郭 锐，田 兵，张 磊，雍 军，仲 亮，程养春，贾 娟，郑连勇

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250021；2.国网山东省电力公司检修公司，济南 250033；3.国网山东省电力公司，济南250001；4.山东鲁能智能技术有限公司，济南250101；5.北京市高电压与电磁兼容重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

适于机器人的输电线路盘形瓷绝缘子检测技术研究

郭 锐1，田 兵2，张 磊2，雍 军3，仲 亮4，程养春5，贾 娟4，郑连勇2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250021；2.国网山东省电力公司检修公司，济南 250033；3.国网山东省电力公司，济南250001；4.山东鲁能智能技术有限公司，济南250101；5.北京市高电压与电磁兼容重点实验室（华北电力大学），北京 102206）

使用机器人检测高压输电绝缘子是解决超高压、特高压线路低零值绝缘子问题的有效手段之一。现有的低零值绝缘子带电检测方法和技术并非专为巡线机器人量身定做，可能因机器人操作与人工操作的差异而带来新的误差，严重影响检测效果，甚至得出错误诊断结果。针对机器人的运行特点，提出了基于局部电场分布特征的盘形悬式瓷绝缘子伞裙识别方法，无需在测量绝缘子电场分布的同时另外诊断电场测量装置的空间位置，解决了现有电场法检测仪器不能稳定、准确地确定被测点位置信息的缺点，并且通过仿真计算和实验室实测试验，验证了所提出方法的效果。该方法也适用于直流输电线路、复合绝缘子检测。

输电线路；瓷质绝缘子；检测；机器人

0 引言

盘形悬式瓷绝缘子是高压架空输电线路常用的元件，起到高压导线与杆塔之间电气绝缘、承受导线重力或拉力的作用。盘形悬式瓷绝缘子本身存在自然劣化过程。新的瓷绝缘子在运行2-3年，劣化率较高；之后进入一个稳定期，时间跨度为15年，劣化率较为稳定；运行20年后，进入衰老期，劣化率大大增加[1]。因此，随着运行年限的增加，高压架空输电线路上的劣化绝缘子将越积越多。劣化的盘形悬式瓷绝缘子的主要特征是绝缘电阻下降，绝缘性能逐渐降低，称为低值、零值绝缘子。低零值绝缘子的主要危害是降低了绝缘子串的闪络电压；可能在雷电冲击、污秽闪络等情况下，内部绝缘被击穿并引发爆炸，进而导致掉线事故[2-3]。因此，高压架空输电线路盘形悬式瓷绝缘子应定期检测、更换低零值绝缘子。

目前绝缘子检测主要依靠人工操作。人工带电检测高压架空输电线路绝缘子，存在检测效率低、检测效果差、人工成本高、安全风险大等缺点。特别是现有一些比较准确的检测方法不能依靠人工在超高压、特高压线路的长绝缘子串上实施，导致超、特高压输电线路安全隐患越来越严重。随着智能电网发展战略的推进和智能化工业技术的发展，专用绝缘子检测机器人逐步发展成熟，并且已经在线路上试运行。应用机器人进行巡检作业，可有效替代人工完成绝缘子的检测，不仅可以减少因人员疏忽、漏检等带来的损失，而且可降低人员成本[4-5]，尤其是解决超高压、特高压线路绝缘子检测问题。

现有的输电线路绝缘子带电检测方法和技术手段，并非专巡选线机器人量身定做。将现有的检测方法、技术手段和仪器设备简单叠加在机器人上，不但不能克服现有方法与技术的不足，而且可能因机器人操作与人工操作的差异而带来新误差。

笔者首先分析了机器人带电巡检对绝缘子检测方法和仪器提出的要求，为机器人选择了电场法检测绝缘子，然后针对现有电场法检测技术和仪器的不足，针对机器人的运行特点，提出了基于局部电场分布特征的绝缘子伞裙识别方法，解决了现有电场法检测仪器不能稳定、准确地确定被测点位置信息的缺点，并且通过仿真计算和实验室实测试验，验证了所提出方法的效果。

1 适用于机器人的绝缘子检测技术

1.1 现有检测技术的分析对比

山东电力公司已开发出了一款用于检测高压架空输电线路绝缘子的机器人，并且已在±660 kV银东线上现场试用，见图1。该机器人包括机械系统、控制系统和检测系统。机械系统实现机器人在悬垂和水平双联绝缘子串上可靠、快速、稳定地往返运行；检测系统实现了可见光检测、绝缘子电阻测量、电场测量、憎水性检测等带电作业项目；控制系统实现机器人的远程遥控、测量数值的分析存储等。

图1 机器人检测±660 kV银东直流绝缘子串Fig.1 Robot detecting±660 kV insulator string

目前，高压输电电路盘形悬式瓷绝缘子串中的低零值绝缘子检测方法主要有：绝缘子电阻测量法[6]；基于绝缘子串电压分布规律的分布电压检测法[7]、分布电场检测法[8]；基于绝缘子放电现象的脉冲电流法[9]、紫外成像法[10]；基于绝缘子发热现象的红外成像法[11]等。这些方法在实际应用中又分成多种，各有优缺点。对于利用机器人检测高压输电线路瓷绝缘子串，应该采用能够充分发挥机器人优势的绝缘子带电检测方法。

与以往人工操作不同，机器人带电检测绝缘子的最大优势在于能够抵近绝缘子串开展检测，特别是抵近检测超高压、特高压输电线路上的超长绝缘子串；操作过程一致性好。与机器人相配合的低零值绝缘子检测技术应该具有下列特点：1）较高的准确度和灵敏度；2）不增加机器人的复杂度；3）尽量少的机械运动部件，可靠性较高。

上述的绝缘电阻法和分布电压法检测低零值绝缘子，虽然准确度很高，但是需要转动检测仪的金属电极，将其依次搭接在每一片绝缘子的钢帽和钢脚上，其机械运动部件增加了不可靠因素；而且需要与机器人的运动相协调，增加了机器人的复杂度。金属电极搭接钢帽和钢脚瞬间往往引起火花放电，对机器人造成电磁骚扰。脉冲电流法、超声波法、紫外成像法和红外成像法均因原理上的间接性，准确度有限。

相比之下，电场法只需检测绝缘子周围的电场，无需接触绝缘子钢脚与钢帽，而且只需机器人携带电场探头滑过绝缘子串的表面，无需机器人的额外配合。因此，基于电场法的低零值检测仪器最适合于装配巡线机器人。

1.2 现有基于电场法的检测仪的不足

电场法检测低零值绝缘子的基本原理：绝缘子串中每一片绝缘子均承担一定的电压，则绝缘子串的电压分布曲线显现光滑的马鞍形；当其中某一片绝缘子劣化后，其分担的电压随之下降，电压分布曲线上相应位置出现 “下陷”。随着承担电压的下降，该绝缘子附近的电场强度，特别是轴向电场强度也会出现“下陷”。电场法根据绝缘子串的电场分布曲线是否出现“下陷”来诊断低零值绝缘子[8，12]。

图2（a）给出了一串XWP-210型绝缘子施加电压后，其中接地侧三片绝缘子的等电位线。作为对比，图2（b）给出了低压侧第二片绝缘子为零值时的等电位线。可见，原本由第二片绝缘子承担的电压被转移到了其他绝缘子上。第二片绝缘子附近的电场由原先的以轴向电场为主转变成以径向电场为主，即零值绝缘子附近的轴向电场剧烈减小。

图2 电场法检测零值绝缘子原理示意Fig.2 The principle of faulty insulator detection by electric field method

电场法原理的关键在于获取绝缘子串的电场分布曲线。在现场实践中，该曲线的纵坐标是被测点的轴向电场，横坐标是被测点的位置信息（即距绝缘子串高压端的距离（可以是相对值））。现有的电场法绝缘子检测仪，将绝缘子伞裙的边沿作为被测点，当检测仪中的边沿检测电路监测到检测仪滑过了一个伞裙时，触发电场检测电路，记录下该位置的电场数值。之所以选择绝缘子伞裙边沿作为被测点，是因为在现场实测中，缺乏其他比较准确的位置参照。

选择绝缘子伞裙边沿作为被测点，优点是检测仪器设计简单，无需复杂的定位电路。但是，受到成本、体积等因素的限制，现有电场法绝缘子检测仪器中的绝缘子伞裙边沿检测技术还不够成熟，通常是通过接近开关或者是光线遮挡的形式判断检测仪是否滑过伞裙边沿。在现场实测中，由于下列因素，导致边沿检测失败，检测到的电场数据量时多时少，引起电场曲线的形状变化，严重影响电场法的实施效果，经常导致错误的诊断结果：1）盘形悬式瓷绝缘子的伞裙数量和直径多变，某一类直径的伞裙可能处于边沿检测电路可测范围的边界上。当检测仪沿绝缘子串表面滑动时，这一类伞裙不能被非常稳定地检测到；2）检测仪在滑动过程中存在机械抖动，可能多次重复测量同一个伞裙；3）阳光等外界光线影响检测仪的光线探测器，导致误判伞裙边沿。

1.3 适用于机器人的电场法检测技术的改进

可见，利用机器人技术提高超高压、特高压输电线路低零值绝缘子检测效率的关键问题是解决电场法诊断原理中的被测点定位问题。

如果机器人在绝缘子串表面的运动速度是恒定的，则检测仪可以简单地通过定时器定期测量电场数值。定时器的时间间隔与机器人运动速度的乘积就是被测点之间的距离。该思路简单，然而不太实用。原因有二：1）机器人的运动不一定是恒速的，也可能是步进式的，而且还要根据实际情况自主决定运动速度和方向；2）绝缘子串周围的实际电场分布受到绝缘子结构（包括伞裙）的影响，存在周期性的波动，局部范围的电场不是随位置单调变化的，因而被测点的位置应该与绝缘子的结构尺寸相关。定时器所确定的被测点位置不一定与绝缘子相关。

基于上述分析，提出了一种适用于机器人的被测点确定方法，即，根据盘形悬式瓷绝缘子串本身的绝缘材料的周期性变化带来的电场的周期性变化来识别绝缘子；并且进一步引申，提出利用绝缘子伞裙所造成的局部电场变化特征，识别伞裙边沿。识别绝缘子或者绝缘子的伞裙所需的检测数据只有电场数据，无需专门用来检测伞裙边沿的电路。然而，获得局部电场数据需要贴近绝缘子，机器人携带检测仪很容易满足这个条件。

2 绝缘子伞裙识别方法

2.1 利用电场分布特征识别绝缘子伞裙的可行性

对于盘形悬式瓷绝缘子，其本身的机械结构中存在电工陶瓷绝缘材料和钢脚钢帽金属材料，“导体-陶瓷-导体”周期性出现，理所当然地产生了空间电场周期性的变化。越靠近绝缘子串，这种周期性变化越明显。利用这种周期性的变化，可以识别绝缘子。但是，这种方法有一定的局限性：1）对于结构高度比较大的绝缘子，机器人的速度不一致性也会体现在一片绝缘子的电场测量中，使得实测到的电场数据中对应于各绝缘子的数据量不一致，直接影响这种周期性的识别；2）超、特高压输电线路上的盘形悬式瓷绝缘子，结构比较复杂，单个绝缘子对应的局部电场变化比较复杂，对上述以绝缘子为单位的电场周期性变化规律的识别带来困难。因此，笔者重点研究了利用绝缘子伞裙附近局部电场的分布特点识别绝缘子伞裙的方法。众所周知，绝缘材料的相对介电常数影响空间电场分布。瓷质绝缘子伞裙是电工陶瓷材料，其相对介电常数为5.5～6.5。瓷质绝缘子伞裙周围空间电场的分布见图3。

图3 绝缘子伞裙周围的电场分布Fig.3 The electric field around the shed of the insulator

从图3中看出。与周围空气中的电场相比，伞裙边沿上、下表面的电场强度增大；伞裙外沿的电场方向发生变化，径向电场分量增大，轴向电场分量减小。良好绝缘子的伞裙和零值绝缘子的伞裙均能够引起这种电场分布的变化。因此，伞裙边沿空气中的轴向电场将出现极小值。依据这个极小值，可以诊断出空气中存在伞裙。

2.2 利用电场特征识别绝缘子伞裙的关键技术

利用局部电场分布特征识别绝缘子伞裙，关键要解决好两方面的问题：

1）电场测量精度。由于伞裙造成的电场变化比较微小，要求电场测量探头不但体积小，空间分辨率高，能够尽量贴近绝缘子伞裙，测量伞裙边缘附近的电场分布；而且电场分辨率高，测量精度高，能够反映出细微的电场差异。

2）伞裙诊断方法与判据。诊断方法和判据不但需要适用于各种结构尺寸的伞裙，而且要适应机器人的运动特点，特别是机器人短暂停顿造成的数据长度变化。

对于第一点，由所采用的电场探头决定，笔者不做讨论。对于第二点，笔者提出基于峰值检测技术的局部极小值检测方法，对轴向电场分布曲线的局部极小值进行检测。每一个局部极小值对应一个伞裙。这种基于局部极小值的伞裙诊断方法，只要曲线有局部极小值，允许各伞裙对应的曲线之间存在差异，从而非常适合机器人的运动特点。

3 绝缘子伞裙识别方法的仿真验证

3.1 仿真模型简介

首先通过电场仿真，验证所提出的绝缘子伞裙检测方法。以实际500 kV线路用到的双串XWP－210型绝缘子串（每串30片绝缘子）为仿真对象，利用ANASY软件计算绝缘子伞裙上的电场分布。仿真模型见图4。该类型的绝缘子为双伞结构，结构高度170 mm，公称盘径300 mm。而且仿真模型中也包括了实际线路上使用的均压环。

图4 XWP－210型绝缘子串电场仿真Fig.4 The electric field simulation of XWP－210

3.2 仿真结果

图5 显示了良好绝缘子串沿伞裙边沿直线的轴向电场分布曲线的一部分。该曲线的横坐标是被测点与坐标原点（高压侧第1片绝缘子下伞裙的下沿）之间的距离。曲线上显现出了明显的周期性下陷，体现了盘形悬式瓷绝缘子结构上的周期性。对照仿真模型坐标可知，下陷部位正好对应于绝缘子的伞裙。仿真结果表明，伞裙的存在使得其附近空气中的轴向电场出现局部减小。

图5 良好绝缘子串的轴向电场分布Fig.5 The axial direction electric field distribution of the good insulator string

同时，也仿真了绝缘子串中存在零值绝缘子时的电场分布。图6显示的高压侧第3片绝缘子是零值绝缘子时的轴向电场分布曲线。可见零值绝缘子虽然降低了对应位置及第2片绝缘子伞裙附近的轴向电场，但是伞裙所造成的轴向电场局部极小值仍然存在。即，当绝缘子串中存在低零值绝缘子时，仍然可以利用轴向电场的局部极小值来判断伞裙位置及数量。

图6 含零值的绝缘子串的轴向电场分布Fig.6 The axial direction electric field distribution of the insulator string with faulty insulator

3.3 基于极小值的绝缘子伞裙识别结果

利用Labview软件平台数据处理中的波谷检测运算，可以从图5、图6所示数据中获得波谷数值，即绝缘子伞裙边沿的轴向电场数值。对于双伞绝缘子，还可进一步简化数据，例如选用第1片伞裙边沿的数值代表该绝缘子的轴向电场，可以绘制出如图7所示的轴向电场分布曲线。该曲线与现有的基于伞裙边沿检测电路的绝缘子检测仪获取的曲线一致，进而可以利用现有的低零值绝缘子诊断方法判断低零值绝缘子的位置。

4 绝缘子伞裙识别方法的试验验证

4.1 试验回路与绝缘子真实电场测量方法简介

再次通过高电压试验验证了所提出的绝缘子伞裙检测方法。试验在7片XP-7绝缘子串上进行。外加工频电压10 kV，利用意大利生产的Narda-EHP-50C三维电磁场分析仪测量绝缘子串表面沿线的工频电场。试验回路见图8。绝缘子串上端施加高电压，下端接地。正方形三维电磁场探头沿绝缘绳轨道逐步下降，并短暂停留在标尺刻度指示位置，测量该位置的三维电场强度。三维电磁场探头与数据显示终端之间通过光纤通讯。

图7 经伞裙检测方法处理的绝缘子串轴向电场分布曲线Fig.7 The axial direction electric field distribution curves of the insulator strings obtained by the shed detection method（Dot-string with faulty insulator， triangle-string without faulty insulator）

图8 绝缘子串高压电场分布检测试验回路Fig.8 The test circuit of the electric field distribution of an insulator string

4.2 试验结果

测量电场时采用的标尺刻度首先与绝缘子伞裙边沿对齐，然后等分成5份。因此，每个被测点的位置与伞裙之间的位置相对固定，其中第2、7、12、17…等位置上的被测点正对伞裙，而且第1号被测点最接近高压电极，第34号被测点最接近接地端。将这些位置上的电场数据按顺序绘制成曲线，就是绝缘子串伞裙边沿直线上的电场分布。

图9显示了绝缘子串中7片绝缘子全部是良好绝缘子时的轴向电场分布。第2片至第7片绝缘子伞裙边沿所对应的被测点第2、7、12、17…位置序号上的轴向电场均出现了极小值。其中，第一片绝缘子的轴向电场较第二片的小，原因参见文献[8]，因此与第3节的仿真结果有区别（仿真模型中有均压环）。

图9 良好绝缘子串的轴向电场分布Fig.9 The axial direction electric field distribution of the good insulator string

图10显示了绝缘子串中第2片、第4片绝缘子分别是20 MΩ零值绝缘子时的轴向电场分布曲线。曲线显示第2片绝缘子伞裙对应的位置序号7和第4片绝缘子伞裙对应的位置序号17上仍然存在轴向电场极小值，而其他良好绝缘子伞裙对应的轴向电场极小值仍然存在。可见零值绝缘子不会影响伞裙所造成的轴向电场极小值的数量和位置。通过极小值检测仍然可以识别绝缘子伞裙。

图10 含零值的绝缘子串轴向电场分布Fig.10 The axial direction electric field distribution of the insulator string with faulty insulator（circle-the faulty insulator is at No.2， triangle-the faulty insulator is at No.4）

4.3 基于极小值的绝缘子伞裙识别结果

利用Labview软件平台数据处理中的波谷检测运算，对图9、图10中的数据进行波谷检测，利用波谷数据绘制出如图11所示的轴向电场分布曲线（鉴于短绝缘子串的第1片和最后一片较为特殊，无波谷，直接选用伞裙对应的数据作为补充）。该曲线与现有的基于伞裙边沿检测电路的绝缘子检测仪获取的曲线一致[8]，进而可以利用现有的低零值绝缘子诊断方法判断低零值绝缘子的位置。

5 结论

1）在现有的低零值绝缘子带电检测方法中，电场法所采用的物理量直接反映绝缘子的电气性能，无机械转动部件，而且不增加机器人的复杂度，最适合于装配巡线机器人

2）盘形悬式瓷绝缘子的伞裙能够改变空气中的电场分布，使得伞裙边沿局部范围内的轴向电场出现极小值。该现象得到了仿真分析和高压试验的验证。

图11 经伞裙检测处理的绝缘子串轴向电场分布曲线Fig.11 The axial direction electric field distribution curves of the insulator strings obtained by the shed detection method（black dot-good string， white dot-the faulty insulator is at No.2， star-he faulty insulator is at No.4）

3）利用极小值检测方法对局部电场的极小值进行检测，可以识别出绝缘子伞裙，进而绘制出现有电场法所使用的轴向电场分布曲线，并得到了仿真分析和高压试验的验证。

4）通过局部电场极小值识别绝缘子伞裙，为电场法所使用的轴向电场曲线提供了被测点位置信息，克服了现有电场法检测仪不能准确识别绝缘子伞裙的不足，发挥了机器人检测绝缘子的优势。

6 展望

主要分析了盘形悬式瓷绝缘子串的交流电场分布，提出了适用于机器人的电场法检测低零值绝缘子技术。鉴于在直流输电线路中，可以利用直流输电线路的谐波电场来实现电场法检测低零值绝缘子[13]，以及电场法可以被用来检测复合绝缘子的导通性缺陷[14-16]，而且复合绝缘子的伞裙同样可以引起基本电场的波动，因此，该研究成果可以推广应用到复合绝缘子带电检测和直流输电线路的绝缘子检测。

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Study on Cap and Pin Porcelain Insulator Detecting Technology Suitable for Robots on Transmission Line

GUO Rui1， TIAN Bing2， ZHANG Lei2， YONG Jun3， ZHONG Liang4，CHENG Yangchun5， JIA Juan4， ZHENG Lianyong2
（1.Electric Power Research Institute of Stat Grid Shandong Province Electric Power Company， Jinan 250021， China； 2.Maintenance Company of Stat Grid Shandong Province Electric Power Company， Jinan 250033， China； 3.Stat Grid Shandong Province Electric Power Company， Jinan 250001， China； 4.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.， Ltd.， Jinan 250101， China；5.Beijing Key Laboratory of High Voltage and EMC （North China Electric Power University）， Beijing 102206， China）

Using robots to detecting faulty insulators is one of valid method to solve Low zero insulator problem for ultra high voltage and extra high voltage power transmission lines.The existing online faulty insulator detecting methods and technology are not specialized just for patrol robot.The difference between the manual operation and robot operation may cause main error，which may cause seriously affect the test result，and even draw wrong diagnosis.According to the operation characteristics of the robot，a porcelain insulator sheds recognition method based on local electric field distribution characteristics is proposed，that do not need to detect the space position of the monitoring device while measuring the electric field distribution of the insulator.This method solves the problem that existed electric field detection instrument cannot stably and accurately determine the location information of the measured points.The effect of the proposed method is proved by the simulation calculation and high voltage experiment in laboratory.The method can be expanded to high voltage DC transmission lines or composite insulators.

transmission line； porcelain insulator； detection； robot

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.027

2015-12-12

郭锐 （1978—），男，博士，高级工程师，主要从事电力机器人的研究开发。