图1 采用刮涂法制备带有电致发光涂层的试片
Fig.1 Preparation of electroluminescence specimens by scraping method
摘要 针对目前输电线路零值绝缘子带电检测准确性差的问题，该文首先通过理论分析和试验测试，研究外部因素及内在填料配比对ZnS:Cu电致发光涂料的发光亮度、临界发光阈值电场强度等发光特性的影响规律，并制备出可满足输电线路零值瓷绝缘子自诊断需求的电致发光涂料；然后建立了110 kV瓷绝缘子串表面电场分布仿真模型，确定了电致发光涂料在绝缘子表面的最佳喷涂位置及喷涂面积；最后搭建带电试验平台，分析了绝缘子串在不同工况下的发光效果，验证了仿真结果的准确性，并提出了输电线路零值绝缘子自诊断方案。研究结果表明：电致发光涂料的发光亮度随涂层厚度、填料浓度和高介电常数颗粒质量分数的增加先上升后下降，调控后的电致发光涂料的临界发光阈值电场强度可控制在约200 kV/m；绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处较为适宜作为喷涂电致发光涂料的特征区域，最佳涂层宽度约为10 mm；正常工况下，绝缘子串每片绝缘子的电致发光涂层均可以发光，当存在零值绝缘子时，零值绝缘子表面的电致发光涂层灰度值低于30，其余正常阻值绝缘子表面的电致发光涂层灰度值出现不同程度增加，可根据发光灰度值对零值绝缘子进行自诊断。该文为输电线路零值绝缘子检测提供了新的思路，可有效地提升输电线路瓷质绝缘子零值检测的准确性。
关键词：电致发光 零值绝缘子 发光特性 临界发光阈值电场强度 输电线路
近年来，依托特高压骨干网架建设，电网电压等级实现了从500 kV超高压向1 000 kV特高压的跨越[1]。在此背景下，绝缘子作为保障输电线路机电特性的核心部件，既承担着关键的机械支撑功能，又肩负着电气绝缘隔离的重要使命。当前电力系统用绝缘子总体上分为瓷质型、玻璃型及复合型[2]，其中瓷绝缘子因其使用寿命较长、机械强度较高而被广泛应用在输电线路上。
瓷绝缘子是由水泥粘合剂、陶瓷、铸铁等电气性能不同的材料粘合在一起的绝缘器件[3-4]。在生产过程中，受生产工艺等因素的影响，其粘合部位易出现气缝；并且由于瓷绝缘子长时间暴露在外部环境中，在如风吹、日晒、积雪和雨水等自然因素的影响以及电气负荷的作用下，瓷绝缘子自身可能会出现电气性能下降的问题。以上这些因素均有可能导致瓷绝缘子阻值降低，最终演变至零值并被击穿，形成电气短路或接地故障，对电网的稳定性产生重大影响[5-7]。因此，及时地对输电线路中的瓷绝缘子进行带电检测尤为重要。
除了常规的短路叉法外，目前输电线路中的零值绝缘子带电检测方法主要有红外测温法和电场检测法。红外测温法通常采用红外测温仪测量运行绝缘子串温度分布，进而筛选出零值绝缘子。文献[8]通过转换可见光与红外图像中绝缘子像素点的坐标关系，实现了红外图像中绝缘子的检测。文献[9]根据试验结果提出了基于盲区温差特性的输电线路绝缘子劣化诊断判据，有效地降低了红外检测盲区的范围。但现场实际检测效果反映出红外检测法灵敏度较低，同时对焦情况、太阳和背景辐射的干扰、气象条件等环境因素都会在一定程度上影响检测结果的准确性[10-12]。
电场检测法是通过电场传感器测量运行绝缘子串空间电场分布，进而筛选出零值绝缘子的方法，近年来受到了广泛关注[13]。文献[14-16]通过无人机平台搭载电场探测装置进行绝缘子串电场检测，并讨论了检测路径抖动等复杂工况对绝缘子串空间电场检测结果的影响。上述文献实现了电场检测法在输电线路零值绝缘子检测上的初步应用，但仍存在一定的局限性：首先，测量绝缘子串电场分布的电场传感器结构中的金属部件会对原有电场造成一定的畸变[17]；其次，在现场使用无人机平台搭载电场探测装置进行检测时，人工飞行的不稳定性及横向风等不可抗因素可能会引起无人机的姿态扰动，对运维安全及测量数据造成较大的影响[18]。
电致发光效应是指电致发光材料在电场作用下，电子与空穴复合发光的一种固体发光现象[19-20]，具有响应速率快、发光效率高的特点，已广泛应用在光电显示、纺织印刷领域[21-23]。目前在已有的电致发光体系中，ZnS发光体对于大气环境不敏感，几乎不受环境中水分和氧气的影响，便于储存和使用；并且以ZnS发光体为主的无机电致发光材料较其他发光体系价格更为低廉、制备工艺更加简单便捷，发光寿命长，可满足电力系统外绝缘使用场景[24]。文献[25-26]研究了掺杂不同金属对ZnS电子结构和光学性质的影响，发现掺杂Cu+较其他金属元素可以显著地提升电致发光材料的发光亮度。因此，结合实际实验条件与以上优点，基于ZnS:Cu发光体系的无机交流电致发光材料在电力行业更为实用。
针对ZnS:Cu的发光机理已有比较深入的研究。文献[27]提出目前无机交流电致发光材料的发光模型主要是本征型电致发光模型以及载流子注入的电致发光模型：前者依靠材料在极高电场下自行产生供给发光的电子，此时材料的临界发光阈值电场强度极高；后者在材料外部有载流子注入时即使在较低的电场下也可实现发光。文献[28]研究了ZnS:Cu涂层在高场强作用下的发光机理，得出该涂层的发光来源主要是无放电时的电荷极化发光与高场强下的气体诱导发光。文献[29]针对低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene, LDPE）、聚丙烯（Polypropylene, PP）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）三种材料在真空下的电致发光特性进行测试，发现材料陷阱密度越小，发光越强。文献[30-31]制作了基于电致发光效应的电压传感器，在考虑温度对传感特性的影响下揭示了载流子的运动与发光波形的关系。
现有电致发光研究主要集中在电致发光机理上，在电气设备故障诊断领域的应用方面相对较少。文献[32-33]将电致发光效应推广至气体绝缘开关设备/气体绝缘输电线路（Gas-Insulated Switchgear/ Lines, GIS/GIL）盆式绝缘子表面电场的测量中，并基于发光图像推导了绝缘子表面电场分布。文献[34]将电致发光材料制成搪瓷场致发光屏，并根据场致发光屏的发光情况判断绝缘子串中是否存在零值绝缘子。该方法通过场致发光屏发光亮度的变化可较为直观地判断零值绝缘子的位置，但目前位于输电线路绝缘子串中部位置的几片绝缘子表面电场强度较小，难以满足现有电致发光材料的发光阈值，现场适用范围受限。因此需要进一步降低临界发光阈值电场强度，研制适用于输电线路瓷绝缘子表面的电致发光涂料。
针对上述问题，本文首先基于电致发光材料的发光机理制备适用于输电线路瓷绝缘子表面的电致发光涂料，并确定其临界发光阈值电场强度；然后，通过有限元仿真计算110 kV输电线路绝缘子不同工况下的表面电场分布特性，并结合电致发光涂料的临界发光阈值电场强度，确定其喷涂位置及面积；最后进行带电试验，综合分析仿真计算结果及带电试验结果，提出110 kV输电线路零值绝缘子自诊断方案。该方案可有效地提升输电线路瓷绝缘子检测的准确性，为瓷绝缘子的带电检测和状态评估提供了新的发展方向。
本节从理论和试验角度分析涂料厚度、填料浓度、高介电常数颗粒对电致发光材料发光特性的影响，提出电致发光材料发光亮度的调控方法，并制备喷涂在输电线路瓷绝缘子串表面的电致发光涂料，使之可以在输电线路运行工况下稳定发光。
1.1.1 试验平台搭建
电致发光涂料由ZnS:Cu电致发光粉末及防污闪室温硫化硅橡胶（Pollution-resistant Room Temperature Vulcanizing sillicon rubber, PRTV）组成。其中，填料为ZnS:Cu粉末，平均粒径为28 μm；PRTV相比传统环氧树脂胶水具备更高的介电强度和防污闪能力，因此适宜作为电致发光涂层的基底。利用锥-板电极固定试片上的电致发光涂层，锥电极和板电极材料均为铜。将带有电致发光涂层的试片放置在锥-板电极之间，旋转螺栓使锥电极与试片之间无空气间隙。锥电极直径为20 mm，板电极直径为100 mm。考虑到锥-板电极尺寸的兼容性及电场边缘效应可能会对测试结果造成干扰，选择在长度和宽度均为50 mm、厚度为0.5 mm的氧化铝陶瓷片上制备电致发光涂层。采用刮涂法制备带有电致发光涂层的试片如图1所示。向PRTV基质中加入ZnS:Cu电致发光粉末，充分混合并搅拌均匀后刮涂至氧化铝陶瓷片表面。电致发光涂料具有光致发光特性，在紫外光的照射下光子频率较高，具有更明显的发光效果，因此可以预先采用紫外光照射，初步分析其发光效果。
图1 采用刮涂法制备带有电致发光涂层的试片
Fig.1 Preparation of electroluminescence specimens by scraping method
本文搭建了电致发光材料发光特性测试平台如图2所示。工频试验电源的高压端连接锥电极，另一端连接板电极并接地，对试片施加工频电压开展发光特性测试。整个试验在暗室内进行以减少外界自然光线对试验结果的干扰。采用工业相机拍摄试片的电致发光图像，固定工业相机的曝光时长为0.5 s左右，光圈为5.6，感光度设置为200。
图2 电致发光材料发光特性测试平台
Fig.2 Brightness test platform for electroluminescent materials under the influence
1.1.2 发光图像处理算法
基于灰度值统计的发光亮度分析算法[32]可以定量表征施加工频电压后电致发光涂层的发光亮度。算法具体如下：通过工业相机拍摄不同工频电压幅值下试片的电致发光图像，并将彩色图像转换为灰度图像，用灰度值定量表征发光亮度，表达式为
（1）
式中，G(x, y)、L(x, y)、R(x, y)和B(x, y)分别为电致发光图像中(x, y)位置的灰度值、绿度值、红度值和蓝度值。灰度值的取值范围通常为0～255，其中0表示纯黑色，255表示纯白色。灰度值越大，代表发光亮度越高，从而可实现用发光图像灰度值来定量表征电致发光涂层的发光亮度。
1.2.1 涂层厚度的影响
本文制备了厚度分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm的五种电致发光涂层，并在锥电极上施加6 kV的工频电压进行测试。其中，不同涂层厚度下试片的电致发光图像如图3a所示，最大发光亮度灰度值与发光区域半径如图3b所示。
图3 不同涂层厚度下电致发光涂层发光特性
Fig.3 Luminescence properties of electroluminescent coatings at different coating thicknesses
如图3a所示，由于试片上靠近锥电极部分的电致发光涂层电场强度较高，因此该区域的电致发光涂层首先开始发光。其中靠近锥头部分的电致发光涂层呈现耀眼的白光，周围的电致发光涂层呈现明显的蓝绿光，并且随着时间的延长，白光和蓝绿光的范围均有向四周扩散的趋势。如图3b所示，随着涂层厚度的增加，电致发光涂层的最大发光亮度灰度值呈现先上升后下降的趋势。当涂层厚度为0.4 mm时，最大发光亮度灰度值出现极大值210.61。当涂层厚度从0.1 mm增加到0.4 mm时，电致发光涂层的最大发光亮度灰度值增加了14.75%，发光区域半径增加了7 mm；当涂层厚度从0.4 mm进一步增加到0.5 mm时，其最大发光亮度灰度值降低了1.43%，发光区域半径减小了1 mm。
出现此现象的原因是：当发光层过薄时，发光中心的数量减少，导致光子发射量下降，使电致发光涂层的发光亮度降低；当发光涂层过厚时，过厚的涂层会阻碍涂层内部光线的射出。因此，刮涂在陶瓷片上的电致发光涂层厚度为0.4 mm较为适宜。
1.2.2 ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度的影响
试验在6 kV的工频电压下分别测试了ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度（ZnS:Cu电致发光粉末的质量占电致发光涂料质量的百分比）为50%、55.5%、60%、63.6%、66.7%的试片电致发光涂层的发光特性，结果如图4所示。其中，发光图像最大亮度灰度值及发光区域半径如图4a所示，电致发光图像如图4b所示，发光中心与光子数量关系示意图如图4c所示。
图4 不同填料浓度下电致发光涂层发光特性
Fig.4 Luminescence properties of electroluminescent coatings at different filler concentrations
由图4可知，在6 kV的工频电压作用下，随着ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度的不断增加，电致发光涂层的最大发光亮度灰度值及发光区域半径整体呈上升趋势。特别是当ZnS:Cu电致发光粉末的填料浓度为63.6%时，其最大发光亮度灰度值是填料浓度为50%的125.78%，发光区域半径相较于填料浓度为50%时增加了8 mm。但当填料浓度进一步上升至66.7%时，其最大发光亮度灰度值下降至填料浓度为63.6%时的97.45%，发光区域半径相较于填料浓度为63.6%时减小了2 mm。
出现以上现象的主要原因可由图4c解释。随着ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度的增加，发光中心的数量也会相应增多，更多的发光中心能够俘获更多从价带跃迁到导带的电子，并激发发光中心产生光子，最终提高发光亮度。但若填料浓度过高，发光中心可能以分子形式存在或嵌入晶体内部，会导致激发能量的一部分转化为晶体内的振动能量，从而降低发光中心转化为光子的效率，最终使电致发光涂层的发光亮度下降。因此，填料浓度存在最佳值63.6%，此时电致发光涂层的发光亮度最大。
1.2.3 高介电常数颗粒的影响
电致发光主要依靠ZnS:Cu电致发光粉末完成，虽然目前使用PRTV防污闪涂料作为ZnS:Cu电致发光粉末的基底可以实现电致发光，但因其临界发光阈值电场强度较高，在输电线路绝缘子串中部及靠近横担侧几片绝缘子正常工况表面电场强度较小的情况下，电致发光涂层的发光亮度较低，难以实现输电线路零值绝缘子的自诊断。因此，在外加工频电压幅值一定时，需要尽可能地提高电致发光涂层周围的电场强度。目前的电致发光材料为ZnS:Cu，其相对介电常数约为4.5，因此电致发光颗粒被低介电常数的基料包围，ZnS:Cu材料内部大部分电场将集中至基料区域，不利于光子的发射。通过掺杂高介电常数的钛酸锶钡（Barium Strontium Titanate, BST）颗粒，可以改变电致发光材料内部的电场分布，使作用于发光中心的电场强度E发生变化，有
（2）
式中，
为材料介电常数；D为电位移矢量。根据式（2），当电位移矢量不变时，介电常数大的区域电场强度小，此时电场可以集中在电致发光材料周围，有利于光子发射。因此本节将探究在电致发光涂料中掺杂不同质量分数的BST颗粒对电致发光材料发光特性的影响。试验在6 kV的工频电压下分别测试了ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度在50%～66.7%区间时，掺杂BST质量分数为0%、10%、20%、30%、40%的电致发光涂层的发光亮度，得到最大发光亮度灰度值如图5所示。
图5 不同填料浓度及BST质量分数的发光亮度灰度值
Fig.5 Gray values of luminescence images with different filler concentrations and BST mass fractions
由图5可知，当填料浓度为63.6%时，在BST质量分数从0%增长至20%的过程中，电致发光涂层的最大发光亮度灰度值增加了6.14%。在保持ZnS:Cu电致发光粉末填料浓度一定的情况下，电致发光涂层最大发光亮度灰度值随着BST质量分数的增加先上升后下降。
出现上述现象的原因主要是当引入一定质量分数的BST颗粒后，电致发光涂层整体的相对介电常数增加，在保持外界电场强度一定时，发光涂层中光子的发射强度也随之增强。这是因为BST颗粒的高相对介电常数使电致发光涂层束缚电子的能力提高，导致电场更加集中在发光颗粒周围，有利于更多电子从价带跃迁到导带碰撞发光中心，使得发光中心被激发形成更多的光子，进而提高电致发光涂层的发光亮度。但随着BST颗粒质量分数继续增加，电致发光涂料中ZnS:Cu电致发光粉末相对含量减少，进而使得电致发光涂层中单位体积内发光中心含量下降，电致发光涂层亮度降低。因此BST颗粒的质量分数存在最佳值20%，此时电致发光涂层的发光亮度最大。
1.2.4 调控前后涂料临界发光阈值电场强度对比
首先，使用工频变压器对锥-板电极中未经调控的电致发光涂层缓慢施加工频电压，当工频电压幅值达到1.3 kV时，锥电极附近的电致发光涂层出现明显的光圈，认定此电压值为未经调控时电致发光涂层的启亮电压；其次，对调控后的电致发光涂层缓慢施加工频电压，当工频电压幅值达到0.5 kV时，锥电极附近的电致发光涂层出现明显的光圈，认定此时为调控后电致发光涂层的启亮电压；然后，将高压侧锥电极处电位分别设置为1.3 kV和0.5 kV，低压侧板电极处电位设置为0 V，并以此计算调控前后电致发光涂料的临界发光阈值电场强度，仿真计算对比结果如图6所示。
图6 调控前后电致发光涂料临界发光阈值电场强度对比
Fig.6 Comparison of the critical luminous threshold electric field of electroluminescent coatings before and after regulation
由图6可知，锥-板电极的电场分布属于不均匀电场，电场主要集中在锥电极头部及试片上靠近锥电极的区域，板电极的电场强度由圆心沿半径向外逐渐衰减。此结果与电致发光材料发光特性测试平台的试验结果相互印证。经仿真计算可知，当电致发光涂层出现光圈时，未经调控的电致发光涂料临界阈值电场强度约为1 200 kV/m，调控后的电致发光涂料临界发光阈值电场强度约为200 kV/m。与调控前涂料的临界发光阈值电场强度相比，经过调控后的电致发光涂料的临界发光阈值电场强度下降了约83.33%，有效地降低了电致发光涂料的临界发光阈值电场强度。
本节探究了外部因素和内在配比对电致发光材料发光特性的影响，并通过调控发光特性影响因素有效地将电致发光涂料的临界发光阈值电场强度降低至200 kV/m左右。下一节将通过有限元仿真计算不同工况下输电线路绝缘子串表面电场强度，并结合电致发光涂料的临界发光阈值电场强度确定带电试验验证中电致发光涂料的喷涂位置及面积。
本节建立110 kV输电线路XWP2-70瓷绝缘子串模型，并结合电致发光涂料的临界发光阈值电场强度确定电致发光涂料在绝缘子表面的喷涂位置及面积。通过有限元仿真分析正常、单片不同位置零值、连续双片不同位置零值、不连续双片不同位置零值等不同工况下绝缘子串表面电场变化情况。
使用SolidWorks软件对XWP2-70瓷绝缘子进行建模，绝缘子主要包含瓷件、钢帽、钢脚、水泥粘合剂等部分，并将模型导入COMSOL软件进行表面电场仿真计算。设置110 kV输电线路绝缘子串高压侧导线处电压为63.5 kV（110 kV输电线路的相电压），低压侧横担处电位为0 V。XWP2-70瓷绝缘子三维结构如图7所示，结构参数见表1。
图7 XWP2-70瓷绝缘子结构
Fig.7 Structure of XWP2-70 insulator
表1 XWP2-70瓷绝缘子结构参数
Tab.1 XWP2-70 porcelain insulator structural parameters
参数数值 高度/mm146 伞径/mm255 爬电距离/mm400
仿真计算采用静电场模块，绝缘子模型表面电场求解需满足如下电场方程。
（3）
（4）
式中，ρ为电荷体密度，C/m3。在电场仿真中忽略空间电荷的影响，得到的电位函数φ满足
（5）
在仿真计算过程中，对于试验模型采用第1类边界条件，有
（6）
（7）
式中，τ0表示空气域的边界和地面；τk表示高电位边界；
为高电位处数值。式（5）～式（7）共同构成电场仿真模型的边界条件。
在正常工况下，当绝缘子表面电场强度超过电致发光材料的临界发光阈值电场强度时，电致发光涂料将产生可观测的发光现象。在典型110 kV输电线路7片绝缘子串中，依据标准DL/T 626—2015《劣化悬式绝缘子检测规程》规定的电压分布特性[35]，单片绝缘子承受电压最低为5 kV，此时对应其表面电场强度处于最小值。当承受最低电压的绝缘子表面电场强度仍能触发电致发光涂料发光时，其余各片绝缘子因承受更高运行电压（最高可达17 kV），其表面电场强度必然超过电致发光材料的临界发光阈值电场强度，从而使得绝缘子串中每片绝缘子在正常工况下均可发光。因此，在绝缘子钢脚处施加5 kV工频电压，并在绝缘子表面添加电场扫描路径分析绝缘子表面不同位置电场分布。施加5 kV工频电压后的单片绝缘子表面电场分布曲线如图8所示。
图8 5 kV工频电压下单片绝缘子表面电场分布曲线
Fig.8 Electric field distribution curves on the surface of monolithic insulators under 5 kV power frequency voltage
由图8可知，从绝缘子钢帽侧至钢脚侧，绝缘子表面电场强度呈现先波动下降、后趋于稳定、再急剧上升、最后下降并趋于稳定的变化趋势。其中，位于0～30 mm钢帽与瓷件交界处和410～440 mm钢脚部分水泥与瓷件交界处的电场强度相对较大。若将电致发光涂料喷涂至钢帽与瓷件交界处和钢脚部分水泥与瓷件交界处，此时绝缘子表面的电致发光涂料发光属于载流子注入的电致发光模型。当外加工频电压为5 kV时，位于423～433 mm的钢脚部分水泥与瓷件交界处和0～4 mm钢帽与瓷件交界处的电场强度超过电致发光涂料的临界发光阈值电场强度200 kV/m。二者相比，钢脚部分水泥与瓷件交界处电场强度更大，且超过电致发光涂料临界发光阈值电场强度的面积更大，此时电致发光涂料亮度更高，更有利于观察绝缘子表面电致发光现象。因此，该区域较为适宜作为喷涂电致发光材料的特征区域，并且建议喷涂在钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层宽度约为10 mm。
零值绝缘子特指运行中绝缘电阻值低于10 MΩ的绝缘子[35]。通常在绝缘子制造过程中，因烧结参数控制失当，会导致在晶界处形成裂纹及闭孔型气隙；并且由于绝缘子内部的结构材料存在不同的膨胀系数与导热能力，在遭受局部过高的电场时会加剧绝缘的老化，导致绝缘子阻值下降甚至失去绝缘性能。绝缘子本身可视作阻容等效电路，因此通过改变材料的介电常数和电导率可以改变绝缘子的阻容值[36]，进而改变其在绝缘子串中承担的电压，进一步影响其表面电场大小。
定义单片绝缘子表面电场变化率及绝缘子串平均电场变化率来分析不同位置及不同数量零值绝缘子对绝缘子串电场分布的影响，表达式为
（8）
（9）
（10）
（11）
式中，
（m, p=1～7，m和p均从导线侧开始）为绝缘子串第m片为零值绝缘子时，第p片绝缘子的表面电场强度；
（n, q=1～7，从导线侧开始）为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时，第q片绝缘子的表面电场强度；
为绝缘子串第m片为零值绝缘子时，第p片绝缘子的表面电场强度变化率；上角标“0”表示绝缘子处于正常工况；
为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时，第q片绝缘子的表面电场强度变化率；
为绝缘子串第m片为零值绝缘子时的平均电场强度变化率；
为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时的平均电场强度变化率。
110 kV正常工况及单片零值工况下绝缘子串钢脚部分水泥与瓷件交界处表面电场强度及其变化率如图9所示；双片零值工况下绝缘子串钢脚部分水泥与瓷件交界处表面电场强度及其变化率如图10所示。图中绝缘子片编号均为从导线侧开始。
图9 110 kV正常工况及单片零值工况下电场仿真结果
Fig.9 Simulation results of electric field under normal working conditions and monolithic zero value working conditions at 110 kV
由图9和图10可知，从绝缘子串钢脚侧至钢帽侧，绝缘子串表面电场整体呈马鞍形分布。零值绝缘子因其阻值较小几乎不承担电压，其表面电场强度几乎为0。若绝缘子串存在单片零值绝缘子，当其所在位置m从1变化至7时，
依次为32.86%、24.98%、23.27%、22.22%、21.77%、21.33%、21.76%；当连续双片零值绝缘子位置mn分别为12、45、67时，
依次为64.14%、45.89%、38.84%；当不连续双片零值绝缘子位置mn分别为13、35、57时，依次为57.38%、45.23%、37.93%。由此可以看出，当零值绝缘子位于高压侧时，其对绝缘子串表面电场的影响大于零值绝缘子位于中部时，又大于零值绝缘子位于低压侧时；连续双片零值绝缘子对绝缘子串表面电场的影响大于不连续双片零值绝缘子，又大于单片零值绝缘子。
图10 110 kV双片零值工况下电场仿真结果
Fig.10 Simulation results of electric field under double-chip zero value working conditions at 110 kV
综合来看，绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电场强度足够大，可以达到电致发光涂料的临界发光阈值电场强度200 kV/m，适宜作为喷涂电致发光涂料的特征区域，并且建议喷涂在钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层宽度约为10 mm。下一节将会将制备好的电致发光涂料喷涂在绝缘子串每一片绝缘子的钢脚部分水泥与瓷件交界处进行带电试验验证，观察110 kV输电线路绝缘子串电致发光情况，进而提出基于电致发光效应的输电线路零值绝缘子自诊断方案。
本节基于第1节制备的电致发光涂料及第2节的仿真计算结果，搭建110 kV输电线路零值绝缘子试验平台，开展不同工况下零值绝缘子带电试验。将带电试验结果与仿真计算结果进行对比，提出基于电致发光效应的输电线路零值绝缘子自诊断技术方案。
110 kV输电线路绝缘子串由7片XWP2-70瓷绝缘子构成，阻值均为240 GΩ。在每片绝缘子的钢脚部分水泥与瓷件交界处喷涂0.4 mm厚的电致发光涂料，涂层宽度为10 mm，喷涂示意图如图11所示。试验用零值绝缘子经MΩ表测量可得其绝缘阻值分别为5.30 MΩ、4.72 MΩ，均满足零值绝缘子阻值范围[35]。
图11 喷涂示意图
Fig.11 Schematic diagram of spraying
输电线路零值绝缘子自诊断试验平台如图12所示。工频电源的输出端一端接地，另一端通过导线向绝缘子串施加工频电压，并通过调压器控制输出工频电压。110 kV输电线路绝缘子串采用悬垂布置方式，分别按照正常工况，导线侧第1～7片单片零值，导线侧第1/2片、4/5片、6/7片、1/3片、3/5片、5/7片双片零值的不同工况进行布置。采用工业相机拍摄绝缘子串的电致发光图像，固定工业相机的曝光时长为1.5 s左右，光圈为4.8，感光度为300。
图12 输电线路零值绝缘子自诊断试验平台
Fig.12 Self-identification test platform for zero-value insulators of transmission line
通过基于电致发光效应的输电线路零值绝缘子自诊断试验平台对绝缘子串施加63.5 kV工频电压，模拟110 kV输电线路运行时的典型工况。定义单片零值绝缘子工况下绝缘子表面电致发光涂层的灰度值变化率及绝缘子串表面电致发光涂层的平均灰度值变化率，来分析不同工况下单片零值绝缘子对绝缘子串表面电致发光涂层发光情况的影响，表达式分别为
（12）
（13）
式中，
为绝缘子串第m片为零值绝缘子时，第p片绝缘子的灰度值变化率；
为绝缘子串第m片为零值绝缘子时，第p片绝缘子表面电致发光涂层的灰度值；
为绝缘子串处于正常工况下第p片绝缘子表面电致发光涂层的灰度值；
为绝缘子串第m片零值绝缘子时，绝缘子串表面电致发光涂层的平均灰度值变化率。
110 kV输电线路绝缘子串正常工况以及单片零值工况下，钢脚部分水泥与瓷件交界处电致发光涂层发光情况以及灰度图、灰度值大小和变化率如图13所示。
图13 绝缘子串正常工况及单片零值工况下电致发光试验效果及灰度值数据分析
Fig.13 The experimental effect of electroluminescence and the analysis of gray value data under the normal working conditions and monolithic zero value conditions of insulator strings
如图13a所示，当绝缘子串处于正常工况时，绝缘子串中每片绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层均发出绿色光。这是因为由第2节仿真计算结果可知，当绝缘子串处于正常工况时，绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电场强度超过电致发光涂层的临界发光阈值电场强度200 kV/m，绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处电场提供的能量可以满足电子在激发态和基态之间的跃迁以及发光中心被激发形成光子所需的能量。因此在正常工况下，绝缘子串所有绝缘子表面的电致发光涂层均可以发光。
而当110 kV绝缘子串中含有零值绝缘子时，零值绝缘子表面的电致发光涂层不会发光，钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值骤降，其余正常阻值绝缘子表面电致发光涂层灰度值则出现不同程度的增加。出现此现象的原因是：零值绝缘子因其表面电场强度较低而无法满足电子在激发态和基态之间的跃迁以及光子发射所需的能量，所以绝缘子串中的零值绝缘子表面电致发光涂层不会发光。当绝缘子串中存在零值绝缘子时，绝缘子串所承担的电压势必会转移至正常阻值的绝缘子上，这将增大正常阻值绝缘子的表面电场强度。随着绝缘子表面电场强度的增大，绝缘子表面电致发光涂料中的ZnS:Cu粒子能带逐渐向费米能级方向偏移，导致ZnS:Cu粒子能带间隙逐渐变小。能带间隙的缩小有助于电子跃迁至空轨道并促进光子的发射，进而提高正常阻值绝缘子表面电致发光涂层的发光亮度。当m从1变化至7时，
依次为33.22%、28.18%、25.72%、23.74%、22.25%、20.39%、21.71%，由此可以看出，在上述所有含零值绝缘子工况中，零值绝缘子表面电致发光涂层灰度值均低于30，且绝缘子串灰度值平均变化率位于20%～35%之间。当零值绝缘子位于高压侧时，其对钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值影响大于零值绝缘子位于中部时，又大于零值绝缘子位于低压侧时。
定义双片零值绝缘子工况下绝缘子表面电致发光涂层的灰度值变化率，以及绝缘子串表面电致发光涂层的平均灰度值变化率，来分析不同位置及不同数量零值绝缘子对绝缘子串表面电致发光涂层发光情况的影响，表达式分别为
（14）
（15）
式中，
为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时，第q片绝缘子的灰度值变化率；
为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时，第q片绝缘子表面电致发光涂层的灰度值；
为绝缘子串处于正常工况下，第q片绝缘子表面电致发光涂层的灰度值；
为绝缘子串第m片和第n片均为零值绝缘子时，绝缘子串表面电致发光涂层的平均灰度值变化率。
在110 kV输电线路绝缘子串双片零值工况下，钢脚部分水泥与瓷件交界处电致发光涂层发光情况以及灰度图、灰度值大小和变化率如图14所示。
如图14a所示，当绝缘子串处于正常工况时，绝缘子串中每片绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层均发出绿色光。而当110 kV绝缘子串中含有零值绝缘子时，零值绝缘子表面的电致发光涂层不会发光，钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值骤降，其余正常阻值绝缘子表面电致发光涂层灰度值则出现不同程度的增加。当连续双片零值绝缘子位置mn分别为12、45、67时，依次为58.08%、45.43%、37.18%；当不连续双片零值绝缘子位置mn分别为13、35、57时，依次为54.92%、42.85%、35.28%。由此可见，在上述所有含零值绝缘子工况中，零值绝缘子表面电致发光涂层灰度值均低于30，且绝缘子串灰度值平均变化率均大于35%。连续双片零值绝缘子对钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值影响大于不连续双片零值绝缘子时，又大于单片零值绝缘子时。带电试验结果与表面电场仿真计算结果一致：即绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值与仿真计算得到的钢脚部分水泥与瓷件交界处的表面电场强度呈正相关。
图14 绝缘子串双片零值工况下电致发光试验效果及灰度值数据分析
Fig.14 Experimental effect of electroluminescence and analysis of gray value data under the zero-value condition of insulator string double-piece
基于上述分析，本文提出一种基于电致发光效应的110 kV输电线路零值绝缘子自诊断方案如图15所示。首先将电致发光涂料喷涂至输电线路绝缘子串每片绝缘子的钢脚部分水泥与瓷件交界处。正常工况下，绝缘子串中每片绝缘子的电致发光涂层均会发光；当出现零值绝缘子时，零值绝缘子表面的电致发光涂层不发光，其余正常阻值绝缘子表面的电致发光涂层灰度值增加。当某片绝缘子的电致发光涂层灰度值低于30时，即可诊断整串绝缘子中存在零值绝缘子。当整串绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值的平均变化率大于35%时，可诊断绝缘子串中存在双片零值绝缘子；当平均变化率为20%～35%时，可诊断绝缘子串中存在单片零值绝缘子。本方案的优势在于定位精准灵敏度较高，可以直接诊断出110 kV输电线路中的零值绝缘子，试验结果与仿真结果相互印证。该方案可有效地提升输电线路瓷质绝缘子零值检测的准确性，保障输电线路安全运行。
图15 基于电致发光效应的110 kV输电线路零值绝缘子自诊断方案
Fig.15 Self identification scheme for zero value insulators of 110 kV transmission and distribution lines based on electroluminescence effect
本文带电试验是在采用电磁屏蔽暗室的实验室环境中进行的。由于实验室密闭性较好，在实验室内进行的电致发光试验几乎不受光照条件变化的影响，所提出的基于电致发光效应的零值绝缘子自诊断技术已被证实可有效识别零值绝缘子。然而，输电线路现场复杂的环境光将会降低电致发光信号的信噪比，影响对绝缘子串电致发光效果的观测。对此本文提出基于窄带光学滤波技术的解决方案，通过测量电致发光的特征光谱及色度图来定制对应频段的窄带滤光片，后续计划将其加装在无人机云台镜头前，有效滤除非特定频段的环境光，具体方案如下：
首先，基于电场仿真优选区域，将制备好的电致发光涂料精准喷涂至绝缘子钢脚-水泥-瓷体交界面，通过三次迭代喷涂控制涂层厚度为0.4 mm；其次，对单片绝缘子钢脚端施加5 kV工频电压，钢帽端接地；然后，利用光谱照度计测量绝缘子表面电致发光涂层的光谱图及色度图，分别获取涂层的发光色度坐标以及主峰波长范围，定制相应的窄带滤光片；最后，将滤波片集成于无人机云台相机的可更换滤镜接口，以匹配不同现场光照条件，减少自然光对试验结果的干扰。其中绝缘子表面电致发光涂层色度图如图16a所示，光谱图如图16b所示。
图16 绝缘子表面电致发光涂层色度图及光谱图
Fig.16 Chromaticity diagram and spectral diagram of electroluminescent coating on the surface of insulator
由图16a可知，电致发光涂层发出的绿色光位于(0.184 8, 0.687 2)；由图16b可知，电致发光主峰波长位于504～540 nm之间，此时光强超过0.8。因此，后续可定制波段位于504～540 nm的窄带滤光片，以有效地滤除日光中占比较高的短波蓝光和长波红光干扰。
针对目前输电线路零值绝缘子带电检测准确性差，以及现有电致发光材料临界发光阈值电场强度较高，从而无法满足绝缘子表面电场检测需求等问题，本文首先基于电致发光材料的发光机理分析了不同因素对ZnS:Cu电致发光材料发光特性的影响，制备了喷涂在瓷绝缘子表面的电致发光涂料，并确定了其临界发光阈值电场强度；然后，通过有限元仿真计算了瓷绝缘子表面不同位置的电场强度，并结合电致发光涂料的临界发光阈值电场强度确定了电致发光涂料的最佳喷涂位置和喷涂面积；最后，基于不同工况下绝缘子串表面电场仿真结果及带电试验结果提出了输电线路零值绝缘子自诊断方案，主要结论如下：
1）电致发光涂料的发光亮度随着ZnS:Cu电致发光材料的涂层厚度、填料浓度和高介电常数颗粒质量分数的增加先上升后下降。电致发光涂料的临界发光阈值电场强度约为200 kV/m。
2）绝缘子钢脚部分水泥与瓷件交界处电场强度高于电致发光涂料的临界发光阈值电场强度200 kV/m，适合作为喷涂电致发光材料的特征区域，并且建议喷涂在钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层宽度约为10 mm。
3）正常工况下，绝缘子串钢脚部分水泥与瓷件交界处电致发光涂层可以发光。当绝缘子串存在零值绝缘子时，零值绝缘子的电致发光涂层灰度值低于30。当零值绝缘子位于高压侧时，其对钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值影响大于零值绝缘子位于中部时，进而大于零值绝缘子位于低压侧时；连续双片零值绝缘子对钢脚部分水泥与瓷件交界处的电致发光涂层灰度值影响大于不连续双片零值绝缘子的情况，进而大于单片零值绝缘子的情况。带电试验结果与表面电场仿真计算结果一致。
本文主要针对110 kV输电线路绝缘子串制备了可喷涂在绝缘子表面的电致发光涂料，提高了电致发光涂料的发光亮度，降低了电致发光涂料的临界发光阈值电场强度，并提出了基于电致发光效应的零值绝缘子自诊断方案，检测结果直观准确。未来可开展以下研究工作：①开展更高电压等级、不同绝缘子型号、不同绝缘子串布置方式的仿真和试验工作来进一步验证本方法的准确性；②系统地评估输电线路复杂运行环境（如覆冰、污秽）对涂层发光性能的影响；③针对目前输电线路运行数量较多的复合绝缘子，可以根据复合绝缘子护套表面电致发光强度和分布区域特征来判断其是否存在内部导通性缺陷，进而指导复合绝缘子的运维策略。
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Key Technologies for Self-Diagnosis of Zero-Value Insulators of Transmission Lines Based on Electroluminescence Effect
Abstract To address the challenges of inadequate detection accuracy in the live-line identification of zero-value insulators on transmission lines, this study investigates the luminescence mechanisms of electroluminescent materials. This is achieved through experimental analysis of various factors that influence the photoluminescent characteristics of ZnS:Cu. An electroluminescent coating spray was developed for application on porcelain insulator surfaces, and its critical luminescence threshold electric field was determined. Finite element simulations were conducted to calculate the electric field distribution across the surfaces of porcelain insulators, and in conjunction with the coating's critical threshold, optimal application locations and coating area dimensions were identified. Finally, a self-diagnosis scheme for transmission line zero-value insulators was proposed based on electric field simulations and live-line test results under various operational conditions. Research results indicate：
Firstly, the effects of external factors and the internal filler ratio on the luminescence characteristics of ZnS:Cu electroluminescent coatings were examined through both theoretical analysis and experimental methods. Electroluminescent coatings suitable for application on the surfaces of insulators were developed. The luminous brightness of the electroluminescent coating initially increases and then decreases with the rise in coating thickness, filler concentration, and the mass fraction of high dielectric constant particles. Furthermore, the critical luminescence threshold electric field of the controlled electroluminescent coating can be maintained at approximately 200 kV/m. Compared to the electroluminescent coating before modification, the critical luminescence threshold electric field of the modified coating was reduced by approximately 83.33%, effectively lowering the threshold required to initiate electroluminescence.
Secondly, the results of the electric field simulation indicate that when the zero-value insulator is positioned on the high-voltage side, the electric field’s influence on the surface of the insulator string is greater than when it is located in the middle. This influence is also greater than when it is situated on the low-voltage side. Furthermore, the impact of the continuous double-piece zero value on the surface electric field of the insulator string is more significant than that of the non-continuous double-piece zero value, and it surpasses the effect of the single-piece zero value. The interface region between the porcelain and cement at the insulator’s steel feet exhibits electric field intensities that exceed the critical threshold of 200 kV/m, making it the optimal area for coating application. A coating width of 10 mm is recommended at this interface.
Finally, under normal operating conditions, faint luminescence is observed at the interface of the steel foot coating. When zero-value insulators are present, the grayscale value of the affected coatings decreases to below 30. The severity of the influence follows this order: high-voltage side positioning＞central positioning＞low-voltage side positioning for single defective insulators, with continuous dual defects＞discontinuous dual defects＞single defects. Live-line test results show consistent agreement with surface electric field simulations. In addition, a solution utilizing narrowband optical filtering technology is proposed to effectively mitigate the impact of outdoor ambient light on observational quality. These research outcomes significantly enhance the detection accuracy of zero-value porcelain insulators in transmission lines.
keywords：Electroluminescence, zero-value insulator, luminescence properties, critical luminescence threshold electric field, transmission lines
中图分类号：TM216
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250843
中国电力科学研究院双创孵化基金资助项目（GYB51202402227）。
收稿日期2025-05-20
改稿日期2025-06-16
耿江海 男，1980年生，正高级工程师，研究方向为电气设备绝缘机理和状态检修、电气设备在线监测与故障诊断等。
E-mail：gengjianghai@163.com（通信作者）
陈铭宏天 男，2001年生，硕士研究生，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断。
（编辑 李 冰）