电场分布法带电检测复合绝缘子的研究

电场分布法带电检测复合绝缘子的研究
【摘要】作为架空线路主要防污闪产品的复合绝缘子已经大量应用于电网中，但是现有检测方法很难真正有效地检测出复合绝缘子中存在的缺陷，尤其是内绝缘缺陷。

从某种程度上来说，是埋下了电网安全运行的隐患。

笔者从大量的理论分析和实际运行经验中发现用电场分布法在线带电检测复合绝缘子缺陷有很大的可行性。

为了确保电网安全运行，可以大力推广这一检测方法。

【关键词】复合绝缘子内绝缘缺陷电场分布法复合绝缘子带电检测仪
1 研究项目确立的必要性
1.1 复合绝缘子优势明显，应用广泛
复合绝缘子与传统的瓷质绝缘子相比，除了耐污闪能力强以外，质量轻、强度高、无零值、制造工艺简单、运行维护方便等优点也是十分突出的。

近年来，复合绝缘子已经大量应用于电网中。

据统计，美国新生产的绝缘子有60%-70%为复合绝缘子。

我国电力系统于20世纪80年代中后期引入了硅橡胶有机复合绝缘子在35kV-500kV交流输电线上运行。

在吸取国内外经验教训的基础上，电力系统从一开始就瞄准了高温硫化硅橡胶复合绝缘子的开发与研制。

80年代末，先后完成了硅橡胶复合绝缘子的开发、成果转让与产品化工作。

90年代初，为遏制我国华东、华北、东北等污闪多发地区的大面积污闪事故发生，复合绝缘子被大量引入电网，到1994年底，挂网运行5万支。

从此，我国电网使用复合绝缘子数量迅猛增加：1995年为10万支，1996年为20万支，1998年为46万支，1999年为84万支，到2001年已达160万支（约290万支年）。

新建线路，包括交、直流500kV线路都开始大批量使用复合绝缘子。

短短几年，主要复合绝缘子生产厂已先后完成芯棒与护套界面的连续挤压、整体注塑的改进；端部金具与芯棒连接工艺逐渐采用压接式；±500kV直流线路和500kV交流线路相继使用了耐应力腐蚀芯棒[1]。

1.2 复合绝缘子的使用现状以及其局限性
复合绝缘子存在着多种界面。

目前认为，因复合绝缘子的密封不良或护套性能不良，从而引起潮气进入内部，导致芯棒与护套的界面或在芯棒中发生局部放电，在界面或芯棒中产生炭化通道。

这些炭化通道不但将芯棒和护套分离开来，而且逐渐沿芯棒发展，使总的绝缘长度减少。

有时这些放电还严重地腐蚀芯棒，致使芯棒断裂。

目前国外已发生数例复合绝缘子内绝缘故障，国内也出现了一些问题[3]。

由于复合绝缘子外绝缘使用的是有机复合材料，随着在网运行复合绝缘子年限的增加和硅橡胶表面性能出现一些变化，用户对其可靠性和剩余使用寿命仍有疑虑，如何评估复合绝缘子目前的运行状态以及如何判定更换时间成为确保电网
安全运行工作中非常值得关注的问题。

1.3 现有检测方法存在不足之处
在过去的工作中，我局主要采取的复合绝缘子检测方法有直接观测法、红外测温法、紫外成像法三种方法。

1.3.1 直接观测法
直接观测法就是用高倍望远镜就近直接观察绝缘子，可发现较明显的绝缘子表面缺陷，包括绝缘子伞裙受侵蚀变粗糙、外覆层侵蚀的沟槽和痕迹、绝缘伞裙闪络、伞裙或外覆层开裂、外覆层破碎、芯棒外露等。

虽然直接观测法可操作性强、但费时费力，检测结果也不完全可靠，难以发现绝缘子内部缺陷。

缘子串正常时等效为电容串，再运行状态下短路其中一片绝缘子，可以看到电容放电的火花和听到放电的声响，根据声响的大小可以判断绝缘子的情况。

将绝缘子用一个相对较大的电容器旁路后测量其绝缘电阻，可以直观的检测绝缘子的特性，是检测绝缘子最直接和准确的方法。

1.3.2 红外测温法
红外测温法是一种实用、方便的现场检测方法，它通过检测局放、泄漏电流引起的局部温度升高，较为直观发现早期缺陷现象。

在我局组织的一次复合绝缘子普查工作中，发现正在运行绝缘子存在过热性缺陷，最严重者热点超过70℃。

对这批绝缘子检查发现：凡红外检测有明显局部过热点的绝缘子，其硅胶表面均显著发黑、粉化及变脆、硬，有些地方有许多细小裂纹，憎水性基本丧失，甚至有的护套有明显的破损点；而红外线检测正常的绝缘子硅橡胶白痴原来的鲜艳色泽、弹性及憎水性也比较好。

测试表明定期红外测温能较好地在线检测出合成绝缘子存在的芯棒与护套假面粘接及芯棒本身材质不良、护套老化等缺陷，缺点是不能发现绝缘子早期的界面缺陷，红外设备造价高，阳光、大风、潮气、环境温度及一些引起绝缘子表面温度几乎急剧变化的因素对检测效果影响大，需到现场逐个检测等[4]。

1.3.3 紫外成像法
微小但稳定的表面局部放电会导致复合绝缘子伞裙和护套形成碳化通道或电蚀损。

当绝缘子表面形成碳化通道时，其使用寿命会大大降低，甚至在短期内被击穿。

利用电子紫外光学探伤仪可以带电检测复合绝缘子表面由于局部放电而形成的碳化通道和电蚀损，其原理是：局部放电过程中带电粒子复合会放出紫外线，当绝缘子表面形成导电性碳化通道时，局部放电加剧。

该方法的不足之处是要求在夜间、正温度环境下操作；另外要求检测时正在发生局部放电，这要求检测应在高湿度甚至有降雨的环境中进行。

但检测结果容易受到观察角度的影响，检测设备也较昂贵。

以上三种方法在使用范围上有较大差异，直接观测法主要适用于外绝缘缺陷；紫外成像法主要适用于能产生局部放电的缺陷；红外成像法主要适用于能产生局部发热的缺陷。

对于导通性内绝缘缺陷检测它们显然是有些力不从心的。

2 研究项目的进程
尽管我局尚未发生类似1996年底～1997年初长江中下游电网以及2001年华北电网3次大面积污闪事故，但是从我局“积极关注电网运行安全、保持安全化生产”这一首要工作目标出发，工作人员一直致力于探讨和研究导通性内绝缘缺陷检测在线检测方法。

2.1 电场分布法理论指导
笔者在经历结合实践工作和大量查阅资料后欣喜地发现：电场分布检测法是目前比较理想的导通性内绝缘缺陷检测在线检测方法。

因为导通性内绝缘缺陷势必影响绝缘子周围的电场分布，包括沿绝缘子芯棒方向的纵向电场和沿绝缘子横截面半径方向的径向电场。

因此，通过测量绝缘子周围的纵向电场，并与良好绝缘子的纵向电场相比较，找出电场发生异常畸变的位置，就等于找到了内绝缘缺陷的位置。

2.2 理论指导实物化
在此理论基础上研制的“复合绝缘子带电检测仪”包括一个特殊设计的电场探测头，它是一个通过带电操作杆沿着绝缘子串横向测量的塑料滑车。

检测时只须将仪器沿绝缘子表面滑动一遍，数据就存储在仪器里。

检测完毕后，可将数据传送给计算机，并以曲线或数据的形式显示出来。

通过两个红外探头，绝缘子计算回路会自动跟踪探测仪沿绝缘子串的测量位置。

数据的处理要到办公室将数据上传到个人电脑上进行，根据绝缘子的位置画出电场分布曲线，曲线的含义可以由人或软件来解释。

曲线中最小值处即是有缺陷的绝缘子位置。

当沿复合绝缘子长度方向没有可以检测到的缺陷时，用复合绝缘子带电检测仪测量得到的电场分布曲线是连续的。

复合绝缘子的大部分可见的故障都可以在杆塔上通过外观检测查出来，为了能从各个方向观测复合绝缘子，观测者必须爬上杆塔，这也有利于采用电场测量方法检测大部分不可见故障。

绝缘缺陷一般都出现在玻璃纤维杆与表面材料接触比较松的地方，由于电场的产生和绝缘杆炭化引起放电。

这会使纤维燃烧从而降低绝缘杆的机械强度，炭化也会沿着绝缘杆向前发展，从而迅速降低绝缘子总的绝缘长度。

2.3 电场分布法合理性论证
为了证实基于电场分布法研制出的复合绝缘子带电检测仪可以实现在线检测复合绝缘子内绝缘缺陷，我们进行大量的试验。

试验内容及试验结果如下：
2.3.1 实验室实验
为了提高这种方法的可靠性和实用性，在高压实验室进行了一系列实验。

通过悬挂两个绝缘体在如图3所示的v型结构中的水平金属横梁上，来模拟与那些在使用中相似的条件。

使用了和使用中条件相同的金具。

绝缘体的扫描由坐在金属笼里的技术员手工操作，金属笼连在横梁上并且保持接地。

几乎所有实验是在300KV电压水平下进行。

做了两种类型的实验。

第一类中，对模拟的绝缘体缺陷进行试验；第二类中，将有缺陷的绝缘体去除进行测试。

2.3.2 对模拟缺陷的试验
从绝缘体的遮蔽部分到绝缘体本身做一个总长度为35cm的交叉切口，来模拟缺陷。

一个缺口位于绝缘体中部，另一个位于HV末端。

这些切口的目的是获得一条传导材料以模拟传导缺陷。

第一个试验用于验证切口对电场分布没有影响。

在这个试验中把未变动的绝缘体放在v型结构的一条腿中，有切口的绝缘体放在另一条腿。

试验证实是没有影响的。

接下来，一段26cm长的纯铜丝放在HV末端的切口并且连到电极末端然后试验。

第二个试验中铜丝从电极上取下并保持不固定。

试验结果在图4中显示，在图中还显示了由未变动绝缘体获得的参考曲线。

可以看到电线的影响是改变电场值最高点从43到41，对于连接的电线，在末端减小38%，对于不固定电线减小28%。

两次测量中，一条26cm的导线放在绝缘子高压端的凹槽中。

加号所示曲线为导线与电极连接时的电场分布。

在接下来的一系列实验里，导体和半导体材料细线分别放在绝缘子中间的切口里进行测试。

实验结果见图5和图6。

从图5中可以看到对同一绝缘子实验得到的四条曲线，检测仪有非常好的可重复测量结果。

除了缺陷点处，四条曲线吻合得非常好。

增大比例后如图6所示，可见模拟缺陷对电场得影响。

图中电场最小值是用4cm×32cm的半导体塑料材料实验时得到的，这种材料一般用来缠绕电子回路。

可检测到的最小缺陷（图中未画）是8cm的导线。

2.3.3 对实际缺陷进行实验
下面的实验是对三个有可见缺陷的绝缘子进行的，这些绝缘子一年前从735kV线路上取下来，由同一厂家生产，型号相同，在高压端的末端分别有8cm、16cm、和42cm的裂缝，这些裂缝很深以致能看到玻璃纤维。

有42cm裂缝的绝缘子，甚至能看到沿着中心的炭化痕迹。

对这三个绝缘子进行实验，图7所示为42cm裂缝的绝缘子测试结果，图示非常清楚。

当时不能对绝缘子超过三分之二全长的长度进行实验，因为绝缘子有90个裙边，而当时的计算回路最大只能计算70个裙边。

因而从那时起改进到可以计算150个裙边。

当时也不能对另外两个绝缘子进行实验。

考虑之后我们发现这些绝缘子已经在干燥的环境里保存了将近一年的时间，缺陷处的潮湿早已变干了。

为了证实这种假设，我们轻轻地向缺陷处喷射水雾将其弄湿，30分钟后再次实验。

这次，有16cm缺陷的绝缘子电场曲线能清晰地看出，但是8cm缺陷的仍然看不出。

这可能是设备的限制造成的，可能由于高压端末端冠状电极的屏蔽效应，测量的限制比中部的8cm稍多一些。

从线路上取下高压端末端有42cm裂缝绝缘子的实验结果曲线。

同时画出正常绝缘子的曲线作为比较。

3 结语
电场分布法复合绝缘子在线检测仪可以重复准确的检测复合绝缘子电场分布。

由此研制出来的复合绝缘子带电检测仪可以有效检测以下情况中的绝缘缺陷：
在高电压实验室，模拟小于8厘米缺陷实验和真实16厘米缺陷实验可以被有效的检测出来。

复合绝缘子带电检测仪可以有效地发现输电线路上的内部导电缺陷，在对检测有缺陷的绝缘子进行解剖中得到证实。

复合绝缘子带电检测仪是对传输线上复合绝缘子内部检测的有效仪器。

参考文献：
[1]作者：刘文生.《复合绝缘子的应用与运行检修》博尔塔拉电业局.
[2]作者：刘文生.《复合绝缘子的应用与运行检修》博尔塔拉电业局.
[3]中国百科网科技百科.《几种合成绝缘子带电检测方法的比较（2）》.
[4]朱大华.北京电力高等专科学校报.《输电线路复合绝缘子检测技术的应用研究》.江苏省电力公司滨海县供电公司NO.8.2010.。