適于機(jī)器人的輸電線路盤形瓷絕緣子檢測(cè)技術(shù)研究

郭 銳，田 兵，張 磊，雍 軍，仲 亮，程養(yǎng)春，賈 娟，鄭連勇

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250021；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250033；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；4.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101；5.北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

適于機(jī)器人的輸電線路盤形瓷絕緣子檢測(cè)技術(shù)研究

郭 銳1，田 兵2，張 磊2，雍 軍3，仲 亮4，程養(yǎng)春5，賈 娟4，鄭連勇2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250021；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南 250033；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南250001；4.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南250101；5.北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

使用機(jī)器人檢測(cè)高壓輸電絕緣子是解決超高壓、特高壓線路低零值絕緣子問(wèn)題的有效手段之一?，F(xiàn)有的低零值絕緣子帶電檢測(cè)方法和技術(shù)并非專為巡線機(jī)器人量身定做，可能因機(jī)器人操作與人工操作的差異而帶來(lái)新的誤差，嚴(yán)重影響檢測(cè)效果，甚至得出錯(cuò)誤診斷結(jié)果。針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了基于局部電場(chǎng)分布特征的盤形懸式瓷絕緣子傘裙識(shí)別方法，無(wú)需在測(cè)量絕緣子電場(chǎng)分布的同時(shí)另外診斷電場(chǎng)測(cè)量裝置的空間位置，解決了現(xiàn)有電場(chǎng)法檢測(cè)儀器不能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地確定被測(cè)點(diǎn)位置信息的缺點(diǎn)，并且通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出方法的效果。該方法也適用于直流輸電線路、復(fù)合絕緣子檢測(cè)。

輸電線路；瓷質(zhì)絕緣子；檢測(cè)；機(jī)器人

0 引言

盤形懸式瓷絕緣子是高壓架空輸電線路常用的元件，起到高壓導(dǎo)線與桿塔之間電氣絕緣、承受導(dǎo)線重力或拉力的作用。盤形懸式瓷絕緣子本身存在自然劣化過(guò)程。新的瓷絕緣子在運(yùn)行2-3年，劣化率較高；之后進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定期，時(shí)間跨度為15年，劣化率較為穩(wěn)定；運(yùn)行20年后，進(jìn)入衰老期，劣化率大大增加[1]。因此，隨著運(yùn)行年限的增加，高壓架空輸電線路上的劣化絕緣子將越積越多。劣化的盤形懸式瓷絕緣子的主要特征是絕緣電阻下降，絕緣性能逐漸降低，稱為低值、零值絕緣子。低零值絕緣子的主要危害是降低了絕緣子串的閃絡(luò)電壓；可能在雷電沖擊、污穢閃絡(luò)等情況下，內(nèi)部絕緣被擊穿并引發(fā)爆炸，進(jìn)而導(dǎo)致掉線事故[2-3]。因此，高壓架空輸電線路盤形懸式瓷絕緣子應(yīng)定期檢測(cè)、更換低零值絕緣子。

目前絕緣子檢測(cè)主要依靠人工操作。人工帶電檢測(cè)高壓架空輸電線路絕緣子，存在檢測(cè)效率低、檢測(cè)效果差、人工成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)。特別是現(xiàn)有一些比較準(zhǔn)確的檢測(cè)方法不能依靠人工在超高壓、特高壓線路的長(zhǎng)絕緣子串上實(shí)施，導(dǎo)致超、特高壓輸電線路安全隱患越來(lái)越嚴(yán)重。隨著智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)和智能化工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，專用絕緣子檢測(cè)機(jī)器人逐步發(fā)展成熟，并且已經(jīng)在線路上試運(yùn)行。應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行巡檢作業(yè)，可有效替代人工完成絕緣子的檢測(cè)，不僅可以減少因人員疏忽、漏檢等帶來(lái)的損失，而且可降低人員成本[4-5]，尤其是解決超高壓、特高壓線路絕緣子檢測(cè)問(wèn)題。

現(xiàn)有的輸電線路絕緣子帶電檢測(cè)方法和技術(shù)手段，并非專巡選線機(jī)器人量身定做。將現(xiàn)有的檢測(cè)方法、技術(shù)手段和儀器設(shè)備簡(jiǎn)單疊加在機(jī)器人上，不但不能克服現(xiàn)有方法與技術(shù)的不足，而且可能因機(jī)器人操作與人工操作的差異而帶來(lái)新誤差。

筆者首先分析了機(jī)器人帶電巡檢對(duì)絕緣子檢測(cè)方法和儀器提出的要求，為機(jī)器人選擇了電場(chǎng)法檢測(cè)絕緣子，然后針對(duì)現(xiàn)有電場(chǎng)法檢測(cè)技術(shù)和儀器的不足，針對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行特點(diǎn)，提出了基于局部電場(chǎng)分布特征的絕緣子傘裙識(shí)別方法，解決了現(xiàn)有電場(chǎng)法檢測(cè)儀器不能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地確定被測(cè)點(diǎn)位置信息的缺點(diǎn)，并且通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出方法的效果。

1 適用于機(jī)器人的絕緣子檢測(cè)技術(shù)

1.1 現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的分析對(duì)比

山東電力公司已開(kāi)發(fā)出了一款用于檢測(cè)高壓架空輸電線路絕緣子的機(jī)器人，并且已在±660 kV銀東線上現(xiàn)場(chǎng)試用，見(jiàn)圖1。該機(jī)器人包括機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在懸垂和水平雙聯(lián)絕緣子串上可靠、快速、穩(wěn)定地往返運(yùn)行；檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光檢測(cè)、絕緣子電阻測(cè)量、電場(chǎng)測(cè)量、憎水性檢測(cè)等帶電作業(yè)項(xiàng)目；控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控、測(cè)量數(shù)值的分析存儲(chǔ)等。

圖1 機(jī)器人檢測(cè)±660 kV銀東直流絕緣子串Fig.1 Robot detecting±660 kV insulator string

目前，高壓輸電電路盤形懸式瓷絕緣子串中的低零值絕緣子檢測(cè)方法主要有：絕緣子電阻測(cè)量法[6]；基于絕緣子串電壓分布規(guī)律的分布電壓檢測(cè)法[7]、分布電場(chǎng)檢測(cè)法[8]；基于絕緣子放電現(xiàn)象的脈沖電流法[9]、紫外成像法[10]；基于絕緣子發(fā)熱現(xiàn)象的紅外成像法[11]等。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中又分成多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于利用機(jī)器人檢測(cè)高壓輸電線路瓷絕緣子串，應(yīng)該采用能夠充分發(fā)揮機(jī)器人優(yōu)勢(shì)的絕緣子帶電檢測(cè)方法。

與以往人工操作不同，機(jī)器人帶電檢測(cè)絕緣子的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠抵近絕緣子串開(kāi)展檢測(cè)，特別是抵近檢測(cè)超高壓、特高壓輸電線路上的超長(zhǎng)絕緣子串；操作過(guò)程一致性好。與機(jī)器人相配合的低零值絕緣子檢測(cè)技術(shù)應(yīng)該具有下列特點(diǎn)：1）較高的準(zhǔn)確度和靈敏度；2）不增加機(jī)器人的復(fù)雜度；3）盡量少的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可靠性較高。

上述的絕緣電阻法和分布電壓法檢測(cè)低零值絕緣子，雖然準(zhǔn)確度很高，但是需要轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)儀的金屬電極，將其依次搭接在每一片絕緣子的鋼帽和鋼腳上，其機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件增加了不可靠因素；而且需要與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人的復(fù)雜度。金屬電極搭接鋼帽和鋼腳瞬間往往引起火花放電，對(duì)機(jī)器人造成電磁騷擾。脈沖電流法、超聲波法、紫外成像法和紅外成像法均因原理上的間接性，準(zhǔn)確度有限。

相比之下，電場(chǎng)法只需檢測(cè)絕緣子周圍的電場(chǎng)，無(wú)需接觸絕緣子鋼腳與鋼帽，而且只需機(jī)器人攜帶電場(chǎng)探頭滑過(guò)絕緣子串的表面，無(wú)需機(jī)器人的額外配合。因此，基于電場(chǎng)法的低零值檢測(cè)儀器最適合于裝配巡線機(jī)器人。

1.2 現(xiàn)有基于電場(chǎng)法的檢測(cè)儀的不足

電場(chǎng)法檢測(cè)低零值絕緣子的基本原理：絕緣子串中每一片絕緣子均承擔(dān)一定的電壓，則絕緣子串的電壓分布曲線顯現(xiàn)光滑的馬鞍形；當(dāng)其中某一片絕緣子劣化后，其分擔(dān)的電壓隨之下降，電壓分布曲線上相應(yīng)位置出現(xiàn) “下陷”。隨著承擔(dān)電壓的下降，該絕緣子附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，特別是軸向電場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)“下陷”。電場(chǎng)法根據(jù)絕緣子串的電場(chǎng)分布曲線是否出現(xiàn)“下陷”來(lái)診斷低零值絕緣子[8，12]。

圖2（a）給出了一串XWP-210型絕緣子施加電壓后，其中接地側(cè)三片絕緣子的等電位線。作為對(duì)比，圖2（b）給出了低壓側(cè)第二片絕緣子為零值時(shí)的等電位線?？梢?jiàn)，原本由第二片絕緣子承擔(dān)的電壓被轉(zhuǎn)移到了其他絕緣子上。第二片絕緣子附近的電場(chǎng)由原先的以軸向電場(chǎng)為主轉(zhuǎn)變成以徑向電場(chǎng)為主，即零值絕緣子附近的軸向電場(chǎng)劇烈減小。

圖2 電場(chǎng)法檢測(cè)零值絕緣子原理示意Fig.2 The principle of faulty insulator detection by electric field method

電場(chǎng)法原理的關(guān)鍵在于獲取絕緣子串的電場(chǎng)分布曲線。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，該曲線的縱坐標(biāo)是被測(cè)點(diǎn)的軸向電場(chǎng)，橫坐標(biāo)是被測(cè)點(diǎn)的位置信息（即距絕緣子串高壓端的距離（可以是相對(duì)值））?，F(xiàn)有的電場(chǎng)法絕緣子檢測(cè)儀，將絕緣子傘裙的邊沿作為被測(cè)點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)儀中的邊沿檢測(cè)電路監(jiān)測(cè)到檢測(cè)儀滑過(guò)了一個(gè)傘裙時(shí)，觸發(fā)電場(chǎng)檢測(cè)電路，記錄下該位置的電場(chǎng)數(shù)值。之所以選擇絕緣子傘裙邊沿作為被測(cè)點(diǎn)，是因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，缺乏其他比較準(zhǔn)確的位置參照。

選擇絕緣子傘裙邊沿作為被測(cè)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的定位電路。但是，受到成本、體積等因素的限制，現(xiàn)有電場(chǎng)法絕緣子檢測(cè)儀器中的絕緣子傘裙邊沿檢測(cè)技術(shù)還不夠成熟，通常是通過(guò)接近開(kāi)關(guān)或者是光線遮擋的形式判斷檢測(cè)儀是否滑過(guò)傘裙邊沿。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中，由于下列因素，導(dǎo)致邊沿檢測(cè)失敗，檢測(cè)到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)量時(shí)多時(shí)少，引起電場(chǎng)曲線的形狀變化，嚴(yán)重影響電場(chǎng)法的實(shí)施效果，經(jīng)常導(dǎo)致錯(cuò)誤的診斷結(jié)果：1）盤形懸式瓷絕緣子的傘裙數(shù)量和直徑多變，某一類直徑的傘裙可能處于邊沿檢測(cè)電路可測(cè)范圍的邊界上。當(dāng)檢測(cè)儀沿絕緣子串表面滑動(dòng)時(shí)，這一類傘裙不能被非常穩(wěn)定地檢測(cè)到；2）檢測(cè)儀在滑動(dòng)過(guò)程中存在機(jī)械抖動(dòng)，可能多次重復(fù)測(cè)量同一個(gè)傘裙；3）陽(yáng)光等外界光線影響檢測(cè)儀的光線探測(cè)器，導(dǎo)致誤判傘裙邊沿。

1.3 適用于機(jī)器人的電場(chǎng)法檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

可見(jiàn)，利用機(jī)器人技術(shù)提高超高壓、特高壓輸電線路低零值絕緣子檢測(cè)效率的關(guān)鍵問(wèn)題是解決電場(chǎng)法診斷原理中的被測(cè)點(diǎn)定位問(wèn)題。

如果機(jī)器人在絕緣子串表面的運(yùn)動(dòng)速度是恒定的，則檢測(cè)儀可以簡(jiǎn)單地通過(guò)定時(shí)器定期測(cè)量電場(chǎng)數(shù)值。定時(shí)器的時(shí)間間隔與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的乘積就是被測(cè)點(diǎn)之間的距離。該思路簡(jiǎn)單，然而不太實(shí)用。原因有二：1）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不一定是恒速的，也可能是步進(jìn)式的，而且還要根據(jù)實(shí)際情況自主決定運(yùn)動(dòng)速度和方向；2）絕緣子串周圍的實(shí)際電場(chǎng)分布受到絕緣子結(jié)構(gòu)（包括傘裙）的影響，存在周期性的波動(dòng)，局部范圍的電場(chǎng)不是隨位置單調(diào)變化的，因而被測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)該與絕緣子的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。定時(shí)器所確定的被測(cè)點(diǎn)位置不一定與絕緣子相關(guān)。

基于上述分析，提出了一種適用于機(jī)器人的被測(cè)點(diǎn)確定方法，即，根據(jù)盤形懸式瓷絕緣子串本身的絕緣材料的周期性變化帶來(lái)的電場(chǎng)的周期性變化來(lái)識(shí)別絕緣子；并且進(jìn)一步引申，提出利用絕緣子傘裙所造成的局部電場(chǎng)變化特征，識(shí)別傘裙邊沿。識(shí)別絕緣子或者絕緣子的傘裙所需的檢測(cè)數(shù)據(jù)只有電場(chǎng)數(shù)據(jù)，無(wú)需專門用來(lái)檢測(cè)傘裙邊沿的電路。然而，獲得局部電場(chǎng)數(shù)據(jù)需要貼近絕緣子，機(jī)器人攜帶檢測(cè)儀很容易滿足這個(gè)條件。

2 絕緣子傘裙識(shí)別方法

2.1 利用電場(chǎng)分布特征識(shí)別絕緣子傘裙的可行性

對(duì)于盤形懸式瓷絕緣子，其本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)中存在電工陶瓷絕緣材料和鋼腳鋼帽金屬材料，“導(dǎo)體-陶瓷-導(dǎo)體”周期性出現(xiàn)，理所當(dāng)然地產(chǎn)生了空間電場(chǎng)周期性的變化。越靠近絕緣子串，這種周期性變化越明顯。利用這種周期性的變化，可以識(shí)別絕緣子。但是，這種方法有一定的局限性：1）對(duì)于結(jié)構(gòu)高度比較大的絕緣子，機(jī)器人的速度不一致性也會(huì)體現(xiàn)在一片絕緣子的電場(chǎng)測(cè)量中，使得實(shí)測(cè)到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)于各絕緣子的數(shù)據(jù)量不一致，直接影響這種周期性的識(shí)別；2）超、特高壓輸電線路上的盤形懸式瓷絕緣子，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，單個(gè)絕緣子對(duì)應(yīng)的局部電場(chǎng)變化比較復(fù)雜，對(duì)上述以絕緣子為單位的電場(chǎng)周期性變化規(guī)律的識(shí)別帶來(lái)困難。因此，筆者重點(diǎn)研究了利用絕緣子傘裙附近局部電場(chǎng)的分布特點(diǎn)識(shí)別絕緣子傘裙的方法。眾所周知，絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)影響空間電場(chǎng)分布。瓷質(zhì)絕緣子傘裙是電工陶瓷材料，其相對(duì)介電常數(shù)為5.5～6.5。瓷質(zhì)絕緣子傘裙周圍空間電場(chǎng)的分布見(jiàn)圖3。

圖3 絕緣子傘裙周圍的電場(chǎng)分布Fig.3 The electric field around the shed of the insulator

從圖3中看出。與周圍空氣中的電場(chǎng)相比，傘裙邊沿上、下表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增大；傘裙外沿的電場(chǎng)方向發(fā)生變化，徑向電場(chǎng)分量增大，軸向電場(chǎng)分量減小。良好絕緣子的傘裙和零值絕緣子的傘裙均能夠引起這種電場(chǎng)分布的變化。因此，傘裙邊沿空氣中的軸向電場(chǎng)將出現(xiàn)極小值。依據(jù)這個(gè)極小值，可以診斷出空氣中存在傘裙。

2.2 利用電場(chǎng)特征識(shí)別絕緣子傘裙的關(guān)鍵技術(shù)

利用局部電場(chǎng)分布特征識(shí)別絕緣子傘裙，關(guān)鍵要解決好兩方面的問(wèn)題：

1）電場(chǎng)測(cè)量精度。由于傘裙造成的電場(chǎng)變化比較微小，要求電場(chǎng)測(cè)量探頭不但體積小，空間分辨率高，能夠盡量貼近絕緣子傘裙，測(cè)量傘裙邊緣附近的電場(chǎng)分布；而且電場(chǎng)分辨率高，測(cè)量精度高，能夠反映出細(xì)微的電場(chǎng)差異。

2）傘裙診斷方法與判據(jù)。診斷方法和判據(jù)不但需要適用于各種結(jié)構(gòu)尺寸的傘裙，而且要適應(yīng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，特別是機(jī)器人短暫停頓造成的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變化。

對(duì)于第一點(diǎn)，由所采用的電場(chǎng)探頭決定，筆者不做討論。對(duì)于第二點(diǎn)，筆者提出基于峰值檢測(cè)技術(shù)的局部極小值檢測(cè)方法，對(duì)軸向電場(chǎng)分布曲線的局部極小值進(jìn)行檢測(cè)。每一個(gè)局部極小值對(duì)應(yīng)一個(gè)傘裙。這種基于局部極小值的傘裙診斷方法，只要曲線有局部極小值，允許各傘裙對(duì)應(yīng)的曲線之間存在差異，從而非常適合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

3 絕緣子傘裙識(shí)別方法的仿真驗(yàn)證

3.1 仿真模型簡(jiǎn)介

首先通過(guò)電場(chǎng)仿真，驗(yàn)證所提出的絕緣子傘裙檢測(cè)方法。以實(shí)際500 kV線路用到的雙串XWP－210型絕緣子串（每串30片絕緣子）為仿真對(duì)象，利用ANASY軟件計(jì)算絕緣子傘裙上的電場(chǎng)分布。仿真模型見(jiàn)圖4。該類型的絕緣子為雙傘結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度170 mm，公稱盤徑300 mm。而且仿真模型中也包括了實(shí)際線路上使用的均壓環(huán)。

圖4 XWP－210型絕緣子串電場(chǎng)仿真Fig.4 The electric field simulation of XWP－210

3.2 仿真結(jié)果

圖5 顯示了良好絕緣子串沿傘裙邊沿直線的軸向電場(chǎng)分布曲線的一部分。該曲線的橫坐標(biāo)是被測(cè)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)（高壓側(cè)第1片絕緣子下傘裙的下沿）之間的距離。曲線上顯現(xiàn)出了明顯的周期性下陷，體現(xiàn)了盤形懸式瓷絕緣子結(jié)構(gòu)上的周期性。對(duì)照仿真模型坐標(biāo)可知，下陷部位正好對(duì)應(yīng)于絕緣子的傘裙。仿真結(jié)果表明，傘裙的存在使得其附近空氣中的軸向電場(chǎng)出現(xiàn)局部減小。

圖5 良好絕緣子串的軸向電場(chǎng)分布Fig.5 The axial direction electric field distribution of the good insulator string

同時(shí)，也仿真了絕緣子串中存在零值絕緣子時(shí)的電場(chǎng)分布。圖6顯示的高壓側(cè)第3片絕緣子是零值絕緣子時(shí)的軸向電場(chǎng)分布曲線。可見(jiàn)零值絕緣子雖然降低了對(duì)應(yīng)位置及第2片絕緣子傘裙附近的軸向電場(chǎng)，但是傘裙所造成的軸向電場(chǎng)局部極小值仍然存在。即，當(dāng)絕緣子串中存在低零值絕緣子時(shí)，仍然可以利用軸向電場(chǎng)的局部極小值來(lái)判斷傘裙位置及數(shù)量。

圖6 含零值的絕緣子串的軸向電場(chǎng)分布Fig.6 The axial direction electric field distribution of the insulator string with faulty insulator

3.3 基于極小值的絕緣子傘裙識(shí)別結(jié)果

利用Labview軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中的波谷檢測(cè)運(yùn)算，可以從圖5、圖6所示數(shù)據(jù)中獲得波谷數(shù)值，即絕緣子傘裙邊沿的軸向電場(chǎng)數(shù)值。對(duì)于雙傘絕緣子，還可進(jìn)一步簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，例如選用第1片傘裙邊沿的數(shù)值代表該絕緣子的軸向電場(chǎng)，可以繪制出如圖7所示的軸向電場(chǎng)分布曲線。該曲線與現(xiàn)有的基于傘裙邊沿檢測(cè)電路的絕緣子檢測(cè)儀獲取的曲線一致，進(jìn)而可以利用現(xiàn)有的低零值絕緣子診斷方法判斷低零值絕緣子的位置。

4 絕緣子傘裙識(shí)別方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)回路與絕緣子真實(shí)電場(chǎng)測(cè)量方法簡(jiǎn)介

再次通過(guò)高電壓試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的絕緣子傘裙檢測(cè)方法。試驗(yàn)在7片XP-7絕緣子串上進(jìn)行。外加工頻電壓10 kV，利用意大利生產(chǎn)的Narda-EHP-50C三維電磁場(chǎng)分析儀測(cè)量絕緣子串表面沿線的工頻電場(chǎng)。試驗(yàn)回路見(jiàn)圖8。絕緣子串上端施加高電壓，下端接地。正方形三維電磁場(chǎng)探頭沿絕緣繩軌道逐步下降，并短暫停留在標(biāo)尺刻度指示位置，測(cè)量該位置的三維電場(chǎng)強(qiáng)度。三維電磁場(chǎng)探頭與數(shù)據(jù)顯示終端之間通過(guò)光纖通訊。

圖7 經(jīng)傘裙檢測(cè)方法處理的絕緣子串軸向電場(chǎng)分布曲線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）

圖8 絕緣子串高壓電場(chǎng)分布檢測(cè)試驗(yàn)回路Fig.8 The test circuit of the electric field distribution of an insulator string

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量電場(chǎng)時(shí)采用的標(biāo)尺刻度首先與絕緣子傘裙邊沿對(duì)齊，然后等分成5份。因此，每個(gè)被測(cè)點(diǎn)的位置與傘裙之間的位置相對(duì)固定，其中第2、7、12、17…等位置上的被測(cè)點(diǎn)正對(duì)傘裙，而且第1號(hào)被測(cè)點(diǎn)最接近高壓電極，第34號(hào)被測(cè)點(diǎn)最接近接地端。將這些位置上的電場(chǎng)數(shù)據(jù)按順序繪制成曲線，就是絕緣子串傘裙邊沿直線上的電場(chǎng)分布。

圖9顯示了絕緣子串中7片絕緣子全部是良好絕緣子時(shí)的軸向電場(chǎng)分布。第2片至第7片絕緣子傘裙邊沿所對(duì)應(yīng)的被測(cè)點(diǎn)第2、7、12、17…位置序號(hào)上的軸向電場(chǎng)均出現(xiàn)了極小值。其中，第一片絕緣子的軸向電場(chǎng)較第二片的小，原因參見(jiàn)文獻(xiàn)[8]，因此與第3節(jié)的仿真結(jié)果有區(qū)別（仿真模型中有均壓環(huán)）。

圖9 良好絕緣子串的軸向電場(chǎng)分布Fig.9 The axial direction electric field distribution of the good insulator string

圖10顯示了絕緣子串中第2片、第4片絕緣子分別是20 MΩ零值絕緣子時(shí)的軸向電場(chǎng)分布曲線。曲線顯示第2片絕緣子傘裙對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)7和第4片絕緣子傘裙對(duì)應(yīng)的位置序號(hào)17上仍然存在軸向電場(chǎng)極小值，而其他良好絕緣子傘裙對(duì)應(yīng)的軸向電場(chǎng)極小值仍然存在?？梢?jiàn)零值絕緣子不會(huì)影響傘裙所造成的軸向電場(chǎng)極小值的數(shù)量和位置。通過(guò)極小值檢測(cè)仍然可以識(shí)別絕緣子傘裙。

圖10 含零值的絕緣子串軸向電場(chǎng)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 基于極小值的絕緣子傘裙識(shí)別結(jié)果

利用Labview軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中的波谷檢測(cè)運(yùn)算，對(duì)圖9、圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行波谷檢測(cè)，利用波谷數(shù)據(jù)繪制出如圖11所示的軸向電場(chǎng)分布曲線（鑒于短絕緣子串的第1片和最后一片較為特殊，無(wú)波谷，直接選用傘裙對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充）。該曲線與現(xiàn)有的基于傘裙邊沿檢測(cè)電路的絕緣子檢測(cè)儀獲取的曲線一致[8]，進(jìn)而可以利用現(xiàn)有的低零值絕緣子診斷方法判斷低零值絕緣子的位置。

5 結(jié)論

1）在現(xiàn)有的低零值絕緣子帶電檢測(cè)方法中，電場(chǎng)法所采用的物理量直接反映絕緣子的電氣性能，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，而且不增加機(jī)器人的復(fù)雜度，最適合于裝配巡線機(jī)器人

2）盤形懸式瓷絕緣子的傘裙能夠改變空氣中的電場(chǎng)分布，使得傘裙邊沿局部范圍內(nèi)的軸向電場(chǎng)出現(xiàn)極小值。該現(xiàn)象得到了仿真分析和高壓試驗(yàn)的驗(yàn)證。

圖11 經(jīng)傘裙檢測(cè)處理的絕緣子串軸向電場(chǎng)分布曲線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）利用極小值檢測(cè)方法對(duì)局部電場(chǎng)的極小值進(jìn)行檢測(cè)，可以識(shí)別出絕緣子傘裙，進(jìn)而繪制出現(xiàn)有電場(chǎng)法所使用的軸向電場(chǎng)分布曲線，并得到了仿真分析和高壓試驗(yàn)的驗(yàn)證。

4）通過(guò)局部電場(chǎng)極小值識(shí)別絕緣子傘裙，為電場(chǎng)法所使用的軸向電場(chǎng)曲線提供了被測(cè)點(diǎn)位置信息，克服了現(xiàn)有電場(chǎng)法檢測(cè)儀不能準(zhǔn)確識(shí)別絕緣子傘裙的不足，發(fā)揮了機(jī)器人檢測(cè)絕緣子的優(yōu)勢(shì)。

6 展望

主要分析了盤形懸式瓷絕緣子串的交流電場(chǎng)分布，提出了適用于機(jī)器人的電場(chǎng)法檢測(cè)低零值絕緣子技術(shù)。鑒于在直流輸電線路中，可以利用直流輸電線路的諧波電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)法檢測(cè)低零值絕緣子[13]，以及電場(chǎng)法可以被用來(lái)檢測(cè)復(fù)合絕緣子的導(dǎo)通性缺陷[14-16]，而且復(fù)合絕緣子的傘裙同樣可以引起基本電場(chǎng)的波動(dòng)，因此，該研究成果可以推廣應(yīng)用到復(fù)合絕緣子帶電檢測(cè)和直流輸電線路的絕緣子檢測(cè)。

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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

郭銳 （1978—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事電力機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)。