秦威南，方玉群，张 博，雷兴列

(1.国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321000;2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072;3.中国电力科学研究院有限公司，武汉，430074))

0 引言

复合绝缘子具有良好电气、物理等性能，已在我国输电系统中广泛应用。随着长期的挂网运行，由于地理环境、气候、强电磁场等因素的影响，导致复合绝缘子出现机械老化、绝缘丧失等缺陷，造成复合绝缘子破损、老化、掉串等故障，对电网安全运行构成了严重威胁[1-4]。特别的，当复合绝缘子出现绝缘性能丧失，进而导致内部贯穿性导通缺陷时，其有效的绝缘距离将减小，导致绝缘子放电、闪络概率上升，此类缺陷通常存在于复合绝缘子内部芯棒而不易发现。如果在含有此类缺陷的复合绝缘子线路上开展检修及带电作业[5]，将造成不可挽回的人身伤亡事故，因此有效检测复合绝缘子的导通性缺陷状态具有重要意义。目前国内尚无明确的针对复合绝缘子导通性缺陷检测评估方法及应用[6]，缺乏绝缘子串的正常运行及带电作业安全评估依据。

复合绝缘子中存在导通性缺陷时将直接改变绝缘子自身的电容分布，使得运行中绝缘子及周围空间的电场分布与正常状态时相比，出现较大的变化[7-12]。本研究从复合绝缘子串电场分布特性着手，通过仿真建模计算，分析了导通性缺陷长度、位置对复合绝缘子串电场分布的影响；通过模拟缺陷条件下的电场测量试验，提出了基于电场测量原理的复合绝缘子导通性缺陷检测判定方法，并分析了其准确性和精度，为复合绝缘子安全检修作业提供了支撑。

1 复合绝缘子电场计算方法及模型

本研究采用ANSYS有限元软件进行复合绝缘子串电场及电位分布计算，遵循麦克斯韦方程[13-15]：

∇×E=0

(1)

∇×D=ρ

(2)

采用有限元方法计算时，边界条件如下：绝缘子串所处空间域边界点位为零，绝缘子串高压端与导线等电位，为线路运行的相电压。ANSYS建模、计算分析逻辑如图1所示。

图1 ANSYS计算分析流程图Fig.1 Calculation analysis flow chart of ANSYS

电场建模过程中，以500 kV线路为例。计算时选取20 m长导线作为参考对象，同时不计导线弧垂的影响。杆塔选取典型的500 kV SVZ1A塔型，呼高为42 m。复合绝缘子串采用I型布置，结构高度为4 450 mm，最小电弧距离为4 000 mm，最小爬电距离13 750 mm。绝缘子上下装有圆环直径600 mm、截面直径100 mm的均压环，罩入深度为300 mm。计算时，空气、伞裙、芯棒的相对介电常数分别按1、4.3、7.2考虑。

根据设定的边界条件原则，线路高压端等电位位置的电压均为导线运行的最大相电压有效值，即318 kV；地电位处的电压为0 V；悬浮导体是未加电压的导体，其感应电荷总量为0 C。对于导通性缺陷段，其电阻为0 Ω，其电导率为无穷大，以模拟实际中最坏的缺陷情况。

2 电场仿真计算

2.1 正常绝缘子串

复合绝缘子串无任何缺陷时，绝缘子电场分布计算结果如图2所示。

图2 复合绝缘子串无缺陷时电场分布Fig.2 Electric field distribution of composite insulator strings without defects

仿真计算结果表明，正常复合绝缘子串电场分布曲线呈U型分布，高压端、接地端电场较强，考虑均压环作用，绝缘子中间段电场分布较为均匀，且电场强度显著低于绝缘子串高压端、接地端。

2.2 绝缘子串高压端存在缺陷

导通性缺陷于导线段金具连通时，设定缺陷长度L=0.3 m时，计算得到复合绝缘子电场分布如图3所示。为了进行对比分析，通过设定不同长度的缺陷，计算电场分布变化情况，绝缘子串关键位置的电场强度如表1所示。

图3 复合绝缘子串缺陷长度L=0.3 m时电场分布Fig.3 Electric field distribution of composite insulator string with defect length L=0.3 m

表1 不同长度导通性缺陷绝缘子电场分布计算结果Table1 Results of electric field distribution of insulators with different lengths of defects

2.3 串中存在缺陷

当绝缘子串中间位置存在缺陷时，仿真计算中通过固定缺陷长度L为0.3 m，当缺陷距离导线连接的高压端S0为0.4 m时，计算得到的电场分布曲线如图4所示。

图4 缺陷位于中间位置时电场分布曲线Fig.4 Electric field distribution of composite insulator string with defect in middle of the string

改变缺陷距离高压端的距离，计算得到绝缘子串关键位置电场强度如表2所示。

表2 缺陷位于不同位置时绝缘子电场计算结果Table 2 Electric field strength of insulators with defect at different position

从计算结果可以看出，复合绝缘子中导通性缺陷与高压端连通时，绝缘子高压端电场将显著增强，且导通性缺陷越长，电场强度增加越多；相同长度导通性缺陷位于不同位置时，对绝缘子串两端电场分部影响较小，但对缺陷两端电场分部影响较大，缺陷位置越靠近绝缘子高压端，缺陷两端电场越强。

根据计算结果，当复合绝缘子串中存在导通性缺陷时，复合绝缘子串表面电场会出现明显畸变。通过与正常绝缘子电场分布曲线对比，可以分辨出绝缘子导通性缺陷的位置及其长度，因此可通过测量复合绝缘子电场分布曲线及最大电场值实现复合绝缘子导通性缺陷检测和定位。

3 复合绝缘子电场测量

采用国产DY-JC10-Y1劣化绝缘子分布电场检测仪作为试验检测设备，该设备是通过光学传感器定位绝缘子串位置并触发电场传感器测量当前位置的电场强度，其主要结构如图5所示，检测模块用于测量、记录电场强度，由绝缘子伞裙触发测量，通过蓝牙实时将检测数据回传到手机。

图5 电场检测装置结构Fig.5 Structure of electric field detection device

本次试验过程中使用设备包括有600 kV工频试验变压器、500 pF电容分压器等。600 kV工频试验变压器可稳定连续升压，测量系统包括64M型峰值电压表；Tek TDS 340示波器等。

为方便数据采集，试验采用110 kV复合绝缘子，该复合绝缘子共13片大伞裙，首末两片大伞裙距离为1.0 m。为避免其他不可控制条件的影响，试品复合绝缘子为未投入使用的崭新绝缘子，试验中采用铜丝进行短接，以模拟不同位置、不同长度的导通性缺陷。

3.1 高压端存在不同长度缺陷下电场测量

试验前，使缺陷与高压端金具连通，分别设置长度为0.2 m、0.3 m的导通性缺陷，提升模拟导线及复合绝缘子，通过试验变压器升压至相电压，待升压稳定后，试验人员通过手持绝缘操作杆操作检测仪开始检测复合绝缘子表面电场，为便于操作，检测时从低压端开始，试验照片如图6所示。高压端存在0.2 m导通性缺陷时，复合绝缘子表面电场分布检测结果如图7所示。

图6 绝缘子串电场测量Fig.6 Electric field measurement of insulator string

图7 高压端存在0.2 m缺陷时的电场测量Fig.7 Electric field measurement while defect on the high-voltage side (0.2 m)

改变缺陷长度，重复测量绝缘子串电场分布大小，每种长度条件下进行三次反复测量，并取平均值作为最终测量数据，并与无模拟缺陷的正常绝缘子电场进行对比，绘制成分布曲线如图8所示。

图8 正常以及高压端存在导通性缺陷时电场分布对比Fig.8 Comparison of results between normal and high-voltage terminals with defect

从电场分布对比曲线可以看出，当导通性缺陷与高电位连通时，绝缘子串高压端的电场会出现明显的畸变，使得整个绝缘子串表面电场分布出现波峰，同时在高压端电场强度有上升的趋势。0.2 m缺陷时曲线的拐点出现在绝缘子的第10片伞裙与第11片伞裙之间，如果分别以第10片伞裙、第10-11片伞裙中间位置、第11片伞裙为导通性缺陷的首端，以第13片伞裙为导通性缺陷的末端，则检测出缺陷的长度分别为0.25 m、0.21 m、0.17 m，与实际模拟缺陷长度之间的误差分别为0.05 m、0.01 m、0.03 m。

0.3 m缺陷时曲线的拐点出现在绝缘子的第9片伞裙，如果分别以第9片伞裙、第9-10片伞裙中间位置、第11片伞裙为导通性缺陷的首端，以第13片伞裙为导通性缺陷的末端，则检测出缺陷的长度分别为0.33 m、0.29 m、0.25 m，与实际模拟缺陷长度之间的误差分别为0.03 m、0.01 m、0.05 m。从检测原理可以看出，该误差不随绝缘子串长的变化而改变，只与绝缘子串的单节长度有关。

3.2 串中位置存在缺陷下电场测量

试验前，使缺陷与导线高压端金具间的距离0.2 m，分别设置缺陷长度L分别为0.2 m、0.3 m，待升压稳定后，试验人员开始检测复合绝缘子表面电场，同样将缺陷绝缘子的电场分布测量数据与正常绝缘子测量数据绘成曲线如图9所示。

图9 正常以及串中部存在导通性缺陷时电场分布对比Fig.9 Comparison of results between normal and with defect in middle of the string

从电场分布对比曲线可以看出，当导通性缺陷存在于绝缘子串中间位置时，缺陷部位的电场会出现明显的下降，使得整个绝缘子串表面电场分布出现波谷，同时缺陷末端会出现非平滑拐点。

从缺陷绝缘子的电场分布曲线可以看出，0.2 m缺陷时曲线的波谷出现在绝缘子的第9片伞裙，拐点出现在第12片伞裙，如果分别以第9片伞裙、第9-10片伞裙中间位置、第10片伞裙为导通性缺陷的首端，以第12片伞裙为导通性缺陷的末端，则检测出缺陷的长度分别为0.25 m、0.21 m、0.17 m，与实际模拟缺陷长度之间的误差分别为0.05 m、0.01 m、0.03 m。0.3 m缺陷时，测量结果与实际模拟缺陷长度之间的误差分别为0.03 m、0.01 m、0.05 m。

从实测结果可以看出，提出的测量方法可以准确检测出导通性缺陷，测量出缺陷的长度误差最大为半个单节结构长度，在实际运行维护中，该误差可以忽略不计，因此满足现场检测作业要求。

4 结 论

为了实现复合绝缘子导通性缺陷的检测，本文以仿真计算和模拟实验为基础，提出了一种基于电场测量的复合绝缘子缺陷检测方法，结论如下：

1)通过仿真计算表明，复合绝缘子串中存在导通性缺陷时，缺陷处电场强度与正常情况下存在明显差异，其畸变情况可以判断缺陷位置、缺陷长度。

2)通过模拟试验，可以通过电场测量获取复合绝缘子串电场分布，并根据曲线的畸变情况判断缺陷的位置及长度。

3)本研究提出的测量方法，其测量精度与单节串结构长度有关，最大误差为半个单节串结构长度，可以忽略不计,满足实际应用需求。