0 引言

瓷质绝缘子作为一种十分重要的电气部件，被广泛应用于日常输电线路中，对于输电线路起到了机械支撑和电气绝缘的作用。工程现场使用的瓷质绝缘子主要由4个部分构成，分别为钢帽、粘合剂、瓷件和钢脚。正确工艺制作得到的瓷质绝缘子绝缘电阻较高，因此拥有良好的绝缘性能，但长时间工作在输电线路中，受到各种自然环境因素及高压的影响，瓷质绝缘子内部的粘合剂部分受腐蚀、高压作用而损坏造成绝缘电阻阻值不断降低，最终形成零值，从而使瓷质绝缘子丧失绝缘性能^[1-6]。绝缘子性能的降低给电网的稳定运行带来潜在的威胁，因此对绝缘子进行状态检测有着十分重要的现实意义^[7-9]。

现如今对于绝缘子零值检测技术主要分为2种，一种是传统的接触式检测方法，另一种是非接触式检测方法。传统的接触式检测方法以火花间隙法和绝缘电阻法为代表，需要登塔操作，费时费力，且绝缘电阻法需要停电。此外还有一些新兴方法^[10]不断被提出，例如紫外检测法^[11-12]、红外检测法^[13]和空间电场检测法^[14]。紫外法和红外法在测量零值绝缘子时容易受外部环境因素干扰，对检测的环境要求比较高。空间电场法检测零值绝缘子是基于检测待测绝缘子的沿串电场分布得出电压分布曲线，并与完好绝缘子的电场分布曲线作对比从而得出待测绝缘子是否存在零值及零值位置，受外部检测环境干扰较小。

因此，电场法检测零值绝缘子相较其他方法有着显著优势，文献[15]提出电场法更加适用于机器人检测的应用；文献[16-20]提出一种基于空间电场法检测零值绝缘子的检测装置，但是该装置需要将绝缘子串的整串电场全部检测结束后再与完好绝缘子串的电场分布进行对比，检测效率较低；文献[21-22]仿真分析绝缘子片出现零值时对绝缘子轴向电场的影响，得出在进行零值绝缘子检测时检测位置应尽可能贴近绝缘子的结论，文中在后续的研究中也充分考虑了这种情况。在此基础上，文中提出一种基于局部电场畸变特性的零值绝缘子片点测方法，首先采用塑料板模拟检测装置，基于COMSOL仿真研究了塑料板表面的电场畸变特性，得到了检测位置、零值片对电场畸变特性的影响，获得了零值绝缘子局部电场识别判据。继而研制了一种三阵列电场检测装置，并与仿真结果进行互相验证，实现了零值绝缘子的点测识别，点测识别实现了零值绝缘子的即检即测，相较于传统的电场检测法需完整测量整串电场才能识别零值绝缘子，大大提升了检测效率。文中研究成果可进一步应用于无人机^[23]、机器人^[24]，实现超特高压零值绝缘子片的高效检测。

1 零值绝缘子局部电场畸变特征 1.1 零值绝缘子电场分布仿真模型

已有研究结果表明^{[22, 25]}，不同电压等级下绝缘子串周围电场分布特性相似，且当存在零值片时，整体分布曲线会发生相似的畸变现象。由上述研究可知电压等级只影响了零值绝缘子畸变电场的起始幅值，并不影响零值绝缘子局部电场畸变的特征，因此文中选取14片XP-160瓷质绝缘子为代表，通过静电场仿真获得其产生零值片后的局部空间畸变特征^[26-27]，其中绝缘子的结构高度为2 170 mm，盘径为255 mm，钢帽长度为100 mm，金具长度为90 mm。零值绝缘子的三维模型如图 1所示。

其中电场的检测路径L为从高压端第一片最低端O点开始沿箭头方向进行，检测距离d为路径L上的点到瓷质绝缘子伞裙边缘平行位置的距离。

文中将瓷质绝缘子的钢帽、瓷件、钢脚进行贯穿处理，模拟存在零值的瓷质绝缘子。仿真模型中所需的不同材料的基本属性见表 1。

通过COMSOL有限元仿真软件求解瓷质绝缘子的电场分布特性，文中在仿真时按照表 1中不同材料的相对介电常数以及电导率，为仿真模型不同区域设定表中对应材料的参数数值，边界条件的设置中对空气域和低压端的金具施加零电荷，对与瓷质绝缘子相连的高压端导线和金具施加单相运行电压，幅值179 kV^[28]。计及计算机的计算速度、精度，文中在仿真模型中对空气域部分的网格采用了较细化剖分，对绝缘子和装置仿真模型部分采用了极细化剖分。

1.2 绝缘子零值部位电场畸变特征

仿真时每次仅对绝缘子串设置一片零值绝缘子，将绝缘子串高压端第3、7、10片绝缘子按照上述方式分别设置为零值，检测距离d设置为15 mm，零值位置在图 1中体现为A、B、C3处位置，通过COMSOL对绝缘子串进行静电场仿真，得到检测路径上瓷质绝缘子的沿串合成电场分布特性^[26]见图 2。

由图 2可知，当绝缘子串片处于零值状态时，零值绝缘子处的空间电场相较于完好绝缘子处的空间电场呈现“先降后升”的特征，且高压端和中压端畸变的位置正对钢脚，低压端畸变位置正对伞裙，畸变的长度为110~120 mm。

因此，可通过局部的电场畸变特性来识别零值绝缘子片，而不需要通过整串的电场分布。在对局部电场进行检测时，首先考虑检测传感器本身对电场分布的影响，由上文仿真结果可知，传感器的检测长度应大于120 mm才能确保检测装置在检测时能够完整获取电场分布的畸变区间，因此首先将检测装置简化为一块长130 mm、宽100 mm、厚10 mm的有机塑料板，如图 3所示，并根据图 2的结果，设置检测塑料板位置处于高压端零值片的伞裙边缘，通过仿真来初步获得点测零值片时的局部电场畸变情况。

由于文中研究的是采用点测方式检测零值绝缘子，故不考虑检测距离的影响，仿真时统一设置检测距离d为15 mm，得到当塑料板介入后，绝缘子的沿串电场分布特性如图 4所示。图中E₁、E₂、E₃分别为无零值时塑料板顶部、中部、底部表面电场强度，E′₁、E′₂、E′₃分别为零值时塑料板顶部、中部、底部电场强度。

由图 4可知，当在绝缘子片外部放置塑料板时，塑料板表面的电场发生严重凹陷，通过绘制塑料板表面的电场云图进一步分析，如图 5所示。由图 5可知，当塑料板处于绝缘子片外部时，塑料板两端场强明显高于塑料板中部(图 5中1和3处及1′和3′处的电场强度明显高于中部电场强度2和2′处)。在绝缘子零值与非零值状态下，塑料板两端的电场强度有明显差异，体现在靠近高压侧的一端降低，靠近低压侧的一端抬升，该差异是由图 2中的零值片电场基本畸变特性所导致。

根据图 4及图 5中的3个典型位置的电场变化特性，计算局部电场变化率η₁₃和中部电场偏差率η₂，分别如式(1)和式(3)所示。

$ \eta_{13}=\frac{\left|E_1-E_3\right|}{\max \left(E_1, E_3\right)} $

(1)

$ \eta_{13}^{\prime}=\frac{\left|E_1^{\prime}-E_3^{\prime}\right|}{\max \left(E_1^{\prime}, E_3^{\prime}\right)} $

(2)

$ \eta_2=\frac{\left|E_2-\max \left(E_1, E_3\right)\right|}{\max \left(E_1, E_3\right)} $

(3)

$ \eta_2^{\prime}=\frac{\left|E_2^{\prime}-\max \left(E_1^{\prime}, E_3^{\prime}\right)\right|}{\max \left(E_1^{\prime}, E_3^{\prime}\right)} $

(4)

式中：E₁、E₃为检测装置两端(包括塑料板两端)检测无零值时的电场强度；E₂为检测装置中间位置(包括塑料板中间位置)检测无零值时的电场强度; E′₁、E′₃为检测装置两端(包括塑料板两端)检测零值时的电场强度大小；E′₂为检测装置中间位置(包括塑料板中间位置)检测零值时的电场强度；η₁₃为检测装置端部(包括塑料板两端)检测无零值时的局部电场变化率；η′₁₃为检测装置端部(包括塑料板两端)检测零值时的局部电场变化率；η₂为检测装置中部(包括塑料板中部)检测无零值时的电场偏差率；η′₂为检测装置中部(包括塑料板中部)检测零值时的电场偏差率。

计算得到，零值片下塑料板两端的局部电场变化率为4.84%，远低于绝缘子完好时塑料板两端的局部电场变化率28.06%。基于此，提出通过塑料板表面、两端和中间3个位置的电场强度大小来识别零值绝缘子片，首先通过识别凹陷程度来判断数据的有效性，继而通过判断两端电场变化率来判定是否为零值片。

2 检测装置对局部电场畸变特征的影响

由前文可知，在绝缘子串外部放置塑料板时绝缘子零值状态和完好状态的电场分布差异性较为明显，且3个点位的电场值均可以反映这种状态。在此基础上考虑研制三阵列电场检测装置，并进一步仿真研究检测装置实际本体对局部电场畸变造成的影响。

2.1 检测装置仿真模型

检测装置主要由检测探头、硅板、外壳组成。装置的外壳采用塑料，具有良好的绝缘性能，能够有效防止测量高压电极附近绝缘子发生放电现象。初步设计检测装置的外壳尺寸：长130 mm，宽100 mm，高40 mm；检测探头尺寸：长15 mm，宽7 mm，高2 mm；电路板尺寸：长120 mm，宽90 mm，高2 mm。检测装置的三维模型如图 6所示。

检测探头的布置位置为探头1和探头3，处于装置最上端和最下端，探头2的布置位置位于装置中间。仿真示意如图 7所示。由于传感器外壳采用方形结构，方形结构存在棱角情况，文中在仿真建模时已考虑棱角因素。

2.2 仿真结果及分析

按照前文每次仿真仅设置一片零值绝缘子的原则，分别将绝缘子串的高压端第3、7、10片绝缘子(对应图 1的A、B、C处)设置为零值，得出含装置情况下绝缘子串的电场分布曲线，即图 8。由图 8可知，当零值位置处于绝缘子串的高、中、低压端时，检测部位的电场畸变特征一致，即探头2位置电场强度较低，探头1、3位置的电场强度会因零值片的存在而得到不同程度的抬升或降低，从而使探头1、3电场强度值相当并且装置的引入对绝缘子串电场分布影响和前文塑料板引入对电场分布影响类似。

计算得到3个零值片情况下的探头1、3电场变化率和探头2的偏差率如表 2所示。由表 2可知，当绝缘子处于零值状态时，η′₁₃ < 10%，η′₂ < 50%。因此，基于3个探头测量的3个点位的电场强度可以有效识别零值绝缘子。

3 基于局部电场畸变的零值绝缘子点测试研究

由前文的仿真可知，当瓷质绝缘子发生零值时，通过局部电场特征可以有效识别检测，由此文中研制出一种三阵列式电场检测装置，通过检测瓷质绝缘子的局部电场变化率来识别零值绝缘子。

3.1 检测装置工作原理

文中的电场检测装置是建立在静电感应的基础上进行研制。如图 9所示，电场检测装置主要包括7个模块，分别为探头检测模块、信号处理放大模块，中央电场处理单元模块、无线通信模块、逆变处理模块、外部电源模块以及数据接收终端模块。空间电场检测装置的电路构造如图 10所示。

3.2 试验平台及原理图

文中测量零值绝缘子所搭建的现场试验平台如图 11所示，试验接线原理如图 12所示。将14片XP-160瓷质绝缘子垂直悬挂在横担上，电场检测装置通过2根绳索固定。由图 12可知，试验电源通过2台串级变压器经保护电阻施加在瓷质绝缘子的高压端，2台串级变压器、支撑瓷质绝缘子横担及瓷质绝缘子低压端均实现可靠接地，空间电场检测装置与数据接收终端通过天线模块实现通信连接，试验检测时将检测装置紧贴绝缘子串用以控制每次检测距离相同。

3.3 试验结果及分析 3.3.1 零值瓷质绝缘子模拟方法

文献[29]指出，当绝缘子为零值状态时其阻值低于10 MΩ。文中以通过导线将瓷质绝缘子的钢帽和钢脚相互连接的方式模拟零值绝缘子^[30]。为验证合理性，首先使用ZC-7型兆欧表测试现场真实零值绝缘子，测得该绝缘子的阻值约为3 MΩ。使用导线连接正常绝缘子钢帽和钢脚模拟零值并将模拟零值绝缘子放置在待测绝缘子串高压端第一片，将三阵列检测装置放置在模拟零值片处，现场实物如图 13(a)所示。在高压端施加127 kV工频交流电压测试阵列装置检测零值数据。接着选取实际零值绝缘子，将实际零值绝缘子放置在待测绝缘子串高压端第一片，将三阵列检测装置放置在真实零值片处，现场实物如图 13(b)所示。在高压端施加127 kV工频交流电压测试阵列装置检测零值数据。

通过一组对比试验验证使用短接法能否模拟零值绝缘子，对比试验检测数据如表 3所示。由表 3可知，在高压端施加127 kV工频交流电压，使用短接法模拟零值绝缘子片检测数据与真实零值绝缘子片检测数据误差小于5%，且检测装置检测模拟零值绝缘子所得规律与真实零值绝缘子片相同，因此使用导线短接绝缘子的钢帽和钢脚可以模拟零值绝缘子。

文中试验采用绝缘子型号为XP-160。试验过程中首先将装置外接电源和空间电场检测装置连接，使电场检测装置处于带电工作状态；接着将2根绳索悬挂在铁架上并使用绳夹将空间电场检测装置固定在待测绝缘子边缘，通过调节绳夹以及绳索来实现移动电场检测装置检测具体位置；每次检测试验时确保检测装置紧靠着待测绝缘子片，用以统一检测距离。试验时在绝缘子高压端施加127 kV工频交流电压用以模拟220 kV线路零值绝缘子的检测。

3.3.2 试验结果及识别判据验证

文中在检测时首先将待测绝缘子片模拟零值，然后将检测装置依次放置在待测零值绝缘子片的3处位置进行检测，接着将模拟零值导线去除，将检测装置放置在完好待测绝缘子片处，记录检测结果。按照上述方法逐片测量整串绝缘子，其中检测装置放置的3处位置分别为检测装置正对上方钢帽、检测装置正对绝缘子伞裙及检测装置正对钢脚处，检测装置放置位置示意如图 14所示，并记录零值位置处测量数据，检测数据记录了每片绝缘子装置的最佳检测位置以及最佳检测位置时检测装置的探头数据，检测结果如表 4所示。

通过表 4数据可得，当空间电场检测装置处于待测绝缘子串的钢脚，被检测绝缘子串中出现零值绝缘子时，探头1和探头3的实测电场强度出现了不同程度的抬升或降低，与前文仿真结果趋势相同，受试验环境影响绝缘子第13片和第14片零值时其电场强度较小，检测效果有所欠缺，后续将进一步完善检测装置。当绝缘子串高压端和中压端即绝缘子串中间部分出现零值绝缘子时，通过计算探头1和探头3的电场变化率及探头2的偏差率，得出当待测绝缘子片为零值绝缘子时，探头1和探头3的电场变化率低于10%，且探头2测得的电场强度与探头1和探头3中较大值的偏差率小于50%，与前文仿真结果相同。检测装置在检测绝缘子串高压端和中压端时检测效果较好且精度较高。

由上述检测数据可知当电场检测装置检测的绝缘子处于零值状态时，η′₁₃ < 10%，η′₂ < 50%。装置的实测效果与前文仿真所得结果一致，验证了检测装置的有效性。后续将会进一步将检测装置与无人机结合形成配套装置并实现现场应用。

4 结论

文中基于COMSOL静电场变仿真，提出基于零值绝缘子局部电场畸变识别零值绝缘子的方法，在此基础上研制了一种三阵列空间电场检测装置，通过试验验证检测装置的有效性，得出主要结论如下：

(1) 绝缘子存在零值状态时，其电场分布曲线相较于完好状态绝缘子发生明显畸变，对于文中研究对象，其畸变长度在110~120 mm之间，高压端和中压端畸变位置正对钢脚，低压端畸变位置正对绝缘子伞裙。

(2) 当检测装置的长度大于120 mm时，检测装置表面电场分布呈现两端高中间凹陷的特征，且在零值状态下，检测装置处于零值片位置时，其两端电场大小接近。

(3) 通过三阵列电场检测的方式可以获得局部电场畸变特征，从而识别绝缘子串零值片。对于文中研究对象，检测装置的长度应大于120 mm，高压端与中压端最佳检测位置为正对钢脚，低压端最佳检测位置为正对伞裙，且零值的识别判据为η′₁₃ < 10%，η′₂ < 50%。