（电力系统及其自动化专业论文）污秽绝缘子在线监测技术的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a bs t r a c t a 1 1k i n d so fi n s u l a t o r si nt h et r a n s m i s s i o nl i n e sw e r el o c a t e di n a i rf o rl o n gt i m e ，o nw h i c hg a t h e r e dab e do fc o n t a m i n a t i o nb e c a u s e o fp o l l u t i o no ft h es u r r o u n d i n g s w h e nt h ec o n t a m i n a t i o na n dh u m i d i t y s t a t er e a c h e sac e r t a i nd e g r e e ，c o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e ro c c u r s t o g u a r d i n ga g a i n s tc o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e r ，e l e c t r i c a ld e p a r t m e n ts e t d o w nas c h e m et oo v e r h a u li n s u l a t o r s h o w e v e r ，t h es c h e m es p e n d s i g n i f i c a n t a m o u n t so fm o n e yo ni n s u l a t o rw a s h i n ga n dc l e a n i n g p e r f o r m i n gt h er e a l - t i m em o n i t o ro fi n s u l a t o ri sac r u c i a lt a s kt o s o l v et h es a f e t yo ft r a n s m i te l e c t r i c i t yw i r e s i tc o u l dh e i g h t e nt h e 1 e v e lo fp r e v e n t i n gc o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e r ，a n de n a b l et h eo v e r h a u l o fi n s u l a t o r st oc h a n g i n gf r o ms c h e m et os t a t eo v e r h a u l t h ec h a n g eo fi n s u l a t o r sl e a k a g ec u r r e n th a sc l o s er e l a t i o nw i t h i n s u l a t o r ss t a t ea n dg e n e r a l l yr e f l e c t st h ec o u r s eo fc o n t a m i n a t i o n f l a s h o v e r f i r s t l y t h em e c h a n i s mo fc o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e ri s r e s e a r c h e di nt h ep a p e ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fi e a k a g ec u r r e n ti s a n a l y z e d i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z et h es p e c t r u mc h a r a c t e ro fl e a k a g e c u r r e n tb ys p e c t r u ma n a l y z em e t h o d ，a n dt h ep r o b a b i l i t yc h a r a c t e rb y m a x i m u mm e t h o d s p e c t r u ma n a l y s em a k ec l e a r1 0 wf r e q u e n c yh a r m o n i c ， e s p e c i a l l yt h i r dh a r m o n i cc o u l dp r e d i c tc o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e r a n d f o l l o w i n g ae x t r e m e v a l u er i s kf u n c t i o ni si n t r o d u c e dt op r e d i c t c o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e r a n dw eh a v ec o n f i r m e dt h er a t i oo fi e a k a g e c u r r e n tt h i r dt of u n d a m e n t a lh a r m o n i c ，a n dt h ev a l u eo fe x t r e m e v a l u e r j s kf u n c t i o no fs i g n a le n v e l o pa sac r i t e r i o nt op r e d i c tc o n t a m i n a t i o n f l a s h o v e r i na d d i t i o n ，w ew r i t eas e to fp r o g r a mo fs i m u l a t i n ga r c i n g m o d e l ，w h i c hp r o v i d e am e a s u r ef o r s t u d y i n gi n s u l a t o ra r c i n gb y c o m p u t e r o nt h eb a s i so ff r o n ts t u d y ，w ed e v e l o pas e to fm o n it o r i n gs y s t e m b a s e do n l e a k a g ec u r r e n t t h es y s t e mi n t e g r a t ew i t ht h ea m p l i t u d e c h a r a c t e r 、f r e q u e n c yc h a r a c t e ra n dp r o b a b i l i t yc h a r a c t e rt op r e d i c t c o n t a m i n a i i o nf l a s h o v e r i ta d o p t sh o s t e x t e n s i o nc o m p u t e rm o d e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 a t 8 9 c 5 1 s i n g l e c h i p s e r v ea sc p ui nt h ee x t e n s i o nc o m p u t e rw h i c h p e r f o r md a t ac o l l e c t i n ga n db e f o r e h a n dd a t ap r o c e s s t h eh o s tc o m p u t e r i nm o n i t o r i n gr o o mc o m m u n i c a r ew i t ht h ee x t e n s i o nc o m p u t e rt h r o u g h r e l a y i n go fw i r e l e s sw a v e t h ee x t e n s i o n c o m p u t e rs t a r tt r a n s m i t t i n g d a t aw h e nith a sf o u n dt h a t t h ea m p lit u d eo fle a k a g ec u r r e n te x c e e d as e t t i n gv a l u e a n dt h eh o s tc o m p u t e rp r o c e s st h ed a t au s i n gs p e c t r u m a n a l v s em e t h o da n dm a x i m u ma n a l y s em e t h o da f t e rh a v i n gr e c e i v e dt h e d a t a o nt h eb a s i so fa n a l y t i cr e s u l t s ，t h eh o s tc o m p u t e rp r o c e s s c o r r e s p o n d i n 9 1 y i tr e a li z er e a l t i m em o n i t o r o fi n s u l a t o r p e r f o r m i n g s t a t e k e y w o r d ：in s u i a t o r ：c o n t a m in a t i o n ：f i a s h o v e ri e a k a g e c u rr e n t s i m u i a t i o n ：s p e c t r u ma r i a iy s e 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 在电力系统中，绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的重要 部件，其性能的优劣对整个输电系统的安全运行起着非常关键的作用。尤其 是在户外运行的绝缘子，除了应具有一定的电气绝缘性能和一定强度的机械 性能之外，还应具各耐受自然环境和污染等的侵袭以保证安全供电的条件。 绝缘子由绝缘体和金属附件构成。绝缘子按用途一般可分为线路绝缘子、 变电站支持绝缘子和套管三大类。依绝缘子的材料分，目前有瓷、玻璃和有 机复合绝缘子。 绝缘子在运行中发生故障的类型很多。当前，对电力系统影响较大，且比 较频繁的事故是在运行电压下输变电设备绝缘子的污秽闪络事故；变电站户 外高压套管和绝缘子的污闪事故以及线路悬式绝缘子的“零值”所引起的高 压导线落地事故。常说的绝缘污秽放电是指输变电设备在工作电压下的污秽 外绝缘闪络。这种闪络，不是由于作用电压的升高，而是由于绝缘子表面绝 缘能力降低引起的结果。污闪有独特的放电机理，它与绝缘子表面积污、表 面污层湿润以及绝缘子本身耐污特性诸因素有关。 随着工业的发展，电网容量的增大和额定电压等级的升高，电力系统输 变电设备外绝缘的污闪事故日益突出。据不完全统计，1 9 7 卜1 9 8 0 年我国输 电线路发生的污闪事故有1 1 2 6 次，变电设备的事故有7 6 1 次；到了1 9 8 卜1 9 9 0 年，输电线路的污闪事故达1 9 0 7 次，变电设备事故达6 9 5 次，后十年的污闪 事故次数总的来讲比前十年又有增加。而且，污闪事故的发生，不但表现为 次数的增加，还表现为污闪面积的扩大及其引起的严重性。我国电力系统的 污闪事故五六十年代已有发生，且多集中在工业比较发达的地区。到了8 0 年代末和9 0 年代，跨地区、跨省市的大面积污闪也开始出现，给国民经济带 来的损失愈来愈大。 大面积污闪事故的发生，是由绝缘子分布本身的特殊性造成的。一个大、 中型变电站，对地的绝缘设备大约有几百支至上千支；而变电站的进线、出 线也有几条至十几条。在周围几十或上百平方公里的地区，大气的污染几乎 是相近的，雾、雪、毛毛雨等潮湿的气象条件也几乎是相同的。一旦一处污 闪跳闸，则表明这个地区近乎相同的几百个或上千个绝缘子个体均处于临界 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 污闪跳闸的状态。一处跳闸，重合闸动作，还会造成电网的振荡，使临近闪 络设备又多承受一个操作过电压的作用。特别是当较多设备的外绝缘抗污闪 能力远低于实际污秽度要求时，往往会造成区域性的大面积污闪事故。 污闪事故造成的电量损失，以及给国民经济带来的损失是十分惊人的。 如1 9 7 6 年2 月上海闸北电厂一次污闪事故，就少发电1 0 1 3 万千瓦时，导致 上海北部地区大面积停电。又如，1 9 7 7 年1 2 月份，山东省淄博、烟台、 惠民几个地区相继发生了地区性大面积污闪，6 3 条线路跳闸，1 0 5 个变电站 停电，损失电量4 3 1 万千瓦时：同时，造成多口油田关闭、输油管凝固等重 大事故。到了9 0 年代，我国的华东、华中、华北、东北、西北等地发生跨省 市的大面积污闪事故，都曾造成地区网络的几度解列。 1 9 8 9 年末至1 9 9 0 年初，我国跨省市的大面积污闪，特别是5 0 0 k v 线路 的大量跳闸，引起了电力部门的高度重视。电力部f - j 制定了一系列防污闪措 施，并投入大量人力、物力解决输变电设备的防污闪问题，也收到了相当大 的效果。但这些防污闪措施都是建立在耗费大量人力物力的基础上，比如定 期清扫绝缘子表面，加大线路巡回检查力度等。这些措施并不能及时发现和 排除绝缘子故障，绝缘子污闪事故仍时有发生。为此，研制一套能对绝缘子 运行状态进行实时监测的装置，提高绝缘子污闪的预警能力，使绝缘子的定 期计划检修转变为状态检修，成为了电力部门需迫切解决的问题。 1 2 课题的研究意义 高压输电线路运行故障多数是由绝缘不良引起的，而线路绝缘子是高压 网绝缘的薄弱环节。当绝缘子表面污秽物和空气湿度达到一定程度时，就极 易诱发绝缘子污秽闪络。为了防止输电线路发生闪络，传统的做法是定期对 绝缘子进行清扫，并沿线检查绝缘子的运行状况。这一做法对提高系统的安 全运行有一定作用，但是也要耗费大量的人力物力。在绝缘故障检测方面， 一些传统的检测方法，如测量绝缘子表面的等值盐密度、测量绝缘子表面电 导率等，需要离线进行预防性测试。这类试验必须在断电状态下进行，试验 周期长、试验费用高、经济损失大、劳动效率低。弥补这一缺陷的有效途径 就是实行绝缘子运行状态的实时监测。在不停电的情况下，对设备进行测试， 测试结果可以反应设备运行的真实情况，而且可以随时进行，这样可以大大 提高发现问题的概率。提高污秽闪络的预警能力。 绝缘子运行状态的在线检测技术是实现电力设备由计划检修向状态检 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 修的必然要求。状态检修提倡“该修则修，不该修则不修，检修具有针对性”， 节约了检修成本，减少了停电时间，提高了设备利用率。目前，国外的状态 检修已由原来的低水平，局部的状态检修阶段，进入了由计算机管理的具有 监测、判断、告警专家系统的高级阶段。绝缘子在线监测技术正是顺应这一 趋势，必将在电力设备由计划检修向状态检修的转变中发挥重要作用。 1 3 目前预防污闪的措施及其局限性 绝缘子污闪是一个复杂的过程，通常可分为积污、受潮、干区形成、局 部电弧的出现和发展四个阶段。绝缘子污闪的预防主要是采取措施抑制或阻 止其中任一阶段的发展和完成。随着环境污染状况日益严重、电力系统规模 的持续扩大及输电等级的升高，预防污闪事故的发生已经成为十分重要的课 题。目前，绝缘子污闪预防措施主要有以下几种： 1 加大爬电距离 这是目前比较有效的防污闪措施，包括增加绝缘子片数和采用爬距较大 的防污型绝缘子。爬电距离是指沿绝缘表面测得的两个导电部件之间或导电 部件与设备界面之间的最短距离：而爬电比距是指外绝缘爬电距离与系统最 高工作电压之比。绝缘子的污闪电压总体来说是和绝缘子串长成正比的，加 大爬电距离可以限制通过绝缘子表面电导层的泄漏电流，提高污闪电压。目 前我国已经对高压线路、发电厂、变电站外绝缘的最小爬电比距和污秽等级 给出了标准，具体的地区根据本地区的污秽等级加强绝缘，可以大大降低污 闪事故的发生。但该措施的局限性在于每个地区的污秽等级很难准确地确定， 而且串长也是受限制的( 保证风偏时的空气间距) ，不能无限制增加。 2 涂防尘涂料 目前最常用的是在绝缘子表面涂憎水性二甲基硅油或地蜡等涂料。这种 方法可以使污秽层不易形成连续的导电液薄膜，增加了绝缘子的表面电阻， 使泄漏电流下降，从而抑制了污闪的发展，提高了污闪电压。目前主要是采 用在污闪季节到来前涂刷一次，一般就可以安全度过污闪季节。该措施的局 限性在于涂料老化后遇到大雨会自动脱落，需要经常涂刷，需耗费大量人力 物力。 3 采用半导体釉绝缘子 半导体釉绝缘子的釉层有一定的电导性，因而一直有一个比普通绝缘子 表面泄漏电流大的表面电导电流流过，使绝缘子表面温度略高于周围环境温 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 度，具有烘干作用，使瓷表面不易形成导电液薄膜；此外釉层还能缓解干区 电场集中的现象，使干区不易出现局部电弧，电压沿整个绝缘子串的分布也 会变得比较均匀一些。该措施的局限性一是在于半导体釉老化后会失效；二 是在天气比较寒冷的地区烘干效果不明显，预防污闪作用不大。 4 定期清扫 清扫可以说是预防污闪的根本措施，可以在现场用人工擦洗、带电水冲 洗、带电气吹，也可以更换下来清洗。但无论那种方法，工作量和劳动强度 都很大，而且定期清扫的效率很低。有可能污秽度还很轻，却已经到了定期 清扫的计划时间，白白浪费了人力物力；或者是污秽度已经很严重了，由于 计划时间还没到，可能造成污闪事故的发生。 以上这些预防污闪的措施，从根本上来说都是被动的预防，不能掌握主 动权。本文讨论的绝缘子状态实时监测系统，通过实时、及时地监测绝缘子 泄漏电流、并利用一定的分析方法对绝缘子运行状态做出判断，提高了绝缘 子污闪的预警能力，最大程度地预防了污闪事故的发生。 1 4 国内外研究方法及现状 输电线路绝缘子的在线检测，因其安装位置的特殊性及分布区域的广泛 性，向来是绝缘在线监测的一个难点。若干年来，国内外一直在寻找有效的解 决办法，至今已有以超声波检测法、激光多普勒振动法及红外热象仪法为代表 的非电量测量法和以电压分布检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电 量测量法，被尝试用于解决绝缘子在线监测问题”1 。 1 非电量测量法 激光多普勒振动法是利用已开裂的绝缘子的振动中心频率与正常时不同 的特点，通过外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反 射镜对准被测绝缘子，或用激光源对准被测绝缘子，以激起绝缘子的微小振动 然后将激光多普勒仪发出的激光对准被测绝缘子，根据对反射回来的信号的 频谱的分析，从而获得该绝缘子的振动中心频率值，据此判定该绝缘子的好 坏。超声波检测法是基于当超声波从一种介质进入到另一种介质的传播过程 中，在两介质的交界面发生反射、折射和模式变换( 纵、横波转换) 的原理实现 的。通过接收超声波发生器发出的脉冲，超声波在进入绝缘子介质和穿出绝 缘子介质时的反射波来限定绝缘子的位置区间。当绝缘子出现“开裂”时， 则在接收到的反射波的时间轴上将出现该缺陷的反射波，由时间轴上的该缺 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 陷波的大小及位置，即可判断出缺陷在绝缘予中的具体情况。 超声波检测法和激光多普勒振动仪法可检定出开裂绝缘子，对于具有“零 值自爆”特性的玻璃绝缘子的在线检测确有高效。日本在这一领域研究较多， 也取得了一定的进展”“。但超声波检测法存在的耦合和衰减及超声波换能器 的性能问题在远距离遥测上目前未有大的突破，尚处于摸索阶段，该类设备目 前主要用于企业生产的在线检测及实验室检定。激光多普勒振动仪的缺点是 体积庞大、笨重、使用及维修复杂，以及它对未开裂的劣值绝缘子检测效果 很差，这些缺点限制了它的适用范围。 利用绝缘子表面的热效应原理进行在线检测的红外热象仪法，对于涂有 半导体釉的耐污绝缘子的遥测相当有效“，。因为此类绝缘子在线带电运行时， 正常绝缘子的表面电流较大、温升较高，而劣值绝缘子的表面温度比正常绝缘 子低好几度，用红外热象仪易于识别：但对于玻璃绝缘子或普通釉的瓷绝缘子 其正常的表面温度比劣值的表面温度仅相差1 左右，在复杂的现场环境下， 测量极其困难，而红外热象仪高昂的造价亦令众多用户对其性能价格比难以 接受。基于此，目前国内外大多采用电量法进行绝缘予在线检测。 2 电量检测法 ( 1 ) 电压分布检测法 电压分布检测法是一种传统的绝缘在线检测方法。近年来随着传感器技 术的发展，该法也被赋予了新的内容。基于泡克尔斯( p o c k e l s ) 效应的光纤电 压传感器能在基本上不改变绝缘子串电场强度分布的情况下，准确测定各绝 缘子的电压分布情况，克服了短路叉法、火花间隙法测量准确度低，读数分散 性大的缺点，同时也消除了静电电压表法测量时会改变绝缘子串电压分布的 不足。 在信号处理方面，目前普遍采用将测量结果经光电转换后通过绝缘杆内 的光纤传输到低压端，再转换成电信号读数或直接将测量结果转换成语音信 号报出的方法“。 至于劣值绝缘予的判定，目前众多的理论研究及实验均己证明“叱正常绝 缘予串的电压分布呈不完全马鞍型，即在每串绝缘子中靠近导线侧的绝缘子 承受电压最高，约为靠近接地端绝缘子承受电压的1 7 倍3 o 倍，而以中间 部分承受电压最低：但两相邻绝缘子之间承受电压之比则大致在1 1 1 3 之 间。因此，用相邻比较法即能较好地判断出劣值绝缘子。国内目前一般以相邻 绝缘子电压比低于5 0 作为劣值绝缘子的判断标准，或采用纵向比较法，即用 该绝缘子串上次所测电压分布相比较的方法判别劣值绝缘子“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 电压分布检测法的特点在于直观、能准确地判断绝缘予性能的变化。利 用信号光电转换的测量方法消除了以前测量方法的准确度不高、读数困难等 缺点。但是，电压分布法操作起来仍然十分不便。虽然己研制出自爬式绝缘 子检测仪，相对减轻了现场操作人员的劳动强度，但每次测量必须登杆才能完 成，操作人员的劳动强度依然较大、工作安全性较差的缺点仍然令这种方法难 以得到广泛应用。如何解决好这一问题将是该法今后应用研究的主要课题。 ( 2 ) 绝缘电阻法( 泄漏电流法) 绝缘子在线检测中，绝缘电阻的测量是通过泄漏电流的测量得以实现的。 众所周知，高压输电线路绝缘子一般都采用结构简单、机械强度高、老化率低 的盘形悬式绝缘子片，接成串后，可在任意电压等级的输电线上使用。 在天气干燥的情况下，泄漏电流为毫安级，当绝缘子串中有零值或低值绝 缘子时，其对地泄漏电流的幅值将发生较大的变化“”。该变化值依绝缘子劣化 的程度及个数而异，通过检测灵敏度及准确度较高的电流传感器可以采集到 泄漏电流的变化。目前已研制出多种适用于泄漏电流测量的实用的电流传感 器，它们在泄漏电流的测量准确度方面毫无问题，但绝缘电阻法存在的问题并 非完全在于电流的准确测量，它还取决于以下几个因素： 输电线路的电压变化直接影响到泄漏电流的大小，且电压的变化引起的 电流改变值在理论上足以与一至二个绝缘子劣化时的电流改变值相当。 绝缘子的泄漏电流与其表面的污秽程度密切相关。杆塔结构、绝缘子 老化程度、绝缘子形状及天气状况如温度、湿度甚至风速风向都会对绝缘子 泄漏电流的大小产生影响，因而泄漏电流值在正常情况下亦是一个随时间变 化的量，存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在劣值绝缘子，即如何确立判 断标准( 判据) 的问题。 最近几年，国内外不少研究机构利用最新的波形分析技术，比如信号分 析技术研究发现，绝缘子泄漏电流频谱构成的变化贯穿了整个绝缘子污秽闪 络过程，比较准确的反应了绝缘子从局部放电到沿面闪络的全过程”。另外， 由于泄漏电流信号的随机性，利用概率统计方法分析泄漏电流包络线信号对 于判据的确定也有很大帮助n ”。本文后面将详细介绍这两种最新的方法。 ( 3 ) 脉冲电流法 所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子 的绝缘状况。其原理是：存在劣值绝缘子的绝缘子串中，由于劣化绝缘子的绝 缘电阻很低，它在绝缘子串中承担的电压也较小，于是其它正常绝缘子在绝缘 子串中的承受电压必然明显大于正常情况下的承受电压，而因回路阻抗变小、 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 绝缘子电晕现象加剧，电晕脉冲电流必将变大。根据线路上存在劣值绝缘子时 电晕脉冲个数的增多、幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入 杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过一定的信号处理手段，从而达到在 低压端检测出不良绝缘子的目的。 该法存在的主要问题在于传感器的选择、信号的提取及辨识、现场干扰 的排除等。由于电晕脉冲电流在绝缘子正常时亦可能产生，且随着输电线路电 压的波动其值也在变化，故如何消除这些因素的影响、建立绝缘子劣化判断标 准也是该法能否成功的关键。近来不少研究者在这方面都做了很多有益的探 索。文献 1 4 在实验室通过对单相绝缘子脉冲电流的测量得出如下结论：不 良绝缘子的阻值、不良绝缘子在串中的位置、绝缘子串的长度及正常绝缘予 的电晕起始电压都对脉冲电流法检测不良绝缘子的分辨率产生影响。 由于绝缘子在线检测的这些固有的问题，到目前为止，我国尚没有开发 出能广泛应用，且能准确判断绝缘子运行状态的实用产品“。当然也有一些 处于试验阶段的产品，比如武汉高电压研究所研究出的污秽绝缘子泄漏电流 自动监测报警器，是以绝缘子泄漏电流进行检测的。它的传感器和监测报警 器安装在杆塔上，报警信号采用无线电传输方式传输到地面接收，地面部分 为便携式接收机。这个装置还不是全天候实时监测，它还需要巡线人员拿着 接收机沿途收集数据。另外还有一种是变电站瓷绝缘污秽泄漏电流自动监测 仪。 综上所述，由于绝缘子在线监测的特殊性，其实时监测极其困难。非电 量检测法虽然具有不与被测元件直接接触、没有高压绝缘问题困扰的优点， 但由于其测量受诸如造价、设备本身条件、外在因素影响及设备操作复杂等 因素的限制，在实际应用中困难重重。电量检测法中，分布电压法虽然具有直 观、能准确地判断绝缘子性能变化的特点，但其钡4 量需要登杆、工作危险程度 高等弱点也使其应用潜力受到限制。脉冲电流法基于电晕放电的原理，将传感 器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号进行检测，经济方便，但信号的 提取、辨识、现场干扰的排除等比较困难。泄漏电流法测量在低压端进行， 能准确地测量出泄漏电流的变化情况，但该值受影响的因素多，而且泄漏电流 本身也是一个随时间变化的量。所以，对于准确判定绝缘子串是否存在劣值 绝缘子，建立一个合适的判断标准( 判据) 就非常重要。本文使用目前通用的信 号频谱分析技术以及概率统计方法来分析泄漏电流与绝缘子状态的关系，并 据此建立劣质绝缘子的判断标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 5 本文主要研究工作 本课题的主要任务是实现绝缘子运行状态的实时监测。在分析了污秽绝 缘子局部电弧发生、发展直至闪络的全过程后，建立了一套以泄漏电流为基 础的绝缘子监测系统。本文的研究工作主要有以下几方面： 1 绝缘子污秽闪络是绝缘表面局部电弧发生、发展的复杂过程，绝缘子 表面泄漏电流是一个随机变量。本文对污秽闪络发生的机理进行了研究，阐 述了泄漏电流的频率特性及其包络信号的随机性，并根据分析结果建立了判 据。 2 根据绝缘子表面局部电弧的动态特性建立了电弧放电动态模型，编制 了一套程序仿真绝缘子在线运行时，泄漏电流随电压和表面电导率的改变而 变化情况。 3 根据已经建立的判据，设计了一套基于泄漏电流的绝缘子在线监测系 统。该装置由主机一从机组成，采用无线接力传输方式。硬件设计主要包括 c p u 的选择、外围电路及数据采集调理电路的设计。 4 无线接力传输的抗干扰设计很关键。本文根据绝缘子在线监测数据传 输的特殊性，制定了该系统无线传输的通信协议并进行了抗干扰设计。 5 最后，本文结合绝缘子状态监测和硬件系统的特性设计了主机和从机 的监测软件，为实现了绝缘子运行状态的实时监测打下了一定的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章污秽绝缘子状态监测技术的研究 2 1 绝缘子污秽的积聚过程 大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。固体微粒中直径 较大者，在重力作用下垂直降落；直径较小者呈悬浮状态，也在绝缘子周围 运动着。微粒在绝缘子表面上的沉积是一个风力、重力、电场力综合作用的 结果。重力只对直径较大的微粒起作用，且主要影响污染源附近绝缘子的上 表面。电场力的作用表现在电场力使微粒在交流电场中作振荡运动，使微粒 朝着电力线密集的一端积聚。在污秽积聚的影响因素中，风力和绝缘子外形 的影响是主要的。空气运动的速度和绝缘子的外形决定了绝缘子表面附近的 气流特性，在不形成涡流的光滑表面附近( 例如，x w p ：双层伞型和x m p 草帽 型) ，微粒运动速度快，从而减少了它们降落在绝缘子表面的可能性；反之， 下表面具有高棱和深槽的绝缘子表面附近则易形成涡流，使气流速度下降， 创造了污秽沉积的有利条件。 大气污染比较严重地区的浓雾，对绝缘子表面的污染也是明显的。研究 表明，城市工业区的浓雾的雾水电导率可达2 0 0 0 s c m 2 左右，一次来雾可 稳定地维持数小时。城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可 达数百至1 0 0 0us c m 2 以上。雾对绝缘子表面的实际污染在北京地区的清河 和草桥两个试验站进行了实测，其结果是，一次8 1 0 小时的大、中型雾，绝 缘子表面盐密值可增加0 0 1n g c m 2 左右。人工模拟试验表明，当雾水电导 率为2 0 0 0us c m 2 时，x p 1 6 0 绝缘子，受雾6 l o h ，盐密值可增加0 0 3 0 0 4 n g c m 2 。雾水电导率为2 0 0 0 ps c m 2 的雾可使设备的污闪电压比蒸馏水雾 下降2 0 左右。 绝缘子表面沉积的污秽，来源于该地大气环境的污染，其积聚速度还与 绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密切的关系m i 。长期的运行经验表明， 城市工业区及大气污染严重的地区，一般绝缘子表面的积污也比较多。工业 规模愈大，对周围影响的范围也愈大。原电力部电力科学院等单位研究表明， 对于大气扩散和传送能力强的大城市，工业污染扩散对电力系统污染的影响 范围可达2 0 3 0 k m 及以上；中等工业城市的影响范围可达1 - - 2 0 k m ；对四川 盆地、长江三峡、汉中盆地等大气净化能力弱地区，城市工业污染影响范围 多在1 0 k m 之内。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 绝缘子污秽放电的机理 在线运行的绝缘子，在自然环境中，受到s o 。，氮氧化物以及颗粒性尘埃 等大气环境的影响，在其表面逐渐沉积了一层污秽物。在天气干燥的情况下， 这些表面带有污秽物的绝缘子保持着较高的绝缘水平，其放电电压和洁净、 干燥状态时的绝缘子接近。然而，当遇有雾、露、毛毛雨以及融冰、融雪等 潮湿天气时，绝缘子表面污秽物吸收水分，使污层中的电解质溶解、电离， 导致污层电导增加。这时，绝缘子的表面泄漏电流就会增加。由于绝缘予的 形状、结构尺寸的影响以及绝缘子表面污层分布不均和潮湿程度不同等因素， 使绝缘子表面各部位的电流密度不同。泄漏电流的热效应使绝缘子表面电导 层温度升高，其结果是在电流密度比较大的部位形成了干燥带。例如悬式绝 缘子的钢脚附近，棒式支柱绝缘子的裙和芯棒交接处，往往电流密度较大。 干燥带的形成促使绝缘子表面电压分布更加不均匀，干燥带承担较高的电压。 当干燥带承受的电场强度足够大时，将产生辉光放电。随着泄漏电流的增大， 辉光放电有可能转变为局部电弧。这时，污秽绝缘子的表面放电模型，相当 于表面局部电弧串联着一段污层电阻。局部电弧的热效应，会使干燥带扩大， 局部电弧沿着干燥带旋转，不断适应自己的长度。此时局部电弧有可能熄灭， 也有可能发展。当干燥带长度扩大到电弧无法维持时，电弧就会熄灭：但如 果绝缘子表面电导率继续增大，污层电阻不断减小时，绝缘予表面的泄漏电 流将继续增大，局部电弧就不断向对极发展。当局部电弧不断发生和发展， 达到和超过临界状态时，电弧贯穿两极，完成闪络。 由此可见，绝缘子的污秽闪络，取决于以下四个阶段的发生和发展。即： ( 1 ) 绝缘子表面的染污过程。 ( 2 ) 绝缘子表面污层湿润的过程。 ( 3 ) 干燥带和局部电弧形成过程。 ( 4 ) 局部电弧发展贯穿两极的过程。 2 3 影晌绝缘子污闪电压的因素 交流电压下污秽绝缘子的放电特性，是指工频电压作用下污秽绝缘子的 闪络电压或耐受电压与污秽程度之间的关系。在我国，通常是以悬式绝缘子 或支柱型绝缘子的污闪电压或耐受电压与等值附盐密度( e s d d ) 间的关系曲 线来表示。也常常把整串绝缘子污闪电压折算成单片绝缘子的污闪电压，或 整串绝缘子折合成单位爬电距离的污闪电压与盐密度的关系来表示。等值盐 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 密法是把绝缘子表面的导电污秽物密度转化为相当于每平方厘米多少毫克 n a c l 的一种表示方法。 绝缘子污闪电压的影响因素主要是绝缘予表面污秽度、绝缘爬距和气压， 空气湿度及温度等。 ( 1 ) 测量受污绝缘子的放电特性通常有两种方式，一种是人工污染绝缘子 放电特性的测量，另一种是自然污染绝缘子放电特性的测量。所谓人工污染 绝缘子是在实验室中把洁净绝缘子涂敷一层人工污秽，模拟运行自然条件下 的污秽绝缘子。常用的方法是用等值的n a c l 模拟自然污层中可溶于水的导电 物质，用硅藻土等模拟自然污层中不溶于水的非导电物质，然后均匀涂抹于 绝缘子表面，晾干后在人工盐雾室中进行试验，求取绝缘子在各污秽度下的 污闪电压。自然污秽绝缘子放电特性是指暴露在自然环境中的绝缘子，其污 闪电压与污秽度的关系。但由于在自然条件下染污的随机性很大，绝缘子串 各片间，每片的各个部位污秽的分布不均匀，且自然污秽物中组份不同，因 而自然污染绝缘子的污闪电压分散性较大。大量试验证明：无论是人工污染 还是自然污染的绝缘子其放电电压均随污秽度的增加而呈幂函数下降。在污 秽度较小时，污闪电压随污秽度的增加下降很快，在重污秽度下，污闪电压 下降缓慢并趋于饱和。其数学表达式如下】。 u ，( w ) = k s , t ” ( 2 1 ) 式中u ，k 0 一污闪( 或耐受) 电压，k v 只一盐密值，m g c m ： 足、尸一常数 ( 2 ) 在污秽度相同的情况下，绝缘子的污闪电压还与绝缘子的爬电距离有 关。表2 1 的数据是在人工雾室中，进行大量试验的基础上，经过回归分析 的结果。该数据表明各种类型的绝缘子，在污秽度相同的情况下，污闪电压 一般随爬电距离的增大而升高。但是，污闪电压舟高的程度各自不同，与伞 裙结构有关。伞裙结构不合理，尽管爬电距离增加很大，但污闪电压提高不 名。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 表2 1 绝缘子在污秽度相同情况下，污闪电压与爬电距离的关系 用回归方程计算各盐密下的污闪电压u ，和污闪电压梯 绝缘子型同归方程( k v 度e ( k v c m ) 片) 0 0 5 m g c m 2 0 1 m g 册20 2 m g c m 2 u |点。 u i e 。 u f e ： x 一4 5 5 2 2 7 s d 一 1 1 7 73 6 5 89 7 53 3 6 280 82 7 8 6 x p 一7 05 3 1 9 s d 一。2 “ 1 1 0 j3 7 4 6g 3 33 1 8 37 8 82 6 7 l l x p 一7 06 0 6 4 s , ，。0 2 2 5 1 1 8 34 0 1 0l o 1 33 4 8 48 6 82 9 4 2 x h l 一4 5 5 9 5 4 s d ”5 1 3 5 73 3 9 31 1 2 22 8 0 59 2 72 3 1 8 x w p 一7 05 6 0 9 s d “2 0 8 1 3 2 13 3 0 81 0 7 92 7 0 08 8 l2 20 2 x p 一1 6 0 4 6 l o s d ”8 l o 6 03 4 7 58 7 42 8 6 87 2 72 3 6 4 x p 3 1 6 0 5 2 3 0 s d “2 6 9 1 1 3 63 2 4 69 5 02 7 1 47 9 32 2 6 6 、 x p 4 一1 6 0 6 1 2 3 s d “5 1 3 0 53 2 6 51 0 9 52 7 4 09 2 02 3 0 0 x w p - 1 6 06 2 2 3 s d o ”2 1 2 5 13 1 2 71 0 6 42 6 6 81 0 0 52 2 6 2 x w p 2 - 1 6 07 2 5 5 s d “2 1 2 1 3 9 83 1 0 71 2 0 12 6 6 91 0 3 23 2 9 3 x w p 5 一1 6 0 5 9 1 0 s d “3 1 2 1 3 0 23 3 3 81 2 1 12 6 9 19 7 62 1 6 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 l x p 一1 6 0 5 ，4 6 6 s d “ 1 2 9 13 0 1 31 0 5 83 20 6 8 6 83 6 3 0 x p - 2 1 06 1 5 8s d o 2 “ 1 27 93 8 1 81 0 8 03 22 4g 1 22 7 2 2 ( 3 ) 气压对污闪电压也有显著影响。在我国西部的高海拔地区，海拔在 1 0 0 0 m 以上的地区约占全国总面积的6 0 。该地区空气稀薄，气压较低，昼 夜温差大，电气设备的外绝缘强度下降，绝缘子的劣化率较高，常发生一些 电气绝缘事故。 另外，污物中可溶盐的成分、非导电物( 灰密) 的成分及比例等都会影响 绝缘子的放电特性。 2 4 绝缘子污闪的数学模型 为了进一步分析绝缘子污闪的原因及有关影响因素，简单地介绍一下污 秽绝缘子污秽闪络的数学模型。 5 0 年代，奥本诺斯( o b e n u n s ) 首先提出了污闪的物理模型，如图2 1 所示。他认为污秽放电是一段局部电弧和剩余污秽电阻相串联的等效模型。 他的研究为后人所接受，并为之发展。 ， 图2 - 1 绝缘子局部放电的物理模型 该模型是由一段局部电弧，。和剩余的污秽层组成，作用在模型两端的电 压u 等于局部电弧压降和剩余污层电阻压降之和： u = u 。+ 0 ( 工一，。) ， ( 2 2 ) 式中，一通过局部电弧和剩余污层的泄漏电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 u 。一电弧压降 0 一单位长度的污秽层电阻 电弧的压降主要由弧柱电压降组成，其伏安特性为： u 。a 1 ，。 ( 2 - - 3 ) 其中a 是气体散热常数，”是与电弧电流相关的常数。 单位长度的电弧电阻等于电场强度e 。与泄漏电流的比值： 铲e = u 以厂。( 2 - - 4 。， 对于简单光滑的圆柱性绝缘子，无电弧放电时，绝缘子总电阻为表面污 秽层电阻之和，用r 。表示，它与爬电距离l 成正比，与电导率n 和绝缘子直 径d 成反比，其表达式为： 驴。d ( 2 - - 5 ) 由式( 2 5 ) 容易得到单位长度的污秽层电阻0 ，r p 等于绝缘子污秽层 电阻r p 与绝缘子爬电距离l 的比值。 。= 。易。d ( 2 _ 6 ) 对于形状复杂的绝缘子，沿绝缘子表面的单位长度污秽层电阻0 的计算 方法近似于简单绝缘子，只不过计算总电阻r 。的时候，电导率和直径要用等 效的数值来替代。 于是可以得到绝缘子局部放电等效模型的总电阻为： r = l ，。+ r e ( l - l 。) = r ，+ l ( 一r ，) ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，电弧电阻相对于污层电阻的大小决定了污秽绝 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 缘子电弧放电总电阻的增加或减少，也就决定了绝缘表面泄漏电流的大小。 具体如下： 当 k 时，总电阻变大，泄漏电流减小，电弧具有上升的伏安特性。 由于泄漏电流减小，电流对绝缘子表面的烘干作用减小，干燥区逐渐恢复受 潮，电弧长度逐步缩短直到最后熄灭。 当r o 0 时，总电阻变小，泄漏电流增加，电弧具有下降的伏安特性， 导致电弧电阻进一步减小，总电阻也越来越小，泄漏电流越来越大，局部电 弧逐步伸长直至完成闪络。 因此r o = r 就是局部电弧发展或者熄灭的临界条件，在后面的电弧放电 仿真模型中用到了这个条件。分别将公式( 2 4 ) 一( 2 - - 6 ) 代入r o = k 就 可以得到局部放电发展或熄灭的临界泄漏电流值： l i o = ( a x r 。d ) 7 1 ” ( 2 8 ) 综上所述，绝缘子表面在受潮时沿面闪络的条件为： ( 1 ) 首先，流过绝缘子表面的泄漏电流应能烘干湿润的污秽层并形成 干燥带，当干燥带承受的电压达到临界值的时候，会产生局部小电弧。 ( 2 ) 必须满足r 0 的条件，使通过绝缘子表面的泄漏电流不低于能 产生电弧通道的极限泄漏电流，局部电弧才可能逐步伸长直至完成闪络。 2 5 绝缘子运行状态与泄漏电流的关系 在天气干燥时，通过污秽绝缘子表面的泄漏电流非常小，呈容性状态。 这时绝缘子表面的干燥区大，单位长度上的电压比较低，电场强度不足以使空 气电离产生局部放电，在这种情况下，泄漏电流比较平滑，一般有效值不超过 几百微安。此时的泄漏电流呈近似正弦状。如图2 2 ( a ) 所示。如果湿度增 加或者有过电压产生，干燥区的电场强度增大到使该区域上的空气电离并发 生局部放电，同时，被电弧短接的干燥区，重新变得湿润恢复导电性，绝缘子表 面电导层回路总电阻减小，泄漏电流增大，并由容性状态转变为阻性状态“。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l6 页 此时的泄漏电流如图2 2 ( b ) ，从图中可以看到局部有脉冲电流产生，泄漏 电流的波形已经产生了畸变。如果外界条件不变，整个过程将不