关于合成绝缘子内缺陷带电检测技术的研究

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3.国家电网公司辽宁沈阳供电公司 ,沈阳 110000）

摘　要：合成绝缘子的电压分布非线性程度大，伞裙间隔小，这给合成绝缘子的缺陷检测带来了困难。研究了基于电量式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术，对紫外脉冲法、超声波检测法和电场法原理做了详细地阐述；研究了基于接触式和非接触式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术，并对非接触式做了综合对照表；研究了基于线式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术，并绘制了红外热像仪工作原理图；对绝缘子内缺陷带电检测技术做了技术展望，这使得我国未来的绝缘子内缺陷检测工程实践值得深思和借鉴。

关键词：合成绝缘子；带电检测；污闪；紫外脉冲；超声波检测；电场法

0　引言

合成绝缘子由于其特殊的电磁场和自然环境影响，需要定期地排查和检修。目前对合成绝缘子的带电检测的主要手段是外观检查和采用喷水方法对绝缘子的憎水性进行分级。而绝大数合成绝缘子工作在高空高压环境下，如何行之有效地且简单实用地检测电力系统中合成绝缘子的鲁棒性，已经成为国内外学者共同研究的一项重要课题[1-3]。

近年来，绝缘子带电检测的技术发展速度很快，特别是以有机材料构成的合成绝缘子问世以来，因其突出的耐污性能以及重量轻、易维护、性价比高等一系列优点，获得迅速发展。由于受到各种气象灾害和年限的影响，隐藏在合成绝缘子内部的缺陷却不容易发现[4-5]，所以为了及时地检测出合成绝缘子的内部缺陷，防止线路事故带来的不便，对合成绝缘子进行运行中的带电检测具有重要的实际意义。

1　合成绝缘子内缺陷带电检测技术研究现状

合成绝缘子内缺陷带电检测技术的分类框图如图1所示。下面我们分别做具体分析。

1.1　基于电量式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术

基于电量式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术，可分为非电量检测和电量检测。

非电量检测主要包括紫外脉冲法、爬波法、目测法等；电量主要包括电场法、脉冲电流法、分布电压法等。目前比较流行且简单实用的主要有紫外脉冲法、超声波检测法和电场法。

1.1.1　紫外脉冲法

高压电气设备电晕放电时，放电光谱和外加电压是有关系的。电场周围的场强不均匀会导致电压的分布不均匀，这会演变成绝缘子表面的局部放电，这种现象可以用尖-板放电物理模型来模拟。不同外加电压下尖-板放电的电晕光谱如图2所示。

由图2可知，电晕放电的光谱包括近紫外（100-400nm）、可见光( 400～760nm)、红外(770 -1mm)3个谱段，既有连续谱，也有谱带和分离谱线，这表示电晕放电的光谱由分子光谱、原子和离子的发射光谱组成。由图2可知，当外加电压从4.3KV过渡到5KV时，光谱中的紫外脉冲信号有了大幅度增长。有关文献表明红外光谱正好与紫外光相反，而可见光一般对电压变化不敏感。这恰好说明了紫外脉冲可以表征电压大小和放电强弱，因此，紫外光脉冲信号可作为检测高压设备的放电问题的依据。

紫外光的波长在100-400nm 范围内，由图2可知，典型的电晕放电光谱波段主要集中300-400nm的紫外线区域，还有有小部分波长在230—280nm。紫外线是太阳光中的一部分，但臭氧能够吸收波长小于280nm的光波，所以能通过大气传输的只有280nm一400nm的紫外光信号能够穿透大气层，由于小于280nm的光波会被滤掉，所以我们把它称为“日盲区”。如果紫外光检测系统的信号光路选择在日盲紫外波段对电晕放电进行探测，发出警告信号，可以得到比较理想的探测效果，即可以为合成绝缘子内部缺陷带电检测提供依据。

1.1.2　超声波测量法—爬波法

不良绝缘子发生局部放电时，在放电处产生声波和超声波，向四周传播，故可以利用超声波传感器测量不良绝缘子所发出的超声波，根据超声波的强弱来判定不良绝缘子。其原理图如图3所示。

超声波测量法根据探伤采用的波形可分为纵波法、横波法、爬波法(小角度探伤)等，而爬坡法则是一种很成熟且很典型的超声波检测法，其机械原理如图4-图6所示。

利用标准样块上的人工缺陷作为探伤准则，利用探伤仪做出距离一波幅（DAC）曲线，如图7所示。如果超声波以8～150的角度射入绝缘子内部，探测时以反射波高于或低于DAC曲线为标准。如果高于DAC曲线，则视为是缺陷；如果低于DAC曲线，则视为合格。

1.1.3　电场法

电场法通过检测沿绝缘子串轴线方向的电场分布，并与正常电场分布比较来检测零值绝缘子。该法不需要仪器与绝缘子接触，可直接根据电场做判断。

电场法可以检测到隐蔽的内部缺陷和外绝缘水平下降的故障，可以判断缺陷的严重程度、便于开展复合绝缘子状态检修。有文献表明，无论是交流或是直流，沿良好洁净的绝缘子串的轴向分布电场的曲线都是光滑的，呈现出一种规律：靠近高压金具端的场强最高，随着向接地端移动场强迅速降低，在接近接地金具端又有所提高；当绝缘子串中存在零值绝缘子或绝缘子中有内绝缘导通性故障时，该处的电位分布变为一常数，由于电场是电势对绝缘材料距离的微分(E=-△Φ)，因此相应位置处的电场强度会突然降低，从而整个电场分布曲线不再光滑。绝缘子串的电场分布曲线示意图如图8所示。

由图8可知，当直流绝缘子串中存在内部导通性故障或零值绝缘子时，直流电压产生的电场和谐波电压产生的电场都会在故障处发生畸变。在理论上讲，通过测量直流绝缘子的直流电场分布或谐波电场分布可对直流绝缘子的内缺陷进行带电检测。

1.2　基于接触式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术

基于接触式方法可分为非接触检测和接触检测。

非接触式检测法主要包括超声波检测法、激光多普勒振动法、红外测温法、电晕摄像机法及无线电波检测法等。接触式检测法按工作原理主要有电场法、憎水性检测方法及泄漏电流检测法等。

电场法已在1.1节中做过介绍。这里不再阐述。

憎水性检测方法：目前对绝缘子憎水性检测的主要方法有静态接触角法（CA法）、动态接触角法、喷水分级法（HC法）、动态滴水法等。

其中喷水分级法最早由瑞典输电研究所（STRI）提出，采用HC等级表征憎水性状态，其中HC1~HC3为憎水性状态，HC4为中间过渡状态，HC5~HC7为亲水状态。试验中，用普通喷壶对试品表面喷洒水雾，观察水分在试品表面的分布情况，对比分级判据和标准图片，得出绝缘子表面的憎水性状况，从而可以判断绝缘子绝缘性能。但此法的缺点在于对人的主观判断比较依赖。

泄漏电流测量法：对于绝缘良好的绝缘物，其泄漏电流与外加直流电压应是线性关系，当绝缘全部或局部有缺陷或者受潮时，泄漏电流将急剧增加，其伏安特性也就不再呈直线了。因此，通过试验可以检出被试物有无绝缘或受潮，特别是在发现绝缘的内部缺陷方面，此项试验更有其特殊意义。

1.3　基于线式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术

基于线式的合成绝缘子内缺陷带电检测技术可分为在线检测和离线检测，目前国内更普遍的还是在线检测技术。在线检测技术主要包括绝缘子电压分布在线监测、光电检测杆法、声脉冲检测法、电晕脉冲式检测法、红外热像仪检测法和激光震动检测法。红外热像仪检测法是在线检测技术的代表，最为常用，其工作原理如如图9所示。

2　技术展望

当今的绝缘子内缺陷带电检测技术正在以结合Zigbee无线组网技术，以实现实时传输测量绝缘子不同地方的电场值的方向发展，这样便解决了先测量后查看测量结果的弊端，可以边测量边生成电场曲线，极大地提高了绝缘子带电检测仪的效率。

2.1　新型电场测量探头

研究空间电场测量技术、高频电磁屏蔽技术，悬浮导体放电机理和预防措施，选用绝缘材料设计电场测量探头与托架之间的连接柄，开发更加适合现场使用的、简单灵活、抗强场及抗电晕性能更好的电场测量技术。

2.2　探头检测灵敏度

利用该电场测量技术，在实验室中研究检测方位、均压环、绝缘子外型、大气湿度和污秽等因素对检测灵敏度的影响规律。

2.3　标定电场探头

研究计算各种悬挂角度下绝缘子周围的纵向电场分布，研究电场测量探头的测量数值与实际数值的偏差，从而标定电场探头，给出绝缘子周围电场分布的真实数值。结合当前最新的无线组网技术实现数据实时传输，提高检测精度。

3　结论

（1）在1.1节中，电场法应用于绝缘子内缺陷带电检测比较成熟，紫外脉冲法实施过程简单，但误差较大，爬坡法目前只应用在外缺陷中，对内缺陷的检测，国内学者还未做出响应。

（2）在1.2节中，接触式实施繁冗，但检测精度高，非接触式实施容易，但检测效果不佳。

（3）在1.3中，红外热像仪检测法在线检测技术中因其良好的鲁棒性和准确性，被广泛应用。

随着Zigbee无线组网技术的不断革新，绝缘子内缺陷带电检测技术正以结合Zigbee无线组网技术的方向发展，以实现实时传输测量绝缘子不同地方的电场值，这将会成为未来我国绝缘子内缺陷带电检测技术的重要课题。

参考文献：

[1]李婵虓,牛犇,曾嵘,余占清,张福增.基于光电电场传感器的复合绝缘子内部绝缘故障检测[J].高电压技术,2014(08):2422-2426.

[2]罗凌,张福增,任贵清,廖一帆,王黎明,李立浧.采用马蹄形锌环抑制直流瓷绝缘子铁帽电解腐蚀的可行性研究[J].高电压技术,2014(07):2000-2004.

[3]Amir Syahir, Kotaro Kajikawa, Hisakazu Mihara. Sensitive Detection of Small Molecule–Protein Interactions on a Metal–Insulator–Metal Label‐Free Biosensing Platform[J]. Chem. Asian J., 2012, Vol.7(08).

[4]宿志一.空气中冲击击穿试验在线路绝缘子检测中的应用[J]. 电网技术,2014(07):1798-1803.

[5]冉学彬,鲁兹,成立,郭晨鋆,关志成,王黎明.500kV复合绝缘子脆断事故研究与劣化机理分析[J].高压电器.2013(09):35-40.