基于光学电场传感技术的瓷质劣化绝缘子在线检测装置

祝永坤，孙 广，高树永，史文江，许大鹏，于明星，秦澔澔

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特010020；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074）

基于光学电场传感技术的瓷质劣化绝缘子在线检测装置

祝永坤1，孙 广1，高树永1，史文江1，许大鹏1，于明星1，秦澔澔2

（1.国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特010020；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074）

输电线路绝缘子串的性能对电力系统的稳定运行至关重要。为了实时、准确的检测输电线路中可能存在的劣化绝缘子，通过试验及仿真分析传感器材料及封装性等因素对检测精度的影响，优化了光学电场传感器对绝缘子周边电场强度的检测方法，在此基础上设计研制了劣化绝缘子在线检测装置。通过现场试验，验证了该检测装置能够实时、有效的检测出绝缘子串是否存在劣化情况。

光学电场传感器；劣化绝缘子；电场分布；在线检测装置

0 引言

随着我国“一带一路”战略的布局和全球能源互联网的推进，对于电网在各类极端环境下安全、稳定运行的要求越来越高。在输电线路运行中，绝缘子是输电系统中应用数目最多、安全运行最重要的一个环节。绝缘子的劣化将直接影响电力系统的安全稳定运行，如果绝缘子串中存在零值，一旦发生闪络，零值绝缘子的钢帽经常会炸裂或脱开，从而出现绝缘子串的掉串和电力线路的导线落地等严重事故，有可能造成人员和财产的巨大损失。

针对劣化绝缘子的检测，国内外专家学者进行了很多研究，提出了多种方法[1-8]，可以归为以下几种：观察法、紫外成像法、红外测温法、声波检测法、电压分布法、电晕脉冲电流法以及电场分布法。紫外成像法主要通过夜间观测绝缘子的局部放电现象来进行判断，这种方法局限性在于需要夜间观察且仅适用于检测绝缘子的局部放电现象；红外测温法主要原理为绝缘材料损坏时泄漏电流或局部放电通过绝缘子时引起的温度升高，这种方法缺点明显，极易受到环境因素的干扰；声波检测法主要检测因绝缘子局部放电产生的声波，但这种方法极易受到电晕放电噪声或外界噪声的干扰，检测效果不佳；电压分布法主要原理为检测绝缘子劣化导致的绝缘子分担电压降低，这种方法易受强电磁干扰且效率极低；电晕脉冲电流法主要是基于绝缘子劣化导致的电流脉冲数量增加而进行检测判断，这种方法准确度不高。

绝缘子一旦发生劣化，必然存在阻值的降低，从而导致绝缘子所承担的电压以及其周边的电场强度发生变化。笔者基于光学电场传感[9]的基本原理，通过试验及软件仿真，对传感器材料及封装性等因素进行分析，优化基于光学电场传感的检测方法，研制出光学电场传感的在线检测装置，并加以试验验证。

1 电场分布法的基本原理

笔者所研制的绝缘子劣化自动检测装置主要采用对绝缘子附近电场进行检测，判断其是否符合良好运行情况下的电场分布，从而判断绝缘子是否发生劣化现象。

自动检测装置的传感器是其中最核心的部件，基于Pockels效应[10]的光学电场传感器。Pockels效应又被称为线性效应，其主要存在于某些不具有对称中心的晶体。当入射光沿晶体光轴入射，不加电场时，入射光在晶体内不发生双折射，加电场后，晶体感生双折射，光的相位发生变化，通过检测相位差可以反映电场强度。双折射产生的相位差与所加电场强度值线性相关。

图1 光学电场传感器基本原理图Fig.1 The principle of optical electric field sensor

通过测量绝缘子表面电场分布情况，可以获得绝缘子在实际运行中的电气性能，判断其是否发生劣化，从而实现绝缘子的带电检测。

2 光学电场传感器的研制及试验

2.1 传感器材料的选择

感应材料作为光学电场传感器最重要的组成部分，直接决定了测量的准确性。感应材料的折射率和电光系数是其中的判断材料是否适合的重要指标。尽管有很多晶体都具有电光效应，但是它们也同时具有了自然双折射、热释电效应等可能会影响检测稳定性的性能。

就目前来说，BGO、BSO、KDP这几种晶体在具备电光效应的同时无自然双折射、热释电效应，属于较为合适的传感器材料。因BGO晶体化学性质稳定且不易潮解，适用于环境较为复杂的区域，笔者选择该晶体作为传感器材料。

BGO（Bi3Ge4O12）晶体基本物理性质见表1。

表1 BGO晶体物理性能参数表Table 1 The physical property parameters of BGO crystal

2.2 传感器对周边电场的影响

传感器进入到电场中会对原电场产生畸变，导致所测得的电场并非原来的电场，而是畸变电场[11-15]。为避免增大检测误差，笔者对传感器所导致的畸变电场进行仿真分析。

通过Ansys仿真软件，建立绝缘子串及传感器的电场仿真模型，分析实际测量时传感器周边的电场分布情况，其结果如图2所示。

图2 传感器周边电场强度分布图Fig.2 The distribution of electric field intensity around the sensor

通过仿真计算可知，距离传感器1.5 cm以内的空间中，电场强度会有所变化，其变化的幅度小于20%，距离传感器1.5 cm以上的空间中电场强度基本不变。由此说明，只要距离大于1.5 cm，即可认为传感器对周边电场不产生影响。

2.3 传感器方向性的选择

光学电场传感器对电场的感应具有明显的方向性，其感应到的电场是一个矢量电场。本文以大型平板电极为高电位，试验平台作为零电位，两者用支柱绝缘子进行支撑，在中间水平放置传感器晶体，以塑料瓶支撑进行试验。

图3 大型平板电极试验装置图Fig.3 The device of large plate electrode

试验数据如表2所示。

表2 传感器不同方向时的测量结果Table 2 Measurement results in different directions of the sensor

从表2中可得，采用水平方式进行检测时其电场感应系数为1.14（即测量相对误差的均值为14%），采用垂直方式进行检测时其电场感应系数为1.65（即测量相对误差的均值为65%）；因此，本文拟采用水平方式对绝缘子周边电场进行检测。

2.4 传感器封装性对检测精度的影响

传感头的封装主要是根据封装形状以及封装材料决定的。通常会选择较小的尺寸和较小的介电常数，以便传感头所感应的电场强度与空气的电场强度具有较好的一致性。本文将裸传感头、钢板封装、有机玻璃封装、环氧板封装的传感器进行对比试验，在相同大小尺寸、相同加载环境下，分析不同封装材料对检测精度的影响情况，具体如表3所示。

从表3分析可得，任意一种封装都会对电场测量系数产生影响。在相同大小尺寸情况下，采用钢板进行封装会产生29.5%的系数变化，采用玻璃或环氧板进行封装，产生的系数变化基本相同，在21.5%左右。因此，若外界环境对传感器材料影响较小，建议采用裸传感器进行检测。

表3 封装性材料对检测准确性的影响Table 3 Influence of packaging materials on the accuracy of detection （V）

3 自动检测装置的设计

自动检测装置的结构示意图如图4所示。图中1为信号处理器，2为单模光纤，3为位置控制装置，4为可伸缩绝缘杆，5为光学电场传感器。

图4 自动检测装置基本结构图Fig.4 The structure of automatic detection device

根据图4的结构布局进行设计，给出了自动检测装置的结构示意图如图5所示。

图5 自动检测装置结构设计图Fig.5 Structure design of automatic detection device

该检测装置首先由计算机通过发射无线信号远程控制装置中的信号处理模块，信号处理模块根据操作者在计算机上输入的测量位置控制定位装置和传动装置，使得绝缘杆调整自身长度和与绝缘子的水平距离；当光学电场传感器到达给定的位置后，操作者在计算机上发出指令，通过信号处理模块开启激光源通过光纤对传感器进行光激励并返回场强光信号，信号处理模块接收返回的场强光信号并加以处理，获得电场强度值，将该值通过无线信号传送至计算机，计算机记录该位置处的电场强度值；重复上述步骤，实现对绝缘子串附近从高压端到低压端电场强度的测量。计算机根据获得的场强数据进行拟合，获得一条电场分布曲线。对于正常绝缘子串，其周边的电场分布应是一条平滑曲线，可以通过仿真计算获得。因此，计算机根据测得的场强数据与仿真计算结果进行对比，可以判断该绝缘子是否发生劣化现象。

笔者所设计的检测装置可以长时间挂网运行，可以在地面通过无线信号进行控制，实时、在线检测绝缘子周边电场强度，判断绝缘子的运行情况。

4 自动检测装置的研制及现场试验

基于图5的结构设计图，研制了绝缘子劣化自动检测装置，其外形图如图6所示。

图6 绝缘子劣化自动检测装置实物图Fig.6 Physical diagram of automatic detection device for insulator deterioration

图6 左上角为光学电场传感器，通过光纤连接传动装置和信号处理模块，图中黑色模块为传动装置，白色模块为信号处理模块。

为了验证装置的有效性和准确性，在某高压试验场进行了试验验证。试验选用220 kV电压等级瓷绝缘子串，总共15片，悬挂在单相导线上，加载电压123.7 kV。湿度65%，温度26～28℃。

图7 选择不同的瓷绝缘子片Fig.7 Choose different porcelain insulator string on wire

布置完毕后依据第3章所述方法进行操作，获得良好绝缘子串周边的电场分布；分别将第1片、第7片、第15片绝缘子更换为零值绝缘子，采用同样的方法进行操作，获得劣化绝缘子串的电场分布。

检测结果如图9所示。

图8 将传感头固定于绝缘杆端部，上下移动绝缘杆Fig.8 The sensing head is moved up and down through the insulating tools

图9 良好绝缘子与劣化绝缘子周边电场检测对比Fig.9 Comparison of the electric field around the good insulator and the deteriorated insulator

从图9中可得，良好绝缘子串的电场分布为V字型。若存在零值绝缘子片，在零值绝缘子附近，电场会有一个明显的畸变。因此从曲线的畸变中明显的观察出零值绝缘子的存在以及位置，而且不论零值绝缘子出现在高压端、低压端还是中部，都能通过电场测量结果表现出来，从而可以验证本文所研制装置的有效性和准确性。

5 结论

为了能够实时、在线检测绝缘子的电气性能，笔者基于光学电场传感的基本原理，采用电场分布法，设计研制了绝缘子劣化自动检测装置并形成以下结论。

1）光学电场传感器晶体材料应具有化学稳定性好、不易潮解的物理特性，为实现实时、在线检测，应具备检测稳定性高、不受外部环境干扰的特性；

2）光学电场传感器所产生的畸变电场对绝缘子周边电场几乎无影响；

3）光学电场传感头在检测时应水平放置，以提高检测精度；

4）笔者所研制的自动检测装置可以实现对绝缘子串周边电场的测量，可以根据测量结果进行绘图，准确判断绝缘子是否存在劣化情况。

笔者所研制的自动检测装置为非接触式电场测量，采用光纤传输光信号，避免强电磁干扰，可以地面控制传感头进行移动，实现实时、在线检测，可准确判断绝缘子串是否存在劣化情况，保证了操作人员的安全性，降低了工作强度，提高了工作效率，为输电线路的检修提供了新的检测设备和方法。

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On-Line Detection Device of Porcelain Deteriorated Insulator Based on Optical Electric Field Sensor Technology

ZHU Yongkun1，SUN Guang1，GAO Shuyong1，SHI Wenjiang1，XU Dapeng1，YU Mingxing1，QIN Haohao2
（1.Inner Mongolia Eastern Electric Power Co.，Ltd.，Hohhot 010020，China；2.Wuhan Nari Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute，Wuhan 430074，China ）

The performance of insulator strings of transmission line is very important to the stability of power system.In order to detect deteriorated insulators of transmission lines in real-time and accurate，the influence on the detection accuracy by test and simulation analysis of sensor materials and packaging and other factors.The detection method of the electric field strength around the insulator is optimized by the optical electric field sensor，and the on-line detection device of the deteriorated insulator is designed and developed on the basis of the above.Through the field test，it is proved that the design of the detection device can effectively detect the existence of the insulator strings in real time.

optical electric field sensor；deteriorated insulator；electric field distribution；on-line detection device

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.026

2016-05-02

祝永坤 （1976—），男，高级工程师，主要从事输电线路检修运维的研究工作。