（广东电网有限责任公司惠州供电局 广东惠州 516000）
摘要：绝缘子是电力系统中非常重要的器件，同时起着电气绝缘和机械支撑的作用。输电线路上绝缘子的运行状态直接关系到输电线路能否正常运行。由于长期暴露在户外，绝缘子的抗污能力，电气性能和机械性能都受到影响。因此，很有必要探索绝缘子在线监测的方法，建立健全的绝缘子在线监测系统。本文对现有的复合绝缘子在线监测方法研究现状进行了分析和总结，并得出要想获得良好的监测效果，只有结合两种及以上监测手段，在监测区域，监测环境条件等方面互补。
关键词：复合绝缘子；在线监测；研究现状
The Research Status Analysis of Online Monitoring Techniques of Composite Insulators
LIU Jiaqi
（Huizhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangdong 516000，China）
ABSTRACT：Insulators are very important devices in power systems，taking the role of electrical insulation and mechanical support simultaneously.The operation status of insulators has the direct bearing on the proper functioning of the transmission lines.As exposed to the outdoor environment，the insulators’ contamination resistance，electrical and mechanical property are greatly influenced.Therefore，it’s necessary to explore the online monitoring methods and set up more perfect online monitoring systems for insulators.This paper analyzed and summarized the existing online monitoring methods of composite insulators，then concluded that only by combining two or more techniques to realize complementation of monitoring region and environmental requirements can the monitoring system obtain favorable results.
KEY WORDS：composite insulators；online monitoring；research status
引言
绝缘子是电力系统中非常重要的器件，同时起着电气绝缘和机械支撑的作用。输电线路上绝缘子的运行状态直接关系到输电线路能否正常运行。由于长期暴露在户外，绝缘子的抗污能力，电气性能和机械性能都受到影响。因此，很有必要探索绝缘子在线监测的方法，建立健全的绝缘子在线监测系统。
根据是否用到电量，绝缘子在线监测的方法可以分为两类：非电量法和电量法。其中电量测量法主要包括：绝缘电阻法、电场法[1]、脉冲电流法、泄漏电流法[2]、分布电压法。非电量测量法主要包括：观察法[3]、振动法、紫外成像法[4]、红外成像法、电子光学探测法、超声波检测法[6]、图像处理法[7]。由于不同种类绝缘子电气、机械特性各异，其可能出现的故障类型和适用的在线监测方法也不尽相同。各种在线监测方法中，有些虽然很早就已经被提出，但近些年来得到了快速的发展，如文献[07]提出通过分析泄漏电流的实频域分布，快速有效地检验绝缘子的运行状态，文献[08]提出使用谐波电场法在线监测直流陶瓷绝缘子和复合绝缘子；文献[09]归纳了多种检测绝缘子表面电荷分布的方法及机理；有的是近些年来才被提出的新方法，如各种图像处理的方法。
与玻璃和陶瓷绝缘子相比，复合绝缘子的优势包括更便于安装，质量更轻，更难被恶意破坏，抗污能力更强，更经济，机械强度更好以及无线电噪声更少。与此同时，运行中的复合绝缘子故障的原因更加复杂，尽管学者们提出了许多绝缘子在线监测的方法，仍然很难将测量参数和故障准确地联系起来。
1 非电量法
1.1观察法
观察法是最常见的用于检测复合绝缘子缺陷的方法。为了得到可靠的结果，观察者必须靠近绝缘子，最好爬上铁塔或者坐上直升机。另外，由于缺陷很小，观察者需使用高倍望远镜。观察者需要关注的外壳材料缺陷主要包括：腐蚀、破裂、射击孔、穿刺以及终端部件防潮层的损坏。这些虽只是基本的外部缺陷，却也是内部缺陷的标志。为了得到准确的观察结果，观察者必须熟悉绝缘子的设计、使用材料和这类绝缘子的典型故障类型。
文献[3]提出了在绝缘子上安装微型运动摄像头的方法帮助人们对绝缘子进行在线监测，其原理图如图1~图2所示，实物图如图3~图4所示。微型平台拍摄到的图像通过无线传输到地面的计算机进行储存。
图1 使用棱镜避免不必要的小型化
图2 摄像头移动路径
图3 夹到绝缘子上的微型装置
图4 摄像头平台
1.2紫外成像法
光放大设备可以用来监测绝缘子表面放电现象，这些放电现象往往暗示着外壳材料腐蚀危害或破裂。由于大部分放电现象发出的光子波长都在300-400nm的范围，这超出了标准夜视仪和人眼的可视范围。Vosloo等人利用电晕发生点靠近供电电压顶点这一现象，将电晕放电发出的光子和太阳辐射发出的光子区分开来，使得在白天监测绝缘子表面放电现象成为可能[10]。另一种避免太阳辐射干扰的方法是只检测辐射波长在240-280nm之间的光子，也就是紫外太阳盲带。Lindner等人利用这个特征发明了一个电晕监测设备，据其声称，此设备可以在95m处观察到电晕放电现象[11]。文献[20]提出利用复合绝缘子放电的紫外成像图中的电晕区域像素数估计其放电幅度的方法，以此预测放电的强度。但是目前能在白天观测到电晕的设备造价昂贵，还不适宜普遍地应用到在线监测系统中。
1.3红外成像法
红外成像法是监测复合绝缘子缺陷的有效方法，这是因为电场中材料的退化在很多情况下都与产生热量密切相关。绝缘子故障的产生往往伴随有局部发热、温度升高现象，红外成像法可非接触、快捷检出绝缘子局部温升点，有效监测电力设备上存在的故障。尽管如此，文献[12]的研究表明，红外成像法仅可有效检测引发绝缘子局部温升类故障，对绝缘子短时缺陷的检测效果有限，因为此时绝缘子表面的温升可能并不显著。文献[13]也表明，红外成像只能检测内部已经出现明显缺陷的复合绝缘子，而且有一定的误判率，尽管这样，红外成像法仍对运行绝缘子意义重大。由于红外成像设备造价相对较高，建议只对运行时间较长的复合绝缘子采用这种监测手段，且进行数据分析处理时一定要综合考虑阳光、大风、湿度、环境温度等一系列可能引起绝缘子表面温度急剧变换的因素。
1.4超声波监测法
超声波指的是频率高于20kHz的声波。常规的超声波检测法主要是通过复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的隐蔽性缺陷（如脱粘、气孔夹渣、裂纹、橡胶分层等），由于缺陷的存在或介质本身的不均匀性，超声波在介质中传播时会发生衰减，所以可以通过分析特征回波图像来识别介质的内部缺陷，判断缺陷的大小和位置。
但是复合绝缘子外形复杂，具有不规则曲面，常规的超声波检测法难以满足需求。文献[5]提出用超声波探伤仪检测复合绝缘子内部缺陷，可以监测出直径为0.5mm的气孔缺陷，但是该方法需要有经验的检测人员才能正确识别缺陷的大小及类型。文献[15]提出相控阵超声波检测复合绝缘子内部缺陷的方法，利用各个振元的激励与接收脉冲的时间延迟，从而改变各个振元发射或接受声波到达或来自物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，从而挖成相控波束合成，形成像扫描。超声波监测法也可以实现非接触测量，但是精度不高，且不易执行。
1.5图像处理法
图像处理法在玻璃和陶瓷绝缘子在线监测方面的研究更为成熟，如文献[16]提出基于彩色图像的玻璃绝缘子诊断技术，其主要思想是，先通过玻璃绝缘子的颜色特征检测出绝缘子的可能位置，然后通过链码技术进行形状识别，进一步精确绝缘子的位置后，就可以做缺陷诊断了。
复合绝缘子的在线监测中，图像处理法在检测其憎水性方面比较成熟，如文献[17]提出的通过数字图像形状系数法分析复合绝缘子憎水性的方法。
图像处理法可以说是自动的观察法，主要包括两个部分：绝缘子的识别、绝缘子表面缺陷的图像特征表示。首先通过计算机智能地确定绝缘子位置，然后通过实现确定的表面缺陷图像特征表示方法验证绝缘子是否具有某一缺陷，以及这一缺陷的程度。如使用图5所示的分块模型将绝缘子分成几个区域，用一个滑动窗口比较相邻两片绝缘子之间的直方图相关系数，如果一个位置与相邻两片绝缘子之间的相关系数都比较低，则这片绝缘子就可能已经爆裂了。
图5 绝缘子分块模型
2 电量法
2.1 电场法
电场法可非接触式获得绝缘子的轴向电场分布，通过电场畸变程度诊断绝缘子内部可能存在的各类短路性故障[12]。根据文献[18]，电场法的检测原理如图6所示，复合绝缘子可以简化成一段连续的绝缘材料处于两个电极之间，当绝缘子内部绝缘处于良好状态时，两个电极之间的电场分布曲线非常平滑（如图1中的曲线A），而如果绝缘内部有缺陷，电场分布曲线在缺陷的对应位置会出现扭曲现象（如图1中的曲线B）。电场法仅能有效检测绝缘子上存在的较严重的短路性缺陷，如内部碳化通道、较长的漏电起痕通道等绝缘缺陷。
图6 电场法的基本检测原理
2 .2 脉冲电流法
脉冲电流法主要是通过电流传感器套入塔杆接地引线提取局放脉冲电流，利用数字信号处理手段得到一个工频周期中局放脉冲次数、幅值等信息，据此判断绝缘子运行情况[10]。其主要原理是，劣质绝缘子的绝缘电阻很低，使其它正常绝缘子在绝缘串上承受的电压明显大于正常时的承受电压，因而回路阻抗变小，绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流必将变大，根据线上存在劣质绝缘子时电晕脉冲个数的增多，幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过信号处理达到在低压端检出不良绝缘子的目的[19]。这种方法虽然精度高，但是很难定位到同一塔杆中缺陷绝缘子。
2.3 泄漏电流法
泄漏电流法即通过采集泄漏电流、脉冲频度和温湿度作为参数，利用模糊理论、神经网络等算法加上历史数据，得到绝缘子表面污秽程度和识别劣质绝缘子[11]。这种方法精度较高，实用性较强，但是成本相对较高。文献[20]提出使用如图7所示的系统测量泄漏电流。该系统包含一个与绝缘子串直接相连的光纤传感器、一个与处理模块相连的电容传感器。光纤传感器通过光纤连接传递绝缘子发出的样本泄漏电流波形给示波器，而电容传感器负责记录外部环境的相对湿度。这个检测系统在巴西北部圣弗朗西斯科水电公司的电力传输系统得到了实践，且结果良好。
图7 光学传感器测绝缘子泄漏电流原理图
通过分析大量绝缘子泄漏电流与对应的闪络特性之间的关系，文献[21]提出了一种新颖的预测绝缘子发生闪络的可能性的方法：首先测量绝缘子的泄漏电流，然后提取其5次和3次谐波，求5次谐波与3次谐波的幅值比K5/3，如果K5/3>30%，则有90%的可能性不会发生闪络。
3 复合监测方法
3.1 多光谱法
文献[22]提出基于多光谱法的复合绝缘子在线监测技术，通过有效地结合可见光检测、红外检测、紫外监测技术的原理和优缺点，从应用环境要求、监测仪器要求、重点检测部位、检测评估方法和缺陷处理方法等5个方面对多光谱法进行了研究，并将其应用于500kV交流输电线路和±600kV直流输电线路。根据刘辉等人的研究[22]，可见光、红外和紫外监测的对比见表1。
表1 可见光、红外、紫外检测对比
由于可见光检测法、红外检测法和紫外检测法原理各不相同，其使用的环境要求也各不相同，如表2所示。
表2 可见光、红外、紫外检测法应用环境对比
由于可见光、红外及紫外检测技术在应用环境及检测范围上存在互补，多光谱法可以更快速有效地检测出复合绝缘子的缺陷，减少电网灾害的发生。
3.2 电磁信号处理法
文献[18]提出的电磁信号处理法主要通过图8所示的电场传感器、泄漏电流传感器和脉冲电压传感器测量复合绝缘子的电场、泄漏电流、和脉冲电压，然后通过传输单元传输给微处理器单元，通过一系列的分析处理，得出复合绝缘子具体的运行状况。
图8 绝缘子串上的电磁信号传感器
4 结论
没有一种在线监测技术可以同时监测所有类型的缺陷，所以建议至少结合两种不同的在线监测技术，如多光谱法结合了可见光检测技术、红外成像技术、紫外成像技术，复合绝缘子在线监测技术结合了紫外成像法和电场法。经验表明，只有多种在线监测技术互补性结合才能达到理想的监测效果。
由于各种在线监测技术都存在优劣势，而且其相互之间可能存在共通或者互补的地方，本文总结出各种复合绝缘子在线监测技术的特点如表3所示。具体可以根据是否可以接触测量，表面缺陷与内部缺陷检测相结合的办法。
表3 复合绝缘子在线监测方法
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论文作者:刘嘉琪
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/10
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