高压输电线路绝缘子的在线检测

    一、检测方法
    在输电线路绝缘子串中，一旦出现不良绝缘子，该绝缘子串就与完好绝缘子串在电气性能、温度分布等方面出现差异。若采取科学方法辨识这些差异，就可以测出不良绝缘子。
不良绝缘子与完好绝缘子的差异归纳起来主要有以下几方面。
 (一)不良绝缘子分担的电压降低
图4—8给出了完好绝缘子串和不良绝缘子的绝缘子串的电压分布瞳线。由图4—8可见，当绝缘子串中有不良绝缘子时，不良绝缘子上分担的电压降低，降低的程度决定于不良绝缘子所处的位置及其绝缘电阻的大小等。因此，测量绝缘子串的电压分布，可以检出不良绝缘子。根据这个原理研究的测量方法有火花间隙法、静电电压表法、音响脉冲法等
图4—8沿串中绝缘子的电压分布(220kV)
    1一完好绝缘子串；2—#10绝缘子； 3—#4绝缘子
 (二)不良绝缘子的绝缘电阻降低
良好绝缘子的绝缘电阻一般在2000MΩ左右，规程规定，当绝缘子的绝缘电阻低于30MΩ时，应判定为不良绝缘子。绝缘电阻愈低，说明其劣化愈严重。根据这个原理提出的测量方法有兆欧表法等。
 (三)泄漏电流引起绝缘子表面发热
由上述可知，当绝缘子绝缘良好时，其绝缘电阻极高，泄漏电流仅沿其表面流过，且很小(为微安级)不足以引起绝缘子表面发热。
对不良绝缘子而言，由于其体积绝缘电阻很低，其泄漏电流不仅沿绝缘子表面流过，而且也沿其内部流过。体积泄漏电流的大小决定于绝缘子的劣化程度。当绝缘子为零值时，其体积泄漏电流最大，而表面泄漏电流趋于零。显然，绝缘子表面不会发热。由于零值绝缘分担的电压趋于零，所以使绝缘子串中良好绝缘子分担的电压增大，导致其泄漏电流增大，使绝缘子温度升高，造成良好绝缘子与零值绝缘子间的温度差异。根据这个原理提出的测量方法有变色涂料法、红外线测温法等。
 (四)不良绝缘子存在的微小裂纹引起局部放电而产生电磁超声波和杂音电流
在不良绝缘子存在裂纹，进入气体后，电场分布将发生畸变，所以气体分担的场强高。又由于气体的绝缘强度比绝缘子低，因而易在气体中发生局部放电，并产生电磁波、超声波和杂音电流。根据这个原理研究出的检测方法主要有超声波检测法。
上述诸方法虽能检出不良绝缘子，但存在着准确性差、劳动强度大、效率低等缺点。
特别是随着电压等级提高，线路愈来愈长，绝缘子串中的片数愈来愈多，探索新的检测方法对从事线路维护、管理的电力工作者来说，就愈加突出和重要了。
二、检测不良绝缘子的新方法
国内外不断探索检测不良绝缘子的新方法，有的已研制出新的仪器并用于现场，有的尚处于试验室研究阶段，这些方法主要有以下几种。
(一)自爬式不良绝缘子检测器
图4—9所示用于500kV超高压线路的自爬式不良绝缘子检测器的检测系统框图，这主要由自爬驱动机构和绝缘电阻测量装置组成。检测时用电容器将被测绝缘子的交流电压分量旁路，并在带电状态下测量绝缘子的绝缘电阻。根据直流绝缘电阻的大小判断绝缘子是否良好。当绝缘子的绝缘电阻值低于规定的电阻值时，即可通过监听扩音器确定出不良绝缘子，同时还可以从盒式自动记录装置再现的波形图中明显地看出不良绝缘子部位。当检测V型串和悬垂串时，可借助于自重沿绝缘子下移，不需特殊的驱动机构。
(二)电晕脉冲式检测器    
这是一种专门在地面上使用的检测器，它既可用于检测平原地区线路，也可用于检测山区线路，其特点是：
(1)重量轻，体积小，电源为1号电池，使用方法安全。
(2)不用登杆，在地面即可检测。
(3)先以铁塔为单元粗测，若判定该铁塔有不良绝缘子时，再逐个绝缘子细测。
(4)采用微机系统进行逻辑分析、处理，检测效率较高。
在输电线路运行中，绝缘子串的连接金具处会产生电晕，并形成电晕脉冲电流通过铁塔流入地中。电晕电流与各相电压相对应，只发生一定的相位范围内。若把正负极性的电流分开，则同极性各相的脉冲电流相位范围的宽度比各相电压间的相位差还小。采用适当的相位选择方法便可以分别观测各相脉冲电流ika、ikb、ikc，
ea、eb、ec一a、b、c三相的对地电压
对各相电晕脉冲分别进行计数，并选出最大最小的计数值，取两者的比值(最大／最小)即不同指数，作为差别依据。当同一杆塔的三相绝缘子串无不良绝缘子时，各相电晕脉冲处于平衡状态，此时比值接近于1；当有不良绝缘子时，则各相电晕脉冲处于不平衡状态，该比值将与1有较大偏差。电晕脉冲式检测器就是根据此原理研制的。
图4—11检测器检测系统框图
图4-11示出该检测器的检测系统框图，它由四部分组成：
(1)电晕脉冲信号形成回路。
(2)周期信号形成回路。
(3)各相电晕脉冲计数回路。
(4)各铁塔不同指数的计算和显示回路。
    (三)电子光学探测器
    电子光学探测器是应用电子和离子在电磁场中的运动与光在光学介质中传播的相似性的概念和原理[即带电粒子(电子、离子)在电磁场中(电磁透镜)可聚焦、成像与偏转]制造的。
    架空输电线路绝缘子串中每片绝缘子的电压分布是不均匀的，离导线最近的几片绝缘子上电压降最大。当出现零值绝缘子时，沿绝缘子串的电压将重新分布，离导线最近的几片绝缘子上的电压将急剧升高，会引起表面局部放电或者增加局部放电的强度。而根据表面局部放电时产生光辐射的强度，就可知道绝缘子串的绝缘性能。
    如图4—12所示，被监测的绝缘子表面局部放电、电晕放电和绝缘子的光影像，通过物镜输入亮度增强器的光阴极、电子由光阴极逸出，形成电子电流，依据电子电流密度的平面分布可显示出原有光影像的亮度分布。焦距调节系统电子加速，从而使亮度增强器荧光屏发光。这样，原来形成的光影像中途经过电子影像，又重新变为光影像。在影像传递过程中，磁场系统将电子加速，使原有光影像的亮度增加(可达105倍)。亮度增强器可以实现由地面远距离(5～50m)测量输电线路的悬式绝缘子串上的表面局部放电时的微弱光亮。
  图4—12悬式绝缘子串用的电子光学探测器结构示意图
G一受监测绝缘子；J一照相胶卷；H一物镜光圈；Ol、O2一输入(输出)  物镜(目镜)；R一可调电阻；Vt一光电三极管；O3一透镜；CL一滤光器；ΦK一光阴极；L一焦距调节系统；D一电源；P一亮度增强荧光屏
    当在夜间进行探测时，为了区别绝缘瓷件表面局部放电和其他外界光源的干扰(月光和照明)，提高信噪比，可采用脉冲电源对亮度增强器供电。因为表面局部放电是发生在绝缘子所施加交流电压的最大值附近，其频率为100Hz，而外界光辉强度与电网频率无关。当绝缘瓷件在仅出现表面局部放电时(1～6ms)，按接近于100Hz的频率将亮度增强器投入，将会使背景微弱爆光和外界干扰光辉减弱。在电子光学探测器的荧光屏上，将观察到与电网频率和亮度增强器合拍的表面局部放电的亮区脉动。此脉动可将表面局部放电的光强与减弱的不脉动外界干扰光辉区别开来。实际检测中，有缺陷的绝缘子串中表面局部放电的光辐射强度超过平均光辐射强度。
    利用电子光学探测器来评价离导线最近的第一片绝缘子上的表面局部放电的光辐射强度与平均光辐射强度差的方法是，利用电子光学探测器的灵敏度阈值丸与光学输入系统诸参数的关系进行分析，其关系式为：
         
式中： ——输入系统的透射系数；
D/F——输入目镜的计量光强（相对孔、光圈）；
A——常数；
L——与辐射源的距离。
    减少 （关于输入光圈），当D减少到某一值时，平均光强不再出现在电子光学探测器的荧光屏上。屏上将仅显示出有缺陷绝缘子的表面局部放电。然后，再进一步对靠近导线的第一片绝缘子表面放电的光辐射强度与平均光辐射进行比较。若此光辐射强度超过无不良绝缘子存在时的光辐射强度，就可以根据表面局部放电的光辐射强度与绝缘子上的电压关系曲线，找到靠近导线的第一片绝缘子上分布的电压。根据得到的分布电压值与良好绝缘子串第一片绝缘子的正常分布电压值的差别，便可判断出是否存在不良绝缘子。这种探测方法效率很高。
    但是，电子光学探测器仅能判断出绝缘子串中是否存在零值绝缘子，不能确定到底有几片零值绝缘子以及它们的位置。
    (四)利用红外热像仪检测不良绝缘子
    由上述可知，不良绝缘子与良好绝缘子的表面温度存在差异，但这种差异很小，所以用一般的测温方法难以分辨。用红外热像仪绝缘子表面的温度分布转换成图像，以直观、形象的热像图显示出来，再根据热像图检测不良绝缘子
在图4—14(a)中，上、下两片绝缘子均为良好绝缘子。为模拟不良绝缘子，将上片绝缘子的铁帽接地，并在铁帽和铁脚并联一对间隙距离为1mm的小球，当电压施加于下片绝缘子的铁脚时，上片绝缘子的小球间隙放电，使上片绝缘子经小球间隙的电弧短接，因而其温度很低，仅在小球间隙放电处有一亮点，。对下片绝缘子，因其承受电压较高，泄漏电流较大，产生的损耗就大，铁帽与瓷介质温度较高，故在热像图中显得较明显，。


    由此可见，当绝缘子串中出现不良绝缘子时，   红外热像图上显示的温度是不连续的，温度分布断开处即为不良绝缘子的位置。
    利用红外成像法来检测不良绝缘子，简单方便、速度快、效率高，甚至可普查每串绝缘子，还可结合检测进行巡线，是高压、超高压及特高压输电线路不良绝缘子的检测方向。