紫外電暈檢測儀檢測線路絕緣子的模擬試驗

20世纪 90年代末, 美国 、南非和以色列等国家的科学技術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, 研制开发出用于日间检测电晕等微弱放电现象的紫外电晕检测仪, 为绝缘子实时检测提供了新的思路[ 1] 。 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检测工作。
 
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这些放电现象都会产生不同波长的紫外光 ,波长范围
 
230 ~ 405 nm ,其中 240 ~ 280 nm 的光谱段称为太
 
阳盲区 ,在此波长范围内由太阳传输来的紫外光份量极低。
紫外电晕检测仪首先利用分光镜将输入的光线分离成两部分。 其中一部分形成可见光影像,而另一部分经过紫外光滤镜后 , 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。 **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。
 
2  紫外监测的影响因素
 
紫外计数为紫外电晕检测仪 1 m in内测得的紫外光子数 ,可作为电晕活动强度的表示。 而紫外计数与距离、仪器增益、气压、温度、湿度等因素密切相关。 因此 , 必须明确这些因素对紫外检测结果的影响。
 
(1)距離的影響
 
理想条件下 ,均匀介质中的点光源所发射光波的强度与距离的平方成反比[ 2] 。 然而, 超出一定距离就无法进行电晕检测等许多情况表明, 紫外计数和距离平方成反比关系的推断并不适合实际工作 ,这主要因为前提的理想条件不能满足 ,且镜头所处球面的球心与电晕源并不重合。
 
为了解距离对计数的影响情况, 模拟了一个点电晕源,记录不同距离下的紫外计数和平均值,结果如表 1所示。
由表 1可知, 尽管电晕的发生有一定的分散性 ,但多次计数的分散性不大, 单次计数和平均值相差很小,判别均小于 3%。这表明进行检测时可采用计数稳定后的一次数值作为电晕强度的表示。
傅晨钊, 等 紫外電暈檢測儀檢測線路絕緣子的模擬試驗 51(總 408)
     
 

 
    表 1 紫外計數與距離的關系 个 /m in
     
距离 /m 8次計數範圍 平均值
         
4. 9 3 622 ~ 3 836 3 747
6. 3 3 379 ~ 3 540 3 408
7. 7 2 955 ~ 3 129 3 054
9. 1 2 915 ~ 3 129 3 008
10. 5 2 554 ~ 2 714 2 617
11. 9 2 440 ~ 2 521 2 495
13. 3 1 898 ~ 2 015 1 995
14. 7 1 744 ~ 1 817 1 795
16. 1 1 201 ~ 1 249 1 229
17. 5 934 ~ 967 950
18. 9 645 ~ 668 669
 
通过比较不同拟和曲线, 以距离平方为参量的一次线性式, 可以很好地反映距离与紫外计数间的变化关系, 同时符合一定距离外无法检测出电晕的实际情况 ,如图 1所示。 拟和曲线建立后,比较不同距离条件下的电晕强度时可进行一定的强度修正。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 1  紫外计数和距离平方的关系
 
(2)增益的影響
 
紫外光谱在电晕所发出的光谱中所占比例较小 ,且经过光学系统传输损耗 ,**终到达 CCD 板的紫外光子数大为减少, 仅约为镜头接受到总数量的 3%。为提高仪器的灵敏性 , 仪器内部对进入光学系统的紫外光子进行增益处理 ,这直接改变了紫外计数的具体数值, 也就影响到对电晕强度的评价。
 
试验室内模拟了一个点电晕源, 记录不同增益下的仪器紫外计数 ,结果如图 2所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 2  紫外计数与增益的关系
 
紫外計數與增益間關系的了解有助于儀器的

实际应用,在紫外计数小于 200的情况下, 一般可选择高的增益 (大于 150),以便发现较弱的电晕源 ;紫外计数大于 200小于 5 000时, 一般可在 90 ~ 150区间选取增益 ,方便进行比较;紫外计数大于 5 000时, 选取小的增益 (小于 80), 以便避免紫外图像相互叠加 ,以便准确定位电晕源。
 
(3)氣壓和溫度的影響
 
气压和温度的变化可以改变空气密度, 影响电离过程,进而影响到紫外计数的大小。一般而言 ,在其它条件相同的情况下, 高气压、温度低条件下的紫外计数要比低气压、高温度条件下的紫外计数低。
根据国标 GB311-83《高压输变电设备的绝缘配合》和 GB775-79《绝缘子试验方法》,大气状态不同时 ,外绝缘的放电电压 (空气间隙的击穿或空气中沿固体绝缘表面的闪络 )进行校正 , 其中空气密度校正因子 Kd 为 :
p m 273 +t0 n
Kd  =     273 +t (1)
p0
 
式中 p———试验条件下的空气压力, kP a; t———试验条件下的空气温度, ℃;
p0、 t0 ———标准状态下空气的压力 101. 3 kPa 和温度 20 ℃;
 
m、n———小于 1的修正系數。
 
假定 t0 为 0 ℃和 40 ℃、p0 为 90 kPa和 110 kPa分别进行计算, K d 均位于 (0. 9, 1. 1)之间。而检测仪由于紫外滤镜、光学系统传输效率、CCD灵敏性等部件的差异 ,不同仪器之间的计数存在
 
±20%的误差 , 同一仪器的计数存在 ±3%的误差 ,且现场检测时观测角度等因素的不同也会带来一定偏差。因此 ,温度和气压的差异可能淹没在仪器本身的误差和测量的偏差中 ,可以认为现场测试时可不考虑气压和温度的影响 ,对紫外计数不进行修正。
 
(4)濕度的影響
 
濕度對紫外計數的影響比較複雜。有些情況
 
下 ,湿度的增加可降低电晕强度, 如:绝缘子串湿润后表面电导增加 ,电压分布相对来说变得均匀一些, 绝缘子电晕强度有可能降低。而多数情况
 
,湿度的增加往往引起电晕强度的增长, 如:绝缘子表面的污秽物中的可溶物质会更多的溶于水
 
中 ,泄漏电流更大 ,更容易在绝缘子表面形成局部干区和发生沿面的爬电。值得注意的是, 由于污秽物成份和湿润情况的不确定性 ,目前还没有办法对它进行修正,给紫外检测的工作带来了一定的困难。因此 ,现阶段应着重紫外检测的建档工作, 一定数量实例的积累有助于充分认识湿度对紫外计数的影响。
 
3  实例
 
了解紫外检测的影响因素后 ,进行了绝缘子常见缺陷的模拟试验。
(1)複合絕緣子均壓環不良
 
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,带来了设备安全隐患[ 3] 。
选取 1根 110 kV 复合绝缘子分别配合两个不同的均压环 (均压环 a 外径 35 cm , 管径 2. 5 cm ,高度 10 cm , 均压环 b 外径 25 cm, 管径 1. 5 cm ),进行比较试验 ,外施电压 65 kV,距离 11 m , 相对湿度 75%,如图 3所示。 均压效果良好的均压环 a紫外计数 (51 个 m/ in)远小于均压环不佳的均压环 b紫外计数 (2 812个 /m in)。 均压环 b 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, 紫外檢測儀還可有效發現均壓環安裝錯誤、漏裝、破損等類似缺陷。
 
(2)複合絕緣子芯棒護套破損
 值得注意的是, 由于污秽物成份和湿润情况的不确定性 ,目前还没有办法对它进行修正,给紫外检测的工作带来了一定的困难。因此 ,现阶段应着重紫外检测的建档工作, 一定数量实例的积累有助于充分认识湿度对紫外计数的影响。
 
3  实例
 
了解紫外检测的影响因素后 ,进行了绝缘子常见缺陷的模拟试验。
(1)複合絕緣子均壓環不良
 
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,带来了设备安全隐患[ 3] 。
选取 1根 110 kV 复合绝缘子分别配合两个不同的均压环 (均压环 a 外径 35 cm , 管径 2. 5 cm ,高度 10 cm , 均压环 b 外径 25 cm, 管径 1. 5 cm ),进行比较试验 ,外施电压 65 kV,距离 11 m , 相对湿度 75%,如图 3所示。 均压效果良好的均压环 a紫外计数 (51 个 m/ in)远小于均压环不佳的均压环 b紫外计数 (2 812个 /m in)。 均压环 b 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, 紫外檢測儀還可有效發現均壓環安裝錯誤、漏裝、破損等類似缺陷。
 
(2)複合絕緣子芯棒護套破損
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 3  均压环不同效果的对比

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 3  均压环不同效果的对比


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 5  憎水性优劣的对比
 
(4)絕緣子汙穢
 
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鹽密条件下污秽情况 , 上表面鹽密为 0. 01 m g /cm2 ,
 
下表面鹽密分别为 0. 05、 0. 1、 0. 15 和 0. 2 m g /cm2 ,選取 CA825鍾罩型絕緣子, 一串 8片 ,
 
外施电压 70 ~ 85 kV, 距离 10 m , 相对湿度大于
 
100%。 试验结果如图 6和表 2所示 。外施电压达到 70 kV 后 , 绝缘子串上均能发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。
表 2  不同电压及鹽密条件下的紫外计数值
 
个 /m in
 
       
鹽密   电压 /kV  
    cm - 2        
m/ g   70 75 80 85
0. 05 985 1 234 1 566 1 608
0. 1 1 307 1 608 2 007 2 113
0. 15 1 209 1 469 1 787 2 304
0. 2 1 413 1 534 2 246 2 643
 
由表 2可见 ,爬电强度一般随外施电压的增加而增加,同等电压下鹽密大的绝缘子的强度一般大于鹽密小的绝缘子, 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。与憎水性缺陷的检测相似 ,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的关系 ,有可能从一个新的角度为绝缘子的状态清扫
 


提供參考。
 
(5)瓷絕緣子零值
 
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。
 
試驗室模擬了瓷絕緣子零值的情況,絕緣子爲
 
XW P10型双伞绝缘子 ,上表面鹽密 0. 05 m g /cm2 ,
 
下表面鹽密 0. 1 m g /cm2 ,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 3 片。外施电压 90 kV,距离 10 m,相对湿度 80%,温度 24 ℃,试验结果:第 1、2、4片表面均出现明显电晕 ,而零值的第 3片没有明显电晕,如图 7所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
根据绝缘子串电压分布规律,第 3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 7中的第 3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術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。
 
4  结语
 
紫外成像作为一种新的技術手段, 可以在绝缘子多种缺陷和故障的检测中发挥积极作用。 虽然目前该项技術还不够成熟, 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 ,值得推广应用和深入研究。