郭 磊，寇晓适，张 科，靳海路，杨 威，董曼玲，丁国君

直流穿墙套管季节性红外热像特征分析

郭 磊1，寇晓适1，张 科1，靳海路2，杨 威1，董曼玲1，丁国君1

（1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州450000；2.国家电网公司运行分公司郑州管理处，郑州450000）

对某换流站6支直流穿墙套管的“异常”红外热像特征进行了长期跟踪检测，对其红外特征随季节变化的一些规律进行分析与总结，认为该6支套管的“异常”红外热像特征主要是与随季节性变化的周围环境（空气流动、雨水冲刷）、表面污秽分布情况具有一定的关系。通过红外图谱的正确分析，可较准确地判断穿墙套管的运行状态，同时提出了一些对穿墙套管运行维护管理的建议。

直流穿墙套管；红外热像检测；雨季；污秽

0 引言

特高压直流穿墙套管是非常重要的设备，若极母线穿墙套管出问题，该极线路必须紧急停运，将对电力系统造成严重影响。由于穿墙套管位置的特殊性，日常监测中最重要的手段就是红外热像检测和紫外电晕检测。在某换流站年初某次例行检测中，对直流穿墙套管进行红外测温后发现，该6支直流穿墙套管的热像分布特征具有不确定的离散性，虽没有发现明显的致热区域或致热点，但按照一般的红外异常判据对该6支直流穿墙套管的状态无法明确地做出判断。笔者对该6支直流穿墙套管进行了长期跟踪检测，并对历次检测数据进行分析与总结，认为其热像特征与随季节性变化的周围环境（空气流动、雨水冲刷）、表面污秽分布情况具有一定的关系。通过对其红外图谱的准确分析可以判断该套管运行状态，对于指导其检修决策意义重大。

1 红外检测过程

1.1 第1次复测

2015年一月某日19:30，某换流站运行人员对全站进行例行检测，发现直流场6支穿墙套管的热像分布具有不确定的分散性，不同套管间的温差最大能达到3.5 K，依据DL/T 664—2008《带电设备红外诊断应用规范》中电压致热型设备缺陷诊断判据，该6支套管可能存在绝缘缺陷。检测时天晴，环境温度为-1℃，东北风1级，直流高端功率为4 000 MW。

发现问题后，笔者对该6支套管进行了复测。第一次检测时间为发现问题的3天后，时间为18:50，天晴，环境温度为6℃，东北风2级，直流高端功率为4 800 MW。笔者从相同方向进行红外检测时发现，极1低端400 kV穿墙套管局部温度与极2低端400 kV套管局部温度差异略大，温差最大能达到2.5 K。随后对极1及极2所有套管从东、西两个方向分别进行了精确检测，并持续跟踪，图1—图4为套管各种拍摄角度下的红外图谱（所有图谱不再一一列举）。

图1 极1低端400 kV套管（东侧）红外图谱Fig.1 The low voltage 400 kV wall bushing（east）of pole 1 infrared spectrum

图5是该6支套管的第1次复测后的红外热像数据分布示意图，图中每支套管左侧的数字为红外图谱上套管西侧表面标定的6个区域内的温度最高值，右侧数字为与之对应的套管东侧表面相同区域内的温度最高值。图6、图7与图5表示意义相同。

图2 极2低端400 kV套管（东侧）红外图谱Fig.2 The low voltage 400 kV wall bushing（east）of pole 2 infrared spectrum

图3 极1高端800 kV套管（东侧）红外图谱Fig.3 The high voltage 800 kV wall bushing（east）of pole 1 infrared spectrum

图4 极1高端800 kV套管（西侧）红外图谱Fig.4 The high voltage 800 kV wall bushing（west）of pole 1 infrared spectrum

图5 套管的热像分布示意图Fig.5 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

依据第一次复测后的套管表面的热像分布示意图5，得出的数据见表1，笔者从同1支套管东西两侧相同区域内温度最高值的温差、同一类型的2支套管同一检测方向上相同区域内温度最高值的温差、同一类型的2支套管相对称检测方向上相同区域内温度最高值的温差等3个角度进行了计算分析，同时对同1支套管自身的温度分布随季节变化特点、不同极性、不同电压等级的套管之间的温度特征均进行了比对分析。表2、表3的分析计算方法与表1相同。

根据表1，可以总结出以下4个特点：

1）对于同1根穿墙套管，几乎所有穿墙套管的西侧表面温度要高于东侧对应位置的表面温度（极1低端400 kV套管除外），最大时能相差1.9 K。即规律呈现为东侧高于西侧。

2）对于同1根穿墙套管，最热点均位于套管管径由粗变细的过渡部分，除最热点外，6支套管大致符合两端温度高、中段温度低的马鞍型分布特征。即规律呈现为套管两端高、中间低，管径过渡部位温度最高。

图6 套管的热像分布示意图Fig.6 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

图7 套管的热像分布示意图Fig.7 Thermal imaging distribution diagram of the wall bushing

表1 第1次复测数据分析表Table 1 The first retest data analysis table

3）第1次复测发现相同类型套管的2个套管，无论从相同方向上、还是从对称方向上观察正极性相同部位的温度普遍比负极性要高（极1低端400 kV套管和极2低端400 kV套管西侧方向的对比除外）。如极1高端400 kV套管均高于极2高端400 kV套管、极1高端800 kV套管均高于极2高端800 kV套管，最大时能相差2.5 K。即规律呈现为总体上正极性高于负极性。

4）从空间位置看，极1高端400 kV套管与极1高端800 kV套管距离较近、极2高端400 kV套管与极2高端800 kV套管距离较近，热像特征是极1高端400 kV套管相同部位的温度普遍高于极1高端800 kV套管、极2高端400 kV套管高于极2高端800 kV套管，即规律呈现为低压高于高压。

表.2 第2次复测数据分析表Table.2 The second retest data analysis table

表3 第3次复测数据分析表Table 3 The third retest data analysis table

1.2 第2次复测

根据图6和表2，上述4个特点与第1次复测数据相比，规律有些相同，有些相悖：

1）第1条特点与第1次复测数据相同，对于同1根穿墙套管，所有穿墙套管的西侧表面温度均高于东侧对应位置的表面温度，最大时能相差2.8 K。即规律呈现为东侧高于西侧。

2）第2条特点与第1次复测数据也相同，对于同1根穿墙套管，最热点均位于套管管径由粗变细的过渡部分，除最热点外，6支套管大致符合两端温度高、中段温度低的马鞍型分布特征。即规律呈现为套管两端高、中间低，管径过渡部位温度最高。

3）第3条特点与第1次复测数据并不相同。相同类型套管，无论从相同方向上、还是从对称方向上观察正极性相同部位的温度普遍不一定比负极性要高，表现为有些高、有些低的现象。如极1高端400 kV套管同一方向上相同位置均低于极2高端400 kV套管、极1高端800 kV套管同一方向上相同位置均高于极2高端800 kV套管。即规律呈现为正极性不一定高于负极性。

4）第4条特点与第1次复测数据也不相同，表现为有些高、有些低的现象。热像特征是极1高端400 kV套管整体低于极1高端800 kV套管、极2高端400 kV套管整体高于极2高端800 kV套管，即规律呈现为低压不一定高于高压。

1.3 第3次复测

根据第3次复测热像分布示意图7与数据分析表3，上述4个特点与前2次复测数据相比，规律有些相同，有些相悖：

1）第1条特点与前2次复测数据相同，对于同1根穿墙套管，所有穿墙套管的西侧表面温度均高于东侧对应位置的表面温度，但与前2次相比，同一套管的2侧温差明显降低很多，温差最大时仅0.7 K。即规律呈现为东侧高于西侧。

2）第2条特点与前2次复测数据也相同，对于同1根穿墙套管，最热点均位于套管管径由粗变细的过渡部分，除最热点外，6支套管的马鞍型分布特征已经十分不明显了，各部位温度相差很小，近似一致。即规律呈现为套管整体温度比较均匀，管径过渡部位温度最高。

3）第3条特点与第2次复测数据规律类似。相同类型套管，无论从相同方向上、还是从对称方向上观察正极性相同部位的温度普遍不一定比负极性要高，表现整体表面温度非常均匀，同相或相间相同部位温差均在1 K以内。规律呈现为正极性相同部位的温升与负极性十分接近。

4）第4条特点与前2次复测数据规律均不相同，但最符合套管常见的特点，热像特征为整体表面温度非常均匀，同相或相间相同部位温差均在1 K以内。即规律呈现为低压不一定高于高压。

同时，第3次复测证明了该6支套管并无绝缘缺陷，套管运行均正常。

1.4 其他红外特征

1）套管表面的区域温度最高点分布位置具有离散性，且随时间变化具有迁移性。

2）套管表面的区域内的温升并未随时间变化发生持续增大的趋势。

举例如下：极1高端800 kV套管（西侧）第1次复测后发现套管表面温度最高点均分布于套管中偏下侧，第2次复测和第3次复测后发现套管表面温度最高点均分布于套管上半侧，第1次最大温升为3.8℃，第2次最大温升为3.8℃，第3次最大温升为2.1℃；而极1高端800 kV套管（东侧）第1次复测和第2次复测后发现，套管表面温度最高点均分布于套管下半侧，第3次复测后发现，套管表面温度最高点均分布于套管中偏上半侧，第1次最大温升为2.9℃，第2次最大温升为1.6℃，第3次最大温升为2.2℃。

2 相关原因分析

1）对于3次复测发现的第1个特点。笔者对穿墙套管的周围环境特征进行观察，6根套管两两组合沿东西方向等距布置（见图5），最西侧套管西面是围墙及墙外树林，最东侧套管东面向500 kV滤波场区域中间过道，从所处环境看东面比西面更为空旷，空气流动性更好，且第1次复测与第2次复测时正值春冬交替时期，东北向低温气流较为频繁，套管东侧为迎风面，西侧为背风面，低温气流对套管东侧表面降温的作用要大于套管西侧。即穿墙套管东侧受环境影响，尤其是冷空气的影响更大，散热效果东侧要比西侧好。此外，极1高端800 kV套管和极2高端800 kV套管均在最边缘斜上侧，海拔高度也高于其他套管，在低温气流频繁的天气，散热效果在6支套管中最好，这与第1次复测数据相符。

2）对于3次复测发现的第2个特点。除最热点外，雨季之前的2次复测，6支套管具有一定的马鞍型分布特征，雨季之后的第3次复测该分布特征已经不明显，套管各部位温度相差很小，近似一致。通过参考文献中大量试验数据表明，运行在直流电压下的绝缘子比不带电绝缘子积污严重[1]，绝缘子护套周围场强高压端和接地端场强较强[2]，沿串呈“U”形分布[3]，绝缘子表面积污量也会呈现相似的“U”形分布。这个结论与6支套管红外热像图谱马鞍型分布特征相符。

3）通过一些文献调查，套管表面的积污程度与套管极性和电压高低具有一定关系，文献[4]根据直流线路绝缘子积污测量结果，认为直流绝缘子正、负极下的积污基本相当；美国研究结果表明，正极性较负极性绝缘子的ESDD高；日本研究结果是相反的结论[5]。根据国内有关实验室的研究：直流电压极性对绝缘子积污影响有差别，但是差别不大[6]。笔者的几次复测中出现的红外特征也表现为正极性套管对应位置的温升有时高于负极性、有时低于负极性的情况，并无明显规律。此外，理论上说施加电压越高，对积污的影响越大[7]。但从多次检测数据看，极高端穿墙套管表面温度与极低端相比并无明显特征。

4）套管表面的积污规律具有明显的季节性，处于旱季积污一雨季清洗的循环过程中。降雨强度和降雨量均是影响降雨清洗效果的重要因素。有研究表明：月降水量低于20 mm、雨强不大时，降水对绝缘子表面污秽的清洗作用有限，在降雨量相同条件下，高强度的降雨可以进行更有效的冲洗，产生更好的清洗效果[8]。前两次复测均在春冬更替期间，天气干燥降雨较少且雨强较低，雾霾也较为严重，套管表面在长期直流电场作用下空间带电微粒和自然沉降的吸附也越来越严重[9]，但污秽并不是均匀分布在套管表面的，因此套管表面的区域温度最高点分布位置具有离散性的特点。因此，前2次复测期间的小规模的降雨不能彻底地对套管表面进行清洗，仅稍微改变套管表面的污秽分布情况，污秽区重新形成，区域温度最高点分布位置产生迁移性，但这种迁移性是无规律的。第3次复测在雨季后，已有多次大规模高强度的降雨，套管表面的污秽被彻底冲刷，因此套管表面的温度分布较为均匀。

3 穿墙套管绝缘异常时的红外特征

不均匀的污秽或干区分布有可能造成穿墙套管的雨闪或污闪[10]，上述的穿墙套管的“异常”情况基本上是受表面积污、季节性的环境因素（低温气流、强降雨）影响，却不属于内部绝缘异常。在内部绝缘出现异常时，套管的红外特征应该表现为以下几点：

1）无论在任何季节，套管表面的异常发热点起始位置都应该较为恒定，最多是随着缺陷的发展而曼延扩大，不应该具有温度最高点随季节迁移性的特点。

2）完全不符合套管红外热像的马鞍型分布特征且表面温度分布也很不均匀，会出现明显不自然的局部过热区域（套管过渡区域除外）或整相整体性发热特征。

3）电压致热型缺陷由于恶性循环，发展速度较快[11]，应会在短时期内异常发热面积不断扩大，发热区域温度应呈增长趋势。

4 结论及建议

通过多次的红外检测发现，套管的热像特征存在随季节性变化的分布特征。最初检测的红外热像图谱所反映出的“温差缺陷”是由套管表面不同程度的积污及季节性的环境因素（低温气流、强降雨）造成的。在少雨季节，经秋冬和初春的积污期后，套管表面污秽度较高，在降雨量及雨强均不大下，套管表面污秽降低效果有限。有结论表明：复合绝缘子的最大污秽度出现在夏季多雨季节来临前[12]。在雨季期的大雨量、高雨强的冲洗下，“恢复正常”。因此，建议在对穿墙套管等典型的电压致热型设备的“不太好判断的缺陷情况”不应仅凭某次检测数据就“匆忙”地得出结论，应在多种不同环境下、长时间跟踪监测后客观地进行判断。

穿墙套管的绝缘缺陷是典型的电压致热型缺陷，不建议采用表面温度判断法去判断，而宜采用同类比较法[13]，根据对应区域的温升或温差的差异，用允许温升或同类允许温差的判断依据[14]，并应在有条件的情况下，结合其他试验数据（介损、绝缘电阻、ESDD测试等）综合分析后确定缺陷的种类和性质。

对于穿墙套管的红外热成像测试，应在夜间或阴天、无风或风速小于0.5 m/s环境下进行，尽量减少环境（太阳光、大风、雨雪）的影响[15-16]。对于表面污秽引起的穿墙套管发热的情况，应结合停电机会加强清洗，清洗前后定期用红外检测及紫外电晕检测加强监视。

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Analysis on Seasonal Characteristics of Infrared Thermography about DC Wall Bushing

GUO Lei1，KOU Xiaoshi1，ZHANG Ke1，JIN Hailu2，YANG Wei1，DONG Manling1，DING Guojun1
（1.HAEPC Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450000，China；2.Zhengzhou Management Office，State Grid Operation Company，Zhengzhou 450000，China）

‘abnormal’infrared thermography features of six DC wall bushings in a converter station has been a long-term following detected，some rules of its infrared characteristics changing with the sea⁃sons are analyzed and summarized，it is considered that the six bushings with‘abnormal’infrared ther⁃mography features has mainly related with the seasonal changed surrounding environment（air flow，rain⁃fall），and the distribution of surface contaminants.The wall bushing status can be more accurately judged by the analysis of the infrared spectra，and some suggestions for service maintenance management of the wall bushing are proposed.

DC wall bushing；infrared imaging detection；rainy season；contaminant

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.040

2016-08-08

郭磊（1982—），男，高级工程师，主要研究方向为过电压专业防雷与接地技术。