許義，路健，朱先啟，張承習(xí)，張東東，劉欣，黃宵寧

(1. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司合肥供電公司, 安徽 合肥 230022；2.南京工程學(xué)院 輸配電裝備與新技術(shù)研究所, 江蘇 南京 211100)

瓷絕緣子在輸電線(xiàn)路、變電站中使用廣泛，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要作用[1]。由于制造工藝、運(yùn)輸、安裝等原因，輸電線(xiàn)路中絕緣子的瓷質(zhì)部分容易出現(xiàn)裂紋，而絕緣子的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，且長(zhǎng)期承受機(jī)械負(fù)荷與過(guò)電壓，導(dǎo)致絕緣子裂縫在電場(chǎng)作用下發(fā)生擊穿，絕緣性能大幅下降，產(chǎn)生零值絕緣子[2]。在架空線(xiàn)路中，由于零值絕緣子而導(dǎo)致的瓷絕緣子串炸裂、掉串事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)零值瓷絕緣子檢測(cè)開(kāi)展了大量的研究，提出了一系列包括絕緣電阻法、泄漏電流法、電位分布法、超聲波檢測(cè)法、紫外成像法、紫外脈沖法、敏感絕緣子法以及紅外成像法等的技術(shù)手段[7-12]?？紤]到相關(guān)技術(shù)的成熟性和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性，目前運(yùn)維人員主要采用絕緣電阻法與火花間隙法來(lái)檢測(cè)零值絕緣子[13]。這2種傳統(tǒng)的檢測(cè)方法均為接觸式方法，需登桿作業(yè)，存在工作量大、工作性質(zhì)危險(xiǎn)的問(wèn)題，不能滿(mǎn)足智能運(yùn)維的需求。

鑒于此，有關(guān)科研機(jī)構(gòu)提出了基于紅外成像的零值絕緣子非接觸式檢測(cè)方法[14-15]，該方法具有檢測(cè)方便、不影響運(yùn)行、直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，較符合目前智能運(yùn)維的應(yīng)用需求。然而現(xiàn)有的結(jié)論都是在環(huán)境密閉的實(shí)驗(yàn)室得出，該方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果有待考量。紅外成像法的原理是基于絕緣子鋼腳鋼帽的發(fā)熱差異，而良好絕緣運(yùn)行狀態(tài)下的絕緣子表面泄漏電流為微安級(jí)，其對(duì)絕緣子發(fā)熱的影響很小，實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，零值絕緣子與相鄰?fù)旰媒^緣子間的溫差僅為0.4～1.2 ℃[16]。此外，該方法對(duì)測(cè)試環(huán)境的要求苛刻，濕度、氣候、光線(xiàn)等因素均會(huì)影響絕緣子與外界的熱量交換，從而影響測(cè)量結(jié)果[17]。綜上，目前的紅外法零值絕緣子測(cè)量可行性較差。

大量理論研究和試驗(yàn)表明：在正常情況下，電場(chǎng)強(qiáng)度沿絕緣子軸向的變化曲線(xiàn)是光滑U形分布；而當(dāng)絕緣子存在導(dǎo)通性缺陷時(shí)，缺陷處電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)突然降低，電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線(xiàn)不再光滑，出現(xiàn)中間下陷、兩端上升的形狀畸變[18]。因此，通過(guò)測(cè)量絕緣子串的軸向電場(chǎng)分布來(lái)找出零值絕緣子的方法具有可行性，且電場(chǎng)強(qiáng)度為工頻電參量，可通過(guò)非接觸方式獲得，在干燥環(huán)境下幾乎不受外界因素干擾。目前該方法在國(guó)外運(yùn)用較多，其基本思想是在桿塔橫擔(dān)上架設(shè)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)裝置，代替人力對(duì)零值絕緣子進(jìn)行掃描識(shí)別[19]；國(guó)內(nèi)也有相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)了絕緣子攀爬機(jī)器人，該機(jī)器人搭載電場(chǎng)掃描檢測(cè)裝置，可在機(jī)器人攀爬絕緣子的過(guò)程中進(jìn)行零值檢測(cè)[20]。

綜上，免登塔、非接觸的零值絕緣子檢測(cè)技術(shù)仍是當(dāng)下智能運(yùn)維的重要需求，但是目前國(guó)內(nèi)相關(guān)的理論研究和實(shí)踐工作開(kāi)展較少，使得相關(guān)方法仍未推廣?；诖?，本文首先仿真分析220 kV絕緣子串空間電場(chǎng)分布特性，研究零值絕緣子對(duì)其分布的影響；然后研制非接觸式空間電場(chǎng)探測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)零值絕緣子檢測(cè)算法及后臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)；最后，開(kāi)展非接觸式零值絕緣子檢測(cè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真結(jié)果以及本文所提方法的有效性。

1 絕緣子串空間電場(chǎng)分布仿真計(jì)算

1.1 有限元計(jì)算原理

根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的定義可知：電磁波傳播通過(guò)所研究的電磁系統(tǒng)的最大線(xiàn)度尺寸的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該電磁波的周期時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)幾乎沒(méi)有耦合作用，可近似認(rèn)為該電磁場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)。在工頻交流電壓下，研究絕緣子串電場(chǎng)分布所涉及到物體的最大尺寸不超過(guò)100 m，交流電壓的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于絕緣子串長(zhǎng)，滿(mǎn)足準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的定義條件；因此，絕緣子串在任一瞬間的電場(chǎng)都可以近似地認(rèn)為是穩(wěn)定的，絕緣子串產(chǎn)生的工頻電場(chǎng)可以近似為準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)，仿真采用靜電場(chǎng)進(jìn)行求解。

根據(jù)靜電場(chǎng)原理，帶電線(xiàn)路中絕緣子串與輸電線(xiàn)路的整體電位分布滿(mǎn)足泊松方程，如式(1)；且當(dāng)電場(chǎng)中無(wú)自由移動(dòng)的空間電荷時(shí)，靜電場(chǎng)中任意一點(diǎn)的電荷密度ρ為0，拉普拉斯方程成立，如式(2)。

(1)

(2)

式(1)、(2)中：x、y、z為空間坐標(biāo)系；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；φ為電位；2為拉普拉斯算子。

求解輸電線(xiàn)路桿塔整體電場(chǎng)分布時(shí)，其計(jì)算域單元頂點(diǎn)的電位表達(dá)式為：

(3)

(4)

式(3)、(4)中：F(φ)為電位函數(shù)；V為計(jì)算域；Ve為單元e的計(jì)算域；φe為單元e的電位；Fe(φe)為單元頂點(diǎn)電位函數(shù)。Fe(φe)對(duì)φe導(dǎo)數(shù)為零，可以得到式(5)，進(jìn)一步表示為矩陣的形式，可得到式(6)。

(5)

Kφ=0.

(6)

式(5)、(6)中：M為單元總數(shù)；K為剛度矩陣；φ為電位矩陣。通過(guò)求解器的迭代計(jì)算，最終可以求得輸電線(xiàn)路的絕緣子串整體電場(chǎng)分布。

1.2 絕緣子串電場(chǎng)仿真模型

本文選取13片XP-160懸式瓷絕緣子、酒杯型桿塔作為仿真對(duì)象，建立有限元仿真模型，進(jìn)行絕緣子空間電場(chǎng)的特性分析。XP-160懸式瓷絕緣子、酒杯型桿塔示意圖如圖1所示，其中d為絕緣子串中軸與測(cè)量線(xiàn)L之間的距離。絕緣子參數(shù)見(jiàn)表1。

為了提高仿真的準(zhǔn)確性，考慮鐵塔、橫擔(dān)、鋼腳、鋼帽、導(dǎo)線(xiàn)等因素的影響，通過(guò)有限元軟件建立1∶1三維模型。從高壓端開(kāi)始依次對(duì)絕緣子編號(hào)(1—13)，測(cè)量時(shí)沿測(cè)量線(xiàn)L從高壓端至低壓端進(jìn)行。模型中空氣、瓷、水泥的相對(duì)介電常數(shù)分別取1、6、14。

圖1 絕緣子及桿塔示意圖Fig.1 Diagram of insulator and the tower

表1 絕緣子參數(shù)Tab.1 Insulator parameters mm

利用有限元法求解空間電場(chǎng)分布時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)處空氣邊界、桿塔、絕緣子串低壓端金具加載零電壓，對(duì)于導(dǎo)線(xiàn)及絕緣子串高壓端金具加載實(shí)際運(yùn)行電壓179.6 kV。有限元法的解是一種近似的結(jié)果，需要設(shè)置邊界條件，在無(wú)界域建立有界區(qū)域進(jìn)行求解。

仿真分析含有零值絕緣子的絕緣子串空間電場(chǎng)分布變化。模型針對(duì)絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變：對(duì)鋼帽與瓷件、水泥粘合劑之間進(jìn)行了貫穿處理，并單獨(dú)設(shè)置相對(duì)介電常數(shù)，模擬實(shí)際情況中的零值絕緣子，如圖2所示；而對(duì)于懸浮導(dǎo)體則采用虛擬大介電常數(shù)的方法，即懸浮導(dǎo)體與周?chē)菓腋?dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)之比大于1 000即可。

圖2 零值絕緣子模擬示意圖Fig.2 Diagram of the zero-value insulator unit

1.3 仿真結(jié)果及分析

假設(shè)清潔絕緣子串在所加電壓下無(wú)電暈產(chǎn)生，空氣濕度低，沿面泄漏電流和空間電流可忽略，絕緣子金屬帽上的電荷保持不變。基于以上絕緣子串的電場(chǎng)仿真模型，得到d= 200 mm情況下，酒杯型桿塔邊相瓷絕緣子串不同方位(前、后、左、右)的空間電場(chǎng)分布情況，如圖3所示。由圖3可知，良好絕緣子串周?chē)臻g電場(chǎng)分布規(guī)律基本一致，都呈光滑馬鞍形，圖1中L線(xiàn)的方位對(duì)空間電場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果影響不大。

圖3 絕緣子串四周電場(chǎng)分布Fig.3 Electric field distribution of insulator string in different directions

由于路徑方位對(duì)絕緣子串電場(chǎng)規(guī)律沒(méi)有顯著影響，故研究絕緣子外側(cè)不同d值下的空間電場(chǎng)分布特性。按照前文所述方法模擬實(shí)際情況中零值絕緣子，分別在高壓端、中部、低壓端依次對(duì)3、7、12號(hào)設(shè)置零值絕緣子，在d=200 mm情況下，空間電場(chǎng)各分量仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：零值絕緣子位置處周?chē)臻g電場(chǎng)明顯畸變，在合成電場(chǎng)、軸向電場(chǎng)、徑向電場(chǎng)均有體現(xiàn)；零值絕緣子位置處電場(chǎng)強(qiáng)度的畸變對(duì)空間軸向分量的影響最大，其中軸向電場(chǎng)與正常相比變化了21.2%、13.1%、21.3%。

為了對(duì)零值絕緣子空間軸向電場(chǎng)的影響范圍進(jìn)行研究，找到最佳的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)距離，仿真得到d分別為300 mm、400 mm、500 mm情況下的軸向電場(chǎng)進(jìn)行研究，得到仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：監(jiān)測(cè)距離d越大，整體電場(chǎng)強(qiáng)度值越??；零值絕緣子引起絕緣子串空間電場(chǎng)的畸變程度范圍有限，隨著監(jiān)測(cè)距離的增加，空間電場(chǎng)畸變程度越來(lái)越?。划?dāng)d>300 mm時(shí)，含零值絕緣子串的空間電場(chǎng)分布與正常情況的差異已不再明顯。

2 非接觸式現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及驗(yàn)證

2.1 空間電場(chǎng)探測(cè)裝置

為驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果，研制了空間電場(chǎng)探測(cè)裝置，其通過(guò)d-dot探頭實(shí)時(shí)測(cè)量空間中某一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖6所示。該裝置工作原理為：放大濾波模塊將探頭輸入的微弱電壓信號(hào)放大，并濾除高頻電磁干擾分量，輸出至單片機(jī)的A/D端口，單片機(jī)采集A/D端口工頻電場(chǎng)信號(hào)，并通過(guò)軟件濾波的方式進(jìn)一步消除外部干擾，然后將信號(hào)傳送至透?jìng)髂K，發(fā)送給后臺(tái)上位機(jī)。

圖4 d=200 mm時(shí)，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場(chǎng)分布Fig.4 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units when d = 200 mm

圖5 不同d值下，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場(chǎng)分布Fig.5 Spatial electric field distribution of insulator string with zero-value units under different d values

圖6 空間電場(chǎng)探測(cè)裝置Fig.6 Spatial electric field detection device

在高壓實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展電場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，利用2個(gè)圓形、且互相平行的平板電極產(chǎn)生均勻電場(chǎng)﹝圖7(a)﹞，將近電感應(yīng)器放置在正中位置，讀取手持終端的電場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，并與實(shí)際的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值相比較，對(duì)比結(jié)果如圖7(b)所示。

由圖7(b)可知，所研制的近電感應(yīng)器測(cè)得的電場(chǎng)強(qiáng)度與實(shí)際值的誤差在10%以?xún)?nèi)，考慮到試驗(yàn)過(guò)程中外施電壓有一定波動(dòng)，該誤差滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。

圖7 近電感應(yīng)器電場(chǎng)測(cè)量校準(zhǔn)試驗(yàn)Fig.7 Electric field measurement calibration experiment of near electric sensor

2.2 非接觸式檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

以10片XP-160懸式瓷絕緣子為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)鋼帽與鋼腳短接的方式，分別設(shè)置5、9號(hào)絕緣子為零值絕緣子，將探測(cè)裝置安裝在滑輪上，并均勻拉動(dòng)牽引繩，牽引繩與絕緣子串中心距離為300 mm，如圖8所示。

圖8 模擬零值絕緣子及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況Fig.8 Simulation on zero-value insulator and the test environment

2.3 上位機(jī)檢測(cè)結(jié)果及分析

空間電場(chǎng)探測(cè)裝置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至后臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)由Labview軟件編譯，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)顯示，其過(guò)程如下：

a)數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)環(huán)境與仿真模型中的桿塔線(xiàn)路環(huán)境有差異，相同檢測(cè)距離下，空間電場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的幅值偏差；此外，由于裝置本身尺寸、探頭尺寸的影響，實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際檢測(cè)距離與仿真模擬中的檢測(cè)距離難以完全一致，也造成一定的幅值差異。為了排除這2個(gè)因素，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使檢測(cè)結(jié)果與正常情況下數(shù)據(jù)有可比性。歸一化公式為

(7)

式中：xi為原始數(shù)據(jù)序列；Xi為歸一化后數(shù)據(jù)序列；xmax、xmin為原始數(shù)據(jù)序列最大、最小值。

b)曲線(xiàn)平滑。采用最小二乘曲線(xiàn)擬合法，對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合、濾波、去噪，使曲線(xiàn)平滑。

c)零值絕緣子識(shí)別。試驗(yàn)中，空間電場(chǎng)探測(cè)裝置從高壓端檢測(cè)起始點(diǎn)至低壓端檢測(cè)結(jié)束點(diǎn)之間的距離難以與仿真模型保持一致，不同組別試驗(yàn)下的檢測(cè)長(zhǎng)度也難以完全保持一致，這造成上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)有差異，使得電場(chǎng)分布曲線(xiàn)不具有可比性。為排除此影響，本文采用數(shù)值內(nèi)插法使檢測(cè)曲線(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與正常曲線(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)一致。通過(guò)對(duì)比做差，求得差值絕對(duì)值的最大值數(shù)據(jù)點(diǎn)位置，除以數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，再乘以絕緣子片數(shù)，作為疑似零值絕緣子的位置。為提高零值絕緣子識(shí)別的準(zhǔn)確性，采用幅值、斜率雙重對(duì)比，當(dāng)雙重對(duì)比結(jié)果相近或相等時(shí)，可判斷出零值絕緣子。

(8)

式中：P為檢測(cè)曲線(xiàn)幅值序列；Q為正常曲線(xiàn)幅值序列；m為(P-Q)序列最大值A(chǔ)的位置；n為P序列、Q序列數(shù)值個(gè)數(shù)；N為絕緣子片數(shù)；W為疑似零值絕緣子位置。

(9)

式中：kP為檢測(cè)曲線(xiàn)斜率值序列；kQ為正常曲線(xiàn)斜率值序列；mk為(kP-kQ)序列最大值B的位置；nk為kP序列、kQ序列數(shù)值個(gè)數(shù)。

檢測(cè)結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 第5片零值絕緣子檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Detection results of the fifth zero-value insulator

圖10 第9片零值絕緣子檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Detection results of the 9th zero-value insulator

由圖9、圖10可知：當(dāng)絕緣子串中存在零值絕緣子時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度幅值與斜率曲線(xiàn)發(fā)生明顯變化；在檢測(cè)距離300 mm下，當(dāng)實(shí)際零值絕緣子為5、9號(hào)時(shí)，通過(guò)幅值對(duì)比檢測(cè)零值絕緣子為4、9號(hào)，通過(guò)斜率對(duì)比檢測(cè)零值絕緣子為5、8號(hào)。通過(guò)幅值與斜率對(duì)比，可有效識(shí)別零值絕緣子位置，誤差為上下1片。

3 結(jié)論

本文研究了不同零值絕緣子位置對(duì)其空間電場(chǎng)分布的影響，繼而研制了非接觸式空間電場(chǎng)探測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)了零值絕緣子檢測(cè)算法及后臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)，得到結(jié)論如下：

a)架空線(xiàn)路桿塔絕緣子串前后左右4個(gè)方位的空間電場(chǎng)分布趨勢(shì)接近，且零值絕緣子使其空間電場(chǎng)分布發(fā)生明顯畸變，其中軸向分量最為明顯。檢測(cè)距離d=200 mm時(shí)，軸向電場(chǎng)最大變化率可達(dá)22%。

b)隨著d值增大，零值絕緣子引起絕緣子串空間電場(chǎng)的畸變程度范圍有限，空間電場(chǎng)畸變程度越來(lái)越??；當(dāng)d>300 mm時(shí)，含零值絕緣子的絕緣子串空間電場(chǎng)分布與正常情況的差異已不再明顯。

c)零值絕緣子檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)檢測(cè)距離d=300 mm時(shí)，以做差的方式，對(duì)比正常與存在零值絕緣子情況下的檢測(cè)曲線(xiàn)幅值或斜率，均可有效識(shí)別零值絕緣子位置，誤差為上下1片。