输电线路状态检测技术新

,输电线路状态检测技术电力工程系李宝树,NorthChinaElectricPowerUniversity,主要内容一、输电线路简介二、检测内容三、检测方式四、绝缘子状态检测方法五、弧垂的检测方法六、输电线路状态检修技术,1电压等级10kV、35kV、（66kV）、110kV、220kV、（330kV）、500kV、750kV、1000kV我国第一条750千伏青海官亭至甘肃兰州的超高压输电线路，全长146公里。我国第一条1000千伏的特高压线路，由山西省长治至湖北省荆门，全长654公里。,一、输电线路简介,2架空输电线路的构成杆塔、塔基、导线、架空地线、金具、绝缘子。,图1单回线,图2双回线,绝缘子按照材料分为：陶瓷、玻璃、复合材料（如硅橡胶）等。,（a）陶瓷（b）玻璃（c）复合材料,图3绝缘子,3输电线路的参数直流电阻、正序阻抗、零序阻抗、正序电容、零序电容、相间电容以及多回平行线耦合电容和互感阻抗。,二、检测内容,(1)绝缘：主要是输电线与大地的绝缘(2)雷击：雷电(3)环境：主要是大气环境，温度、湿度、盐份等(4)接地：架空地线和杆塔(5)稳定性：主要是杆塔和塔基,1.根据性能划分,2.根据设备划分,(1)导线（包括架空地线）腐蚀、磨损、硬伤、附冰、接头接触电阻过大、线夹松动、弧垂、导线间距等。,图4附冰,(2)金具缺陷腐蚀、锈蚀、损伤、强度等。(3)杆塔（包括横担）异常腐蚀、锈蚀、螺栓松动、塔位、塔身位移倾斜、拉线盘位移、拉线松紧强度等。(4)塔基异常塔基位移、上拔、下沉等。(5)绝缘子缺陷整体污秽、局部污秽、憎水性、破损、老化、表面放电或电弧烧伤痕迹、伞套伞裙材料硬化、脆化、粉化、裂纹、变形、电压分布异常等。,三、检测方式,1人工巡检目前，普遍采用人工巡检。存在费时、费工、效率低、不全面、不细致等问题。2飞机巡检国外：从上世纪90年代开始，美国、加拿大、俄罗斯、法国等欧美一些发达国家就已经利用巡线输电线路，目前已成为一项比较成熟的技术。国内：上世纪80年代，华北地区、河南省、湖北省都进行过直升飞机巡线的试飞。,2001年四川省电力公司进行了两次直升飞机巡检飞行试验。2004年南方电网超高压公司首次采用直升机巡检500kV输电线路。2005年，绍兴电力公司使用直升飞机对绍兴电网高压线路进行巡检。2006年内蒙电力公司、云南电力公司都进行了直升机巡线试验。,应用直升飞机巡检、维护输电线路被列入“国家电力公司十一五推广应用项目”。,目前，飞机巡检输电线路采用两套记录设备：摄像机：拍摄可见光图像红外测温仪：拍摄红外图像,两种图像都是靠人工观察和分析，确定各种故障的类型、性质及严重程度，只解决了巡线不到现场的问题，不能实现自动分析和自动判断的功能。,对飞机巡检的要求：风速应小于5m/s；飞机飞行于线路的斜上方，距线路水平距离25m30m；摄像机与航向相对保持夹角45；飞行速度小于50km/h；注意阳光反射。,图5飞机巡检输电线路,（a）（b）,3机器人巡检2004年中国科学院兰州分院研制成功超高压输电线路巡检机器人，初步实现了巡检功能，但只能在输电线路一档内沿架空地线行走，其上携带的摄像机或红外热像仪作为检测装置，并将检测到的数据和图像信息经过无线传输系统发送到地面基站，地面基站可以接收、显示和存储机器人发回的数据和图像资料，并对机器人的运行状态具有远程控制和检测的能力。,2006年4月，中国科学院沈阳自动化研究所研制成功500千伏超高压输电线路巡检机器人，并具有跨越障碍功能，与锦州超高压局合作，成功完成了500千伏超高压输电线路巡检试验，标志着用机器人巡检输电线路开始走向实用化。,目前，该技术处于国际领先水平。,我国电力系统较大的停电事故几乎都是在大雾天气因绝缘子绝缘效果不良引起的，近十年来，华北、东北等地区相继发生多次大停电事故。2002年2月22日凌晨，沈阳地区电网因浓雾发生大面积严重污闪，污闪造成了220kV供电系统崩溃。2005年7月26日，内蒙古乌海电业局220kV变电站支柱绝缘子发生污闪跳闸事故。,四、绝缘子状态检测方法,2006年2月12日夜间至13日凌晨，河南中北部地区出现大雾天气，郑州、洛阳地区在汽车灯光下可见度不足5米。郑州、洛阳、新乡、焦作、济源、濮阳、三门峡等区域数条500kV、220kV和110kV线路因雾闪跳闸15条（次），造成大面积停电。,可见，对绝缘子的检测至关重要。,下面介绍检测绝缘子状态的具体方法,1直接观测法目前对于绝缘子外部物理缺陷最为常用的方法是直接观测法，即用双筒望远镜在塔下观察以发现常见的表面缺陷如护套、伞裙、金具等部位有无开裂，有无电蚀损、粉化、放电痕迹等，如有以上现象应立即更换绝缘子。但地面观察不够可靠，还需登杆检测，由于人眼的分辨率非常有限，所以难以发现内绝缘故障和微小裂纹等缺陷。,2路叉法采用短路叉测量两绝缘子之间的电压，使其放电，通过观察放电火花和听放电声音来判断绝缘子的状态。绝缘子承受的电压越高，放电声音越大，火花出现越早。绝缘子内部击穿承受的电压为零时，称为零值绝缘子，用短路叉可以检测出零值绝缘子。,3紫外成像法微小而稳定的表面局部放电会导致复合绝缘子伞裙和护套形成碳化通道或电蚀损。当绝缘子表面形成碳化通道时，其使用寿命会大大降低，甚至在短期内被击穿。利用电子紫外光学探伤仪可以带电检测复合表面由于局部放电而形成的碳化通道和电蚀损，其原理是：局部放电过程中带电粒子会放出紫外线，通过接收紫外线判断绝缘子是否存在局部放电。一旦表面形成导电性碳化通道，局部放电更加剧烈。该方法的不足之处是要求在夜间、正温度环境下操作，只有正在发生局部放电时，才能得到正确的检测结果，一般应在高湿度甚至有降雨的环境中进行。,图6绝缘子串的紫外线成像,4红外成像法红外成像法是利用红外测温仪检测局部放电、泄漏电流流过绝缘物质时的介电损耗或电阻损耗增加等引起的绝缘子局部温度升高的故障，也可以用于其他电气设备的故障检测，红外图像中的红色区域为高温区。目前该方法处于推广应用阶段。红外测温仪的造价较高，每台40万元，目前主要是进口产品。检测结果易受阳光、大风、潮气、环境温度及一些能引起绝缘子表面温度急剧变化因素的影响。,图7支柱绝缘子红外成像,5超声波法超声波法是基于超声波在从一种介质进入另一种介质的传播过程中会在两介质的交界面发生反射、折射和模式变换的原理，超声波发生器发射始脉冲进入绝缘子介质，当绝缘子有裂纹时，则在时间轴上出现该裂纹的反射波，由时间轴上缺陷波的大小和位置即可判断绝缘子中缺陷情况。用超声波检测复合绝缘子机械缺陷时具有操作简单、安全可靠、抗干扰能力强等优点。但由于其存在耦合、衰减及超声换能器性能问题，在远距离遥测上目前尚未有重大突破，不适合现场检测，而主要用于企业生产在线检测以及实验室检测。,6电场分布法正常状态下电场强度和电势沿绝缘子轴向的变化曲线是光滑的。当绝缘子存在导通性缺陷时，该处电位变为一常数，故其电场强度将突然降低，电场分布曲线也不再光滑，而是在相应的位置上有畸变，中间下陷，两端上升。因此测量复合绝缘子串的轴向电场分布可找出绝缘子的内绝缘导通性故障。电场分布法可在线检测复合绝缘子的内绝缘缺陷，且该方法所用仪器较为简单，对天气等外界环境条件要求甚低。,7憎水性检测方法目前，适用于现场的憎水性检测方法主要是瑞典输电研究所提出的喷水分级法。通过对试品表面喷洒水雾，观察水分在试品表面的分布情况，主要是水珠的大小和稀疏程度，确定绝缘子表面的憎水性状况。该方法将复合绝缘子表面的憎水性分为7个等级，并给出分级判据和标准图片，HC-1级和HC-7级分别对应憎水性最强和最差(即完全亲水)的状态。喷水分级法的缺陷是对人的主观判断依赖性较大。,8泄漏电流测量法在绝缘子接地侧通过引流卡或电流传感器，在线实时测量绝缘子表面泄漏电流，计算出一段时间内泄漏电流的统计值(如峰值平均值、峰值最大值或大电流脉冲数),通过无线传输与有线传输相结合，将数据传输到数据总站，对上述三种知识进行综合分析，对绝缘子的积污状况作出评估和预测。该方法的研究和应用目前尚存在较大争议。由于污源不同，污染物差异较大，加上自然环境的差异，绝缘子形状的差异以及各级电压下绝缘子工作场强的差异，是否存在一个临闪络前的泄漏电流阈值呢？世界各国有不同的看法，我国几个地方的看法也不尽一致。,珠海认为：0.25mA1mA；河南认为：10mA20mA；湖北认为：100mA左右；加拿大认为：100mA200mA。,图8整体污秽绝缘子,9脉冲电流法脉冲电流法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：劣质绝缘子的绝缘电阻很低，使其它正常绝缘子在绝缘子串上承受电压明显大于正常的承受电压，因而回路阻抗变小，绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流必将变大，根据线路上存在劣质绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过信号处理达到检出不良绝缘子的目的。,10盐密检测法检测绝缘子表面污垢含盐密度，从而确定绝缘子的绝缘强度。,11图像分析法根据对绝缘子拍摄的图像进行分割、中值滤波、变换、差值、边缘锐化、像素值比较、特征抽取、颜色分析等处理可以确定绝缘子的整体污秽、局部污秽、裂纹、破损等故障。,例如：根据邻域像素值的比较和颜色分析，可以检测出绝缘子的局部污秽，如图9所示。,（a）（b）图9局部污秽绝缘子,图10掉串绝缘子,12转轮法试验转轮法是模拟复合绝缘子“老化”的一种试验，2001年由清华大学研制出我国第一套试验装置，已写入IEC6221标准中。该方法对复合绝缘子的材料性能及设计缺陷都有一定的筛选作用，并在一定条件下能够重现现场运行情况。原理如图11所示。,图11转轮试验,盐水槽,浸泡,加压,休息,凉干,转轮,4,1,2,3,每次试品为四串绝缘子，1号绝缘子先在盐水槽内浸泡40S，然后逆时针旋转90到凉干位置，停留40S，继续逆时针旋转90到加压位置，加试验电压40S，试验电压一般为35V/mm，再继续逆时针旋转90休息40S，再逆时针旋转90进入盐水槽内浸泡40S，如此周而复始。按照标准规定共旋转30000转，加上旋转的时间，大约1700小时，相当于70天。通过转轮法试验，可以发现绝缘子的次品或部分缺陷，如烧灼痕迹、憎水性下降等。,不良绝缘子发生电晕放电时，会发出一定频率的电磁波。无线电波法就是根据接收电磁波的天线的方向和电磁波的强度来判断被测绝缘子是否存在缺陷的。无线电波法具有设备简单、操作方便的优点，但其抗干扰能力差，灵敏度低。,13.无线电波法,14.激光多谱勒法存在裂缝的绝缘子的振动中心频率与正常绝缘子有很大差异。将超声波发生器所发出的超声波，用抛物型反射镜或用激光源对准被测绝缘子，以激起绝缘子的微小振动。然后将激光多谱勒仪发出的激光对准被测绝缘子。根据反射回来的信号的频谱分析，即获得该绝缘子的振动中心频率值，据此可判断被测绝缘子的好坏。这种方法存在操作复杂、造价高等缺点，没有广泛使用。,五、输电线弧垂的检测,弧垂是输电线路运行维护的重要参数之一，直接影响到线路的安全稳定运行。美国2003年8月14日大停电就是由于当时一条345kV线路的弧垂过大，而对线路下方的一颗树放电，从而引起线路跳闸。架空线路弧垂的大小受三个方面因素的影响：线路的档距；导线的应力；所处的环境。,弧垂偏差规定：l10kV及以下的线路允许偏差为5；220kV及以上的线路允许偏差为25；跨越通航河流的大跨越档其弧垂允许误差应小1。,1.空中目测法根据人工在杆塔上目测导线最低点确定目测点到导线最高点的距离，这种方法只适用于等高杆塔，因为是估测，所以误差较大。,2.经纬仪观测法使用经纬仪观测，根据观测得到的参数进行计算。（1）档端角度法观测点设在杆塔一端O，如图12所示。图中的左杆塔高度为aH；右杆塔高度为ah；经纬仪高度为H；观测右杆塔顶点的俯角为；观测弧垂点俯角为。则弧垂计算公式为,当左杆塔高于右杆塔时，如图13所示，计算公式不变。,（2）档内角度法当俯观测不到最大弧垂点时，应将经纬仪观测移到档内进行观测，如图14所示。此时弧垂计算公式为,（3）档外角度法,经纬仪观测法存在以下问题：（1）经纬仪的位置安装不方便；（2）观测方向必须与线路一致方向；（3）计算方法取决于观测位置；（4）误差较大。,当在档端和档内都观测不到最大弧垂点时，应将经纬仪观测移到档外进行观测，如图15所示。此时弧垂计算公式为,3.通过应力和倾斜角计算弧垂,以图13为例，设导线两悬挂点A、B间的档距为l；高差为h（B高于A）导线档内最大的弧垂为,式中：H为导线最低点水平应力；为导线单位长度的自重力。,4通过导线温度计算弧垂,由于导线温度或外荷载变化将造成导线内部应力产生变化，因此在己知某工作条件m时，其水平应力为Hm，当工作条件变为n时，则水平应力变为Hn，其变化关系称为输电线路的状态方程，相应的表达式为,式中：m和n为工作条件m和n时导线单位长度自重力；tm和tn为工作条件m和n时的导线温度；E为导线的弹性系数；为导线的温度膨胀系数；S为导线的截面积。,若Hm、m、n、tm、tn已知，可确定系数F和G。然后用牛顿逐次迭代逼近法求出工作条件n时的水平应力Hn值，再根据,美国TheGroupInc公司生产的CAT-1弧垂测量装置就是根据上述原理制成的。,可计算出温度tn时线路的弧垂。,这种方法存在的问题：（1）计算繁琐，工作量太大；（2）弧垂变化随温度变化不同步；（3）导线温度随大气温度变化而变化。,5.解析法,测量仪器可架在观测导线弧垂的任一地点，可以架在杆塔下、档内导线下、档外导线下，也可架在离线路方向任一侧的垂直方向上。该方法的实质是测取悬垂导线的实际高差，按极坐标法把所测各导线点展绘在CAD中，或者展绘在米格纸上，形成完整的弧垂曲线，直接量取最大弧垂即可。需测的数据如下：(1)观测点距同一档内两杆塔处的距离和高差；(2)导线两端挂线点高度；(3)悬垂导线特征点的距离及高差；(4)与导线特征点对应的地面点的距离及高差。,为了准确描述弧垂曲线的变化，应尽量多的测其悬垂导线的特征点。,6基于图像处理的测量方法根据照相机或摄像机拍摄的图像,将三维图像变成二维图像，通过对二维图像的处理，提取出导线或导线特征量，将二维图像变成曲线，然后计算出弧垂。具体步骤如下：,（1）相机标定由于相机所拍摄的图像都是三维空间中的每一点通过透镜的成像，因此三维空间坐标系下的点和图像上的对应点之间必然会存在一定的映射关系，这一切都能够通过相机的几何成像模型来确定，该几何模型的参数就是相机参数，确定这些参数的过程称为相机标定。,（2）目标提取,以提取分裂导线间隔棒为例，如图16所示。利用模板匹配技术，用间隔棒作为模板，将一条导线的间隔棒提取出来。,图16分裂导线和间隔棒,（3）建立世界坐标系，利用双目立体视觉原理寻找最佳的匹配位置，确定每个间隔棒的坐标，如图17所示。,图17双目立体视觉原理示意图,（4）拟合曲线,用最小二乘法对间隔棒中心的坐标数据进行拟合，确定曲线方程。（5）计算弧垂最后根