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1、紫外电晕成像技术在绝缘子 周建国傅晨钊肖嵘 华东电网有限公司华东电力试验研究院 摘要:本文筒述了一种新型紫外电晕检测仪的工作原理, 并进行了多项绝缘子常见缺陷的模拟试验,结果表明利用 紫外成像检测技术可有效地发现一些运行绝缘子缺陷,值 得进一步应用和深入研究。 运行中的各类绝缘子长期经受强电场、机械 应力作用,可能会发生破损、开裂甚至掉线等事 故,对输电系统的安全运行造成巨大威胁。因此, 绝缘子运行状态的实时监测非常重要。目前,国 内外有多种绝缘子实时监测的方法,包括:火花 间隙法、绝缘电阻法、脉冲电流法、红外测温法、 超声法等,但由于诸多原因,尚未找到一个有效、 经济方便的方法。 上世纪90
2、 年代末,美国、南非和以色列等国 家的科学技术人员将紫外光的光学特性与光学透 镜、数字信号芯片相结合,研制开发出用于目间 检测电晕等微弱放电现象的紫外电晕检测仪,为 绝缘子实时监测提供了新的思路11 。目前,国内 外已有多家电力公司配备了该类仪器,并正在积 极开展紫外监测工作。 本文应用紫外成像检测仪,研究记录了绝缘 子常见缺陷,紫外监测试验结果表明该技术可以 在运行绝缘子监测中发挥积极作用。 1 紫外电晕检测仪的工作原理 电晕、电弧等放电现象的光谱分析表明放电 现象都会产生不同波长的紫外光,波长范围 2 3 0 4 0 5 n m ,其中24 0 2 8 0 n m 的光谱段称为太 阳盲区,
3、在此波长范围内由太阳传输来的紫外光 份量极低。紫外电晕检测仪的工作原理如下:该 仪器首先利用分光镜将输入的光线分离成两部 分。其中一部分光线形成可见光影像,而另一部 分光线经过紫外光滤镜后,只保留其中的紫外部 分,经放大器处理后在ccD 板上可得到高清晰度 的紫外图像。最后,通过特殊的影像处理工艺将 紫外影像和可见光影像叠加起来,生成显示设备 及其表面电晕的合成图像。 实验表明:紫外计数为紫外电晕检测仪每分 钟内测得的紫外光子数,可作为电晕活动强度的 表示;另外,紫外计数( 电晕活动强度检测) 与 距离、仪器增益、气压、温度、湿度等因素密切 相关。 2 绝缘子常见缺陷的模拟和检测实践 2 1复
4、合绝缘子均压环不良 均压环对于复合绝缘子的安全运行具有重要 意义。然而由于设计、安装、运行维护等方面的 不足,导致有的均压环不能完全满足要求,给设 备安全带来隐患2 1 。 选取一根110k v 复合绝缘子分别配合两个不 同的均压环( 均压环a 外径3 5c m ,管径2 5c m ,高 度10c m ,均压环b 外径25c I n ,管径1 5 cm ) ,进 行比较试验,外施电压65k v ,距离11m ,相对湿 度75 ,如图1 所示。 a 均压环a 效果良好b 均压环b 效果不佳 图1 中均压效果良好的紫外计数( 51 个分 簋左互蕴筮筮箧主筮簋丝壁趁硷塞篡 1 3 1 电力可持续发展
5、与信息化建设 钟) 远小于均压环不佳的紫外计数( 2812 个分 钟) 。图1b 中的电晕发生在钢帽部位,产生的腐 蚀作用将直接作用在端部密封上,有可能形成缝 隙,使得外部的潮气侵入,进一步腐蚀芯棒。均 压效果不佳的原因是设计结构不合理和尺寸偏 小。与之类似,紫外检测仪还可有效发现均压环 安装错误、漏装、破损等类似缺陷。 2 2 复合绝缘子芯棒护套破损 长时间户外运行,经受日晒雨淋、风沙、高 温和严寒等恶劣气候,芯棒护套可能出现表面破 损等缺陷。 选取一根35 k V 复合绝缘子,外施电压2 1k V , 距离5I T I ,相对湿度分别为60 和大于100 ,试 验结果:前者条件下未能发现有
6、明显电晕,后者 条件下紫外计数为6611 个分钟,如图2 所示。 图2 芯棒护套破损的电晕图像 前者条件下无明显电晕,这表明破损处的场 强变化不足以引起较强的电晕放电,电场数值计 算的结果也验证了这一点。后者条件下出现较大 的紫外计数,表明护套表面出现了较明显的爬 电。这是因为破损处由于表面污秽、老化等原因, 增水性下降,更易产生表面爬电,进而降低绝缘 性能和机械性能。对比不同相对湿度条件下的紫 外监测结果,可知检测芯棒护套破损此类缺陷需 要选择在相对湿度大的天气下进行。 2 3 复合绝缘子增水性下降 实际运行中,硅橡胶表面由于长时间的电腐 蚀、老化后形成污秽层、高温等原因都有可能造 成增水性
7、的部分丧失。在污湿环境下,泄漏电流 增大,可能形成“老化一泄漏电流增大一加速老 化”的恶性循环。 采用固体层法31 模拟增水性下降的情况,处 理后憎水性接近6 级,而未作处理的同种试品憎 水性为1 2 级。选取一根35kV 复合绝缘子,外 施电压21k V ,距离5m ,相对湿度大于100 ,试 验结果:憎水性良好的绝缘子未能发现有明显电 晕,憎水性丧失的绝缘子有三处明显电晕,紫外 计数均为5000 6000 个分钟,如图5 所示。 图3 增水性优劣的对比 试验结果表明在雨后、大雾等气象条件下, 紫外检测可为绝缘子的憎水性状态提供一定的参 考。然而由于污秽条件下的电晕( 爬电) 具有不 确定性
8、,目前只能给出定性的判断,定量的工作 还需要继续积累数据。 2 4 绝缘子污秽 瓷或玻璃绝缘子运行中表面不可避免的受到 污染。在潮湿的天气情况下,污秽绝缘子表面受 潮湿润,泄漏电流增大,易发生表面爬电,情况 严重的可能造成污闪事故。 采用固体层法模拟绝缘子不同下表面盐密条 件下污秽情况,上表面盐密为0 01m g Cm 2 ,下 表面盐密分别为0 0 5 、0 1 、0 15 和0 2m g C m 2 , 选取c A825 钟罩型绝缘子,一串8 片,外施电压 70 85k V ,距离10m ,相对湿度大于100 。试 验结果如图4 和表1 所示。外施电压达到70k V 后, 绝缘子串上均能发
9、现有位于不同位置的明显爬 电,且随着外施电压的增高,紫外计数也增大,有 时出现发生位置的变化。试验过程中爬电发生的 位置多为绝缘子的上表面,这主要是因为下表面 污秽溶解于水后滴落于上表面,在泄漏电流的作 用下绝缘子上表面形成局部干区。 生左互蕴塑毯星复笸基丝筮丝金立墓 1 3 2 图4 污秽绝缘子的电晕图像 l 兰查堡茎叁盈盈圈盈圈盈幽翻团蟹幽冒豳 表1 :不同电压( kV ) 、污秽条件下的紫外计 数值 表1 :不同电压( k V ) 、污秽条件下的紫外计数值 电压 下盐密 7 07 58 08 5 ( m g e m 2 入 O 0 5 9 8 51 2 3 41 5 6 61 6 0 8
10、 0 1 1 3 0 71 6 0 82 0 0 72 1 1 3 O 1 5 1 2 0 91 4 6 91 7 8 72 3 0 4 O 2 1 4 1 31 5 3 42 2 4 62 6 4 3 由表1 可见,爬电强度一般随外施电压的增 加而增加,同等电压下盐密大的绝缘子的强度 般大于盐密小的绝缘子,但由于污秽润湿的不确 定性,有时也会出现不同的情况,这主要是因为 润湿的程度不同和涂层不完全均匀所致。与憎水 性缺陷的监测相似,目前根据绝缘子的爬电状况 只能给出污秽程度简单的定性判断,还不能直接 根据电晕( 爬电) 强度的数值判断污秽的具体情 况。若由此深入研究污秽、润湿和紫外计数之间
11、的关系,有可能从一个新的角度为绝缘子的状态 清扫提供参考。 2 5 瓷绝缘子零值 由于瓷、水泥、钢等散热膨胀系数各不相同, 当绝缘子受冷热变化时,瓷件受到较大的应力, 绝缘子易开裂或被击穿而形成低值或零值。 试验室模拟了瓷绝缘子零值的情况,绝缘子 为xw P10 型双伞绝缘子,上表面盐密0 05r ng C m 2 ,下表面盐密0 im g C m 2 ,绝缘子串含7 片 正常绝缘子和1 片零值绝缘子,零值位于从高压 侧数第三片。外施电压90kV ,距离10m ,相对湿 度80 ,温度24q C ,试验结果:第一、二、四片 表面均出现明显电晕,而零值的第三片没有明显 电晕,如图5 所示。 图5
12、 含零值绝缘子的绝缘子串电晕图像 根据绝缘子串电压分布规律,第三片绝缘子 所承受的电压应与邻近绝缘子相仿,在相似的条 件下,图5 中的第三片绝缘子表面也应出现明显 的电晕。如若不然,只能是承受的电压发生了变 化,这往往表明绝缘子串中含有低值或零值的绝 缘子。相关试验表明利用紫外成像技术检测零值 绝缘子需要相对湿度和表面污秽的条件进行配 合。 3 结论 紫外成像作为一种新的技术手段,可以在绝 缘子多种缺陷和故障的监测中发挥积极作用。虽 然目前该项技术还不够成熟,但因其具有简单高 效、直观形象、且不影响设备运行、安全方便的 诸多优点,值得进一步应用和深入研究。 参考文献 1 张钦芝,新型日间电晕探测照相机国际电力,2 0 0 1 2 2 杨杰等,均压装置对复合绝缘子电气性能的影响,高 电压技术,2 0 0 4 2 3 河村达雄,绝缘子,机械工业出版社,19 9 0 作者简介: 周建国,男,19 5 5 年9 月生,高级工程师,19 8 2 年毕业于 上海交通大学高电压技术专业。曾任职于华东电力试验研 究院,主要从事电力高电压输变电设备的试验、检测和技 术研究。现在国网华东电网有限公司生产部主管华东电网 5O0kV 输变电设备的运行和可靠性管理,以及技术( 和绝 缘) 监督专业管理工作。 虫左互蕴筮笠握复筮基丝垡趁趁立墓 1 3 3