红外热像在工程中的应用

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摘 要：在机电负荷、雷击及自然环境因素的长期作用下， 绝缘子电气绝缘性能会逐渐下降，最终丧失，对电网安全稳定运行构成隐患。因此需要对运行绝缘子进行定期的绝缘检测， 而目前常用的带电检测方法如火花间隙法、分布电压测量法和绝缘电阻测量法等存在工作量大， 工作效率低等缺点。 提出了红外热像技术进行绝缘子带电检测，该方法通过遥测绝缘子串温度分布来判断绝缘子绝缘情况，不需要人工爬塔进行检测，具有工作量小，工作效率高等优点，并通过试验验证红外热成像技术的有效性。

关键词：低值绝缘子；零值绝缘子；红外热像技术；电压分布

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

绝缘子在带电运行过程中，因长期受机电负荷、雷击、风吹雨打、温度变化等影响，容易发生绝缘子电气性能降低。近几十年来，国内外对送电线路陶瓷绝缘子的运行测试尝试了多种带电检测方法，包括火花间隙法、分布电压测试法和绝缘电阻等，然而这几种带电检测方法的工作量较大、 工作效率低的问题。在电力系统大力推广“减员增效”机制的情况下，靠定期清扫维护绝缘子和人工爬杆塔进行低零值绝缘子检测已不现实， 因此急需寻求新的低零值绝缘子检测手段。红外热成像技术作为一种新的检测技术在电力设备检测方面被广泛利用。 在利用红外热像技术检测绝缘子方面， 国内外也有许多学者做了一定的研究。但由于受到线路负荷、光照、风速、温湿度等因素的影响，利用红外热像技术对绝缘子串进行现场检测的效果并不明显, 该技术在绝缘子检测方面的广泛应用仍有待于红外热成像设备分辨率的进一步提高。 另外关于低零值绝缘子红外热像图谱研究方面的文献也较少。笔者通过对盘形悬式绝缘子串电压分布机理进行理论分析和绝缘子串红外热成像实验室研究，以验证红外热成像技术在检测绝缘子串中的低零值绝缘子方面的有效性。

1 绝缘子串电压分布

由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导体间有电容存在，使得绝缘子串的电位分布不均匀，良好的绝缘子串可按图 1 的等效电路来分析。每片绝缘子的对地电流分为 3 个分量： 流过每片绝缘子极间电容 Ci的电流 I1，流过绝缘子对地电容 CEi的电流 I2和流过绝缘子对高压导线电容 CLi的电流 I3。由于 CEi和 CLi的影响，使得绝缘子串电压分布是不均匀的。 CEi起分流作用，该电容值越大，主链中的电流被分流越多， 使靠近导线侧的绝缘子电流大，电压降也大；CLi从导线获得电流向主链汇流，则该侧电容值越大， 靠近接地侧的绝缘子流过电流越大，分布电压抬高，使得绝缘子串电压分布呈非对称“马鞍形”，如图 1 所示。

2 常规带电检测技术

2.1火花间隙法

这种方法是根据绝缘子两端存在的电压差的原理而进行绝缘子带电检测的，以检测装置结构简单、加工容易、使用方便、重量轻、便于携带等优点被广泛应用于实际。 但大量的实践证明:如果使用不当就可能造成误判，确实值得注意。我国目前使用的火花间隙检测装置可分为固定式和活动式两种类型。 固定式火花间隙就是在检测过程中间隙是固定不变的。 利用此种间隙的两根探针短接绝缘子两端金属部件瞬间的放电与否来判断绝缘子的优劣。据其机理，可能会因电晕、噪声、接触不良等因素引起大量的漏检， 如近地端第 3 片降到100 MΩ 时，分布电压仅降低 25.3%。 尤其处于高电场端易漏判为良好绝缘子。 活动火花间隙是将绝缘子串分成若干段，用不同间隙距离测试，相比固定火花间隙法准确，但仍存在较多的误判、漏判情况。

2.2分布电压测量法

分布电压测试仪采用了静电式结构， 将被测电压变换成电场进行测量。 但由于其机理是火花间隙的进化， 同属测分布电压， 若分布电压低于标准值50%判为不合格。 而不同塔型对地距离、线距、地形地貌、导线回路数及根数多为随机变量，且调爬后的绝缘子型号与片数又变动较大， 很难套用标准串的标准电压分布曲线来进行判断。

2.3绝缘电阻测量法

通过采用兆欧表配以电阻杆 R 来测量每个元件的绝缘电阻。要求电阻杆 R 的阻值约按 20 kΩ/V，表面爬距约按 100 kV/m 考虑，这样测得的阻值减去高阻杆 R 的阻值即为被测绝缘子的绝缘电阻。 这种方法要求在良好天气下进行，从而保证人身安全，且消除污秽潮湿对测试值的误判。

3 红外热像低零值绝缘子检测原理

3.1红外热成像技术

红外热像技术是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到图 1 绝缘子串等效电路和电压分布红外探测器的光敏元件上， 产生的电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分， 从而在显示器获得红外热像图，如图 2 所示，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。 通俗地讲红外热像技术就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像， 热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。通过检测被测绝缘子串的温度场分布情况，以判断绝缘子的良好状况。 红外热成像技术具有如下优点：非接触遥感检测，不用接触被测绝缘子串，可以安全直观的找到发热点；二维画面，可以体现被测范围所有点的温度情况，具有直观性。还可以比较处于同一区域的物体的温度，查看两点间的温差等；实时快速扫描静止或者移动目标， 可以实时传输到电脑进行分析监控。

3.2低零值绝缘子检测原理

无论是由电场引起的绝缘材料的损坏瓷绝缘子还是合成绝缘子， 在其受损处都会出现温度异常的现象。 红外热成像技术就是利用这一机理来测量受损部位温度异常变化， 并以此来确定绝缘子受损情况的一种检测手段。当绝缘子的绝缘性能劣化后， 它的绝缘电阻减小，当绝缘电阻降为 10～300 MΩ 时，称为“低值绝缘子”。当绝缘电阻降为 5 MΩ 以下时，称为“零值绝缘子”。 对于低值和零值绝缘子，由于它们的绝缘电阻值不同，相邻片间温差要超过 l℃。盘形悬式绝缘子属于电压致热型设备， 因此良好绝缘子与劣质绝缘子之间的温差不是很大。 但目前最先进的红外热像仪的温度灵敏可达 0.05 摄氏度， 因此仍然可以用红外热成像技术来实现劣质绝缘子的检测。根据焦耳定律 J=I2Rt=U2/Rt=UIt， 发热量的大小与电阻的大小、电阻上的电压大小、流过电阻的电流大小及作用时间等有关。串联回路中，即同样的电流和时间下，电阻越大，发热就越严重；电压越大，发热也越严重；并联回路中，同样的电压和时间下，电流越大，发热就越严重；电阻越小，发热也越严重。从图 1 的绝缘子串电压分布可知， 运行的绝缘子串中， 靠近接地横担及高压导体的绝缘子承担的电压较高，其中靠近导体的绝缘子上的电压最大。因此靠近导体处的绝缘子发热最为严重， 红外热图谱也最为明显，靠近横担处的绝缘子发热次之，绝缘子串中部的绝缘子发热最轻。

3.2.1 零值绝缘子检测原理

狭义的零值绝缘子是指绝缘子绝缘特性完全丧失，即绝缘电阻为零或极低。因此，在整个绝缘子串中，零值绝缘子是不会发热的，其温度与环境温度一致。

3.2.2 低值绝缘子检测原理

低值绝缘子指绝缘子绝缘特性部分丧失， 绝缘性能下降。 可用如图 3 所示的等效电路来表示。将绝缘子等效为电阻电容并联电路，其中 C 为绝缘子两极间主电容，R1为绝缘子良好部分绝缘电阻，R2为绝缘子绝缘性能下降部分绝缘电阻。 根据焦耳定律， 由于 R1远大于 R2， 在相同的电压下，R2上产生的损耗更大，也即发热更为严重。从红外图谱来看，低值绝缘子应该存在温度分布不均匀的现象。

4 结论

（1）绝缘子串在运行电压下的发热情况与绝缘子串电压分布相吻合。 即绝缘子的发热程度与其承受的电压大小及作用时间成正比关系；

（2）与火花间隙法、电位分布测试法及绝缘电阻测试法比较，红外热成像技术不需要人工爬塔，具有劳动强度低，工作效率高等优点；

（3）在太阳光照较弱及风速较小的情况下，低零值绝缘子的红外图谱与完好绝缘子的红外图谱明显不同， 且零值绝缘子与低值绝缘子的红外图谱也存

（4）采用红外成像技术虽然在实验室能较明显地检测出低零值绝缘子。但现场由于风、日照强度等的影响， 广泛采用红外成像技术进行低零值绝缘子检测仍存在一定困难。

参考文献:

[1] 李波，黄嫄. 国内外绝缘子在线检测方法的研究[J]. 电气技术，2011（9）：1-5.

[3] 邬正荣. 盘形悬式绝缘子的在线检测 [J]. 电瓷避雷器 ，2006（3）：10-13.