超高压输电线路用绝缘子应用

超高压输电线路用绝缘子应用

徐振海

国网冀北电力有限公司承德供电公司 河北承德067000

摘要：超高压输电线路是一种新型的大容量输电线路设备，结构紧凑，但输电容量大、绝缘性能好，在城市等人口密集区域应用广泛。超高压输电线路设备中导体电压很高，内部支撑导体的绝缘子是非常关键的重要绝缘部件。以研制超高压输电线路为依托，重点对支撑的绝缘子进行机械性能分析、改进U-Net网络模型设计，最后通过试验验证。利用计算机技术，提高绝缘子研制效率，减少绝缘子研制成本。

关键词：超高压输电线路；用绝缘子

引言

超高压输电线路（以下简称GIL），是一种圆形导体和圆形外壳同轴布置的超高压输电设备，导体和外壳一般都采用不同性能牌号的铝材制成，用于长距离输送大容量电能。由于导体的电压很高，需要采用绝缘性能优良的压缩气体作为绝缘介质将导体包裹住。支撑绝缘子每组导体需要有三个支撑绝缘子构成，这样才能保证绝缘子所支撑的金属导体与金属外壳保持同轴布置，并且使得通电后的导体在内部形成近似均匀电场，均匀电场是静态的，不具备冲击力，有利于提升绝缘性能，更有利于GIL设备的长期稳定运行。

1.机械性能分析

机械强度是衡量材料抵抗外力破坏能力的量度，表征了材料的受力极限，在实际应用中具有重要意义。不同形式的破坏力对应于不同意义的强度指标，根据GIL中环氧树脂浇注绝缘件的实际工况，选择拉伸强度、弯曲强度和冲击强度作为衡量浇注试样机械强度的三个指标。1）拉伸强度测试按GB/T2568—1995《树脂浇铸体拉伸性能试验方法》标准执行，测试结果以5个试样的算术平均值表示。2）弯曲强度测试按GB/T2570—1995《树脂浇铸体弯曲性能试验方法》标准执行，测试结果以5个试样的算术平均值表示。3）冲击强度测试按GB/T2571—1995《树脂浇铸体冲击试验方法》标准执行，测试结果以5个试样的算术平均值表示。根据《SF6高压电器设计》《环氧树脂电绝缘材料》等资料综合确定本次仿真环氧胶铸件性能参数。

2.改进U-Net网络模型设计

为对输电塔中的陶瓷绝缘子进行智能巡检，检测陶瓷绝缘子的表面缺陷，利用无人机技术、基于深度学习的计算机视觉技术、GPS定位技术等构建具有缺陷检测能力和自主飞控能力的无人机智能巡检系统。多旋翼无人机在地面站的操纵下，依靠基于深度学习的计算机视觉技术获取输电塔中陶瓷绝缘子的实时图像，定位系统获取陶瓷绝缘子的相对空间位置信息，二者相互关联后由数据存储中心传回地面站的管理操作平台。为提高基于深度学习的计算机视觉技术对输电塔中陶瓷绝缘子缺陷的检测精度，在已有U-net深度学习网络模型上提出一种改进U-net深度学习网络，克服其冗余信息大、分类准确度和定位精度不可兼得的缺陷。该网络模型的基础结构为U-net3+结构，利用全尺度的跳跃连接（Skipconnection）和深度监督（Deepsupervisions），将不同尺度特征图中的高级语义与低级语义结合，采用深度监督的方式从多尺度融合的特征图中学习层次表示，并且使用不同膨胀系数的空洞卷积操作增大感受野，同时保留图像细节信息。全尺度的跳跃连接是指将来自不同尺度特征图的低级细节与高级语义结合起来的算法结构设计，作用是解决网络层数较深的情况下梯度消失的问题，同时有助于梯度的反向传播，加快训练过程。空洞卷积是非正常卷积的变种之一，亦称膨胀卷积，其原理为拓展各个卷积核像素之间的距离，即改变卷积膨胀系数。与U-net网络结构类似，改进的U-net网络结构也是直接接收来自相同尺度编码器层的特征图X3En。但改进U-net网络结构的跳跃连接不止一条，底层的低级语义特征图X1En、X2En通过上面两条跳跃连接不同的池化操作（Maxpooling）进行下采样，以便在传递底层的低级语义信息的同时获取与X3En统一的特征图分辨率;下面两条跳跃连接通过双线性插值方法对解码器中的X4En、X5En特征图进行上采样，从而保持其特征图的分辨率与X3En统一的特征图分辨率。再将特征图的分辨率与数量统一完成后，将浅层的信息和深层的语义信息进行特征融合，该结构采用通道维度的拼接融合方式，将这5个尺度特征图融合后，产生320个相同分辨率的特征图，经过3×3的滤波器卷积操作，最后运用BN+RELU得到X3De特征图。

3.超高压输电线路用绝缘子应用

3.1陶瓷绝缘子表面缺陷的图像采集

在训练模型过程中，模型的训练不需要输电塔中陶瓷绝缘子的实时图像，仅需要大量的陶瓷绝缘子缺陷图像。为降低模型训练过程中的损失，采用了陶瓷绝缘子灼烧、破损两种缺陷各200张图片对改进的U-net深度学习网络进行训练。由破损三维像素图可知，破损缺陷区域的像素值变化与周围正常区域的像素值变化有明显区别，破损区域像素值变化范围明显，正常区域比较光滑;由烧灼三维像素图可知，烧灼区域因为其颜色较深，像素值较低，正常区域的图像颜色较浅，像素值较高。

3.2试验验证

在利用计算机技术对设计的绝缘子进行机械性能分析和电气性能分析后可知，绝缘子的机械强度满足使用要求，电气性能也能满足设计要求，具备样品试制的基础。为验证设计和分析的准确性，通过试验进行验证，根据GB/T22383—2008《额定电压72.5kV及以上刚性气体绝缘输电线路》标准要求，对该样机进行了绝缘性能测试。

3.3改进U-net网络的无人机智能巡检

基于改进U-net网络的无人机智能巡检方法虽然使得无人机巡检的精度有明显提高，但从预测结果的评价指标（IOU为85.95%）可知，该方法中提出的网络模型对缺陷区域的定位精度还有待提高，即能够对缺陷区域进行识别但不能完整地将缺陷区域进行分割标识。故需要进一步提升该网络对缺陷区域的定位精度，提高交并比。

3.4复合瓷绝缘子技术特点

B类复合瓷绝缘子由圆盘状悬挂式瓷绝缘子和高温硫化硅橡胶伞盖材料组成。外层高温硫化硅橡胶层厚度大，防污闪络使用寿命远长于rt-温硫化硅橡胶涂层，保持了原瓷绝缘子稳定可靠的机械抗拉强度和绝缘子强大的防污性能。可在各种塔型上作普通瓷绝缘子使用。

3.5驱动电压和工作时长对信噪比的影响

对于真空外场光电效应的光电倍增管，其原理决定了其必然会受到杂散光干扰、电磁场偏置和热电子发射的影响，最终体现在PMT的信噪比上。因此在构建光纤局部放电在线监测系统时，需要考虑实际运行工况的影响。理论上，影响光纤测量系统的内在因素主要是光电转换器件的工作性能。一般可采用强化散热结构等方式降低热累积，但其降低效果有限。光纤连接器和准直透镜的透过特性、PMT的端窗尺寸以及光电增益也会一定程度上影响荧光光纤局部放电检测的最终效果，在系统设计中应予以考虑。

结语

综上所述，本文对GIL中关键部件支撑绝缘子进行了机械性能仿真分析和电气性能仿真分析，在分析结果满足设计条件的前提下，将设计研制的支撑绝缘子进行电气试验验证，绝缘试验检测结果满足要求。机械性能的实际验证有待进一步试验验证。应加强复合瓷绝缘子储存、搬运和安装管理，避免人为损伤，对在运复合瓷绝缘子应建立台帐，并对其运行、试验、事故等内容及时更新。

参考文献

[1]翟永杰，王迪，伍洋，等.基于骨架提取的航拍绝缘子图像分步识别方法[J].华北电力大学学报（自然科学版），2015，42（3）：105–110.

[2]DirkKunze，VolkerKnierim，王学刚.用于发电中心大规模电力输送的气体绝缘输电线路[J].中国电力，2007（9）：87-90.

[3]李红明，谭其勇，陈战，等.基于激光光声光谱技术的变压器绝缘油故障气体在线监测系统研究[J].电气应用，2020，39（4）：67-70，96.

[4]王湘汉，汪沨，邱毓昌.气体绝缘传输线的近期发展动向[J].高压电器，2008（1）：69-72.

[5] 阮全荣，谢小平．气体绝缘金属封闭母线输电线路工程设计研究与实践[M]．北京：中国水利水电出版社，2011．