（电力系统及其自动化专业论文）输电线路污秽绝缘子在线监测的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 输电线路的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压及长期运行电压下均 能可靠运行。但沉积在绝缘子表面上的固体、液体和气体污秽微粒与雾、露、 毛毛雨、融冰、融雪等恶劣气象条件的同时作用，将使绝缘子的电气强度大 大降低，从而使得输电线路的外绝缘不仅可能在过电压的作用下发生闪络， 更频繁的是在长期运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。 常说的绝缘子污秽放电是指在工作电压下的沿污秽绝缘表面发生的全面 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。 随着我国工农业生产的迅速发展，电网的分布范围也愈来愈大，输电电 压等级也不断提高。而且伴随经济的快速发展，各种工农业污染物不断增多， 以及环境的破坏造成沙尘暴等天气因素，使电力线路和设备的污闪不断加重， 造成的危害也越来越大。根据统计，污闪事故己占到了整个电力系统事故的 第二位，仅次于雷害事故，而污闪事故的损失却是雷害事故的十倍“”。这主 要是因为发生污闪时，一个区域内的绝缘子积污、受潮程度差不多，容易发 生大面积多点污闪事故，闪络引起跳闸后绝缘性能很难自恢复，这往往又导 致事故的扩大和长时间停电。污闪事故涉及面广，停电时间长，经济损失大， 是电力安全发供电的一大威胁。 国内目前防污闪的措施基本上是绝缘子的定期清扫、加大爬电距离、刷 r t v 涂料、采用有适当绝缘裕度的防污型绝缘子等“1 。但是有计划的检修清 扫并不能杜绝事故的发生，一场沙尘暴或烟尘的排放都有可能使前功尽弃； 加大爬电距离，虽然提高了绝缘子的绝缘裕度，但是每个地区的污秽等级很 难确定的十分准确，而且串长也是受限制的，不能无限制增加，随着污染的 加重，此方法并不能从根本上解决问题：刷r t v 涂料，虽能够保证绝缘子安 全运行一段时间，但r t v 涂料也有一个有效期问题，有效期过了需要重新刷 涂，但是在上一次的刷涂过程后，由于污秽颗粒的沉降，造成重新刷涂中很 难将绝缘子上的污秽洗干净，重新刷涂的效用也是一个未知数，而且也浪费 了大量的人力和物力；采用有适当绝缘裕度的防污型绝缘子，如半导体釉绝 缘子，半导体釉老化后会失效，而且在天气比较寒冷的地区烘干效果不甚明 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 显，对防污闪作用不大。实际上我们在发供电的并不清楚输电线路的运行情 况、积污状况，一旦发生事故往往造成很大的损失。 对输电线路进行在线监测，是保证绝缘子安全可靠运行的关键。目前在 输电线路的维护检修方面，我国的指导方针是要由绝缘子的故障检修、计划 检修逐步过渡到状态检修，而绝缘子的在线监测是实现状态检修的关键。 1 2 课题研究的意义 多年来我国污闪事故不断，污闪事故已遍及全国各地。一次污闪事故损 失的电量可达几万至千万度，而间接损失更是无法估计。因此，开展污闪研 究的课题有着现实的重大的意义。 为了防止污闪事故的发生，需要对绝缘子的染污状况做出及时准确的判 断，以便在危险来临之前，采取必要的措施。但是根据目前主要的防污闪措 施( 加大爬电距离、涂防污材料、定期清扫、采用新型防污型绝缘子) ，缺少 绝缘子污秽程度的实时信息和有效的研究手段，都不能做到及时准确的判断， 而通过在线监测能够实时掌握线路绝缘子的工作状况。在不停电的情况下， 对绝缘子的各项参数进行测试，通过这些参数来确定绝缘子的污秽程度，污 秽过限时及时处理，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监测技术是实现输电线路由计划检修向状态检修 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，提高了绝缘子利用率。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，必将在输电线路由计划检修向状态检修的转变中发挥重要作用。 1 3 绝缘子在线监测的发展及现状 我国对在线监测的重要性早在6 0 年代就有所认识，并提出过不少带电试 验的方法，但行之有效的却不多。原因之一是缺少关于绝缘子污秽程度的全 面真实的信息。 若干年来，国内外一直在寻找有效的解决办法，有多种方法被尝试用于 绝缘子的在线监测问题。在这些方法中可大致分为非电量测量法和电量测量 法。非电量测量法以超声波监测法、激光多酱勒振动法“1 及红外热象仪法“1 为代表。电量测量法以电压分布监测法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 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所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，从而获得该绝缘予的振动中心频率值，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。当绝缘予出现“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 陷波的大小及位置，即可判断出缺陷在绝缘子中的具体情况。 超声波检测法和激光多普勒振动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质绝缘子检测效果 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像仪法，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，而劣质绝缘子的表面温度比正常绝 缘子低好几度，用红外热像仪易于识别：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质的表面温度仅相差1 左右，在复杂的现场 环境下，测量极其困难，而红外热像仪高昂的造价亦令众多用户对其性价比 难以接受。基于此，目前国内外大多采用电量法进行绝缘子在线监测。 1 3 2 电量检测法 经过近几十年的发展，国内外专家对绝缘子污闪机理有了一个全新的认 识，电量测量法得到迅速发展，并有相关产品投放市场运用。电量测量法包 括电压分布检测法、脉冲电流法及绝缘电阻法( 即泄漏电流法) 等多种，是通 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 过检测绝缘子在运行过程中其电参数变化来实现在线监测的方法。 ( 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。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( 场强) 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。 在信号处理方面，目前普遍采用将测量结果经电光转换后通过绝缘杆内 的光纤传输到低端，再转换成电信号读数的方法州或直接将测量结果转换成 语言信号报出的方法“”。 电压分布检测法的特点在于直观，能准确判断绝缘子性能的变化。光学 测量电压分布方法消除了以前测量方法的准确度不高、读数困难等特点。虽 然已研制出自爬式绝缘子检测仪“2 。”1 ，相对减轻了现场操作人员的劳动强度， 但每次测量必须登高才能完成，操作人员的劳动强度较大、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。 ( 2 ) 脉冲电流法 脉冲电流法则是通过测量绝缘子电晕脉冲来判断绝缘子的绝缘状况。其 原理是：存在劣质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上的承 受电压必然明显大于正常情况时承受电压，而因回路阻抗变小、绝缘予电晕 现象的加剧，电晕脉冲电流必将变大；根据线路上存在劣质绝缘子时电晕脉 冲个数的增加、幅值的增大的现象，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 低端检出不良绝缘子的目的。 该法的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。随着高低频传感器和滤波器的研究和发展，这个问题已基本解 决。 ( 3 ) 绝缘电阻法( 即泄漏电流法) 顾名思义是通过测量绝缘子绝缘电阻来判断绝缘子的绝缘状况，绝缘电 阻的测量是通过泄漏电流的测量来实现的。研究表明：绝缘子污闪时泄漏电 流与其表面污秽程度之间有密切的关系“”。 污闪是否发生与泄漏电流密切相关，当泄漏电流越大，发生污闪时候的 污闪电压就越低。泄漏电流是电压、气候( 大气压力、温度、湿度等) 、污秽 三要素综合作用的结果，是动态参数。绝缘子的泄漏电流与所加电压成正比 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 值为主要手段，实际上，污闪的发生与环境因素又很大的密切的关系，尤其 是湿度等参数，这些系统虽然也采集环境参数，但不能体现到报警方式中， 性，人们还希望了解到污闪进一步的发展趋势，这一点还没有现成的系统提供帮助。 本课题讨论的实时防污闪在线监测系统，通过实时的掌握绝缘子上的电 p 确霏j 暖巍蓉# 。m 黼翮斯莉翱序翊锄翮。鲥嗣豹非黝酗匕导电薄二嚣斛 噬趔媳驸u 岛扣乔p 力稚眵i 婕醪妨稚弘弛韭报挝鞠茅嵛酐# 蠹葡引稚鳓羊羔 酗氟舒副蟊国；归而弘鞫j 稚酝矩翰而菲硐：正温厦系数电解质的影响强弱 础鄱i 驵筻鲢耻q 靼，童滢曝进嗒眨麓镬碳堪；寥e 甏驯型黔蓄掌副希蜘氲 衙。 ；髫蒌囊霎冀囊鏊冀 署泣阱灌獬落璎建屿霉驯翌直径也有所变化，因此绝缘子各个区段的泄 漏电流密度是不相同 的，这就使得表面层的自身加热也是不均匀的。在某些污层薄的地方或者潮 湿程度轻的地方，特别是在绝缘子表面泄漏电流密度最大的区段上，表层水 分将剧烈蒸发，在这些地方形成高电阻的干燥区( 例如盘形悬式绝缘子的干 燥区，如图2 1 ) ，它将承受绝大部分外加电压，从而改变了绝缘子的电压分 布。 区 区 图2 1 绝缘子钢帽( 或钢脚) 附近的电流分布及烘干区形成 在绝缘子铁脚附近，因直径最小，电流密度最大，发热最多。当绝缘子 垂直悬挂时，该处被绝缘子瓷裙所遮挡，不易 直接受到雨雪的湿润，表面被 逐渐烘干。于是在靠近铁脚的附近最先形成局部烘干区。烘干区的表面电阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章污闪的机理和监测特征量的选择 为了正确分析原因和采取有效防污闪措施，我们首先讨论一下污秽闪络 发生的机理，然后就表征绝缘子污秽程度的各种特征量进行分析，给出具体 监测参数并阐述选择这些参数的意义。 2 1 污闪发生的一般现象 在输电线路所发现闪络的绝缘子据统计以靠横担第一片最为严重引起 的原因有雷电、不明闪络等，但更多的是工频电压下污闪。这是由于靠近导 线的第一片绝缘子所承受电压最高，而且大气的降尘、大风引起的尘土也最 易附着在该片上，当潮湿条件合适，或者有暂态或操作电压下将首先引起闪 络，但因其所摊电压尚小，能量小，一般不留下痕迹。紧接的第二片绝缘子 所摊电压又较之前一片位大，场强变大，也跟着闪络，依次类推直到靠横担 第一片承担全部电压，自然能量大，电弧强烈，所产生的高温将绝缘子表面 釉石灼伤，留下灼伤的痕迹。 电弧放电具有岛温的特点，电弧放电时可达几千度的高温，弧焰在热扩 散力的作用下，能量小时，在釉面留下蜡烛状的痕迹，能量大的剧烈电弧在 釉面留下灯笼状的白色痕迹，多发生在靠横担第一片绝缘子铁帽边缘向绝缘 子表面闪络处。在污州进行过程中，绝缘子的绝缘电阻较高的承受电压也高， 容易放电而绝缘电阻较低时所承受的电压也低，电场强度较弱，不能放电。 整串闪络的绝缘子串，电弧可以越过低值、零值、甚至严重受潮的绝缘电阻 大大降低了的绝缘子，不留下痕迹。 2 2 污闪的发生过程 输电线路的绝缘子( 特别是运行在工业地区、沿海和盐碱地区) 经常遭受 到工业污秽或自然界盐碱、飞尘、鸟粪等污染。在干燥条件下，这些污秽尘 埃的电阻很大，对绝缘子的可靠运行没有危险：但当空气湿度高，例如在雾、 露、毛毛雨、溶雪等不利气象条件下，绝缘表面的污秽尘埃将被湿润，在外 加电压作用下其表面电导和泄漏电流将大大增加，从而可能导致沿绝缘污秽 表面发生全面闪络。 沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象已经不再是一种单纯的空气间隙击 沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象已经不再是一种单纯的空气间隙击 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 这就使烘干带的电压激增。当烘干带的某处电压超过临界电压时，该处就发 生沿面放电。由于这种放电具有不稳定特征，称为闪烁放电。大部分泄漏电 流经闪烁放电的通道流过。 在闪烁放电通道的外端附近湿润表面的电流密度比两侧大，促使烘干区 向外扩展。另一方面，闪烁放电通道的存在，等于把烘干带短路，使通道两 侧烘干带中流过的泄漏电流降到很小，这些区中的烘干作用就很微弱了，大 气中的水分又逐渐使这些区表面湿润，表面电导增大，反过来对闪烁放电通 道造成分流，减小闪烁放电通道中的电流，以至于可能使闪烁放电熄灭。于 是原通道中的电流转移到两侧的湿润区，使该区再烘干，并在该区引发新的 闪烁放电。这样闪烁放电的路径一面向径向逐渐伸长，一面又会向横向转移， 总的趋势是使环形烘干带的宽度逐渐加大，闪烁放电的长度也随之增长。 如果污秽较轻，其余串联湿润部分的电阻还较大，则烘干带中闪烁放电 的电流就较小，放电通道比较短( 一般来说是几厘米) ，呈蓝紫色细线状，泄 漏电流一般在几个毫安( 对于清洁绝缘子，泄漏电流只有几百微安) 。这种放 电具有上升型伏安特性，放电的发展使放电通道的电阻增大，通过的电流自 然减少。当闪烁放电的长度增到一定程度( 即环形干燥带增加到一定长度) 时，分担到放电通道上的电压己不足以维持这样长的闪烁放电，泄漏电流减 少，耗散的热量相应的减少，被放电旁路的干燥区将逐渐受潮，恢复导电， 这闪烁放电就熄灭。在绝缘子表面重新湿润后，上述过程又重复发生，这样 整个过程就成为烘干与润湿，熄弧与重燃，间歇性交替的过程，闪烁放电没 有进一步延长的趋势，对绝缘子的安全运行是没有危险的，这样的过程在雾 中可能持续几个小时而不会造成整个绝缘子的沿面闪络。 但是，如果污秽比较严重，而且又充分受潮，再加上绝缘表面的泄漏距 离较小，此因素决定了绝缘表面的湿污层的电阻较小，则流过烘干带的闪烁 放电电流就较大，从而会出现较强烈的放电现象。放电通道的现象表现为呈 橘红编织状，且较粗，在这种条件下跨越干区的放电形式为电弧放电，电弧 呈黄红色或白色并作频繁伸缩的树枝形状，通道中的温度也增高到热游离的 程度，成为具有下降伏安特征的电弧放电，通道所需的场强变小，分担到闪 烁放电通道上的电压足以维持很长的局部电弧而不会熄灭，。与这种相对应的 泄漏电流脉冲值较大，可达数十或数百毫安，局部小电弧越强烈，相应的泄 漏电流值越大。最后发展到整个绝缘子沿面闪络。 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； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( 2 ) 绝缘子表面污层湿润过程； ( 3 ) 干燥带形成和局部电弧发展1 i 过程； ( 4 ) 局部电弧发展贯穿两极过程。 3 局部电弧发展为闪络的条件 1 9 5 8 年，f 奥本诺斯( 0 b e n u n s ) 于电路模型提出称为熄灭理论的污秽 闪络机理，认为污闪不同于一般由碰撞电离所引起的气体放电，它是局部电 弧沿面逐步延伸的结果。电弧压降与泄漏电流呈负特性关系，可以降低到运 行电压之下。后来，a l s t o n 等通过数学处理，认为污闪电压由电弧压降和污 层电阻压降两部分组成，从出现局部电弧到完全闪络，要经过一临界点。试 验中，在i 临界点之前，必须电压升高，电弧才能延伸。到临界点时，即使电 压不升高，电弧也能自动延伸，临界点的电压即闪络电压。这是最早的污闪 模型，已为国际上所接受。但到7 0 年代，人们认为0 b e n s u s 的模型只适用于 直流，在交流电压下，电弧长度随电流交变而伸缩，当电流过零时，电弧会 熄灭，必须电弧重燃，才能完成污闪。因此，交、直流电压下的污闪模型是 不同的，交流污闪应补充电弧重燃的条件o 。“。 由2 2 节可知，沿绝缘予湿润污秽表面的闪络现象与作用电压大小、绝 缘子的表面爬电距离以及污层电导等因素有关。 图2 2 污秽绝缘子放电模型 如图2 2 所示模型，便是奥本诺斯提出经后人修改的模型“，“，它由一段 局部电弧l 。和均匀剩余污层组成，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 。+ r 仁一l y ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 式中 u 。电弧压降； ，_ j 厢过局部电弧和剩余污层的电流； 单位长度剩余污层电阻： l 。局部电弧长度： 总爬电距离。 几厘米以上电弧的压降主要由弧柱电压降组成，其伏安特性为 乩一”工。 ( 2 2 ) 其中n 是与电弧电流有关的常数，当电流大约为o 1 a 时，n = 0 6 棚7 ： 当电流在1 a 一1 0 a ，n = o 5 ；电流大于1 0 a 时，n = 0 3 5 加2 5 。a 是与气体性 质、电弧冷却情况有关的常数，一一1 4 0 一3 5 0 矿爿”册。 电弧的电场强度，即单位长度电弧上的电压降： 层一= - 爿，一“( 2 3 ) l 。 单位长度电弧的电阻r 。等于电场强度除以电流： ；粤兰芸 ( 2 _ 4 ) 。 j 上， ，“ ” 图2 3 圆柱形棒式绝缘子模型 对于简单光滑圆柱绝缘子，它在均匀污染和湿润的条件下绝缘子总电阻 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 交流污闪条件的判别，离不开对泄漏电流波形的观察。 泄漏电流和电弧之间存在着良好的对应关系，某半波中是否有电流存在， 能很好的反映该半波中电弧是否重燃；而泄漏电流幅值的大小，能反映电弧 的强弱；电流波形是否有明显的“零休”，即电流过零是否持续一段时间，能 反映交流电弧是否存在明显的熄灭、重燃现象。 下面给出一系列泄漏电流的波形，如图2 4 所示： 图2 4 泄露电流波形 波形( a ) 在有的半波没有电流波形，这表明在相应的半波中电弧没有重 燃，不满足交流重燃条件，显然是不可能闪络的； 波形( b ) 每个半波都有电流，说明交流电弧在每个半波中都重燃，能满足 交流电弧的重燃条件；然而波形的电流幅值是逐渐减少的，说明电弧在逐渐 减弱，后半波的电弧不能恢复到前半波峰值附近的电弧状态，即不能满足交 流电弧的恢复条件，也是不会发生闪络的； 波形( c ) 不仅满足交流电弧的重燃条件，而且电流幅值逐渐增加，表明电 弧逐渐增强，也满足交流电弧的恢复条件，是有可能出现闪络的； 波形( d ) 基本上是正弦波，电流过零附近电弧不熄灭，没有明显的熄灭、 重燃现象，因此不存在电弧的重燃问题，只要电流幅值不逐渐减少，就表示 能满足交流电弧的恢复条件，有可能出现闪络。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 从对上面电流波形的分析可以看出决定交流污闪的关键因素是交流电弧 的恢复条件，而不是重燃条件。交流电弧究竟作何种状态的周期变化，取决 于多种因素的影响，但泄漏电流是其中的重要影响因素。当泄漏电流较大时， 输入能量大，弧柱中积存的能量较多，完成去电离的时间就较长，电流过零 时电弧不易熄灭，只是电弧的强弱随着电流的大小作周期变化。而当泄漏电 流较小时，弧柱中积存的能量较少，能很快完成去电离，在电流过零附近电 弧就熄灭，从而出现明显的熄灭、重燃现象。 因此交流污闪不仅应满足泄漏电流峰值i 。达到临界泄漏电流i 。；而且要 求在电弧发展到临界弧长的过程中始终满足电弧的恢复条件。 从单位长度电弧电导是单位长度电弧中积累的能量函数出发，同时假设 交流电流过零后作用在弧隙两端的电压按正弦规律变化，可推导出交流电弧 的恢复条件0 1 为： 。、n 1 n 2 ( 1 + 4 珊2 砰) ( 1 + 铀。彰)，o1 。五丽瓦一 “ 其中e 。为使电弧的恢复所必需的作用在单位长度电弧上的电压( 峰值) ； 棚为角频率；n ，、n ，为过零前后单位长度电弧的散失功率；岛、吼是过零 前后电弧的时间常数，n ，、n ：、岛、吼这4 个参数受到电弧电流、气体成 分、大气压力、散热条件等多个因素影响，一般需根据实测波形图进行估算： i 。为过零前的电弧电流峰值，由式( 2 1 2 ) 可以看出，若i 。较大，则在较低 的电压下就可使电弧恢复，可见恢复条件也与泄漏电流密切相关。 也就是说在直流污闪条件中，若最大电弧长度达不到临界数值，闪络不 会发生，对于交流污闪而言，此条件同样成立；对于直流而言，最大电弧长 度达到临界数值时，就一定会完成闪络，而对交流而言除了这个条件之外， 还要有在电弧发展到临界弧长的过程中电弧应满足它的恢复条件。因此泄漏 电流与交流污闪发生有直接的关系。 之后，许多学者相继对绝缘子的污闪过程进行了大量的研究，提出了各 自的理论，但这些理论基本上都是以电路模型作为出发点，因此至今尚未能 完全揭示绝缘子污秽闪络的物理本质。鉴于这种情况，目前国内的研究者已 经开始把注意力集中到绝缘子沿面电场分布与污闪过程的关系进行分析o ， 期望有助于揭示污秽闪络的物理本质。根据这一理论，对于光滑圆柱绝缘子， 当表面污层干燥或均匀湿润时，表面场强都远小于空气击穿场强，绝缘子表 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 面不会产生放电；只有当表面出现干燥带并且干燥带上的场强达到空气击穿 场强时，干燥带表面空气才会击穿而形成局部电弧。绝缘子表面出现局部电 弧后，绝缘子表面电场发生畸变，由原来的轴对称场变为了三维场。在局部 电弧头部附近，形成了具有较强的法向分量的电场，但场强值仍远远小于空 气击穿场强。在局部电弧发展的初始阶段，电弧很短，电弧头部场强较低， 但法向分量的电场所占比重较大。在法向分量的电场的作用下，电弧中的带 电粒子与绝缘子表面发生剧烈碰撞而产生热，同时电弧头部附近污层中电流 线集中也导致发热，致使电弧头部温度升高，污层中电离电位较低的金属原 子首先发生电离，促使电弧向前发展。随着电弧长度进一步增长，电弧头部 场强中法向分量和切向分量都急剧增加。法向分量的急剧增加，使带电粒子 与表面的碰撞更加剧烈，导致温度进一步上升，使得污层中的金属原子以及 表面空气都发生电离，并且在切向分量的作用下促使电弧迅速向前发展，直 到发生闪络。 2 4 表征污秽绝缘子运行状态的特征量比较及选择 研究表征污秽绝缘子运行状态的特征量，或称污秽参数，这样就可以通 过对各类污秽特征量的测量来确定绝缘子的污秽程度，定量的划分污秽水平， 为设计和运行维护提供可靠的依据。下面主要说明几种目前常用的污秽参数。 2 4 1 等值附盐密度( e s d d ) 等值附盐密度是指绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导电物 质的含量所相当于的n a c l 含量( m g c m 2 ) ，简称等值盐密。由于它只与绝缘 子的污秽量、成分和性质有关，所以称为污秽的静态参数。 由于等值盐密量可表征污秽层中可溶物质导电率的大小，因此，等值附 盐密度的具体测量方法为首先以一定量的蒸馏水将绝缘子表面的污秽物全部 清洗下来，收集在干净的容器内。搅拌使其充分溶解后，用电导仪测出电导 率6 。，同时测量出污液的温度。由电导仪测量的污液电导率6 。应按下式换算 到2 0 时的值“： 6 2 0 _ t 6 ( 2 1 3 ) 式中6 ：o _ _ 2 0 时的污液 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 6i t 时的污液电导率( i ls c m ) ； 七换算系数。 然后，将温度换算后的电导率由含盐量一电导率曲线查出相应的等值含 盐量n ，然后由下式就可算出绝缘子表面单位面积的含盐量y ： y ：婴 ( 2 1 4 ) 。 1 0 0 s 式中y 绝缘子表面积含盐量，唱c m 2 ； m 洗污秽所用的蒸馏水量，f l i l ； s 绝缘子表面积，c m 2 ： n 1 0 0 毫升溶液中含盐盼毫克数， m g 1 0 0 l i l l 清洗污物的蒸馏水的电导率不应超过1 0l is c m 。表面积小于2 0 0 0 c 2 的 试品用水量一般为3 0 0 i i l l ，表面积大于2 0 0 0 c 廿的试品应随表面积的增大而按 比例增加水量。在现场测量中，为了便于比较和更准确起见，可按下式来确 定不同类型绝缘子的用水量： 皱一妻 式中q i 所测试品需用的蒸馏水量，i i l l ； s ；所测试品绝缘件的表面积，c m 2 ； s 。普通悬式x p 一7 或x 一4 5 瓷件的表面积，c m 2 。 此式适用于悬式和支柱绝缘子。 显然，等值附盐密度不能反映绝缘子的运行状态。由于等值盐密是在静 态下测得的，没有包含运行状态的湿润受潮和电压作用。在干燥地区，尽管 实测得到的盐密值较大，但在运行中并不会对绝缘子的绝缘性能有多大影响： 而在潮湿多雾地区，实测的等值盐密虽小，它也可能使绝缘水平显著下降； 同时，对自然污秽绝缘子的等值盐密测量还受到许多难以控制的多种因素的 影响。比如，测试季节和测试周期，绝缘子的造型，绝缘子串的上、中、下 不同部位，每片绝缘子上、下表面污秽分布不均匀等。因此，对于某一地区， 盐密的测定值往往具有很大的分散性，一般来说，要按照等值附盐密度来准 确地评价污秽绝缘强度是比较困难的。 当用等值附盐密度作为污秽参数时，人工污秽绝缘子串与自然污秽绝缘 子串的污闪电压是不等价的。虽然自然污秽绝缘子真实地反映了各种具体情 况，但很难由大量的人工污秽试验结果来得到完整的普遍规律。因此，要得 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 秽及电压直接联系起来，比静态参数前进了一大步。但因测试电压低，并不 能反映污秽层在高电压下的真实变化，故称为表征污秽绝缘子运行状态的半 动态参数。 表面污层电导率的具体测量方法是首先测定流过污秽绝缘子的工频电流 对作用电压的比率，即表面电导： g - ( 2 1 6 ) ，u 再用表面电导g 乘以绝缘子的形状系数f ，即得表面电导率y ，各种绝 缘予的形状系数是不同的。 阼 y 皇厂g 霉! 一 ( 2 一1 7 ) u 式中i 污层饱和受潮时的最大泄漏电流a ( 有效值) ； u 施加的电压，k v ( 有效值) ； f 试品绝缘子的形状系数，即 ，鱼 。 j 06 0 ) ( 2 1 8 ) s 为绝缘子沿泄漏距离上的任意点的线坐标：b ( s ) 为相应处的周长。形状系 数应由绝缘子尺寸来确定。一般是绘制绝缘子圆周边长的倒数1 b ( s ) 对泄漏 距离s 的关系曲线，形状系数为该曲线下的面积。如果试品由n 个元件串接 而成，则总的形状系数丘- 巧。即绝缘子串试品的电导率 。丝 。 u ( 2 1 9 ) 对于标准悬式绝缘子f 为o 8 2 ，一般棒形支柱为1 6 1 9 ，各种绝缘子 的形状系数是不相同的“1 。为了便于比较和应用，污层电导率应换算为基准 温度2 0 时的值 y 2 0 耳y 口i j ：；：；j 万 ( 2 2 0 ) 式中e 是绝缘子的表面温度( ) 。 表面污层电导率可以代表绝缘子的污染程度以及相应的污秽闪络特性， 但毕竟是在比运行电压低得多的条件下测得电导后再乘以绝缘子形状系数而 得出的。在本质上还不可能完全反映污秽绝缘子在运行状态下的实际情况， 而且在现场测量电导时还受到许多客观条件的限制。同时，绝缘子形状系数 的计算也只是近似的。因此，以表面污层电导率为特征量在实际应用中还很 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 难推广，一般多用于污闪机理和特性研究中作为特征参数。 2 4 3 大气质量指数 大气质量指数：其物理意义为单位体积大气总悬浮颗粒物中的等值含盐 量，通过大气质量指数的测定，估算该地区绝缘子最大积污量( 代表盐密) ， 定量描述污秽特征，来代替盐密试验表征污区的污秽程度。 大气质量指数与绝缘子代表盐密，呈显著的线性关系，可以通过大气质 量指数来估算绝缘子代表盐密值；应用大气质量指数可以合理划分污区等级、 预测本地区绝缘子最大积污量、指导线路清扫以及设计新线路污秽等级。 大气质量指数是直接与绝缘子积污密切相关的参数，同时引入可溶盐含 量( 等值含盐量) 的概念，使得大气质量指数更能反映绝缘子积污规律。测试 方法简便，更具操作性。其测试方法如下： 将附着样品的滤膜浸入1 0 0i l 的蒸馏水中，不断搅动使样品尽量脱离滤 膜。l 小时后测定水溶液的电导率及水温，扣除空白滤膜的电导率。利用盐 密测量中使用的溶液含量与电导率关系曲线( 图2 4 ) ，查知该水溶液的等值 含盐量，进而计算单位质量总悬浮颗粒物( 固体样品) 的等值含盐量： e 。1 0 x ! 竺( 2 2 1 ) 式中b 一单位质量总悬浮颗粒物的等值含盐量，i i l g g ； 卜蒸馏水量，m l ； d 一总悬浮颗粒物的百分含盐浓度： w 一总悬浮颗粒物样品重，g 。 大气总悬浮颗粒物质量浓度计算如下： t 。七旦( 2 2 2 ) q 。f 式中卜总悬浮颗粒物质量浓度，l l l g m 3 ； t 采样时间，m i n ： 甜采样器平均抽气量m 3 ； k 常数，中流量采样k = 1 护。 。 大气质量指数计算如下： 爿。丁e 。k 兰( 2 2 3 ) q 式中 大气质量指数，ug m 3 ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 情况下典型的泄漏电流波形，如图2 6 所示。泄漏电流可测得有效值、平均 值、瞬时值等多种。 。 ( a ) 初始阶段( 未发生闪络时) 月。 a _ j i ：丑 ：a 一 ；l i rv _ ! l 。 l ( b ) 中间阶段( 闪络前3 0 分钟) ( c ) 最后阶段( 发生闪络) 图2 6 典型的泄露电流波形 国际大电网会议第3 3 学术委员会( 过电压及绝缘配合) 0 4 污秽工作组认 为研究泄漏电流的较为认可的参数为：运行电压下泄漏电流的最大脉冲幅值 i 。；超过一定幅值的泄漏电流脉冲数( 尺度穿越率) ：临闪前最大泄漏电流值 i ：奇数倍频与工频幅值比( 常用三倍频) 等。 实际运行中可采用泄漏电流的脉冲计数或最高泄漏电流作为特征量。 ( 1 ) 脉冲计数 泄漏电流的脉冲通常产生于交流污闪最后阶段之前，而且随着临近闪络 的逼近，脉冲的频率和幅值都要增加“”，因此，泄漏电流的脉冲计数可用于 监测污秽绝缘子的运行状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 然污秽站只要保持沿绝缘子串的电压梯度一定，就可以用较低的电压测量i “。 因此，用i 来表征运行中绝缘孚的污秽程度是一个较好的参量。根据i 。的现 场记录以及在试验室所确定的泄漏电流特征，可以用来报警和选择绝缘水平。 线 路 原 有 绝 缘 子 图2 8 泄露电流记录仪接线图 f 一放电管；c 一电容器：肛电阻：p 一电磁计数器 r 1 r 2 r 3 综上所述，以i 。作为特征量只需将现场记录的数值与试验室的测量结果 进行简单比较就可以确定污秽度。同时，它给出了气候条件和运行电压对污 层特性共同作用结果的连续记录，对于污秽地区的绝缘选择和报警都是比较 理想的参数。但i 。的现场测量必须进行很长时间；在设计新线路时又应在反 映线路走廊典型污秽条件的地方建立自然污秽站；同时，测试设备的造价也 比较高；在已有的绝缘子监测系统中，报警电流i 。的确定必须根据大量的现 场记录结果作统计计算，并结合运行经验才能得出合理的结果。 绝缘子的泄漏电流是逐渐增加的，直增加到临界电流i 。，时就可能发生 闪络。由于污闪过程是一种随机过程，i 。是一种分散性很大的随机变量。 2 4 5 电晕电流 当绝缘子表面的电场强度超过空气分子的游离强度( 一般在2 0 3 0k v c m 之间) ，空气分子就会被游离，这时可以听到“刺刺”的放电声，嗅到臭氧( 魄) 的气味，在夜间还可以看见绝缘子周围发出的蓝紫色荧光，这种现象称为“电 晕放电”或简称“电晕”。电晕要消耗电能，电晕放电时产生的脉冲电磁波对 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 无线电和高频通信会产生干扰；电晕还会使绝缘子表面发生腐蚀，从而降低 了绝缘子的使用寿命。 电晕放电是一种自持放电形式。绝缘子电晕放电不仅与外施工频电压关 系密切，而且与空气湿度和绝缘体本身状况( 如污秽种类和程度、表面润湿程 度) 有很大关系。 脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲来判断绝缘子的绝缘状况。当 绝缘子污秽程度增加时，绝缘子电晕现象的加剧，电晕脉冲电流将变大，电 晕脉冲个数增加、幅值增大。 ( 1 ) 电晕发生概率 电晕发生概率是通过测量绝缘子在设定的工频试验周期内，发生电晕放 电现象的周期数与试验周期数之比近似获得。一次电晕放电周期的确认是通 过从高频电流传感器获取的采样信号中检查有无超过设置门限电压的数值及 超过门限电压数值的个数判定完成的。设置每个工频周期感应超过门限电压 的采样值个数的目的是为消除可能的外界干扰，此门限值应根据传感器的灵 敏度和测量装置的抗干扰能力来设定。 绝缘子电晕放电的概率与外加电压之间的关系近似符合正态分布的统计 规律，且与绝缘子周围环境密切相关。电晕发生概率密度函数f ( v ) 可用下述 公式描述o “： 1 一垡兰尘 ，一名l _ e 2 一 ( 2 - 2 4 ) u 式中v 为外加电压； v r 一5 0 电晕起始电压； o 为方差，即5 0 电晕起始电压的离散程度。 于是，绝缘子的电晕发生概率p ( v ) 可表示为： p ) = r ，m y ( 2 - 2 5 ) 方差。为一个随相对湿度变化的值，当湿度增加时，o 值减小，也就是说 电晕起始电压的离散程度减弱。 。 不同类型的绝缘子其电晕发生概率密度函数略有不同，主要影响因素就 是5 0 电晕起始电压v 己，下面主要讲述一下5 0 电晕起始电压v c 及其测量 方法。 ( 2 ) 5 0 电晕起始电压v c 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 5 0 9 6 电晕起始电压v c 是借鉴绝缘子5 0 9 6 闪络电压的概念定义的，它反映的 是在多次施加电压时，绝缘子在该电压下有5 0 9 6 的周期产生电晕放电的电压 值。 v c 可通过下述方法测定：由法拉第电磁感应定律知，当有电流i 通过绕 有一定安匝的闭合线圈时，则在线圈的输出端有感应电压，针对电晕电流本 身具有高频、信号弱的特点，测量传感器应该满足频率范围宽、信号放大倍 数大的基本要求”“。如图2 9 ，采样取2 0 0 0 个周期，取采样周期为0 2us ， 采样频率为5 删z ，缓缓升高绝缘子承受电压并测量统计产生电晕放电( 电晕 脉冲幅值5 m v o ”) 的周期数，至1 0 0 0 ( 1 1 ) 时的电压值为v 。值。 图2 _ 9 实验原理图 卜变压器；2 一限流电阻；3 一静电电压表；4 一单个x p 一7 绝缘子 5 一低频传感器；6 一高频传感器；7 一取样电阻 实际上，绝缘子的电晕起始电压不仅与绝缘子表面污秽程度、空气湿度有 关，而且与绝缘子本身状况及周围环境温度有关，与污秽物的化学特性如潮解 度等有关。当相对湿度小于7 0 9 6 时，v 。几乎是恒定不变的，污秽对其影响甚微； 相对湿度处于7 0 - 8 0 时，v c 受湿度影响最为剧烈；不同表面污秽条件下，绝 缘子v 。受湿度影响的变化趋势相似。 当绝缘子表面干燥时，绝缘予电晕起始概率是外加电压、空气湿度、表面 污秽程度的函数，并且符合统计分布。外加电压超过某一数值并且表面污秽程 度和外加电压不变时，绝缘子电晕起始概率随相对湿度的增加而变大。当相对 湿度和外加电压不变时，表面污秽程度越高，绝缘子电晕起始概率也越高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 当相对湿度小于7 0 9 6 时，污秽程度对电晕起始电压的幅值影响较小：当相 对湿度大于7 5 时，污秽程度对电晕起始电压产生显著影响；当相对湿度大于 7 5 时，在同一污秽程度下，相对湿度越高，电晕起始电压越低。 电晕电流脉冲可作为检测绝缘予运行状态的一个测量参数。 2 4 6 闪络场强 用i 、作为污秽特征量虽然是一个动态参数，但实际应用起来比较麻烦。 如果对实际运行的绝缘进行试验，并测出其污闪特性，从而得到最直接的结 果是最理想的。这种与污闪过程全部联系起来的特征量就是污秽绝缘子的闪 络场强。虽然，绝缘子的闪络场强就是将闪络电压除以整个绝缘子串的长度， 得到闪络梯度来作为特征量，其中闪络电压是指闪络前一个周期的最高电压。 为了把该直接参数与绝缘造型结合起来，常用闪络梯度作为特征量，即单位 泄漏距离的污闪电压。以闪络场强作为特征量是最合理的，但要测量这个参 数所用的设备造价高，比较麻烦，一般采用不多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 第3 章模糊数学与模糊推理模型 3 1 引言 目前国内的绝缘子在线监测装置，监测的参数主要有：泄漏电流幅值及 脉冲数、湿度、温度等。泄漏电流被认为是最能反映污闪发生的指标，一般 的在线监测装置以绝缘子泄漏电流幅值超过一定值后发生报警( 有的用幅值 和脉冲数综合报警) ，其他参量如湿度、温度起参考作用。但目前为止人们对 闪络发生的机理还不是足够的清楚，闪络的发生是电、热、化学等复杂的综 合作用的结果，因此对污闪发生时泄漏电流的报警值，还没有一个公认的说 法。泄漏电流报警值设得过低，会使环境比较适宜发生污闪的地区如：沿海、 内陆某些盐碱地区、污染比较严重地区，频繁地对电力系统停电清扫，浪费 大量的人力、物力：报警值设得过高，又会使电力系统的稳定运行产生威胁。 传统方法的优点是原理简单，易于实现，主要缺点是泄漏电流及脉冲数的报 警值的大小由人的技术、经验来确定，准确性不高，易误判。合适的报警值 目前还需要不断摸索和积累经验，泄漏电流受环境( 湿度、温度等) 的影响是 很大的，但目前一般的监测装置在报警方式上没有考虑到这些因素，而是仅 仅作为参考。 模糊集合理论由美国教授z a d a h 于1 9 6 5 年提出，它不同于传统数学与控 制理论，经典与现代控制理论需要依靠精确的数学解析方法，模糊集合理论 在解决非线性问题、无精确数学模型等问题具有很大的优越性。人们对绝缘 子沿面放电的机理虽不十分了解，但通过实验和长期现场经验的总结，人们 了解到污闪放电与环境因素有很大的关系。单一的以泄漏电流为监测报警对 象有它的局限性，比如，同样2 0 毫安的泄漏电流在不同的湿度等环境条件下 危险性是不同的。因此充分考虑到湿度等环境因素的作用，才能使报警比较 符合污闪发生的实际情况模糊集合理论能够比较好地解决这个问题。 在第二章中我们得出泄漏电流是表征绝缘子运行状态的比较科学的特征 量，下面面临的问题是采集到了泄漏电流如何根据泄漏电流和天气情况判断 绝缘子的污秽程度或污闪的几率? 以往人们解决这个问题的方法是设定一个 电流报警值，电流超过该报警值则进行报警恒值报警模型，本章分析了 该模型存在的问题，进一步提出基于知识库的模糊推理报警模型，提高了报 警的可靠性。本章首先介绍一些模糊数学和模糊推理的基础知识，然后着重 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 分析恒值报警模型存在的问题和模糊报警模型的优点。 3 2 模糊数学的基本知识 模糊集合理论的产生和发展到现在不过是3 0 年的历史，但它已经逐步地 渗入到自然科学和社会科学的各个领域，并且取得了引人注目的成果。笼统 地说，模糊集合是一种特别定义的集合，它可用来描述模糊现象。有关模糊 集合、模糊逻辑等的数学理论，称之为模糊数学c 删。 模糊性也是一种不确定性，但它不同于随机性，所以模糊理论不同于概 率论。模糊性通常是指对概念的定义以及语言意义的理解上的不确定性。例 如，“老人”、“温度高”、“数量大”等所含的不确定性即为模糊性。可见，模 糊性主要是人为的主观理解上的不确定性，而随机性则主要反映的是客观上 的自然的不确定性，或者是事件发生的偶然性。偶然性与模糊性具有本质上 的不同，它们是不同情况下的不确定性。例如，“明天有雨”的不确定性，是 由今天的预测产生的，时间过去了，到明天就变成确定的了。但是“老人”、 “气温高”等的不确定性，即使时间过去了，即使做了实验，它仍然是不确 定的，这是由语言意义模糊性的本质所决定的。 模糊集合是一种特别定义的集合，它与普通集合既有联系也有分别。对 于普通集合来说，任何一个元素要么属于该集合，要么不属于，非此即彼， 界限分明，决无模棱两可。而对于模糊集合来说，一个元素可以是既属于又 不属于，亦此亦彼，界限模糊。模糊性是人们在社会交往和生产实践中经常 使用的，它提供了定性与定量、主观与客观、模糊与清晰之间的一个认为折 中。它既不同于确定性，也不同于偶然性和随机性。概率论是研究随机现象 的，模糊数学则是研究模糊现象的，两者都属于不确定性的数学。应当特别 注意的一点是，不可认为模糊数学是模糊的概念，它是完完全全精确的，它 是借助定量的方法研究模糊现象的工具。 3 2 1 模糊集合的定义及表示方法 定义：给定论域x ，a = x 是x 中的模糊集合的含义是 ：x 一【0 刘 工一心 ) ( 3 1 ) p 称之为a 的隶属函数( 亦称隶属度) ，心o ) 称之为x 对a 的隶属度。模糊子 集用a 表示。这样的隶属度函数表示其特征的集合。其中论域x 指的是所讨论 的事物的全体。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 这样的矩阵称为模糊矩阵，由于其元素均为隶属函数，因此它们均在 o ，1 中取值。 若用图来表示模糊关系时，则将x 。，y i 作为节点，在x i 到y i 的连线上标 上卢。( x 。，y 。) 的值，这样的图便称为模糊图。 3 2 3 模糊逻辑与近似推理 ( 1 ) 模糊命题 “这个电阻温度很高”不是一个命题，因为它没有确切地指出温度高达 多