绝缘子串电容检测

高压交流系统绝缘子电容量的检测方法及

绝缘子串电位分布的研究

1研究的背景及意义

近几年电网的污闪事故有不断增多的趋势，在2000年至2001年间，国内几大电网相继多次发生大面积污闪事故。电网污闪事故涉及范围大、停电时间长，严重威胁着输变电设备的安全运行，给国民经济带来重大的损失。绝缘子串是电力线路的绝缘的主要部件，在运行中由于各绝缘子所分布的电压不等，承受较高电压的绝缘子，其绝缘性能劣化较快，当绝缘电阻降低或为零时称为低值或零值绝缘子。它们对线路运行安全影响较大。目前使用的检测方法，须上杆塔，由试验人员带电对每片绝缘子进行检测。研究发现，发生上述缺陷的原因之一是运行中的绝缘子串电压分布不均匀。

因此绝缘子串电压的分布情况研究，对绝缘子的选用以及绝缘子运行状况监测都是具有十分重要的意义。目前研究得出，影响绝缘子串电位分布的主要因素为绝缘子等效电容量和绝缘电阻。绝缘子串可等效为其本身电容、对地电容、对导线电容三者之间的相互作用，通过试验研究发现，导线侧绝缘子承担电压最高，然后依次减小，在绝缘子连结只数的3/4附近为最小值，随之又增大，可见绝缘子串的电压分布不均匀，并且串中的绝缘子数越多，电压分布就越不均匀。电压分布越不均匀，造成绝缘子的闪络，界面击穿，污闪的可能性越大。目前多数学者都赞同并应用这种普遍的电位分布规律来指导科学研究，由于绝缘子串处于杆塔和导线这种复杂的电磁环境中，绝缘子串的电容分布受到各种杂散电容的影响给研究带来了困难。检测在线情况下绝缘子串的电容分布，电阻分布从而研究绝缘子串的电位分布主要规律是一项重要的课题，为以后输电线路防污闪工作及均压措施提供了很好的理论基础。

2项目研究的现状

江西省电力科学研究院与华中科技大学电气与电子工程学院共同研究完成高压交流系统绝缘子人工污秽试验方法与自然污秽等价性研究。项目中一重要课题是试验研究江西典型污秽区，污秽绝缘子的电位分布规律。

2.1 绝缘子绝缘电阻检测与电位分布规律

试验采用江西地区110kV线路高压绝缘子串实际运行情况选定7片XWP2—70进行电位分布试验研究，试验设置为五个部分，分别从绝缘子片上下表面染污不均匀、绝缘子串中不同位置污秽度不等、不同污秽区绝缘子表面污秽度大小不同等多种不均匀污秽形式，每种类型通过多组试验进行对比研究绝缘子串电位分布规律。通过大量试验得出了污秽绝缘子在不同污秽情况下电位分布的基本规律，研究得出不同污秽情况下，不同染污方式绝缘子绝缘电阻和电容对电位分布的影响情况。

2.2 绝缘子串红外测温及紫外电晕放电检测

红外成像检测技术可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值。试验采用进口CoroCAM504红外仪，空间分辨率0.65mrad, 30℃时的热灵敏度0.055℃，红外图像像素为640×480。绝缘子串涂污阴干悬挂后施加正常运行电压64kV，持继30min后进行红外测温。

通过实验结果得出绝缘子污秽度大小、污秽分布及污秽绝缘子串的电位分布及环境温度对完好绝缘子串热效应影响规律，根据红外测温可直观得出绝缘子不同部分的发热情况。

电晕放电是指带电体表面在气体或液体介质中，出现许多局部的电离和激发过程，但电极之间并不击穿或导通而出现的自持放电现象。极不均匀电场中，在空气间隙完全击穿之前，大曲率电极附近会发生电晕放电。

高压设备在电晕放电时，会辐射出光波和声波，还有臭氧、紫外线等。紫外成像技术是利用特殊的传感装置接收电晕放电产生的紫外线信号，经处理后成像并与可见光图像叠加，达到确定电晕的位置和强度的目的，从而为进一步评价设备的运行情况提供依据。

3项目研究的初步实施方案

3.1 理论分析绝缘子电位分布及均压原理

只考虑绝缘子电容时简要理论分析，良好的悬式绝缘子串可按图1所示，由

静电电容组合的等价回路表示。

图1 悬式绝缘子串等价回路图

如设悬式绝缘子本身电容为c1＝c2=…=cn=…c0；对地电容为ce1, ce2,…

cen…对导线电容为cl1，cl2，…cln…；对m只绝缘子串施加的电压为v，则任一悬式绝缘子cn适用基尔霍夫定律，如下式：

cn(en1en)(cencln)vnclnv0 （1-1）

式中vn,en…第n只悬式绝缘子的电位和分担的电压。 且有：

endvndnd2vnen1endn2 （1-2）

由以上关系，式（1-1）可用下式表示：

d2vncenclnclnclnvvv0nn （1-3） dn2c0cncn现在设cen,cln的和与n无关，是定值，如有式（1-4）的假定，则解式（1-2），

可得悬式绝缘子串的电位分布如式 （1-5）：

cenac0clnbc0abr2vnvsinnrvbsinnrsin(mn)r1sinmrr2sinmr （1-5）

（1-4）

测量按图2马文(Marvin )的电路进行。取e1,e2,… en，…em分别表示对绝缘子串施加正常输电对地电压v时的各绝缘子的分担电压。把放电电压e的小形火花间隙g连接在第n只绝缘子的帽和脚间，对该绝缘子

图2马文电路

串施加电压，测量使火花间隙发生放电所需要的全电压vn。只要绝缘子串的电位分布不变化，施加电压和各绝缘子分担电压的比率就一定，因此，有以下关系式:

enee1ee2e,,vv1vv2 …，vvn (1-6)

因而，绝缘子的分担电压、可由下式表示：

ene*vvn (1-7)

实测结果，各种绝缘子串均为导线侧绝缘子的负担电压最高，随着靠近接地

侧而分担电压减小.在绝缘子连结只数的3/4附近达到最小值。以此为界，越靠近接地侧，分担电压反而升高，但是比高压端的电压要低很多，在高压端和低压端安装均压环可以大大改善电压分布。

绝缘子本身电容为c，对地电容为ce，对导线电容为cl。由等值电路可以求出绝缘子串靠近导线的绝缘子压降最大，离导线远的绝缘子压降逐渐减小，靠近铁塔横担时，cl作用显著，电压降又有些升高。采用均压环增大了cl，在一定程度上补偿了ce的影响，从而使串的电压分布得以改善。因此绝缘子加装环状薄片，可以改善绝缘子串表面的电场分布，对抑制帽沿根部电晕的产生、防污和提高闪络电压也都是十分有效的。目前国内外主要是在进行均压环的形状、尺寸、以及不同的安装方式对绝缘子的电压分布的影响的研究。

3.2 绝缘子串电容的检测方法

目前研究绝缘子电位分布相关课题，主要是通过大量试验的方法总结出电位分布规律，即使有研究绝缘子的绝缘电阻分布也仅仅在离线的情况下，并未考虑绝缘子本身电容和杂散电容。为了更为准确的从定量的角度来分析绝缘子串的电位分布情况，本项目在理论分析缘子串的等效电容的基础上，通过设置对比试验得出绝缘子串电容分布规律。

1、理论初步

每一个绝缘子就相当于一个电容器，因此一个绝缘子串就相当于由许多电容器组成的链形回路。因为绝缘子的体积电阻和表面电阻较正常情况下（50HZ）的容抗大很多，所以一般将它看成串联的电容回路。如果不考虑其他因素影响，由于每个绝缘子的电容量相等，因而在绝缘子串中，每一片绝缘子分担的电压是相同的。但试验证明，绝缘子串中每个绝缘子所分担的电压并不相同，这主要是由于每个绝缘子的金属部分与杆塔（地）间与导线间均存在杂散电容（寄生电容）所造成的。

首先来说明绝缘子串中各个金属部分与杆塔之间杂散电容的影响。 设绝缘子本身的电容为C，其金属部分对杆塔的电容为Cz，如图3所示。由于存在这种电容，当有电位差时，就有一个电流经Cz流入接地支路，如图中箭头所示。流经Cz的电流都分别要流经电容C，这样，愈靠近导线的电容C所

流经的电流就愈大。由于各绝缘子电容大致相等，则它们的容抗也大致相等，又由于靠近导线的绝缘子的电容电流较大，所以此处每片绝缘子上的电压降也就较大。

其次来说明绝缘子串与导线间的杂散电容的影响。

设绝缘子金属部分对导线的电容为C，其等值电路如图3（b）所示。由于每个电容Cd两端均有电位差，因此就有电容电流流过，而且都必须经电容C到地构成回路，这样就使离导线愈远的绝缘子所流过的电流愈多，因此电压降也愈大。

由于绝缘子金属部分对导线的电容Cd比其对地电容的同时作用，也就是说，沿绝缘子串的电压分布应该由分别考虑Cz与Cd所得到的电压分布相叠加，由此可见，沿绝缘子串的电压分布是极不均匀的，靠近导线的绝缘子电压降最大，离导线愈远的绝缘子两端压降愈小，当绝缘子靠近杆塔横担时，绝缘子电压降又升高。

实践表明，绝缘子串愈长，电压分布愈不均匀，愈容易导致某些部位的绝缘损坏，所以研究如何使电压部分近似均匀就更有意义。

杆塔 5 C 4 C 3 C 2 C 1 C

（a） 导线 Cz Cz Cz Cz C C C C C Cd Cd Cd Cd 导线 （b） 图3 绝缘子串的等值电路 （a）仅考虑Cz的等值电路 （b）仅考虑Cd的等值电路 瓷质绝缘子电容量的差异：我们对大量的同型号绝缘子进行了电容量检测，检测中发现（如：XP-70），最小的30pF；最大的70pF，两者相差一倍之多。由

上述可知，如已知每片绝缘子的电容量、绝缘电阻，再进行合理匹配，可改变其电压分布。

2、测试设备和试验方法

小球间隙法测试绝缘子串的分布电压。为了能测出绝缘子串电压分布的具体数值，可以采用小球放电法测量。其测量叉不是短路的，而是与两个小球相联，小球的距离是可以调整的。在测量时是通过测量两端的小球产生放电的距离来分析绝缘子串的电压分布。这种方法要频繁调整小球距离，工作量大，误判率较高。在实验室则是将小球间隙固定，改变外施电压而使小球放电来求电压分布。测试电容的检测设备主要通过介损仪直接测试电容值或者采用高压西林电桥原理反接法。反接法适用于现场被试设备为一极接地的设备，要求电桥有足够的绝缘，由于被试品有部分处于高电位可以将电桥本体和操作者一起放在绝缘台上或者在法拉第笼的金属笼里对地绝缘起来试验。绝缘电阻主要通过直流高压电源和摇表测试其离线状态下的绝缘电阻值，绝缘电阻值不会随电压和环境因素的变化而变化。

3、试验内容

试验分多部分组成，洁净的绝缘子串试验主要验证绝缘子电容分布规律，得出影响电容分布各种因素的原理。试验中均保持单片绝缘子离线电容值、绝缘电阻值相同。试验分别在不同电压等级35kV，110kV，220kV下模拟在线时运行状况得出电容分布情况。改变不同试验环境参数研究影响绝缘子串电容分布的因素，如在地线端或者在导线端加均压环做试验对比，改变试验杆塔结构，离地高度，环境温度和湿度等因素。

根据相关课题中已得出的结论：不同串长、不同位置、所加均压环的多少，使得绝缘子串均压效果不同。按照研究的结论，相应在绝缘子串上加均压环后测试绝缘子串的电容分布。通过试验结果研究得出电位分布较均匀时电容分布情况，总结得出电容分布影响电位分布的规律。控制变量多组试验通过大量试验得出规律结论。

现场在线运行的绝缘子都是在有污秽的状况下运行，因此模拟自然污秽状况下的绝缘子运行状态是研究的重点。检测污秽绝缘子电容分布对电位分布的影响主要采用人工污秽的方法模拟自然污秽条件下在线绝缘子的运行状况。项目实施

方案可以借鉴第二章中已完成电位分布课题研究，设置不同污秽度的污秽进行试验对比，得出不同污秽下电容分布规律及影响电位分布的原理。试验在染污秽时尽量保持单片绝缘电阻值和电容值相同，然后根据试验要求设置不同串长，不同环境条件下进行试验。

4、试验预期成果

根据所设置的试验要求完成试验内容，总结试验结果推导得出电容分布的一般规律及影响电容分布相关因素。对比分析不同电容分布、绝缘电阻分布状况下的电位分布状况，从电容分布、电阻分布影响电位分布的定量分析总结得出相关原理。从而可依据每个绝缘子的电容量和电阻值，在不改变原设计绝缘子串型号、片数的情况下，进行匹配组成绝缘子串，研究如何使其运行中的电压分布达到最佳状态（近似均匀）减少绝缘子零值缺陷的发生。试验可不断改进测试电容值的方法，试验研究出便于携带，能够在线测试绝缘子串电容的简便方法，便于电力线路检修，监测电位分布状况。

4项目研究的主要内容

1、对高压绝缘子的电气性能（电容量）定量检测，弥补交接试验只检测绝缘

电阻未进行绝缘子串中各片电容量检测的不足；

2、用国标规定的检测方法与电容检测法相结合，依据每个绝缘子的电容量和电阻值，在不改变原设计绝缘子串型号、片数的情况下，进行匹配组成绝缘子串，使其运行中的电压分布达到最佳状态（近视均匀），延长绝缘子串的使用寿命，减少运行绝缘子劣化及零值缺陷的发生。

3、总结本次研究中的经验，编制《用电测法匹配高压瓷质绝缘子串改善电压分布消除运行缺陷的应用》的研究报告及交接试验管理实施细则。

目前，供电系统尚未有准确、高效的检测瓷瓶电容量的仪器，以及依据每个绝缘子的电容量和电阻值，进行匹配组成绝缘子串，使其运行中的电压分布达到最佳状态（近视均匀）的研究。本项目如能成功实施，将有效解决这一技术难题，在省内供电企业中具有较强的推广价值，达到节省人力、物力、财力的目的。完善预试方法，推广应用该技术。

用电容检测的方式，对线路的悬式高压绝缘子的电气性能进行检测。用国标规定的检测方法与电容检测法相结合，对有代表性的试品进行试验，得出对应关系，采用算术平均值原理和贝塞尔算法等，整合试验数据，用电容串并联等效电路，综合分析，编制《电容方式检测瓷瓶及绝缘子串电容量和电阻值匹配的方法和标准》，深入了解各型号、各电压等级绝缘子的测量方法，提高运行绝缘子串电压分布的均匀程度，使用较先进的测量仪器，填补省内该项工作的空白。从而提高电网的安全经济运行的能力。