，导致

989910099.5

率％电压信号不

稳定

信号传输准确率测试

利用集成模块，无序号1210平均值1.传输不

线传输电压信号。输入受空间位置

1210

无线U嘴口(V)影响选

传输输出2.抗干扰择

1210

(V)能力强，信

准确号传输稳定

10099100100

率％

制表人：宋方超制表时间：2016-3-1

8

结论：通过两个方案的对比选择，小组选择了无线传输方式，最终优化课题为：

悬式绝缘子分布电压无线传输测量装置的研制

(二)细化并确定最佳方案

1.方案一级分解

课题方案选定后，小组对方案进行一级分解，如图8所示。

图8方案一级分解示意图

制图人：武文成制图时间：2016-3-3

2.方案二级分解

(1)采集模块

采集模块主要用于采集分布电压数据，小组成员对采集模块进行二级分解，将其分解为

接触探头、高压分压器、信号传输线、绝缘支撑杆四部分。

图9方案二级分解示意图

制图人：武文成制图时间：2016-3-3

随后又对高压分压器进行三级分解，将其分解为

图10方案三级分解示意图

制图人：武文成制图时间：2016-3-3

9

1）接触探头

①接触探头形式的选择

接触探头的作用是直接接触单片绝缘子进行测量，因不同电压等级的绝缘子厚度不同，

小组成员针对接触探头的间距，提出间距固定、间距可调两种形式，并进行对比分析，如表

7所示。

表7接触探头形式分析比较

方案分析结

方案方案描述

优点缺点论

探头间距固定1.探头间距不能与

通过两个间距固定的绝缘子厚度良好匹不

1.结构简单；

探头对不同厚度的绝配，测量有局限性选

2.价格相对便宜。

缘子进行测量。2.探头接触不良，择

测量数据不稳定

探头间距可调

一个探头采用柔韧性

1.能够测量不同厚

较强的压缩弹簧作为

度的绝缘子选

触臂，可以任意转动，制作相对复杂

2.探头接触良好，择

通过调节探头间距测

测量数据稳定

量不同厚度绝缘子。

制表人：孙国峰制表时间：2016-3-7

结论：经过对比分析，间距可调探头可以满足不同厚度绝缘子的检测需求，因此小组选

择间距可调式探头。

②接触探头材料的选择

接触探头形式选定后，小组成员优选铝合金、304不锈钢和黄铜三种制作材料进行对比,

如图11所示。

铝合金304不锈钢黄铜

图11接触探头材料

小组成员对三种材料的性能进行对比分析，如表8所示。

10

表8材料对比分析表

材料

铝合金304不锈钢黄铜

性能

在铝中添加合金元素强在钢中添加银、铭等金

材料描述由铜和锌所组成的合金

化后制得的合金金属属元素使其耐受腐蚀

密度2.8g/cm37.93g/cm38.9g/cm3

价格15.5元/公斤17.5元/公斤25元/公斤

弹性72GPa195GPa119GPa

屈服强度167MPa205MPa200MPa

结论不选择选择不选择

制表人：梁雯制表时间：2016-3-11

结论：经过对比分析，304不锈钢虽然比铝合金重，但在弹性和屈服强度特性上表现优

异，因此小组决定选用304不锈钢作为接触探头材料。

2）高压分压器

①分压器电路

小组成员根据高压分压器常用的电路形式提出电阻分压器和阻容分压器两种形式，其原

理如图12所示。

电阻分压器阻容分压器

图12高压分压器形式

制图人：郭富胜制图时间：2016-3-14

小组成员对两种电路形式进行对比选择，如表9所示。

表9分压器电路比较分析表

形式电阻分压器阻容分压器

由于对地杂散电容的影响，测量会引

对地杂散电容同样会引起相应的幅

准确度起一定的幅值误差，测量电压越高，

值误差，但也会减少波形畸变。

误差越大。

11

测量时，绝缘子上的交流高压信号瞬

测量时，电阻需要消耗能量，引起本

稳定性间叠加到电容分压器上面，会在低压

身发热，对分压比稳定性有一定影响

端产生较大的脉冲信号。

电阻分压器分压比不受频率影响，波阻容分压器分压比随频率的变化而

形真实反映实际信号，畸变小。变化，波形畸变大。

畸变程度

经济性制作成本高

结论选择不选择

制表人：郭富胜制表时间：2016-3-15

结论：经过对比分析，电阻分压器输出波形畸变小，数据准确稳定，能保证装置的检测

精度，因此小组选择电阻分压器。

②分压器封装

为保证测量安全，需要对高压分压器进行封装。小组成员提出气体、液体、固体三种封

装形式，并进行对比分析，如表10所示。

表10封装材料对比分析表

方案分析

方案主要材料结论

优点缺点

SF

61.密封工艺要求高，

易漏气

不

1密.度小2.放电产生有毒气

气体封装选

2占.用空间小体，不环保

择

3抗.冲击性弱

4造.价高

X变压器油

不

1.流动性强L易吸潮

液体封装选

2散.热性好2.密封性差，易泄漏

择

12

制表人：武文成制表时间：2016-3-16

结论：经过对比分析，固体封装密封性好，抗机械冲击能力强，因此小组选择环氧树脂

固体封装。

3）信号传输线

采集到的绝缘子分布电压需要传输到信号调理电路中进行处理，小组提出采用光纤传输

线和抗干扰屏蔽线两种形式，如图13所示。

小组成员对两种信号线的技术参数进行对比选择，如表11所示。

表11信号传输线对比分析表

方案光纤传输线抗干扰屏蔽线

利用光导纤维作传输媒质，引导信号由四根平行的导电金属线构成，并包

传输原理

在光纤内沿光纤规定的途径传输。覆屏蔽层。

传输速度10GB/S1〜2GB/S

传输容量2GB/s.m3.4MB/s.m

传输距离60km1000m

抗干扰能力较强强

价格20元/米1.5元/米

结论不选择选择

制表人：高振兴制表时间：2016-3-18

结论：经过对比分析，在关键参数均能满足要求的前提下，抗干扰屏蔽线具有重量轻、

抗干扰能力强、传输距离远等优点，更适用于现场测量，因此小组选择抗干扰屏蔽线。

4）绝缘支撑杆

①绝缘支撑杆材料的选择

13

绝缘支撑杆用于室外高空带电作业，所需材料应满足强度高、耐电性好等特点，才能保

图14三种材料的硬度、耐热性和弯曲强度

制图人：梁小雨制图时间：2016-3-22

表12材料对比分析表

方案分析

方案主要材料结论

优点缺点

1.强度高

环氧树脂和无碱玻2.绝缘性能好选

复合材料密度大

璃纤维材料合成3工.艺性好择

4价.格低

不

xrfxjrtf-jfcr玻璃纤维耐高温，绝热质脆，易折断选

择

1.耐高温不

质脆易碎，机械性能

电木酚醛塑料2强.度高选

差。

3表.面坚硬择

制表人：梁小雨制表时间：2016-3-22

结论：经过对比分析，复合材料具有强度高、耐电性好、抗弯曲能力强等优点，小组决

定选用复合材料。

②绝缘支撑杆形式的选择

不同电压等级的检测工作需要满足不同的安全距离，因此需要设计长度可调的支撑杆。

经过分析，小组提出伸缩式、分节式两种结构形式，并进行对比分析，如表13所示。

表13绝缘杆形式比较分析表

方案分析

方案形式结论

优点缺点

不

采用三节伸缩设1.易携带1.不耐用

伸缩型选

计2.可伸缩定位任意长度2.成本高

择

14

1耐.用性好

采用三节分段设

2成.本低选

分节型计，分节处采用螺长度固定

3质.量轻择

旋接口

4体.积小

制表人：宋方超制表时间：2016-3-24

因探头固定在绝缘杆上使用，易导致绝缘杆弯曲变形。针对此问题，小组成员郭富胜在

实训室对伸缩式和分节式绝缘杆分别进行负重能力试验，如图15所示。

图15绝缘杆负重能力试验

小组成员对负重绝缘杆的对地高度进行测量，如表14所示。

表14负重能力测试表

悬挂重量/kg12345

伸缩式118116112107101

对地高度/cm

分节式120119117114111

制表人：宋方超制表时间：2016-3-25

结论：由表14可以看出，在同等负重的情况下，分节式比伸缩式离地距离大，负重能

力强，所以选择分节式绝缘杆。

(2)传输模块

传输模块主要用于将采集到的电压信号传输至接收终端，按需对其进行二级分解，如图

16所示，将其分解为信号调理电路、A/D转换电路、传输控制电路、无线传输模块。

图16方案二级分解示意图

制图人：郭富胜制图时间：2016-3-16

15

然后对信号调理电路进行三级分解，如图17所示，将其分解为滤波电路、整流电路。

然后小组成员对各部分进行了对比选择。

厂滤波电路

信号调理电路

-----整流电路

图17方案三级分解示意图

制图人：郭富胜制图时间：2016-3-16

1）信号调理电路

①滤波电路

高压分压器输出的电压信号包括工频分量和高频分量，为保证测量数据的准确性，应滤

除电压信号中的高频分量。经过分析，小组提出无源滤波电路和有源滤波电路两种方案，原

理如图18所示。

无源滤波电路原理图有源滤波电路原理图

图18低通滤波电路图

制图人：武文成制图时间：2016-3-28

小组成