特高压直流输电线路低零值绝缘子带电检测装置

 张显1，罗日成1，邹明1，潘俊文1，唐祥盛1，邹德华2

 （1．长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙  410004;2．湖南省带电作业中心，湖南长沙  410076）

摘要：泄漏电流是随时间变化的物理量，造成绝缘子绝缘电阻测量法检测困难，由于在线检测的绝缘子数量多．工作量大。为解决以上问题，设计了一种带电测量±800 kV特高压直流输电线路绝缘子绝缘电阻的检测装置正常工况下控制该装置在耐张绝缘子串和垂直绝缘子串上的攀爬翻转，同时在不受泄漏电流影响的情况下完成绝缘子绝缘电阻检测工作。实验数据表明：该装置测量绝缘子绝缘电阻的误差在5%以内，能很好地判断出正常运行线路绝缘子是否为低值或零值绝缘子，进而判断绝缘子的优劣状态，达到实验目的。本装置具有结构简单．灵活性高，可靠性强的特点，具有较好的实用性。

关键词：特高压直流输电；带电检测：绝缘子；绝缘电阻；检测装置

中图分类号：TM216 DOI: 10.11930/j．issn．1004-9649.2016.06.090.05

0引言

 绝缘子在输电线路中起着电气绝缘和机械支撑的重要作用，它的可靠性直接影响电力系统运行的可靠性。由于绝缘子长期处于室外工作，易受各种外界环境影响而使其受损。输电线路的劣质绝缘子特别是低零值绝缘子如不能及时被检测出来必将给电网的安全可靠运行带来隐患，一旦引起输电线路短路、掉线等故障，将严重影响电网的正常运行，带来巨大的经济损失和社会影响。因此绝缘子绝缘电阻的带电检测显得尤为重要。

 目前．罔内外电网企业对线路绝缘子检测的方法主要有：观察法、紫外线成像检测法、红外线成像检测法、超声波检测方法、泄漏电流法、绝缘电阻测定法等。指出观察法虽简单，

但可靠性不高：指出紫外线成像仪工作的温度不宜过高，否则设备容易被损害，且紫外成

像设备易受检测距离、观察角度、增益、温湿度等自然环境的影响，设备成本很高：指出

红外线成像法仪器检测的温度易受阳光、大风、潮气、环境温度等因素的影响，且仪器成本也相当高；再次指出超声波检测方法检测高压端金具时常发生电晕，产生的背景噪音会掩盖绝缘子缺陷处所发出的声波，不能到达检测目的；指出泄漏电流法虽能在低压端准确测量泄

漏电流的变化，但受诸多因素影响，不能准确地反映绝缘子的具体劣化程度，且造价很高。

 本文采用绝缘子绝缘电阻测定法来判断绝缘子优劣状态。干净良好的绝缘子绝缘电阻可达1 000 MΩ以上，受一般尘埃（非可溶性盐）污染的良好绝缘子绝缘电阻也在300 MΩ以上。而零值和低值绝缘子的阻值则低于300 MΩ或只有几十兆欧。根据劣质绝缘子零值或低值这一特点，可采用测量绝缘子绝缘电阻法判断绝缘子的优劣状况。本文设计的装置能够在输电线路正常工作的情况下检测绝缘子的绝缘电阻，解决了绝缘子在线检测困难，工作量大的问题，对输电线路绝缘子的检测有一定的指导意义。

1  检测装置及原理

 在±800 kV特高压直流输电线路带电检测绝缘子绝缘电阻的工作中，为了保证带电作业人员的安全，本文设计了工况下在线测量绝缘子绝缘电阻的装置，为判断绝缘子优劣状态提供有效信息。本机械装置主要由机械手1和机械手2、绝缘连杆、旋转电机、电压检测指针等部件构成，其结构如图1所示。

1.1  检测装置动作分解

 开始检测时，人工将装置机械手1套在待检  测绝缘子串的第1片绝缘子钢帽上，控制另一机械手2旋转，使机械手2套住第3片绝缘子的钢帽．控制电机_丁作通过机械连杆实现机械手的张合动作，使机械手2抓紧钢帽，然后启动绝缘连杆中间的指针电机工作，使电压检测指针碰触中问绝缘子的钢帽，实现第一二片绝缘子绝缘电阻检测．进而完成其阻值的采集、存储和发送。

 每次数据采集完成后，启动绝缘连杆中间的电压检测指针电机工作，带动电压检测指针旋转离开绝缘子钢帽，然后通过控制电机使机械手1松开第1片绝缘子钢帽，动作分解如图2所示。绝缘连杆以电机输出轴为中心向绝缘子串外侧旋转450，使机械手1离开绝缘子串：再控制机械手1旋转1800，准备下一次的抓取动作；以机械手2的关节点为中心，绝缘连杆向绝缘子串外侧翻转1350，将机械手1套住第5片绝缘子的钢帽并抓紧，然后启动绝缘连杆中间的电压检测指针电机，使电压检测指针碰触中间绝缘子的钢帽．实现第三四片绝缘子绝缘电阻的检测，机器人完成一个完整的爬行动作和绝缘电阻检测。如此反复，完成绝缘子串的攀行和绝缘电阻检测。为防止机械手未抓牢钢帽的情况，在2个机械手上各装设1个摄像头，并传输监控图像至地面移动显示设备，根据其传输的视频资源判断机械手是否抓牢绝缘子钢帽。

  1.2检测原理

 ±800 kV特高压直流输电线路绝缘子泄漏电流不容忽视。否则会对绝缘子绝缘电阻的检测值造成很大的干扰。考虑到绝缘子预留的安全裕度很高，短接2片绝缘子不会影响线路和杆塔的绝缘。检测原理如图3所示，当机械手臂1和2抓紧绝缘子时，使相邻2片绝缘子短接，两端电位相同，使其成为独立的检测同路。24 V锂电池放在机械装置托架上，2.5 kV检测电压经探针流过绝缘子得到电流信号，在控制板上装有分压电阻与绝缘子串联进行分压，分得的电压经放大器放大供AD采集模块采集，通过得到的数据便可计算绝缘子绝缘电阻。为减小测量误差，本装置采用精密线绕式电阻，受外界影响的误差在0.01%以内，提高了绝缘子绝缘电阻检测精度。

2硬件电路设计

 本装置的总体结构设计如图4所示。本文将通过电源管理模块、AD采集模块、中央处理模块、电机驱动模块及通信模块5个方面分别进行阐述。

2.1  电源管理模块

 本设计选用24 V锂电池作为单一输H{电源．提供中央处理模块所需的5 V电压，电机所需的24 V电压和2.5 kV检测电压以及摄像头所需的12 V电压等。在控制系统巾控制器及通信模块等通常需要很小的稳定直流电压，故本系统设计稳压电路实现电源对控制系统的稳压输出。由于检测绝缘子所需的检测电压较高，故在设汁巾加入DC-DC升压电路实现电压的转换，达到检测所需的2.5 kV直流检测电压。升压电路如图5所示。

 电池容量有限．在检测过程中会出现电源电压波动的情况，因此在电源管理模块中设计了电源电压实时检测电路，检测原理如图6所示，通过2级串联放大器得到电压值为V x，则可得到电源的实时电压，即可实时检测电源电压。通过电源电压值可以准确计算出绝缘子绝缘电阻。

2.2 AD采集模块

 由检测原理图3可知．AD采集模块采集的电压为分压电阻上的电压，放大及采集电路如图7所示．经过双电压精密低功耗仪表放大器INA129和通用运算放大器OPA2171放大得到几毫伏到2.5 V左右可采集的电压。在相应管脚串联滤波电容达到滤波的目的。为了确保后端采集电路的安全．在运算放大器OPA2171上加有保护电路。

 本设计采集模块采用基于ADC的设计方案，采用5V工作电源。由于每次检测2片绝缘子的绝缘电阻需同时测量两臂的电流，而两臂电流相对于测量系统是一正一负，故采用运算放大器将负电流转换为正电压，以2.5 V为基准电压，大于2.5 V为正，小于2.5 V为负。通过AD采样此电压数据来获得两臂的实际电流，进而求出绝缘电阻。

2.3  中央处理模块

 检测装置采用了由意大利和法同半导体生产的STM32F103ZE单片机作为本装置的中央处理模块。该单片机功耗低的特点延长了检测装置的续航时问，多管脚的特点能够很好地满足装置以及通信的需求。

 此外该单片机还具有高精度、高稳定性，处理速度快的优点，很好地满足装置的需要，使检测数据及时准确地处理和传输。

2.4  电机驱动模块

 本设计采用的电机是瑞士Maxon的RE40直流石墨电刷电机，输出功率是150 W。2部RE40石墨电刷电机通过特定的机械结构使机械装置在绝缘子串上实现翻转动作，为了保证装置攀爬的稳定性，机械装置的翻转速度不易过快。通过控制脉冲宽度调制PWM的占空比调节电机转速。实验表明当占空比为15%时，所得的机械装置翻转速度恰好满足实验要求。机械手柄1和机械手柄2的张合是另外2个电机通过带动机械连杆实现的，电机PWM占空比选为40%。

2.5通信模块

 通信模块包括测控系统与地面遥控器之间的无线通信以及采集数据的GSM传输。测控系统与地而遥控器之间使用无线传输方式，输电线路存在电晕现象，可能对无线电波产生干扰，因此控制器选用载波频率处于可调ISM频段的低功耗RF收发一体芯片CC1010，经实际测量其发射、接收距离可以达到150m。芯片内部集成了一个8051内核．不需要冉额外增加控制芯片，使得其易于操作和控制。本文采用SIM800作为绝缘子绝缘电阻数值的传输模块，将采集到的数据以短信的形式发送至地面移动设备中，工作人员通过得到的数据判断此绝缘子的优劣状态。

3  电场抗干扰设计

 ±800 kV高压直流输电线路正常输电时绝缘子串周围存在较大场强，且随着绝缘子到线路的距离不同，电场强度有所不同。高压端绝缘子的电场强度约为304 V/mm;绝缘子串中部的绝缘子电场强度约为55 V/mm;低压端绝缘子电场强度约为60 V/mm，不同类型绝缘子电场分布有所不同。具有均压环时，均压环附近的场强相对比较集中。不带均压环时，绝缘子端部电场畸变更为严重。

 检测装置的干扰主要来自输电线路周围电场以及其他仪器产生的电磁干扰。干扰主要包括各种谐波以及输电线路中的电流、电晕等产生各种频段的干扰信号。

3.1  PCB板防干扰

 PCB板在整个硬件电路中有着-分重要的作用，在实现控制功能的前提下要尽量减小板子的尺寸，减少PCB板不同器件之间的耦合干扰。每个电子元器件都接有去耦电容，且在电源端并入电容以消除电源高频脉冲，减少对集成电路干扰．最后，把控制板以及中央处理模块放进电场屏蔽盒中，使检测装置处在零电场的环境中．起到屏蔽绝缘子周围电场的效果。

3.2  采用跳频技术降低通信干扰

 为防止磁场环境对无线传输模块的影响．设计数传模块时采用CC1010芯片，此芯片具有支持跳频协议的特点。通过对CC1010寄存器的操作，设置多个频点，使通信可以在某些频率上正常工作，降低了磁场环境对通信的干扰。

4实验数据分析

4.1  不带电测量数据

 在检测过程中发现检测所得的数值有较大的波动，为减小波动确保检测的稳定性和可靠性。在程序中加入滤波算法．采样10次取平均值作为该绝缘子绝缘电阻，实验表明此滤波可有效地减少波动的产生，使测量数据更加稳定。

 测量时不可避免地干扰影响了检测装置的测量精度，因此采用拟合算法对测量数据进行修正，使测量结果更接近真实值。表1给出了测量精密电阻得到的实验数据和拟合后的校准值。

 由表l可得：不带电检测时，当检测阻值较小时，精度比较准确，随着阻值的增加．误差也随之增大。拟合后在误差允许的范围内测量结果满足要求。

4.2  带电测量时检测数据的稳定性

 以上测量结果是在室内无外部干扰的环境中测得的，没考虑绝缘子真实的测量环境。于是选择在户外带电的情况下进行实验。选取6片完好的绝缘子，1片低值绝缘子，用2.5 kV数字式兆欧表测得低值瓷绝缘子的阻值为263 MΩ，将这7片绝缘子垂直排列挂好，并按顺序编号，对7片绝缘子加110 kV电压进行实验测量，测量数据如表2所示。

 从试验数据中可以看m：此装置带电检测结果与数字式欧姆表测量结果相一致，并且每次测量4号绝缘子时都有报警声发出，绝缘子绝缘电阻的测量误差在5%以内。每检测2片绝缘子的时间约为90 s，解决了在线测量绝缘子困难、工作量大的问题．达到了实验目的，满足了实验要求。

5结语

 针对目前绝缘子在线检测方法的各种不足，本装置解决了在线检测绝缘子绝缘电阻困难、工作人员工作量大的问题。本装置可以直观测得绝缘子绝缘电阻，为判断绝缘子的优劣状态提供了可靠的依据。设汁时为确保测量数据的准确性，充分考虑丁作环境的复杂性，采用大量的抗干扰措施。同时采用滤波算法对数据进行优化，通过对测量值与真实值进行拟合，减小了系统内部因素带来的误差，使测量数据更加稳定、准确。

 试验数据表明：该装置完成2片绝缘子绝缘电阻检测工作约需90 s，解决了批量在线检测绝缘子绝缘电阻时工作量大、耗时长的问题。在带电情况下，绝缘子绝缘电阻测量误差在5%以内。能准确判断出输电线路工况下的绝缘子是否为低零值绝缘子，为判断绝缘子的优劣状态提供了有效信息。此装置结构简单、成本低、测量准确，具有很好的实用性。