華北電力大學(xué)輸變電設(shè)備安全防御研究團隊在輸電線路零值絕緣子自診斷領(lǐng)域取得新突破：新型電致發(fā)光涂料讓零值絕緣子“無處遁形”

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導(dǎo)語

輸電線路瓷質(zhì)絕緣子長期承受強電場、復(fù)雜載荷及嚴苛氣候條件的共同作用，其內(nèi)部電阻值逐步降低形成零值絕緣子，是引發(fā)線路事故的重要隱患之一。然而，現(xiàn)有檢測手段難以對零值絕緣子實現(xiàn)準確、高效的在線辨識，已成為困擾輸電運維領(lǐng)域多年的技術(shù)瓶頸。

針對這一瓶頸，華北電力大學(xué)輸變電設(shè)備安全防御研究團隊與中國電力科學(xué)研究院高壓所研究團隊聯(lián)合攻關(guān)，提出了基于電致發(fā)光效應(yīng)的輸電線路零值絕緣子自診斷方案。該方案無需接觸測量、無需停電作業(yè)，為輸電線路零值絕緣子提供了一種高效、可視化的檢測新方案。

研究背景

“十五五”規(guī)劃明確提出“構(gòu)建韌性堅強、智能靈活的現(xiàn)代化電網(wǎng)”，并強調(diào)“提升電力關(guān)鍵設(shè)備運行可靠性，打造具有韌性的高可靠型電網(wǎng)”。絕緣子作為電網(wǎng)中數(shù)量龐大的基礎(chǔ)組件，其內(nèi)部缺陷是威脅輸電線路安全穩(wěn)定運行的重大隱患。

盡管現(xiàn)有檢測技術(shù)種類較多，但仍存在傳統(tǒng)接觸式檢測方法檢測效率低、常規(guī)非接觸式檢測方法易受環(huán)境干擾、檢測周期間隔內(nèi)存在盲區(qū)、投入成本高等問題。因此，亟需提出能夠滿足零值絕緣子可視化檢測和預(yù)警需求的新型診斷方法，實現(xiàn)對零值絕緣子更早期、更靈敏、更可靠的在線診斷。

論文所解決的問題及意義

針對當前非均勻電場下絕緣子內(nèi)部缺陷與表面電場分布的映射關(guān)系尚不明確，現(xiàn)有電致發(fā)光材料的臨界發(fā)光閾值電場偏高且缺乏靈活調(diào)控手段，難以適配輸電線路實際運行檢測場景等關(guān)鍵問題，本文首先制備出適用于輸電線路瓷絕緣子表面的電致發(fā)光涂料，并確定其臨界發(fā)光閾值電場強度；通過有限元仿真計算不同工況下絕緣子串的表面電場分布特性，并結(jié)合電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值電場強度，確定其噴涂位置及面積；最后進行帶電試驗，綜合分析仿真計算結(jié)果及帶電試驗結(jié)果，提出針對輸電線路零值絕緣子的自診斷技術(shù)方案。

本研究成果顯著提升了輸電線路零值絕緣子的診斷準確率和檢測效率，有效彌補了傳統(tǒng)檢測方法的局限性，為推動電力設(shè)備運維模式向“狀態(tài)自感知-缺陷自診斷”的管控體系升級提供了理論基礎(chǔ)和路徑參考。

論文方法及創(chuàng)新點

1、電致發(fā)光涂料配制及發(fā)光特性測試

搭建了電致發(fā)光材料發(fā)光特性測試平臺，并提出了基于灰度值統(tǒng)計的發(fā)光亮度量化算法。

從理論和試驗角度分析了涂層厚度、填料濃度、高介電常數(shù)顆粒質(zhì)量分數(shù)對電致發(fā)光材料發(fā)光亮度的影響，制備了可涂覆在輸電線路瓷質(zhì)絕緣子串表面的電致發(fā)光涂料，使之可以在線路正常運行工況下穩(wěn)定發(fā)光。

圖1 電致發(fā)光材料發(fā)光特性測試平臺示意圖

圖2 不同涂層厚度下試片電致發(fā)光圖像

圖3 不同厚度下最大發(fā)光亮度灰度值及發(fā)光區(qū)域半徑

通過材料改性有效降低了電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值電場，并提高了涂料的發(fā)光亮度。調(diào)控后的電致發(fā)光涂料臨界發(fā)光閾值電場約為200 kV/m，可以被正常工況下的絕緣子串表面電場激活發(fā)光，實現(xiàn)了零值絕緣子與正常阻值絕緣子間顯著可辨別的發(fā)光特征差異。

2、瓷絕緣子表面電場有限元仿真分析

建立了XWP2-70 瓷絕緣子模型，通過在絕緣子表面爬電路徑上設(shè)置電場掃描路徑，以獲取絕緣子表面電場分布的局部差異來確定電場梯度顯著或敏感區(qū)域，并結(jié)合電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值電場強度確定電致發(fā)光涂料在絕緣子表面的噴涂位置及面積。

圖4 XWP2-70絕緣子仿真模型

圖5 工頻電壓下單片XWP2-70絕緣子表面電場分布曲線

單片絕緣子有限元仿真結(jié)果表明，絕緣子表面的電場集中現(xiàn)象主要發(fā)生于鋼腳部分水泥與瓷件交界處及鋼帽與瓷件交界處等多介質(zhì)交界的復(fù)合界面，這些區(qū)域表面電場較大且對絕緣子表面電場分布變化敏感。當外施工頻電壓時，位于鋼腳部分的水泥與瓷件交界處及鋼帽與瓷件交界處的電場強度均超過電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值。

二者相比，鋼腳部分水泥與瓷件交界處電場強度更大，且超過電致發(fā)光涂料臨界發(fā)光閾值電場強度的面積更大，此時電致發(fā)光涂料亮度更高，更有利于觀察絕緣子表面電致發(fā)光現(xiàn)象，因此該區(qū)域較為適宜作為噴涂電致發(fā)光材料的特征區(qū)域，并且建議噴涂在鋼腳部分水泥與瓷件交界處的電致發(fā)光涂層寬度約為10 mm。

3、輸電線路絕緣子串不同工況電致發(fā)光帶電試驗驗證

基于制備好的電致發(fā)光涂料及有限元仿真計算結(jié)果，搭建了輸電線路零值絕緣子自診斷試驗平臺，開展了不同工況下絕緣子串電致發(fā)光帶電試驗。將帶電試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果進行對比，提出了基于電致發(fā)光效應(yīng)的輸電線路零值絕緣子自診斷方案。

圖6 絕緣子串正常工況及單片零值工況下電致發(fā)光試驗效果

圖7 絕緣子串正常工況及雙片零值工況下電致發(fā)光試驗效果

圖8 基于電致發(fā)光效應(yīng)的110kV輸電線路零值絕緣子自診斷方案

正常工況下，絕緣子串中每片絕緣子的電致發(fā)光涂層均會發(fā)光；當出現(xiàn)零值絕緣子時，零值絕緣子表面的電致發(fā)光涂層不發(fā)光，其余正常阻值絕緣子表面的電致發(fā)光涂層灰度值增加。當某片絕緣子的電致發(fā)光涂層灰度值低于30時，即可診斷整串絕緣子中存在零值絕緣子。當整串絕緣子鋼腳部分水泥與瓷件交界處的電致發(fā)光涂層灰度值的平均變化率大于35%時，可診斷絕緣子串中存在雙片零值絕緣子；當平均變化率為20%~35%時，可診斷絕緣子串中存在單片零值絕緣子。

本方案的優(yōu)勢在于定位精準靈敏度較高，可以直接診斷出輸電線路中的零值絕緣子，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相互印證。該方案可有效地提升輸電線路瓷質(zhì)絕緣子零值檢測的準確性，保障輸電線路安全運行。

結(jié)論

1）電致發(fā)光涂料的發(fā)光亮度隨著ZnS: Cu電致發(fā)光材料的涂層厚度、填料濃度和高介電常數(shù)顆粒質(zhì)量分數(shù)的增加先上升后下降，調(diào)控后的電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值電場強度約為200 kV/m。

2）絕緣子鋼腳部分水泥與瓷件交界處電場強度高于電致發(fā)光涂料的臨界發(fā)光閾值電場強度200 kV/m，適合作為噴涂電致發(fā)光材料的特征區(qū)域，并且建議噴涂在鋼腳部分水泥與瓷件交界處的電致發(fā)光涂層寬度約為10 mm。

3）正常工況下，絕緣子串鋼腳部分水泥與瓷件交界處電致發(fā)光涂層可以發(fā)光。當絕緣子串存在零值絕緣子時，零值絕緣子的電致發(fā)光涂層灰度值低于30。當零值絕緣子位于高壓側(cè)時，其對鋼腳部分水泥與瓷件交界處的電致發(fā)光涂層灰度值影響大于零值絕緣子位于中部時，進而大于零值絕緣子位于低壓側(cè)時；連續(xù)雙片零值絕緣子對鋼腳部分水泥與瓷件交界處的電致發(fā)光涂層灰度值影響大于不連續(xù)雙片零值絕緣子的情況，進而大于單片零值絕緣子的情況。帶電試驗結(jié)果與表面電場仿真計算結(jié)果一致。

團隊介紹

耿江海

博士，正高級工程師，博士生導(dǎo)師，河北省燕趙電力實驗室副主任，保定市卓越工程師。長期從事高電壓試驗技術(shù)和外絕緣方面教學(xué)和研究工作。主持國家自然科學(xué)基金面上項目1項，河北省自然科學(xué)基金面上項目2項、教育部中央高校專項資金2項，作為課題骨干參加國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等縱向項目5項；發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，其中被SCI/EI檢索30余篇；出版編著4部，授權(quán)發(fā)明專利12項。制定國家標準1項、電力行業(yè)標準2項，獲國家級教學(xué)成果二等獎1項、省部級科技進步一等獎1項、二等獎3項。

陳銘宏天

碩士，國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司，主要從事高電壓試驗技術(shù)、電氣設(shè)備在線故障檢測方面的研究工作。

張育銘

博士，國網(wǎng)河南省電力有限公司鄭州供電公司，主要從事復(fù)合絕緣材料的老化特性、絕緣子檢測和外絕緣方面的研究工作。

周松松

碩士，中國電力科學(xué)研究院高電壓研究所，高級工程師，長期從事高壓外絕緣與絕緣子技術(shù)研究。

王平

博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，教研室副主任。研究方向為電力系統(tǒng)電磁兼容、電力系統(tǒng)防雷接地技術(shù)和電磁場理論及其應(yīng)用，主持國家自然科學(xué)基金1項，河北省自然科學(xué)基金面上項目1項，中央高校基金項目2項，參與國家自然科學(xué)基金項目2項，主持和參與橫向課題10余項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中被SCI/EI檢索20篇。

本工作成果發(fā)表在2026年第9期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為"基于電致發(fā)光效應(yīng)的輸電線路零值絕緣子自診斷關(guān)鍵技術(shù)"。本課題為中國電力科學(xué)研究院雙創(chuàng)孵化基金資助項目。

引用本文

耿江海, 陳銘宏天, 張育銘, 周松松, 王平. 基于電致發(fā)光效應(yīng)的輸電線路零值絕緣子自診斷關(guān)鍵技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2026, 41(9): 3141-3156. Geng Jianghai, Chen Minghongtian, Zhang Yuming, Zhou Songsong, Wang Ping. Key Technologies for Self-Diagnosis of Zero-Value Insulators of Transmission Lines Based on Electroluminescence Effect. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(9): 3141-3156.