波辐射计检测绝缘子污秽的方法研究.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 微波辐射计检测绝缘子污秽的方法研究 姓名：曾常安 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：高强 20070516 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文主要是研究绝缘子污秽物的微波辐射特性及污秽检测的方法，其原理是 利用污秽物的辐射特性在微波段的辐射差异来检测绝缘子污秽程度的方法。重点研 究了污秽物的复介电常数特性，利用实验测量了污秽的复介电常数并得到了实虚部 与污秽物含水含盐的关系；从理论上研究了的三层媒质模型( 空气层、污秽层、绝 缘子层) ，分析了各层对检测结果的影响以及微波辐射计检测时的因素影响，给出 了相应的解决方案，提出了利用亮温差值来对应污秽等级的方法；在利用微波辐射 计检测时给出了晴朗天空的温度模型，从理论上建立了天线温度模型，并通过实验 进行了测试研究。文中阐述了污秽物的复介电常数与辐射特性的关系、污秽物的复 介电常数测量原理，建立相应的理论模型，给出了所提方法的实验方法及实验结果 和分析，实验结果验证了本论文方法的正确性和有效性。 关键字：微波辐射计，绝缘子污秽，等值盐密，天线温度，介电常数 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ep r o p e r t i e so fm i c r o w a v er a d i a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w m e t h o dt od e t e c tt h ep o l l u t i o no ni n s u l a t o r sb ym i c r o w a v er a d i o m e t e r t h ec e n t r a l r e s e a r c hi st h ec o m p l e xd i e l e c t r i cc o n s t a n to fc o n t a m i n a n t s ，w ee v a l u a t er e a lp a r t sa n d i m a g i n a r yp a r t so fd i e l e c t r i cc o n s t a n t sa n d a saf u n c t i o no fs a l i n i t ya n dw a t e rc o n t e n tb y e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t ，e s t a b l i s h t h e t h r e e l a y e r m e d i a m o d e l ( a i r - l a y e r , c o n t a m i n a n t - l a y e r a n di n s u l a t o r - l a y e r ) ，a n a l y z es o m ef a c t o r sw h e nd e t e c t i n gt h e p o l l u t i o no ni n s u l a t o r sb ym i c r o w a v er a d i o m e t e ra n dg i v et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n t h el e v e lo f p o l l u t i o ni sc o n s t r u c t e dt h o u g he s t a b l i s h i n gt h ec o r r e s p o n d i n gt ob r i g h t n e s s t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e t h et h e o r e t i cm o d e lo fh r i g l l t n e s st e m p e r a t u r eu n d e rs u n s h i n ei s g i y e n ，t h et h e o r e t i c a la n t e n n am o d e li sc o n s t r u c t e da n dh a v et h et e s tr e s e a r c ht h o u g h e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h ep r i n c i p l eo ft h ep r o p e r t i e so fr a d i a t i o ni si n t r o d u c e d ， a n dd e t a i l e dp r o c e s s e so ft h em e t h o da n dr e s u l t sa r eg i v e nt ob et r u ea n de f f e c t i v e t h r o u g hm e a s u r e m e n tr e s u l t s z e n gc h a n g - a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o lg a oq i a n g k e yw o r d s ：m i c r o w a v er a d i o m e t e r , i n s u l a t o rc o n t a m i n a t i o ne q u i v a l e n ts a l t d e p o s i td e n s i t y , a n t e n n at e m p e r a t u r e ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文主要是研究绝缘子污秽物的微波辐射特性及污秽检测的方法，其原理是 利用污秽物的辐射特性在微波段的辐射差异来检测绝缘子污秽程度的方法。重点研 究了污秽物的复介电常数特性，利用实验测量了污秽的复介电常数并得到了实虚部 与污秽物含水含盐的关系；从理论上研究了的三层媒质模型( 空气层、污秽层、绝 缘子层) ，分析了各层对检测结果的影响以及微波辐射计检测时的因素影响，给出 了相应的解决方案，提出了利用亮温差值来对应污秽等级的方法；在利用微波辐射 计检测时给出了晴朗天空的温度模型，从理论上建立了天线温度模型，并通过实验 进行了测试研究。文中阐述了污秽物的复介电常数与辐射特性的关系、污秽物的复 介电常数测量原理，建立相应的理论模型，给出了所提方法的实验方法及实验结果 和分析，实验结果验证了本论文方法的正确性和有效性。 关键字：微波辐射计，绝缘子污秽，等值盐密，天线温度，介电常数 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ep r o p e r t i e so fm i c r o w a v er a d i a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w m e t h o dt od e t e c tt h ep o l l u t i o no ni n s u l a t o r sb ym i c r o w a v er a d i o m e t e r t h ec e n t r a l r e s e a r c hi st h ec o m p l e xd i e l e c t r i cc o n s t a n to fc o n t a m i n a n t s ，w ee v a l u a t er e a lp a r t sa n d i m a g i n a r yp a r t so fd i e l e c t r i cc o n s t a n t sa n d a saf u n c t i o no fs a l i n i t ya n dw a t e rc o n t e n tb y e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t ，e s t a b l i s h t h e t h r e e l a y e r m e d i a m o d e l ( a i r - l a y e r , c o n t a m i n a n t - l a y e r a n di n s u l a t o r - l a y e r ) ，a n a l y z es o m ef a c t o r sw h e nd e t e c t i n gt h e p o l l u t i o no ni n s u l a t o r sb ym i c r o w a v er a d i o m e t e ra n dg i v et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n t h el e v e lo f p o l l u t i o ni sc o n s t r u c t e dt h o u g he s t a b l i s h i n gt h ec o r r e s p o n d i n gt ob r i g h t n e s s t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e t h et h e o r e t i cm o d e lo fh r i g l l t n e s st e m p e r a t u r eu n d e rs u n s h i n ei s g i y e n ，t h et h e o r e t i c a la n t e n n am o d e li sc o n s t r u c t e da n dh a v et h et e s tr e s e a r c ht h o u g h e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t t h ep r i n c i p l eo ft h ep r o p e r t i e so fr a d i a t i o ni si n t r o d u c e d ， a n dd e t a i l e dp r o c e s s e so ft h em e t h o da n dr e s u l t sa r eg i v e nt ob et r u ea n de f f e c t i v e t h r o u g hm e a s u r e m e n tr e s u l t s z e n gc h a n g - a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o lg a oq i a n g k e yw o r d s ：m i c r o w a v er a d i o m e t e r , i n s u l a t o rc o n t a m i n a t i o ne q u i v a l e n ts a l t d e p o s i td e n s i t y , a n t e n n at e m p e r a t u r e ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微波辐射计检测绝缘子污秽的方 法研究，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除 文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的 内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。 特此申明。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制弗保 存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交 换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 缱密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 纽一 名 期 签c pd ，导 日 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 电力系统是国民经济的重要基础之一，关系着国计民生，一旦电网发生事故，不仅 会造成巨大经济损失，而且影响到千家万户。污闪事故的发生，通常造成大面积停电， 所造成的损失和影响极大。为了防止污闪事故发生，有关部门在相关研究中投入了大量 的技术和资金，并且取得了一定的成果。本文提出利用微波辐射计检测绝缘子污秽的方 法是通过污秽物的微波辐射特性不同来判断绝缘子运行状况，由于是非接触的在线测 量，可以避免电磁干扰，能够动态监测绝缘子受污情况，使得工作人员能够及时采取措 施防止污闪的发生，达到保护电网安全的目的。 1 1 研究的目的和意义 污闪是由于悬浮在空气中的微粒在风力、重力和电场力的作用下沉积在绝缘子表面 形成污秽层，在干燥条件下，这些污秽尘埃的电阻很大，对绝缘的可靠运行没有危险； 但当空气湿度高，例如在雾、露、毛毛雨、溶雪等不利气象条件下，绝缘表面的污秽尘 埃将被湿润形成一层薄薄的导电层，在外加电压作用下其表面电导和泄漏电流将大大增 加，从而可能导致沿绝缘污秽表面发生全面闪络。 随着工业的发展和输电电压等级的提高，污闪的危害也日趋严重。在上世纪5 0 年 代，我国只有东北电网和沿海地区发生过污闪事故。6 0 年代后，污闪事故逐步向全国各 电网发展。进入8 0 年代，随着城乡工业的迅速发展，大气环境日趋恶化，目前，我国 城市大气污染成为世界上少数最严重的国家之一，农村局部区域如城市近郊、远郊区县 和铁路、公路沿线农业耕作区的大气质量，也呈现不同程度的下降趋势。随着大气污染 的加剧，我国各大电网先后都发生过污闪造成的大面积停电事故。同时由于高压输变电 设备大幅增加，5 0 0 k v 输电系统在许多电网相继投运，全国污闪时候明显上升，且由污 染严重的城市工业区扩展到以前认为清洁的郊区和农田地区。1 9 9 0 年至1 9 9 6 年博州电 网因污闪停电1 9 0 次，年平均大面积停电2 7 1 次。 1 9 9 6 年底华东电网发生大面积污闪跳闸，安徽有两条5 0 0 k v 、2 3 条2 2 0 k v 线路污闪 跳闸、江苏3 条2 2 0 k v 、l 条5 0 0 k v 线路污闪跳闸，浙江2 条5 0 0 k v 、5 条2 2 0 k y 线路多 次污闪跳闸，上海一个晚上多条5 0 0 k v 线路发生4 5 次污闪跳闸，由于污闪造成绝缘子 炸裂引起导线落地，造成长时间的停电。 1 9 9 7 年2 月2 7 日2 9 日陕西电网发生大面积污闪，涉及3 3 0 k v 输电线路2 条、2 2 0 k v 2 条l l o k v 5 条，还包括2 座3 3 0 k y 变电站、3 座l l o k v 变电站。事故导致渭南地区东部和 商洛地区全部停电，系统甩负荷4 1 0 j ，并对输变电设备造成严重损害。 福建电网自1 9 9 0 年以来2 2 0 k v 线路共发生1 5 0 次污闪跳闸事故，仅1 9 9 6 年1 月1 4 华北电力大学硕士学位论文 日至2 月1 5 日一个月内，莆田、泉州、石狮等地2 2 0 k v 线路发生污闪跳闸7 0 余次。 2 0 0 1 年2 月2 1 日2 2 日，大雾笼罩我国北方地区的部分电网，出现大面积污闪停 电事故，造成辽宁中部电网2 2 0 k v 及以上线路跳闸4 4 条1 5 1 次，1 0 座2 2 0 k v 变电所停 电，6 6 k v 线路跳闸1 7 1 条次，1 2 0 座6 6 k v 变电所停电，全省损失电量9 3 7 万k w 丸河 北南部电网2 2 0 5 0 0 线路跳闸5 9 条2 2 5 次，1 l o k v 线路跳闸2 0 9 条次，3 5 k v 线路跳闸 i l o 条次，1 0 座2 2 0 k v 变电所停电。京津唐电网3 5 k y 及以上线路跳闸2 9 条4 4 次。河 南北部电网5 0 0 k v 线路跳闸2 条2 次，2 2 0 k v 线路跳闸1 8 条7 1 次。 2 0 0 2 年1 月1 4 日1 5 日，湖南常德、湘潭地区2 2 0 k v 及5 0 0 k v 线路连续发生污闪 跳闸事故。 根据统计，污闪事故己占到了整个电力系统事故的第二位，仅次于雷害事故，而污 闪事故的损失却是雷害事故的十倍o 。电力部门也为此制定了一系列防污闪措施，并投 入大量人力、物力解决输变电设备的防污闪闯题。为了提高绝缘子的运行可靠性，在污 秽地区常常采用人工清扫、水冲洗等净化绝缘子的方法；在绝缘子表面涂憎水性涂料、 以及采用半导体釉绝缘子、合成绝缘子与无机材料构成一体的绝缘子等，以使绝缘子表 面不易形成导电水膜；研制耐污秽型绝缘子，以增加爬电距离和从造型上抑制电弧的发 展。在实际运行中，这些防污闪对策都在不同程度上取得了一定的效果，但从技术、 经济乃至劳动力、劳动强度上来看，都存在着一定的局限性。这些措施并不能及时发现 和排除绝缘子故障，绝缘子污闪事故仍时有发生。为此，研究具有提高绝缘子污闪的预 警能力，使绝缘子的定期计划检修转变为状态检修的污秽检测技术，成为了电力部门需 迫切解决的问题。 本论文利用微波辐射计对绝缘子污秽进行探测，并且随着现代微波技术的不断 成熟与完善，微波与成像技术能够以远距离、非接触、实时获取被测对象的运行状 态信息，又有分辨率高、形象直观、安全可靠和效益投资比高等优点，又可以在 不停电、不取样、不解体的状况下进行故障的诊断分析，所以说应用微波技术对电 气设备在线监测及故障分析是一项行之有效的技术手段。 1 2 国内外研究方法及现状 1 2 1 在线检测研究方法和现状 自1 9 0 7 年第一次发生污闪事故以来，相继有众多的研究者从污闪机理、特性 及防污闪对策等不同角度进行了大量艰苦的试验研究。由于影响污闪的因素众多， 虽然经过人们几十年坚持不懈的努力，已经取得了一定的进展，但至今对污秽放电 的物理过程还不十分清楚，因而也就难于找到有效而完善的防污闪对策。对于如何 华北电力大学硕士学位论文 有效地测量绝缘子的污秽程度，多年来，世界各国的研究者们一直在寻找着有效的 测量手段去解决这一难题。研究表明，绝缘子表面的泄漏电流与其表面状况有直接 的关系，而且各种泄漏电流的在线监测技术在电力系统中得到了广泛应用，因此， 通过监测运行中绝缘子泄漏电流来了解其绝缘状况己成为国内外研究的热点。除此 之外，还有很多新的检测方法和技术都被应用到绝缘在线监测研究中，至今已有以 超声波检测法、激光多酱勒振动法及红外热象仪法为代表的非电量测量法和以电压分布 检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电量测量法，被尝试用于解决绝缘子在线监 测问题m 叫”，它们各有其特点，也存在各自的不足。现将检测方法概括如下： 1 电量检测法 a 电压分布检测法m 嘲 电压分布检测法是一种传统的绝缘在线检测方法。正常绝缘子串的电压分布呈不完 全马鞍型，即在每串绝缘子中靠近导线侧的绝缘子承受电压最高，约为靠近接地端绝缘 子承受电压的1 7 倍3 0 倍，而以中间部分承受电压最低；但两相邻绝缘子之间承受 电压之比则大致在1 1 1 3 之间。因此，用相邻比较法嘲即能较好地判断出劣值绝缘子。 电压分布检测法的特点在于直观、能准确地判断绝缘子性能的变化。但是，电压分布法 操作起来仍然十分不便，每次测量必须登秆才能完成，操作人员的劳动强度依然较大、 工作安全性较差的缺点仍然令这种方法难以得到广泛应用。 b 绝缘电阻法( 泄漏电流法) “町 绝缘子在线检测中，绝缘电阻的测量是通过泄漏电流的测量得以实现的。在天气干 燥的情况下，泄漏电流为毫安级，当绝缘子串中有零值或低值绝缘子时，其对地泄漏电 流的幅值将发生较大的变化。绝缘电阻法存在的问题并非完全在于电流的准确测量，它 还取决于其他因素：像表面的污秽程度、杆塔结构、绝缘子的老化程度、绝缘子形状及 天气状况等都会对绝缘子泄漏电流的大小产生影响，因而泄漏电流值在正常情况下亦是 一个随时问变化的量，存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在劣值绝缘子，即如何确 立判断标准( 判据) 的问题。 c 脉冲电流法“ 所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状 况其原理是：存在劣值绝缘子的绝缘子串中，由于劣化绝缘子的绝缘电阻很低，它在 绝缘子串中承担的电压也较小，于是其它正常绝缘子在绝缘子串中的承受电压必然明显 大于正常情况下的承受电压，而团回路阻抗变小、绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流 必将变大。该法存在的主要问题在于传感器的选择、信号的提取及辨识、现场干扰的排 除等，故如何消除这些因素的影响、建立绝缘子劣化判断标准也是该法能否成功的关键。 2 非电量测量法 a 激光多普勒振动法“4 激光多普勒振动法是利用已开裂的绝缘子的振动中心频率与正常时不同的特点，通 3 华北电力大学硕士学位论文 过外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘子， 或用激光源对准被测绝缘子，以激起绝缘子的微小振动，然后将激光多普勒仪发出的激 光对准被测绝缘子，根据对反射回来的信号的频谱的分析，从而获得该绝缘子的振动中 心频率值，据此判定该绝缘子的好坏。激光多普勒振动仪的缺点是体积庞大、笨重、使 用及维修复杂，以及它对未开裂的劣值绝缘子检测效果很差，这些缺点限制了它的适用 范围。 b 超声波检测法“” 超声波检测法是基于超声波从一种介质进入到另一种介质的传播过程中，在两介质 的交界面发生反射、折射和模式变换( 纵、横波转换) 的原理实现的。通过接收超声波发 生器发出的脉冲，超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝缘子 的位置区间。当绝缘子出现“开裂”时，则在接收到的反射波的时间轴上将出现该缺陷 的反射波，由时间轴上的该缺陷波的大小及位置，即可判断出缺陷在绝缘子中的具体情 况。但超声波检测法存在的耦合和衰减及超声波换能器的性能问题在远距离遥测上目前 未有大的突破，尚处于摸索阶段。 c 红外热象仪法m ， 利用绝缘子表面的热效应原理，对于涂有半导体釉的耐污绝缘子的遥测相当有效。 因为此类绝缘子在线带电运行时，正常绝缘子的表面电流较大、温升较高，而劣值绝缘 子的表面温度比正常绝缘子低好几度，用红外热象仪易于识别；但对于玻璃绝缘子或普 通釉的瓷绝缘子，其正常的表面温度比劣值的表面温度仅相差l c 左右，在复杂的现场 环境下，测量极其困难，而红外热象仪高昂的造价亦令众多用户对其性能价格比难以接 受。 1 2 2 微波辐射计的应用和概况 用于测量物体微波辐射能量的仪器，称为微波辐射计。由于它本身不发射信号，只 是别动地接受各种物体发射的自然辐射信号，因而既不容易被发现，具有良好的保密性， 又能做到体积小，功耗省，成本低，因此具有广泛的应用前景。微波辐射测量技术最先 被用于观测外层空间的辐射源的电磁辐射能量。1 9 3 1 年，j a n s k y 采用定向天线，首先 在1 4 6 米的波长上，观察到了来自银河方向的噪声电波。五十年代末以来，开始了大 地微波辐射测量的研究工作，苏联和美国从六七十年代开始在卫星上装载微波辐射计进 行大气、海洋、陆地的观测，这进一步推动了微波辐射特性的研究，应用领域扩展到土 壤湿度分布“”，大陆冰块积雪测绘“”，海洋表面风速、含盐度监测“7 儿1 ”，在气象学中也 得到了应用，像空气湿度的测量“。】，液态水( 雨) 监测等等。近二十多年来，微波辐 射测量技术和微波辐射计的应用研究已延伸到武器制导领域o ”和生物医学。1 等领域。而 利用微波辐射计来检测绝缘子的污秽程度还是首次在高压绝缘监测领域被提出来，其 华北电力大学硕士学位论文 原理是利用绝缘子污秽物在微波段的辐射特性差异实现对绝缘子绝缘状况进行检测， 并设计了实验去验证它的正确性。正是由于微波辐射计是无源被动接收物体的辐射功 率，所以可以有效的避免输电线路的电磁干扰，又由于是非接触式可以远距离带电测量， 它具有非电量测量的优点，而且体积可以做得很小，成本较低，微波辐射计将会在电力 系统的污秽检测方面有着广泛的应用前景。 1 3 本论文的研究方法及主要工作 1 ，3 1 研究方法 目前研究目标的辐射特性主要有两种途径嘲1 。一种途径( 理论方法) 是将目标看 作多层媒质，按照各层媒质的几何特性、介电特性和物理温度分布，计算目标的反 射率、发射率( 或等效发射率) ，然后根据辐射传递理论求得目标表面下的亮度温度 或视在温度，乘上发射率( 或等效发射率) 得到目标的亮度温度或视在温度。这种方 法很大程度上依赖于目标复介电常数的研究。由于目标的介电常数通常只有经典公 式，因此亮度温度的理论模型亦称为半经典公式。 另一种途径( 实验方法) 是用微波辐射计对目标进行测量，根据测得的不同目标 的天线温度，反演出被测目标的温度。由于测得的天线温度不仅与被测目标的性质 有关，还和气象、环境等因数有联系，具有一定的随机性，再加上目标的辐射和辐 射计内部的噪声本来就是随机信号，因此测得的天线温度具有一定的不确定性，必 须对目标进行大量的测量，从中找出不同条件下天线温度的统计变化规律，然后进 行反演计算，求德目标的亮度温度。或者将测得的大量的天线温度反演为亮度温度。 再寻找亮度温度的统计规律。实验研究的结果亦为理论研究提供了验证。 1 3 2 论文的主要工作 本论文主要研究工作为基于微波辐射特性的绝缘子污秽检测，并且根据微波辐 射计的输出天线温度对应上绝缘子表面的等值盐密，进而得到绝缘子的污秽程度。 又由于目标的天线温度主要取决于目标的几何特性、介电常数和天线系统，因此目 标的复介电常数的研究和天线温度的建模是也是辐射特性研究的一个重要内容。本 文从理论上分析了污秽物的微波辐射特性与盐分的关系，并设计了实验测量了实验 室不同含水含盐污秽物的复介电常数，并得到了污秽物复介电常数与含水含盐的确 定关系；而且也在理论基础上分析了天线温度与等值盐密的对应关系，建立了微波 辐射计检测绝缘子污秽的模型并给出了影响其检测结果的多种因素的理论分析，各 章的具体内容如下： 华北电力大学硕士学位论文 第一章阐述了论文的研究背景及意义，介绍了国内外的研究现状并给出了主要 的研究方法； 第二章简要介绍了物体微波热辐射理论并从原理上对污秽物的辐射特性作了 进一步的阐述，重点分析了污秽物的复介电常数与其微波辐射特性的关系，在理论 上验证了用微波辐射计探测污秽物的可行性； 第三章重点研究了硅藻土盐水的复介电常数和微波辐射亮温的关系，利用实验 室制取污秽物的方法设计了实验进行测量污秽物的复介电常数的特性，揭示了硅藻 土盐水污秽物复介电常数与含水含盐的确定关系，进一步在理论上分析测量盐密研 究的可行性； 第四章利用上几章的理论基础重点研究了辐射计检测污秽时的理论模型构架， 研究了微波辐射计检测绝缘子污秽的三层媒质模型。建立了天线温度模型，并分析 模型中的各因素对其检测结果的影响以及试验测量结果和理论结果比较，分析了测 量时存在的误差； 第五章对本论文的研究工作做了全面的总结，阐明作者的主要研究成果，并指 出了需要进一步研究的问题。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章污秽物的复介电常数及其辐射特性的研究 输电线路和变电站的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压和长期运行电压下 均能可靠运行。但沉积在绝缘子表面上的固体、液体和气体污秽微粒与雾、露、毛 毛雨、溶冰、溶雪等恶劣气象条件的同时作用，加大了绝缘子的表面导电性能，使 绝缘子的电器强度大大降低，从而使得输电线路和变电站的外绝缘不仅可能在过电 压的作用下发生闪络，更频繁的是在长期运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。 利用微波辐射计检测绝缘子时，检测中最重要的因素之一就是污秽本身的辐射 特性。由于污秽物的复介电常数的不同会导致其辐射特性的不同，因此污秽的复介 电常数特性研究是利用微波辐射计检测绝缘子污秽的基础工作。对于起污闪的污秽 成份很难用唯一的介电理论模型来表示污秽的复相对介电常数，目前对于污闪的研 究大部分都是在实验室内完成，因此人工污秽的试验方法已经成熟，国内外大部分 都采用固体层法和盐雾法来制取试验污秽物。本章将从实验室制取的污秽物，理论 上重点分析污秽物的介电常数及其辐射特性。 2 2 微波辐射测量的基本原理 “辐射测量学”( r a d i o m e t r y ) 是指非相干辐射电磁能量的测量。因此，微波 辐射测量学( m i c r o w a v er a d i o m e t r y ) 使关于微波频段内非相干辐射电磁能量测量 的一门科学和技术。从本质上讲，电磁辐射是由于电场或磁场的大小或方向随时间 的变化而产生的，根据这一观点，自然界的任何物体，均可在一定的条件下产生电 磁辐射。物体辐射出的电磁能量又与物体的介电常数、温度等参数有关，物体微波 辐射特性的研究是根据不同物体在不同的参数条件下会辐射不同的电磁能量，即有 不同的微波辐射特性，利用微波辐射计测量在不同条件下物体的微波辐射特性数 据，由此区分不同的物体，并获得某些物体的特性参数。 微波辐射计在微波辐射测量中，其输出电压信号经过定标换算后，得到的是特 定工作频率、极化和天线指向的天线温度测量数据。进行地物微波辐射特性测量所 需要的是地物的亮度温度o ”，建立起目标的亮度温度与其物理参数和特征之间的关 系则需要以微波辐射测量的基本原理为基础，并与微波辐射测量的天线系统密切相 关 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 物体的微波热辐射理论”卜脚1 根据量子理论，由于物体内部的电子产生能级跃迁，它们能在很宽的频带内发 射电磁辐射，或者吸收相应频段内的电磁辐射。处于绝对零度以上的任何物体在所 有的频率上均辐射、吸收电磁能。不同物体辐射、吸收电磁能的能力与物体的内部 结构和性质有关。 如果有一个物体，它在任何温度下能够吸收任何频率的全部入射辐射而无住何 反射，则此物体称为绝对黑体( 简称黑体) 。在毫米波段，黑体就是在该频段所有 频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的理想物体。此外，它除了是一个 良好的吸收体外，还应该是一个良好的发射体。为了得到天线接受功率与黑体温度 的对应关系式，首先来介绍一下黑体的谱亮度曰，。 酱朗克根据自己的量子假说，推导出黑体辐射的出射率的表达式，即普朗克黑 体辐射公式，它是热辐射理论中最基础的定律。根据黑体辐射的出射率与其亮度的 关系得到黑体的谱亮度曰，为： b f 一等( 志) ， 式中h ：普朗克常熟= 6 6 3 1 0 “( 焦耳秒) ； c ：光速= 3 x 1 0 8 ( 米秒) ； ，：频率( 赫兹) ； k ：波尔兹曼常熟= 1 3 8 1 0 一”( 焦耳开) ； t ：黑体的绝对温度( 开) 。 普朗克黑体辐射公式表明，黑体的谱亮度是温度和频率的函数，而与辐射的方 向无关。 在较低频率( 频率 - j 惯采用和。表示。的实部和虚部。 从上式可以得知，有损介质的介电常数虚部是由于介质的导电率引起的： g 。仃( 2 - 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 所以介电常数虚部有时称为物质的介电损耗。 式( 2 - 1 2 ) 又常表示为： 。一( 1 - 1 t a n 6 ) ( 2 - 1 4 ) t a n 6 一s | | e t o i s t( 2 - 1 5 ) 式中6 定义为损耗角。它正比于余质热损耗功率( 即介质损耗) 与每周期储能的比 值，因此它也是介质材料损耗程度的一种度量方法。 2 3 2 污秽物微波辐射特性 如果地物表面是光滑表面，而且地物媒质是均质等温媒质，地物表面上方是空 气，其亮度温度p ，p ) 由式( 2 - 6 ) 和( 2 7 ) 得出 瓦p ，p ) 一 1 一r ( e ，p ) l r o ( 2 - 1 6 ) 式中瓦是地物的热力学温度。r ( o ，p ) 是( 空气和地物组成的分界面) 在空气一侧入 射时的反射率。 由电磁场理论知嘲，当电磁波从媒质1 入射到媒质2 时，水平极化和垂直极化 反射系数为： 加一畿e 等e o s o 蔫描s i n0 治 忙2 1 )+ 忙2 1j 一 2 r p ，y ) e o s o - x 萨( e 2 1 e 彳i ) - 霄s i n 2 0 ( 2 1 8 ) e a a s o + 忙2 1 ) 一s i n 2 0 式中，h 表示垂直极化，v 表示水平极化，0 为入射角，为媒质1 的复介电常数， 屯为媒质2 的复介电常数。当考察某一具体地物的反射率时，g ，为该地物的复介电 常数，5 t 为空气的复介电常数。由于空气的介电常数可近似为真空的介电常数5 0 ， 所以扛：儿，) = ，将地物的复介电常数表示为- 一i e 。，利用功率反射系数和电 磁反射系数间的关系r 。蚓2 可以得到空气和地物组成的分界面在空气一侧入射时 的发射率“”： r ( q ，p - ) a 考；嬲 ( z 一。， 聃胪d ；器筹鬻糍署 c z - z 。， 式中r ( o ， ) 和r p ，y ) 分别表示为在不同入射角日下水平和垂直极化的反射率。其中 华北电力大学硕士学位论文 p 一芒【( ( ：一s i n 2 岛) 2 + # 产) j + ( s ：一s i n 2 岛) 】 i ( 2 2 1 ) 1 1 q 一 妻【( o ：一s i n2 吼) 2 + ? 2 ) j g ：一s i n 2 b ) 】 j ( 2 2 2 ) 上 地球表面上大部分无水分的物质( 如干燥的土壤) 的介电常数一般介于1 7 - 6 之间； 水的介电常数一般认为8 1 删，所以介电常数对含水量有很敏感的变化规律。污秽物中含 水量影响复相对介电常数的实部，污秽物中含盐量的变化影响导电性，即：复相对介电 常数的虚部。复介电常数的改变直接影响到它的发射率，这为微波辐射计探测绝缘子污 秽物中的含水、含盐量提供了可能性。 2 4 污秽绝缘子运行状态特征量和污秽等级划分 2 4 1 等值附盐密度 等值附盐密度( e s d d ) 是以绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导电 物质的含量所相当的n a c l ，简称等值盐密。由于它只与绝缘子的污秽量、成分和性 质有关，所以称为污秽的静态参数。测量方法是用一定量的蒸馏水，将一定面积瓷 表面上的污秽物全部清洗掉，用适当的仪器测量污秽溶液的盐密值。等值盐密可直 观衡量污秽程度，不受温度、电压、试验设备容量和试验场地的限制，所以比较直 观和简单长期以来，我国污秽度的测量方法主要是采用等值盐密测量法，根据其 测量结果进行污秽等级的标定，并指导现场开展每年一次的设备清扫。等值盐密测 量法对表征电力设备污秽度具有重要作用，但对于设备表面的积污速度、年度内不 同季节和气象条件下最高污秽程度以及污秽程度的发展趋势等缺乏有效的表征。采 用等值盐密作为特征量不能反映绝缘子的运行状态，由于等值盐密是在静态下测得 的，没有包含运行状态的湿润受潮和电压作用。在干燥地区，尽管实测得到的盐密 值较大，但在运行中并不会对绝缘子的绝缘性能有多大影响；而在潮湿多雾地区， 实测的等值盐密虽小，它也可能使绝缘水平显著下降。 基于以上原因本文利用污秽物的微波辐射特性可以实现动态测量等值盐密。因 为利用微波辐射计来监测绝缘子污秽状况时，将现场污秽度的测量与温度、湿度等 自然环境状况有机结合起来，弥补了传统等值盐密方法的不足，微波辐射计测量污 秽绝缘子得到输出天线温度，可以通过天线温度去表征等值盐密。因为特定量的盐 分对应的天线温度是一定值，所以在得到天线温度可以反推得到等值盐密。由于污 秽物的辐射特性不受带电影响，利用非接触远距离测量可以带电测量运行绝缘子的 等值盐密，这样得到的等值盐密是在电压、气候、污秽三要素的综合反映和最终结 1 2 华北电力大学硕士学位论文 果，所以天线温度完全可以表征绝缘子的运行状态 2 4 2 污秽等级的划分 获知绝缘子运行状态的特征量的目的是为了确定绝缘子的污秽程度，定量的划 分污秽水平，从而指导实际运行中的绝缘子清洗。根据文姐”中的标准可以划分为五 个污秽等级，见表2 1 所示。 表2 1 线路和发变点站污秽等级 n 距离太中城市、海岸、盐场舡s 魄m 以上的无明显工业污染积- 0 4 ，f 1 s 0 2 、n 0 2 ，t s p 掘t ， 。， 。 l l 孵咝低n 勺地区浓度低干国家人气质量l 级标准 。 利用微波辐射计检测绝缘子污秽程度时，天线温度对应等值盐密，再由参考的 等值盐密来划分污秽等级，这就实现微波辐射计检测来时实划分污秽等级。同时微 波辐射计可以对设备表面的积污速度、年度内不同季节和气象条件下最高污秽程度 以及污秽程度的发展趋势进行有效地监测，解决现场饱和盐密的测量问题，从而为 设备外绝缘爬距比的合理配置提供准确的依据。还可对某一时期的污秽情况随时进 行统计和分析，从丽有利于现场人员更加准确了解和制订针对性较强的预防措施。 2 5 制取污秽物的实验方法 由于自然污秽试验的试验条件难以控制，分散性比较大等局限性，人工污秽试 验长期以来被人们广泛应用来作为污秽绝缘的一种重要研究手段。人工污秽试验是 人工模拟绝缘子的积污过程、受潮状况以及作用电压以便在实验室系统研究绝缘子 耐污闪性能的方法。瓷绝缘子的人工污秽试验方法已经基本成熟，并制定了相应的 国际标准与国家标准。如何在实验室中模拟现场运行绝缘子的污秽积聚状态是绝缘 子人工污秽试验的关键环节。 华北电力大学硕士学位论文 自然污秽和工业污秽的种类很多，在人工污秽试验时难以一一模拟考虑到污 秽导致放电的关键时其中水溶性物质溶于水造成的导电性，而不溶于水的成分所起 的作用是在潮湿气候条件下吸收水分，以保持污层潮湿促进导电性能的增长。因此， 在进行人工污秽试验时，一般用氯化钠来模拟污秽中的水溶性导电物质，用自身导 电性差而吸水性强的硅藻土、粘土、二氧化硅、甲基纤维素等模拟污秽中不溶于水 的固体物质。如果将人工模拟电解质和非电解质的两类物质按一定比例加水搅拌均 匀后，用喷污、涂污或浸污等方法把污秽施加到绝缘子表面，让其自然阴干后就构 成了人工污秽固体涂层。 目前国内外常用的两种试验方法为固体层法m 1 和盐雾法h ”，这里简单介绍一 下这两种方法的污秽物的制取。其中固体层法是用自身导电性差而吸水性强的硅藻 土，水和适量的氯化钠配置层一定电导率或等值盐密的污秽物悬浮液，均匀涂刷在 试品绝缘表面上来模拟自然积污过程；而盐雾实验法为了模拟沿海地带自然盐雾 ( 污) 对绝缘子电气强度的影响，以及盐碱地区绝缘子上沉积有不均匀的干盐层， 但被凝露等均匀潮湿时的电气特性，这种实验方法的特点是以一定浓度的盐水 ( n a c l ) 利用压缩空气喷射产生盐雾进行实验。绝缘子表面的污染程度可用盐水浓 度、或者按靛水浓度l g l l 相当于等值盐密0 0 0 2 5 m g c m 2 的关系换算成等值盐密度 来表示，而且通常以绝缘子能耐受的最大盐浓度作为耐污性能的衡量指标。 2 6 盐水的复介电常数特性 2 6 1 盐水的复介电常数 根据上节介绍的污秽辐射特性和试验污秽制取方法，我们假设污秽遇水后在绝 缘子表面形成光滑表面，并且因为污秽中导电物质的含量所相当的n a c i 数为等值 盐密( 盐水浓度l g l 相当于等值盐密0 0 0 2 5 m g c m 2 ) ，所以我们可以简单的把污秽 水溶液看作盐水溶液。根据德拜提出纯水的复相对介电常数，在此基础上l a n e 和 s a x t o n 给出含盐溶液的复介电常数表达式。”。令复相对介电常数为 唧- z - j z “ ( 2 - 2 3 ) 盐溶液复介电常数的实部和虚部分别为 乒南赫 ( 2 - 2 4 ) 一( f f o ) 品等+ 击 ( 2 - 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中：静态相对介电常数； 。：高频相对介电常数，即频率远大于张驰频率时的相对介电常数； # o ：自由空问的介电常数( 8 8 5 4 x 1 0 “ 1 2 f m ) ： ，：测量所使用的频率( h z ) ； ，o ：水的张驰频率( h z ) ，也可以用水分子的张驰时间t 表示， 即，o = 1 2 丌t 仉：含盐水溶液的离子电导率，单位为s m ； 目前，尚无德拜参数的理论公式，从许多研究成果看出。”叫，研究者都是在 取得复介电常数的基础上，以德拜公式去拟合，选择出最佳的德拜参数，使得应用 这些德拜参数得到得计算值最接近于实测值。下面给出k l e i n 和s w i f t 得到的德拜 参数的经验公式m 1 ： e。=49(2-26) s l l 互s = 8 l t d a dq 一2 7 ) 御= 8 7 1 3 4 - - 1 9 4 9 x 1 0 一t - - 1 2 7 6 x 1 0 2 严+ 2 4 9 1 x 1 0 4 ，( 2 - 2 8 ) 4 佤习= 1 + 1 6 1 3 x 1 0 - 5 s t - 3 6 5 6 x 1 0 3 s + 3 2 1 0 x 1 0 s2 - - 4 2 3 2 x 1 0 。7 ， ( 2 - 2 9 ) t ( z 回= t ( r ) b 假” ( 2 - 3 0 ) f ( z ) - - - 1 ：7 6 8 x 1 0 1 1 6 0 8 6 x 1 0 1 3 t + 1 1 0 4 x 1 0 - 1 4 严- - 8 1 l l x l o - 1 7 ，( 2 - 3 1 ) 6 f s ，r j = 1 0 + 2 2 8 2 x 1 0 s t - - 7 6 3 8 x 1 0 4 s2 - - 7 7 6 8 0 x 1 0 6 s 2 + 1 1 0 5 x 1 0 。紫 ( 2 - 3 2 ) q ( z 研= q ( 2 5 ，s ) e x p (