CN105223483A - 一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置，绝缘子串攀爬机器人的两个触脚分别与待测绝缘子的绝缘金具和其后端绝缘子的绝缘金具相连，向待测绝缘子的绝缘金具施加220V、频率为350Hz检测信号，通过其后端绝缘子的绝缘金具采集反馈信号，并与标准信号进行比较，判断绝缘子状态，继续检测后端的绝缘子，直到完成整串绝缘子检测；本发明有效解决采用人工直接接触检测绝缘串使用电压等级范围小、绝缘操作杆长及操作不方便等问题，大大减轻了作业人员劳动强度，确保了检测结果可靠性。

Description

一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置。

背景技术

绝缘子是连接高压输电线杆(塔)与输电导线的一种绝缘体，它不仅要求具有较强的机械特性，而且还应具有良好的绝缘性能。由于绝缘子长期处于运行电压的作用之下，绝缘子串与导线、铁塔及金具之间杂散电容的存在，使得沿绝缘子串的电压分布不均匀，加上露天环境的侵蚀，绝缘子的绝缘性能有可能出现劣化，产生不良绝缘子，对电网安全、可靠运行带来极大的威胁。国内由于不良绝缘子所造成的事故时常发生，已给国民经济造成了巨大的损失。因此，带电检测线路的不良绝缘子已成为国内外电力部门十分关注的一个问题。

目前国内外在现场对绝缘子老化的检测方法比较多，诸如，火花间隙检测杆、静电式检测器、多功能高电压测试仪等。这些方法各有利弊，也为解决生产中的实际问题起了积极的作用，特别适用于220kV及以下输电线路的绝缘子检测。由于上述方法都是通过绝缘操作杆间接进行检测，而超高压输电线路绝缘子悬挂长度较长，使用绝缘操作杆检测时，因为力矩大操作困难，故这些方法不适用超高压输电输电线路。

由于不良绝缘子的局部放电可以产生电磁波并向四周传播，所以可以利用天线来接收这种电磁波并根据天线的方向和所接收到的电磁波强度来判断不良绝缘子的存在。这种方法的特点是简便易行，可以带电检则。日本和我国都曾研究过此方法。但这种方法的抗干扰能力差，易受其它电渡的干扰，且灵敏度低，测量准确度不高，因此，这种方法应用较少。

随着红外技术的发展与应用，产生了利用绝缘子表面的热效应原理对绝缘子进行在线检测的方法，这种方法对涂有半导体釉的绝缘子非常有效。因为此类绝缘子在线带电运行时，正常绝缘子的表面泄漏电流较大，温升较高；而劣质绝缘子的表面温度比正常绝缘子低好几度，用红外热像仪易于识别。但对普通釉的瓷质绝缘子，其正常绝缘子的表面温度比劣质绝缘子的表面温度仅相差1℃左右，在复杂的气象条件和现场环境下测量极其困难。

现有的处理方法中，红外热成像投术检测不良绝缘子的方法具有较强的抗干扰能力。且可以带电测量，但该方法的成本很高，难于定量分析。当太阳光较强时，背景影响大、不易测量。

交流输电工程沿绝缘子串电位分布不均匀，各片绝缘子上承担的电压分布呈“U”形，靠近导线的高压侧几片绝缘子的分布电压最高，特别对超高压线路由于电压等级增高，绝缘子串加长，这一问题显得更为突出，在强电场作用下绝缘子容易起晕、劣化，不利于绝缘子串的安全运行。当绝缘子串存在劣质绝缘子时，劣质绝缘子不仅会使自身承担的电压下降，还会引起该绝缘子串其他各个绝缘子的分布电压与标准分布电压之间产生差异。因此，通过测量绝缘子串电压分布可有效表征劣质绝缘子在绝缘子串中的不同位置及劣化程度。

直流输电工程电压的幅值和相位均不发生变化，不能沿用交流检测方法，综上所述，目前国内外缺乏有效的直流输电工程绝缘子串缺陷检测方法和装置，需针对直流输电工程特点建立理论计算模型并开展典型实例分析，提出直流输电工程绝缘子串缺陷检测方法和装置。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置，本发明有效的解决了现有直流输电工程绝缘子串缺陷检测方法不足的问题与直流输电工程绝缘子串缺陷检测装置缺乏问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，包括：检测信号产生模块、反馈信号处理模块和信号比较模块，其中：

所述检测信号产生模块，用于将24V直流电压通过逆变器转换为220V交流电压，220V交流电压通过变频器转换为350Hz，最终转换成幅值220V、频率350Hz、相位为0°的信号，将信号施加于单片绝缘子的一端；

所述反馈信号处理模块，采集被施加了检测信号的单片绝缘子另一端信号，通过隔离、滤除直流信号，采用分压电路对信号降压处理，对降压处理后的信号通过数字滤波器滤除干扰，并获取350Hz反馈信号；

所述信号比较模块，采集与源同类的信号，形成反馈信号，将反馈信号与标准信号进行比较判断绝缘子串缺陷情况。

所述信号比较模块，将获取的350Hz反馈信号与标准信号幅值进行比较，若两种信号幅值差距相差5倍以上，则说明该单片绝缘子存在缺陷。

所述标准信号为检测信号施加在无损坏的单片绝缘子上后获取的350Hz信号。

所述绝缘子串缺陷在线检测装置设置于绝缘子串攀爬机器人上。

所述绝缘子串攀爬机器人沿绝缘子串逐片进行攀爬。

直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法，包括：

(1)绝缘子串攀爬机器人的两个触脚分别与待测绝缘子的绝缘金具和其后端绝缘子的绝缘金具相连；

(2)向待测绝缘子的绝缘金具施加220V、频率为350Hz检测信号，通过其后端绝缘子的绝缘金具采集反馈信号，并与标准信号进行比较；

(3)判断绝缘子状态，如果绝缘子存在缺陷，通过绝缘子串攀爬机器人记录绝缘子缺陷等级及片数；

(4)继续检测后端的绝缘子，直到完成整串绝缘子检测，通过机器人完成整串绝缘子缺陷状态记录。

所述步骤(2)中，将单片绝缘子串联检测电路中，并施加220V、频率为350Hz、相位为0°的检测信号，采集通过单片绝缘子分压之后的反馈信号。

所述步骤(3)中，比较反馈信号与标准信号幅值，通过以下标准确定绝缘子缺陷等级：

反馈信号幅值的3倍≤标准信号绝缘子运行状态良好；

反馈信号幅值的5倍≤标准信号绝缘子运行状态一般；

反馈信号幅值的10倍≤标准信号零值绝缘子。

本发明的有益效果为：

绝缘子串攀爬机器人携带本发明装置，逐片施加幅值220V、频率350Hz信号，并采集通过单片绝缘子后的反馈信号，与标准信号进行比较，从而判断绝缘子缺陷情况，可有效解决采用人工直接接触检测绝缘串使用电压等级范围小、绝缘操作杆长及操作不方便等问题，大大减轻了作业人员劳动强度，确保了检测结果可靠性。

附图说明

图1为瓷绝缘子结构示意图；

图2为瓷绝缘子贯穿性故障示意图；

图3为瓷绝缘子串示意图；

图4为第1、2片之间的电容示意图；

图5为第1、3片之间的电容示意图；

图6为实施例操作示意图。

其中，1、第一片绝缘子；

2、第二片绝缘子；

3、第三片绝缘子；

a为第一片绝缘子金具；

b为第二片绝缘子金具；

c为第三片绝缘子金具；

d为第四片绝缘子金具；

e为绝缘子攀爬机器人；

f为绝缘子缺陷检测设备；

g为绝缘子串攀爬机器人触脚。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

现有的方法为：将高压线路上的绝缘子串视为夹在两个金属电极之间的连续绝缘体。绝缘子的伞裙对电场分布几乎没有影响。理论电压分布曲线是根据电磁场理论计算的电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线。一般情况下该曲线是光滑的连续曲线，呈“U”形状(又称之为不对称马鞍形)。当绝缘子在导通性存在缺陷时，“坏点”电位为一常数。由于电场强度是电位沿长度的变化率，因此“特变奇点”破坏了“连续性”，各绝缘子在实际使用中性能逐渐变化(劣化)，其实际分担的电压中的实际电压分布发生变化。当某绝缘子故障渐变严重时，该处的曲线更加下凹。因此，通过测量绝缘子串电压分布可有效表征劣质绝缘子在绝缘子串中的不同位置及劣化程度。实际测量过程中，需要施加检测信号，由于绝缘子串首尾跨度大，不可能完成绝缘子整串电压分布测量，因此通过逐片检测比较方式确定整串绝缘子缺陷情况。

本发明所要解决的技术问题是：

(1)解决现有直流输电工程绝缘子串缺陷检测方法不足的问题。直流输电工程与交流输电工程不同不能直接测量绝缘子串电压分布判断绝缘子串缺陷情况，加上直流电场分布受外界影响因素多，并且存在直流离子流，因此，直流输电工程绝缘子串缺陷检测需采用一种新型的检测方法。

(2)解决直流输电工程绝缘子串缺陷检测装置缺乏问题。针对不同种类绝缘子串特点开发缺陷检测装置，并通过绝缘子串攀爬机器人携带逐片检测，有效解决直流输电工程绝缘子串缺陷检测装置缺乏问题。

本发明的具体方法包括：

(1)理论计算模型

a)劣化绝缘子自身等效电容

电容的通用表达式为：

$C=\mathrm{\ϵ}\frac{s}{d}---\left(1\right)$

ε为材料介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离。瓷绝缘子的结构如图1所示，H表示高度，D表示盘径：

±800kV直流输电线路瓷绝缘子片的尺寸可取为H＝240mm，D＝400mm。绝缘子片自身等效电容一般为30～60pF，称其为C_b。假设瓷绝缘子发生贯穿性故障(小间隙击穿故障)，如图2中所示。

这种情况下，自身等效电容相当于两个电容并联：两端金具经由瓷质材料的电容与经由空气间隙的电容。一般而言，贯穿性间隙都比较小，因而第一个电容值与C_b相差不大，姑且认为其就是C_b。第二个电容称为C_j，已知空气相对介电常数为1，瓷质材料相对介电常数为5～6，当击穿间隙宽度为盘径1％即4mm时，由公式(1)可知(极端情况，假设间隙两端正对，此时S最大，C_j也是最大)：

$C_j=\frac{5}{100}~\frac{6}{100}{C}_b---\left(2\right)$

故当C_b＝50pF时，C_j＝10～12pF。随着空气间隙宽度每增大1％，其电容随之增大10～12pF。此时绝缘子片自身等效电容为C_b和C_j的并联，为

C₁＝C_b+C_j(3)

因而，当绝缘子发生贯穿性故障时，其等效电容是增大的。仿真过程中，取低值绝缘子的空气间隙为2mm，零值绝缘子的空气间隙为8mm。则其对应的自身等效电容分别为55.5pF和72pF(取均值后得到)。

b)绝缘子相互之间的等效电容

瓷绝缘子片之间由金具连接，如图3所示。

第1片绝缘子的自身等效电容即a、b之间的电容，第1片和第2片之间的电容则为a、c之间的电容并联两者对空气的电容，同理第1片和第3片之间的电容则为a、d之间的电容并联两者对空气的电容。而a、c之间的电容是a、b和b、c之间电容的串联，也就是第1片绝缘子和第2片绝缘子自身等效电容的串联。具体电路模型如图4所示。

其中，C_b1、C_b2、C_b3为每片绝缘子的自身等效电容，大小均为50pF；C_kac、C_kad分别为a、c之间对空气电容和a、d之间对空气电容，也可认为是杂散电容，其大小受周围环境影响很大，但相对于自身等效电容来说，还是很小的，因而在并联模型中，可以忽略掉这部分电容。当然，如果片数较多，C_b1到C_bn串联后的总电容足够小，小到杂散电容能够与之相比较，则应该给予考虑。不过，若真小到这种程度，原本就可以忽略掉。

仿真过程中，首端绝缘子对导线电容适当增加，对地电容适当降低，变化规律为递增(或递减)0.01pF，同理调整末端绝缘子。低值绝缘子自身电容增大到55.5pF，零值绝缘子则为72pF。这种调整只是基于理论分析，其真实值受周围环境和缺陷程度影响较大，此处加以说明。

下面针对低值绝缘子进行分析讨论。为了使仿真结果更严谨，在原有6次和2次谐波基础上，再次添加8次谐波，其占比在实际测量中仅次于前两者，6次和2次的幅值分别约为1500V和1300V(有效值为1050V和900V)，而8次则为900V(有效值为650V)。

令三个谐波的相位均为0°，添加信号的相位也为0，幅值为220V，改变信号频率，从工频到600Hz。分析得出检测信号为350Hz时，低值绝缘子有最大的电压幅值。

令三个谐波的相位均为0°，添加信号的相位也为0，频率为350Hz，改变信号幅值，从100V到1500V。分析得出添加的检测信号幅值越大，低值绝缘子的反馈电压越高。

令三个谐波的相位均为0°，添加信号的幅值为220，频率为350Hz，改变信号相位，从0°到315°。分析得出检测信号同谐波源间的相位差与反馈信号并没有很强的关联性。

单纯改变频率，单纯改变幅值，单纯改变相位，不同相位检测，顺序改变频率-相位，逆序改变频率-相位。得出的结论有以下几点：

(1)检测信号对低值绝缘子反馈电压的影响，幅值最大，频率次之，相位最小；

(2)检测信号幅值越大，电压反馈信号越强烈；

(3)当谐波源的相位均固定时，检测信号频率为350Hz时电压反馈信号最强烈，其次为400Hz和300Hz；

(4)检测信号相位对电压反馈信号的影响，与谐波源当时的相位有关，是一个动态过程，无法定量分析；

(5)当频率与相位一起变化时，检测信号为150Hz和350Hz对应的电压反馈信号最强烈。

综合以上结论，可以采用幅值为220V，频率为350Hz作为绝缘子串缺陷检测信号。

(2)机器人辅助攀爬

机器人携带检测装置沿绝缘子串逐片攀爬。

(3)缺陷检测

缺陷检测主要包括：

a)检测信号产生模块

b)反馈信号处理模块

c)信号比较模块

该步骤主要是产生检测信号、采集处理反馈信号并与标准信号进行比较。设备接通电源后，采用PWM技术将12V直流转换为幅值220V、频率350Hz、相位为0°的信号，产生的信号施加于单片绝缘子一端，在单片绝缘子另外一端滤除直流信号及干扰信号后采集与源同类信号，将反馈信号与标准信号进行比较判断绝缘子串缺陷情况。

一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法及装置，包括以下步骤：

(1)确定检测信号

通过单纯改变频率，单纯改变幅值，单纯改变相位，不同相位检测，顺序改变频率-相位，逆序改变频率-相位的方法确定绝缘子串检测信号采用幅值为220V，频率为350Hz可最佳分辨绝缘子串缺陷。

(2)机器人辅助攀爬

机器人携带绝缘子串检测装置逐片绝缘子攀爬，解决了因人工接触检测难度大，可靠性不高的问题。

(3)缺陷检测

在绝缘子串攀爬机器人的辅助下，对绝缘子逐片施加检测信号并采集反馈信号，通过与标准信号进行比较判断绝缘子缺陷状态。

如图6所示，绝缘子串攀爬机器人触脚g分别与第一片绝缘金具a及第二片绝缘子金具b相连，绝缘子缺陷检测设备f通过触脚g对第一片绝缘子金具a施加220V，频率为350Hz检测信号，通过第二片绝缘子金具b采集反馈信号，并与标准信号进行比较判断绝缘子状态，检测完第一片绝缘子后，绝缘子串攀爬机器人向第二片绝缘子移动，按照同样方式对第二片绝缘子进行检测，依次完成整串绝缘子检测。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，其特征是：包括检测信号产生模块、反馈信号处理模块和信号比较模块，其中：

所述检测信号产生模块，用于将24V直流电压通过逆变器转换为220V交流电压，220V交流电压通过变频器转换为350Hz，最终转换成幅值220V、频率350Hz、相位为0°的信号，将信号施加于单片绝缘子的一端；

所述反馈信号处理模块，采集被施加了检测信号的单片绝缘子另一端信号，通过隔离、滤除直流信号，采用分压电路对信号降压处理，对降压处理后的信号通过数字滤波器滤除干扰，并获取350Hz反馈信号；

所述信号比较模块，采集与源同类的信号，形成反馈信号，将反馈信号与标准信号进行比较判断绝缘子串缺陷情况。

2.如权利要求1所述的一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，其特征是：所述信号比较模块，将获取的350Hz反馈信号与标准信号幅值进行比较，若两种信号幅值差距相差5倍以上，则说明该单片绝缘子存在缺陷。

3.如权利要求1所述的一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，其特征是：所述标准信号为检测信号施加在无损坏的单片绝缘子上后获取的350Hz信号。

4.如权利要求1所述的一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，其特征是：所述绝缘子串缺陷在线检测装置设置于绝缘子串攀爬机器人上。

5.如权利要求1所述的一种直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测装置，其特征是：所述绝缘子串攀爬机器人沿绝缘子串逐片进行攀爬。

6.直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法，其特征是：包括：

(1)绝缘子串攀爬机器人的两个触脚分别与待测绝缘子的绝缘金具和其后端绝缘子的绝缘金具相连；

(2)向待测绝缘子的绝缘金具施加220V、频率为350Hz检测信号，通过其后端绝缘子的绝缘金具采集反馈信号，并与标准信号进行比较；

(3)判断绝缘子状态，如果绝缘子存在缺陷，通过绝缘子串攀爬机器人记录绝缘子缺陷等级及片数；

(4)继续检测后端的绝缘子，直到完成整串绝缘子检测，通过机器人完成整串绝缘子缺陷状态记录。

7.如权利要求6所述的直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法，其特征是：所述步骤(2)中，将单片绝缘子串联检测电路中，并施加220V、频率为350Hz、相位为0°的检测信号，采集通过单片绝缘子分压之后的反馈信号。

8.如权利要求6所述的直流输电工程绝缘子串缺陷在线检测方法，其特征是：所述步骤(3)中，比较反馈信号与标准信号幅值，通过以下标准确定绝缘子缺陷等级：

反馈信号幅值的3倍≤标准信号绝缘子运行状态良好；

反馈信号幅值的5倍≤标准信号绝缘子运行状态一般；

反馈信号幅值的10倍≤标准信号零值绝缘子。