（电气工程专业论文）基于tc35i的输电线路故障定位系统.pdf

东南大学工程硕士学位论文 基于t c 3 5 i 的输电线路故障定位系统 摘要 本文介绍了输电线路中形成污闪的原因，分析了利用泄漏电流来判断绝缘子污秽度的 原理，提出了基于手机模块t c 3 5 i 的污秽绝缘子在线监测系统。 通过特殊的引流装置，在线实时测量输电线路上绝缘子串的泄漏电流。并由数据采集 单元收集数据，再由每个杆塔上的微处理器打包，将测得的数据通过g s m 通讯模块传送 至后台监控中心，或直接发送给维修人员，并附上杆塔号，由杆塔位置图，即可精确定位 故障所在位置。 系统主要包括几个模块：监测部分、处理单元、发送部分。监测部分包括电流互感器， 数据采集单元，防雷击系统；处理单元包括电池系统。m c uc 8 0 5 1 f 0 2 0 ：发送部分为t c 3 5 i 手机模块。监控中心由3 部分组成：数据传输系统，数据库和故障定位系统。 关键词：绝缘子、污闪、泄漏电流、在线监测系统、g s m 、故障定位、手机模块 论文类型：工程技术 m a l f u n c t i o no r i e n t a t i o ns y s t e mo ft h et r a n s m i te l e c t r i c i t yc i r c u i t r y a b s t r a c t t h ep a p e ri sc o n c e r n e dw i t ht h er e a s o no f f l a s h o v e r , a n a l y s e st h ep r i n c i p l et h a tu s et h e l e a k a g ec u r r e n t t o j u d g e t h e d e g r e e o f i n s u l a t i o n sc o n t a m i n a t i o n ，a n d b r i n g s f o r w a r d a l l o n l i n e m o n i t o r i n ge x p e r ts y s t e mf o ri n s u l a t o r sb a s e do ng p r sa n dg p s t h r o u g has p e c i a ll e a d i n gc u r r e n te q u i p m e n t , t h el e a k a g ec u r r e n to f i n s u l a t i o no nt h e t r a n s m i te l e c t r i c i t yc i r c u i t r y , a n dc a l c u l a t et h ea v e r a g ea n dt h em a xo f t h ep e a kv a l u e ，a n dt h e n u m b e ro f t h ec u r r e n ti m p u l s ei ns o m ec y c l eu s i n gt h es t a t i s t i c a la l g o r i t h m ，t h em e a s u r e dd a t a w i l lt r a n s m i s s i o nt ot h et i r i n g - r o o mm o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g hg p r s ，a n dt h ed a t aw i l l s u p e r p o s eo nt h em o n i t o r i n gc e n t e r sg i ss y s t e m ，a n da n a l y s i st h ec h a r a c t e ro f t h ef a u l t , f i n dt h e e x a c tt r o u b l ep o s i t i o no nt h em a p t h es y s t e mm o s t l yi n v o l v es e v e r a lm o d u l e s ，t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi sc o m p o s e do f c u r r e n tt r a n s d u c e r , c o l l e c t i o nd a t ep o r t i o n , p r e v e n t i n gl i g h t n i n gs t r i k es y s t e m ，d a t as a n d i n g p o r t i o n , b a t t e r ys y s t e m ，m c u c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，g p s m o d u l e s t c 3 5 i ；m o n i t o r i n gc e n t e r c o n t a i n s t h r e e p a r t s ：d a t a 仃a n s m i s s i o ns y s t e m ，d a t a b a s e ，e l e c t r i c i t yn e ta l a r me x p e r ts y s t e m k e y w o r & ：i n s u l a t i o n 、f l a s h o v e r 、l e a k a g ec u r r e n t 、o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m 、g p s n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二3 2 立 导师签名：址日期： 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论1 1 1 1 3 l 当前全球电网分布总量不断提高，污闪问题日趋严重。而我国随着城乡工农业发展。输 电线路污染逐年加重。而输电电压等级不断提高，电网范围分布越来越广，加之我国电力 系统设备更新不到位，自动化水平低，大气污染的加重，在绝缘于表面沉积的污秽层受潮 后使绝缘子的外绝缘能力下降。每年污闪事故不断，严重威胁着电力系统的安全运行。据 统计，由于污闪而引起的绝缘闪络事故占电网总事故次数的第二位，仅次于雷击事故，而污 闪事故的损失却是雷击事故的l o 倍。全国六大电网几乎都发生过大面积污闪，造成了很大 的经济损失。特别是2 0 0 3 年8 月发生的美、加停电事件，再次为中国电网安全敲响了警钟。 目前国内多采用测量绝缘子盐密来指导线路清扫，但输电线路杆塔数量多、分布广、地理条 件复杂，使盐密测量工作量繁重，无法连续监测，更不能及时反映在不同气候环境条件下绝 缘子表面绝缘性能状况。根据测量的泄漏电流结合环境条件，来判断绝缘于表面污秽积聚过 程，是目前监测外绝缘污秽的重要方法，是开展“状态检修”的实用手段。基于g s m 技术( 全 球移动通信系统，g l o b a ls t a n d a r do fg o b i l ec o m u n i c a t i o n ) 的绝缘子在线监测系统能 全天候有效监测线路绝缘子串污秽状况，向线路管理和运行维护人员提供污秽状况信息，并 通过专家知识和自学习算法，对监测数据进行自动分析，实现故障预警，具有极大的经济效 益和社会效益。 绝缘子外表面的泄漏电流是指在运行电压下，绝缘子外表面由于污秽形成通路，从而 流过的电流，它是电压、污秽、气候三要素的综合结果。因此，通过对污秽泄漏电流的变 化及发展趋势的实时监测与分析，能对绝缘子的污秽状况作出准确实时的判断，以决定是 否需要溥扫。 1 2 国内外研究现状、发展动态 据统计引起1 l o k v 及以上电压等级线路跳闸的原因，几率最高的是雷击。其次是污闪。 因此，线路外绝缘表面的污秽泄漏电流和雷击瞬时冲击脉冲具有代表性。多年来，对于带 电运行的电力线路及变电站内的绝缘子的绝缘状况一直没有安全有效的在线监测方法，以 往绝缘子的绝缘监测方法主要有以下几种：离线盐密测量法，绝缘电阻测定法，分布电压 测定法，交流耐压法，超声波检测法等。这些方法对绝缘子性能评估是有效的，但工作量 非常大测量的精度不够高，且要离线检测不能及时反映绝缘子的实际运行情况。近年 来国内外对高压绝缘子的在线监测研究较多，无论国内、国外对高压绝缘予的在线监测 都是基于全球移动通信网( g s m ) ，并集传感器技术、通信技术和计算机技术的一种检测 东南大学工程硕士学位论文 方式。研究人员想通过对绝缘子的实时监测，掌握绝缘子的污秽和老化状况并通过中心 专家系统做出正确的预测和评估，实现故障预警，使设备的检修由计划检修向状态检修过 渡。国外澳大利亚红相公司“l c m 高压绝缘子在线监测系统”能基本实现类似的功能。但 该系统存在以下不足：”监测数据需结合环境情况综合分析，对环境温度、湿度、风速等 数据也要实时监测，数据采集量较大，中心数据处理系统较复杂，数据误著较大，往往误 判。2 ) 不能提供故障点坐标，需凭地图人：丁二定位。3 ) 成本较高，无线发射系统造价高。 本文研制的输电线路故障定位系统，避开大量的数据处理。仅对泄漏电流超出预警值 和雷击脉冲电流做出反映。中心专家系统的数据处理量小，准确性高，并结合g s m 系统 ( 全球移动通信系统g l o b a ls t a n d a r do fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 和m i s 系统( 管理信 息系统，m m l a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y t c m ) ，能准确及时的对故障点定位，成本较低，实用性 强。 1 3 系统原理及组成 1 3 1 系统原理 每个高压线塔上有多个高压绝缘子串。通过电流互感器测得其泄漏电流，并将结果通 过r s 4 8 5 串口发送给该高压线塔的数据采集单元。数据采集单元收集在本高压线塔上各电 流互感器发送来的数据，并将温、湿度测量的结果融合后暂时存贮。由于高压输电线路由 多个高压线塔组成，每个高压线塔上都有各自的数据单元，各数据单元都暂时存贮该高压 线塔的测量数据。每个电塔上的采集系统由一台s o c ( 片上系统，s y s t e mo nc h i p ) 微处理 器控制，负责数据整理、打包，并根据监控中心的请求将采集的数据发送到本单元的g s m 模块上，由g s m 模块以短信的形式发送给后方。监控中心计算机将接收的数据以文件形 式存储在硬盘中，显示出各电塔上每串高压绝缘子的当前泄漏电流，按照所预设的报警阈 值给出报警信号。再根据预置在系统中的电子地图查出故障的具体位置，指导检修。 由污闲机理可知，当污秽绝缘子表面干燥时是不导电的，泄漏电流约为几十“a ；当湿 度增加，其表面绝缘导通时泄漏电流加大，一般不超过几百“a ：当湿度继续加大或有过 电压产生时，进入第二阶段，产生振荡电流约为几m a 到几十m a ，此时还是比较安全的； 若此时状况不变，则此过程将持续下去：当湿度和电压继续加大时，此时产生局部闪络， 泄漏电流达到几百m a ，此时污闪就有可能发生。 绝缘子外表面的泄漏电流是指运行电压下绝缘子外表面因污秽或雷击而流过的电流 它超出界限值时可能产生的局部闪络。针对污闪机理，我们研制了相应的绝缘子泄漏电流 在线监测及故障定位系统，框图见图1 1 。通过实时监测高压绝缘子泄漏电流，并将结果传 给后台专家系统，由专家系统分析并作出判断。本系统所用的商效低功耗嵌入式微控制器 2 第一章绪论 m c uc 8 0 5 1 f 0 2 0 采用c i p - 5 1 高速流水线结构的徽控制器内核，与m c s 一5 1 指令兼容，但 指令执行速度提高很多。c 8 0 5 1 f 0 2 0 除有标准8 0 5 1 数字外设部件外，还有更多的定时计 数器、中断、数字f o 接口和温度传感器、p g a 、电压比较器等模拟部件。片内j t a g 标 准接 = i ( i e e e l l 4 9 1 ) 允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入式( 不占用片 内资源) 、全速在线系统调试。芯片具有v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器。6 4 k b 的f l a s h 存储器具有在线系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更 新固件。芯片内部还集成了多通道1 2 位a d 转换器，采样速度高达1 0 0 k h z ：2 个增强型 u a r t 串口便于数字量的传输。上述功能为绝缘子信号采集、控制和通讯奠定了坚实基础。 由于泄漏电流变化范围比较大，因此采用两级监测方式：匹配不同的精密电阻得到不同的 电压范围，来测量不同范围的电流值。此系统能从1 0 “a 测到7 0 0 m a ，基本涵盖了泄漏电 流变化范围。由d s p 来判断应该从哪路读取有效值。通信模块采用s i e m e n s 公司的g s m 模块t c 3 5 i 。系统框图如图1 1 所示。 图_ 圈圈 图i 1 系统原理图 圆圈 i 存储厦hli ：急l i 释放电路ii ”：! ： 圆 圆 由于在平时，泄漏电流比较小，对系统基本没有影响，因此采样间隔可以相对取得大 一些，此系统取6 0 分钟采样一次，每次采样5 分钟。为了降低功耗，在不工作的时候可以 进入i d l e 模式，需要时再通过复位或接收中断来回到正常模式。同时有各种不同的软件 触发信号：当环境湿度大于5 0 时。采样间隔减小到3 0 分钟；当环境湿度大于6 5 时， 采样间隔缩小到1 5 分钟；当环境湿度大子7 5 时，就不停地采样。此系统的a d 转换流 3 东南大学工程硕士学位论文 程图如图t 2 所示。此系统根据泄漏电流有效峰值，峰值频度以及峰值个数作为判断依据。 而临近闪络时，泄漏电流中含有高频脉冲电流信号，此时要求极高的采样频率。实验数据 表明，采样频率达到5 k h z 时能测得脉冲信号。而c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d 转换单元理论最高采 样频率能达到1 0 0 k h z 附近完全能满足采样频率的要求。 1 塑竺! ! ! 竺! ! 竺 s o c 开始转化) 能发信号到来i i , e m a x c o n v i ”值麓进a u t o _ $ e qs r 寄存罂 t 转换开始每一次转换结束后a l 兀d - s e q _ s r 的值就减i t l 此次转换结柬结果放进相应的r e s u l t n 寄存器 n o 图1 , 2a d 转换流程图 在高电压、强磁场环境下，用微电子元器件采集微弱的泄漏电流信号，抗干扰技术的 应用时必不可少的。在此，硬件和软件方面都要采取必要的措施。在硬件方面，所有外露 信号线均采用双层屏蔽线，外层在靠近铁塔的绝缘子处接地，内层在装置安装处接地：整 个系统置于屏蔽盒中，屏蔽盒采用铁、铜双层屏蔽，既能屏蔽磁场干扰，又能屏蔽电场干 扰。对于传感器入口，也采取了防渗、防串扰、防雷击损毁测试电路的措施。对采样信号 还采用光电耦合器件进行隔离，防止杂乱信号迸入系统。在软件方面，采用自适麻噪声抵 消法。其基本原理是取一个单独的传感器放在屏蔽盒外绝缘子附近，以捕获周用环境的各 种噪声信号，然后从泄漏电流中通过自适应算法减去噪声干扰，得到“纯净”的原有信号。 如图1 3 所示 4 1 蚕 蓄 | 霎一 第一章绪论 图1 3自适应抵消流程圈 采样峰值时，为了防止计数误操作，设定当峰值计数后下降超过7 以后再达到峰值 才能再次计数。由采样转换得到的数字信号，经过数字滤波后再交由m c u 来进行分析、 综合，得出电流波形图，计算出电流峰值及其频度，还有连续脉冲数。将三次连续采样值 及分析结果打包后通过g s m 网络传绘后台专家系统。 1 3 2 系统结构及功能 在线监测系统的监测部分包括： 1 ) 泄漏电流、温度和湿度传感器；用于采集高压绝缘子的泄漏电流或脉冲电流以及 当时的温度和湿度： 2 ) 数据采集单元：采集本塔各串的电流互感器发送来的数据： 3 1 防雷击系统； 处理单元包括： 1 ) 数据发送单元：采用g p r s 通讯模块( 通用分组无线业务，g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) ，数据采集单元采集的数据发送到网络上进行传送。通讯网络主要借助 于本地的移动通信网和电话网络，该系统完全由本地通讯服务商提供： 2 ) 电池系统：由太阳能和后备电池组成，为电流互! 舂器数据采集器，温、湿度及 g s m 模块提供电源； 发送部分为t c 3 5 i 手机模块： 采用g s m 手机模块，将数据采集单元采集的数据发送到网络上进行传送。通讯 网络主要借勖于本地的移动通信弼，该系统完全由本缝通讯服务商提供：一旦泄漏电 流超过预警值。立即触发单片机外中断，用手机短信发报警信号，将高压杆塔号和电 流值发送到监控中心。 监控中心由3 部分组成： 东南大学工程硕士学位论文 1 ) 数据传输系统：用于联接通讯网络，接收或发送、存储数据； 2 ) 数据库；用于对采集的数据分析、处理，监测和预测信息 3 ) 电网预警专家及故障定位系统。 因绝缘子长期工作在会有各种气候条件的野外。故泄漏电流变化范围会很宽 要找到正确的报警值需要在长期大量数据分析的基础上结合先进的模糊判断技术来实 现。清洁绝缘子的泄漏电流为几到几十微安，几乎无连续脉冲随环境状况变化不大； 污秽度达5 0 盐密规定的绝缘子因局部放电而产生的泄漏电流以脉冲群方式出现，且 随湿度的增加而迅速增加，脉冲群间隔为几十到二三百秒；盐密等级超过规定时泄漏 电流常随湿度增加而剧烈增加，表面出现电孤，脉冲群间隔仅为几秒。困此本系统以 泄漏电流峰值、连续脉冲数、脉冲频度以及湿度作为参数，辅以模糊判断法加上历史 数据，可较准确的判断出绝缘子表面污秽程度，以便于人工适时清扫或更换绝缘子。 本系统还允许主机远程通过g p r s 对单片机发出指令。修改测量参数如采样间隔、报 警界限值等以便满足控制中心对数据的需求。 1 3 3 需解决的主要技术问题 1 ) 防雷击； 2 ) 高压环境下的干扰抑制、信号发射及电流测量的准确性 3 ) 电流采样方案 1 4 主要的研究内容及实施方案 i ) 防干扰：泄漏电流的测取过程中，存在着大量的干扰，泄漏电流的大小受到周围环 境( 温度、湿度、气压、风速等) 影响，可考虑采样屏蔽措施或采用自适应噪声对 消法等。 2 ) 阈值的确定：泄漏电流的阈值需由运行经验确定，采集以往跳闸数据并结合运行经 验确定。 3 ) 数据采样：采用m a x i m 公司的1 6 位逐次逼近a d 转换器m a x l 9 5 。对电流互感器 采样，获取绝缘子表面电流的微小变化。 4 ) 数据传输：由于目前g s m 网络已经很完善，覆盖率极高，其成本相对低廉，而且 短信息方式具有永远在线、不需拨号、覆盖范围广的特点，特别适合需频繁传输小 量数据的场合。 6 第二章污闪的形成及预防 第二章污闪的形成及预剧3 】 2 1 气体中沿固体绝缘表面的放电 在空气绝缘和气体绝缘设备中，都有沿固体绝缘表面放电的问题，因为高压导体总是 需要用固体绝缘材料来支撑或悬挂的，这种固体绝缘称为绝缘子，在气体绝缘设备中也常 称为绝缘支撑。沿整个固体绝缘表面发生的放电称为闪络，在放电距离相同时，沿面闪络 电压低于纯气隙的击穿电压。因此在工程中，很多情况下的事故往往是由沿面闪络造成的， 这就是说对沿面放电特性的认识是十分重要的。 气体介质与固体介质的交界面称为界面。界面电场分布的情况对沿面放电的特性有很 大的影响。界面电场分布有以下三种典型的情况。 1 固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行 2 固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量比平行于表面的分量 要大的多 3 固体介质处于极不均匀电场中，但在界面大部分地方，电场强度平行于界面的分 量要比垂直分量大，支柱绝缘子就属于这种情况。 我们的目的是研究污闪情况，所以下面主要介绍一下染污绝缘表面的沿面放电。 2 2 染污绝缘表面的沿面放电 户外绝缘子常常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。干燥情况下，绝缘子表 面污层的电疆很大，肘闪络电压没有多大影响。但当大气湿度很高，或在毛毛雨、雾、露， 雪等不利气候条件下。绝缘子表面污层被湿润，其表面电导急剧增加使绝缘子泄漏电流急 剧增加。其结果是绝缘子的闪络电压( 污闪电压) 大大降低，甚至有可能在工作电压下发 生闪络，如图2 1 所示。因为污闪事故一般是在工作电压下发生，常常会造成长时间、大 面积的停电，要待不利的气象条件消失后才能恢复供电，因此研究脏污表面的沿面放电， 对污秽地区的绝缘设计和安全运行有重要意义 ， 东南大学工程硕士学位论文 图2 1 绝缘子闪络电压的污染程度( 以单位面积的污量表示) 的关系 1 电站烟灰；2 炼铝厂尘埃；3 - - 绝缘子工作电压 2 2 1 污闪的发展过程 图2 2 是表示涂有污层的玻璃板的污秽法放电过程的示意图。实验中施加恒定的工频 电压，同时使污层受潮。污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过。此时电压分布 是比较均匀的，如图2 2 ( a ) 所示。由于污层不可能十分均匀，且各处受潮情况可能会有 差别，使污层表面电阻出现不均匀的情况。电阻大的地方发热多，污层干的快些，因而使 该处电阻变得更大，如此在污层表面形成一个或几个高电阻的“干燥带”。干燥带的出现， 使污层的泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降。如图2 2 ( b ) 所示。当干燥带的 电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电，放电的热量使干燥带扩大。同时由于湿 润区的不断缩小。也即回路中与放电间隙串联的电阻减小，使电流迅速增大以至引起热电 离，所以干燥带的放电具有电弧特性，这就是出现局部电弧的阶段，见图2 2 ( c ) 。局部 电弧是否能发展成闪络，决定于外施电压的大小和剩余湿污层的电阻。由图2 3 所示的模 型电路可以看出，外施电压越高或剩余电阻r 的阻值越小，则越容易发展成闪络一 8 第二章污闪的形成及预防 ( a ) 均匀的导电污层 ( b ) 污层中出现干燥带 c o ) 出现局部电弧 图2 2 平板上污层的放电过程中电压分布的变化 9 东南大学工程硕士学位论文 由上述分析可以看出，污闪是一个局部电弧伸展的过程，也就是一个湿污秽层烘干的 过程，因此其发展需要较长的时间。 图2 3 确定干燥带的局部电弧是否会发展成闪络的摸型电路 2 2 2 影响污闪电压的因素 对污闪过程的分析说明，表面泄漏电流的大小对污闪过程起着十分重要的作用。泄漏 电流大小与污层性质及污秽量以及湿润的方式和外施电压形式都有关系，以下对主要影响 因素作一介绍。 图2 4l l o k v 长棒绝缘子在不同污层表面电导率时的交流耐受电压 污秽等级：l 一轻度；2 一中度：3 一严重；4 特别严重 ( 1 ) 污秽的性质和污染程度 图2 1 表明污闪电压与污秽的性质和污染的程度都有关 系，污秽的导电率越离和介质表面沉积的污秽量越多。则闪络电压越低。这实际上说明表 面泄漏电流越大，闪络电压越低。对于一定形状的绝缘子，其表面泄漏电流正比于表面电 导率y ( 注意表面电导率y 的单位是1 q 或s ) 。因此可以推论，污闪电压将随表面电导率 的增大而减小，如图2 4 所示的实验结果证明了这一点。所以在工程中常将污层表面电导 i o 第二章污闪的形成及预防 率作为监测绝缘子脏污严重程度的一个特征参数。 ( 2 ) 湿润的方式实践表明。下大雨时绝缘子表面积聚的污秽，特别是水溶性导电 物质，很容易被雨水冲掉，因此不容易发生污闪。最容易发生污闪的气象条件是雾、露、 溶雪和毛毛雨等，因为这种气象条件下污层极易达到饱和湿润的状态而不被冲洗掉。 ( 3 ) 泄漏距离由图2 3 可以看出，与局部电弧串联的剩余电阻的阻值越大，则沿 面闪络越不容易发生。在污层表面电导率一定的情况下泄漏距离越长，则剩余电阻的阻 值越大，因此绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重要因索。图2 , 5 给出了两种不同污秽 情况下，绝缘子污闪电压和泄漏距离的关系。由图可见。泄漏距离增加时，污闪电压差不 多成正比地增大。所以设计污秽地区绝缘子时，泄漏距离是一个十分重要的参数。 图2 5 绝缘子污闪电压与泄漏距离的关系 l 炉灰。l o m g c m 2 ；2 - - h 泥，i o m g c m 2 ( 4 ) 外施电压的形式由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此电压作用时间越 短，越不容易导致闪络。在有严重的湿污秽的情况下。绝缘子在不同电压作用下污闪电压 与干燥状态下闪络电压的比值可按下列数值估计：雷电冲击电压下为o 9 ；操作冲击电压f 为o 5 ，工频电压下为o 2 ；直流电压下为o 1 5 。直流电压下污闪电压最低，是因为直流电 弧不像交流屯弧的电流每半个周期过零一次，因此局部电弧的熄灭比交流时要困难些。 由于污闪时一个热过程，需要较长的时间才能发展成闪络。因此在实验室进行人工污 秽实验时，不能用常规高压试验中的升压法来测量污闪电压和污闪耐受电压，而是必须采 东南大学工程硕士学位论文 用恒定加压法来加以确定。所谓恒定加压法是指对绝缘子施加一定数值的电压在加电压 的同时使绝缘子受潮，电压维持不变直至闪络。若经过一定时间不闪络，再逐级升高电 压重复上述实验，直至测得临界闪络电压或耐受电压为止。此外污闪试验所用的电压源的 内阻抗必须很小，否则影响试验结果。 2 2 3 污秽等级的划分 由图2 5 可见，等量的不同污秽对闪络的影响是不同的。为了用一个参数同时表征污 秽性质及污秽量，以简化对污秽严重程度的描述，采用污层等值附盐密度这一概念。污秽 等值附盐密度是指与绝缘子单位表面上污秽物导电性相当的等值盐( n a c l ) 量( 以m g c m 2 表示) 我国电力部门早期对污秽等级的划分，只给出定性的描述，而现在的污秽分级标准已 采用等值附盐密度来划分污秽等级 绝缘子具有的单位泄漏距离( 泄漏比距) ，其定义为绝缘子每一千伏额定线电压的平均 泄漏距离。中性点非直接接地系统中，一相接地时系统仍允许运行一定时间，此外另外两 相的对地电压会升高，因此要求有较大的泄漏比距。 2 2 4 防止污闪的措施 绝缘子污闪是影响电力系统安全运行的重要问题之一，为提高线路和变电所的运行可 靠性可采取以下方法。 ( 1 ) 定期或不定期的清扫根据大气污秽程度、污秽的性质在容易发生污闪的季 节定期进行清扫，可以有效的减少或防止污闪事故。清扫绝缘子的工作量和劳动强度都很 大，一般采用带电水冲洗法，效果较好，但必须注意水冲洗时不能引起相间闪络，对于变 电所设备，可以装设泄漏电流记录器，根据泄漏电流的幅值和脉冲数来监督污秽绝缘子的 运行情况，发出预警信号，以便运行人员及时对绝缘进行清扫。在绝缘设计时，则应使污 秽地区绝缘子表面在风雨下易于将脏污冲洗掉即应有较好的自洁性能。 ( 2 ) 使用防污闪涂料或进行表面处理 在绝缘子表面涂一层憎水性的涂料，这样在 潮湿气候下表面会形成水滴，但不易形成连续的水膜，因此绝缘子泄漏电流较小，污闪电 压就不会下降太多。常用的涂料为有机硅油、有机硅脂、地腊等，它们的使用寿命不长， 运行维护的工作量较大，因此只能在特别严重的污秽地区才使用。研究表明，对涂有憎水 性覆盖层的瓷表面进行等离子体放电的处理，则可在瓷表面形成一层憎水性的化学附着层， 其防污闪性能优于通常使用的涂料。 ( 3 ) 加强绝缘和采用酎污绝缘子 加强线路绝缘的最简单的方法是在绝缘子串中增 第二章污闪的形成及预防 加悬式绝缘子片数( 例如l l o k v 线路从7 片增加到8 l o 片) ，也即增加单位泄漏距离 但这种方法只适用于污区范围不大的情况，否则很不经济，因为增加串中绝缘子片数后必 须相应地提高塔干的高度。使用专门设计的耐污绝缘子可以避免上述缺点，因为耐污绝缘 子在不增加结构高度的情况下使绝缘距离明显增大。 ( 4 ) 使用其它材质的绝缘子半导体釉绝缘子的釉层中一直有电导电流流过，使绝 缘子表面温度比环境温度略高，因而污层不易吸湿。当污层受潮后半导体釉的发热也会 对湿污层有一定的烘干作用，湿污层中泄漏电流减小，因此其污闪电压比一般绝缘子要高 半导体釉绝缘子的另一项优点是串中各绝缘子的电压分布比较均匀因为半导体釉绝缘子 的电导电流较一般绝缘子的表面泄漏电流大，因此杂散电容电流的影响相对减小。但半导 体釉易老化，至今未能推广使用。 由以上的分析对比可以看出上述几种防止污闪的措施都不完美。各有其缺点，不能大 面积使用，但是污闪的问题又不能不解决，于是我们提出用对高压绝缘子在线监测来定位 故障点，及时解决问题。 东南大学工程硕士学位论文 第三章泄漏电流在线监测原理【8 i “【1 0 1 3 1 绝缘子表面污秽度参数量的选择与测量 绝缘子的污秽度，指的是绝缘子所处一定的地理区域的污秽度。国际大电网会议第3 3 学术委员会0 4 2 工作组，推荐了五种常用的绝缘子污秽的测量方法： 幻等值盐密度法 b 1 表面电导法 订污闪梯度法 d ) 最大泄漏电流法 e )电流脉冲计数法 盐密、电导、梯度和泄漏电流是4 个表征污秽度的参量。下面就分别介绍一下上述的 几种方法： 3 1 1 等值盐密法 等值盐密法主要是测量外绝缘的单位表面积上等值附盐量以每平方厘米多少毫克 n a c l 来等值于绝缘子表面上的实际污密。此等值h l a c l 量与实际污层分别溶于相同容积和 相同温度的蒸馏水中具有相同的电导率。此盐量称为等值盐密。 等值盐密是国内人工污秽试验中常用的污秽度参量，被作为利用人工污秽试验来确定 某处绝缘子行为的基础。等值盐密的测量。应在实际运行的绝缘子上进行。可以测得绝缘 子表面的污层分布。但是这种方法只测量了污物有效分量的等值量，而没有考虑湿润、电 弧发展过程等影响。同时，测量污秽等值盐量时，使用水量的多少，影响测定值的准确度， 有时可以相差几倍。此方法简单易行，对测量的技术要求不高，在我国电力系统已应用多 年。现执行的污区划分标准就是根据等值盐密确定的，但此参量难于实现实时自动化检测。 盐密是一个平均的概念，时效性差。又因污物成分的不同，测晕的结果可能会导致很 大的差异。 3 1 2 表面电导法 表面电导实际上是流经污秽绝缘子的工频电流与施加电压之比。绝缘子电导是决定绝 缘子性能的表面综合状态( 污层的污秽量和湿润程度等) ，所以被认为是确认污秽度的合适 第三章泄漏电流在线监测原理 方法。此法反映污闪过程中积污和潮湿两个阶段。 为了测量污层表面电导，应在污层饱和受潮的条件下，在绝缘子上加适当高的工频交 流电压u ，测其泄漏电流i ，表面电导 g = i ，u 绝缘子的污层表面电导率 o = 佑， 式中系数，2 翥，d x 为绝缘子泄漏距离的增量，。( x ) 为d x 处的直径。 这样求得的是整体绝缘子的平均表面电导率。 表面电导率测量比较麻烦，测量的分散性也较大。同时还受污秽分布不均匀的影响。 又由于绝缘子的结构形式，金属附件部位污层间断等因素，对表面电导率测量值的影响( 如 脚，帽的存在) ，对测量电压和作用时间都要求。即需要容量较大、内阻足够小的电源来完 成。因此。此方法的应用受到一定的限制。 3 1 3 污闪梯度法 绝缘子闪络梯度是单位泄漏距离污闪电压。即工频污闲电压除以绝缘子总长度。此法 反映污闪过程全部。污闪电压梯度和污闪电压的本质是样的。它们是表征绝缘子性能的 最直接理想的污秽度参量。 绝缘子闪络梯度法的优点是试验真实绝缘子，并测量它们的污闪性能。但此方法费用 较大，对电源设备及测量仪器的要求很高。同时现场测量不容易捕捉到时机，由于自然污 秽的积污水平达到临界状态，与引起污闪的气象条件不可能同时发生，往往是污秽度已经 达到临界水平，但没有出现充分的潮湿的条件而测量不到临界的污闪电压。此法现场运用 受设备和条件的限制，普遍使用有难度。 3 1 哇最大泄漏电流法 最大泄漏电流( i h ) 是指在指定的时间内，在运行电压作用下的绝缘子上，记录到的 最大峰值脉冲电流。一般被认为是可用于测量地区污秽程度的合适参数。 假如，同一绝缘子在现场暴露于自然污秽中，并且在运行电压下受潮，可以记录到最 大泄漏电流l h ，对此绝缘子的地区污秽，可以用此最大泄漏电流i h 来代表。在线监测最大 泄漏电流k 的方法与实验室测量方法基本一致。示意图如图3 1 。 专用环型电流互感器，安装于绝缘子的接地端，即套在最后一片绝缘子的挂环处。利 用人工污秽试验的方法，在指定的施加电压u 下，可以测量污秽度s 函数的最大泄漏电流 东南大学工程硕_ t 学位论支 i h 。泄漏电流i h 的大小随着试品的湿润程度的增加而增加。在饱和受潮的条件下，h 达到 最大值。随着污液的流失，i h 也会减小。试验可得到l h s 关系曲线，也可以对指定污秽 度，得到k 与施加电压的函数。因此，采用此法便丁把现场和实验室灏得进行比较，可以 连续记录气象条件和旆加电压对污秽绝缘子的联合影响。它可用作统计基础，确定地区污 秽度。也可以根据泄漏电流的测量，采用统计的方法决定污闪危险性。 图3 1 泄漏电流测量示意图 当i h 增加到或超过临界电流l 。时，就可能会发生闪络。相应施加的电压值是临界电压 u i ，临界前半周期泄漏电流脉冲峰值的下限i 。，被认为非常接近于l c 的理论值。所以泄 漏电流的临界值也能被试验决定。 日前，国内普遍采用此法作为绝缘子污秽在线监测与报警设备的基本工作原理。 3 1 5 电流脉冲计数法 运行电压下，记录一定周期内流经绝缘子表面超过某一幅值的泄漏电流脉冲数，称 为泄漏电流脉冲记数法。电流脉冲频率和幅值的增加。表示污闪接近。当泄漏电流脉冲幅 值超过一定值，且重复率达到一定水平时，是表示污秽绝缘子临近闪络的条件。 采用电子计算机技术，测量泄漏电流脉冲容易、准确和可靠。还可根据要求，通过 测量全电流波形来完成。如图3 1 所示，采用专用的污秽泄漏电流监钡0 仪，来完成对泄漏 电流脉冲的记录处理工作。分别对预先标定的多个不同幅值的泄漏电流脉冲进行计数。 此法同样综合了污闪的全部过程。根据经验，脉冲计数可被用于监测污秽绝缘子的 状况和给出污闪报警信号。这对于监督绝缘子是否需要带电冲洗和喷涂r t v 涂料较适宜。 此方法经济、可靠，并能在正常运行情况下，对大量绝缘子提供连续监督、分析比较以及 1 6 第三章泄漏电流在线监测缘理 评价的依据。因此在我国和一些其它国家地区都有应用。 3 2 泄漏电流的采集 下面我们对以上介绍的几种方法进行比较，选择出适合使用的方法运用于我们的系 统。污闪的全过程包括：积污、潮湿、干带和局部电弧发展四个阶段。等值盐密法只反映 了积污一个阶段；表面电导法反映了污闪过程中的积污和潮湿两个阶段；泄漏电流脉冲记 数法、最大电流法和绝缘子闪络梯度法都反映了污闪全过程。并能够在污闪发生之前测定 出污秽严重程度并给予报警。 比较上述几种方法可知，采用泄漏电流最大幅值和泄漏电流脉冲数这两个泄漏电流 特征量，来表示绝缘子污秽度的参数是较为理想的，不仅易接近绝缘子污秽实况，而且可 实现在线检测与报警。 由以上的分析我们可以看出，采用测量绝缘子表面泄漏电流的方法是比较合适的， 再通过计算机( 单片机) 来得到我们需要的数据。例如通过统计算法求得一段周期内泄漏 电流的峰值平均值、峰值最大值及电流脉冲数。 鼍 备 二一 d l23456 7#9 t 飘 图3 2自然污秽绝缘子交流泄漏电流的波形 泄漏电流是在运行电压作用下污秽受潮时测得的流过绝缘子表面污层的电流它是电 压、气候、污秽三要素的综合反映和最终结果，称为动态参数。图3 2 所示为自然污秽绝缘 子交流泄漏电流的波形，图3 3 所示为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图。 图3 2 所示曲线为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波闰( 升压法) ，从运行中污秽 绝缘的监视和预报角度出发。可将其分成三部分( 如图3 2 所示) 。如果以闪络电压为基准的 标么值表示，a 点b 点的电压标么值分别为0 5 和0 9 ，a 点之前称为非预报区，a b 之间称为 预报区，b 点之后至闪络为危险区。 1 7 东南大学工程硕士学位论文 o 图3 3自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图 从示波图可以看出，自然污秽绝缘子泄漏电流的特点是出现在预报区的泄漏电流早不稳 定状态，常以脉冲群出现，并伴有局部的电弧形成和熄灭，预报区的泄漏电流脉冲群幅值多 为几十至几百毫安。其宽度常为几个至几十个周波。在闪络前，泄漏电流脉冲幅值迅速增加， 且高幅值脉冲的密度也增高。正因为泄漏电流在闪络前具有上述特点，使得通过在线监测绝 缘子的泄漏电流幅值和脉冲数及环境参数来估计绝缘于的污秽程度，并在污闪发生之前给出 预警成为可能。 由于流过绝缘子的泄漏电流脉冲的最大幅值表征了该绝缘子接近闪络的程度。因此，系 统将绝缘子上的泄漏电流波的最高峰值作为表征污秽绝缘子运行状态的特征量。以光滑圆柱 绝缘子为例，其在电压u 的作用下沿整个绝缘子表面的泄漏电流为： 厶= 芝= 兰矾。= 既矾。 其中：& 绝缘子的电阻； l 沿绝缘子表面的爬电距离； y 。湿润污秽层的表面电导率； d 绝缘子的直径； 1 8 第三章泄漏电流在线监测原理 e l 沿爬电路径的平均电场强度。 而对于任意复杂形状的绝缘子，整个表面的电阻可通过( 2 ) 式计算 岛= r 识= 1 严y o ( o 刃d ( o ( 2 ) 当沿爬电路径的表面电导率yn 为常数时，上式可改写为 民2 妻r 南2 万f2 面l 式中：f 绝缘子形状系数 d e r 绝缘子的等效直径 ( 3 ) ，= 去f 南2 去 比= 卉 z j o 丽 这样，流过任意复杂形状绝缘子表面的泄漏电流 j ：导：u ，y ：等识：最石现 r 。，l “8 “ ( 4 ) 它是一个变化范围很大的信号，在通常天候及设备正常的情况下，泄漏电流波的最高峰 值为十几微安至几个毫安( 依输电电压和绝缘子形状的不同而有差异) ；当环境发生变化时 ( 如夜间湿度增加) ，泄漏电流可达几十毫安；一旦出现雷击或闪络，泄漏电流值将高达几 百毫安乃至数十安培。因此，对泄漏电流的采样采用定量测量与定性测试相结合的方法。对 于通常情况下的泄漏电流( 较小) 。系统将精确测量其数值，而对于崩漏( 泄漏电流很大) ， 系统只记录发生时刻绝缘子及其所处环境的相关数据。总站取得各项采样数据后，结合知识 库中记录的线路输电电压和杆塔所采用绝缘子的特征值，通过综合分析即可推导出绝缘子的 工况，当发现预警现象时，便及时报警。 1 9 东南大学工程硕匕学位论文 第四章在线监测系统的结构及功能1 1 1 1 “1 1 2 j 在线监测系统主要负责泄漏电流的采集、处理及发送，它主要由以下几个模块构成。 4 i 电流互感器小c t 的结构、工作原理和误差分析 在线监测电容型设备绝缘的介电特性，对保证设备安全可靠运行、防止事故的发生起 了很好的作用。为了不影响设备原有的接线方式，我们采用环型铁芯结构的电流互感器( 或 简称小c t ) 套在设备接地线上抽取绝缘的泄漏电流信号，如图4 1a ) 所示。这种信号抽 取方式将测量电路( 接于小c t 二次侧) 与主电路隔开，其中没有电的直接联系，因而可 使二次测量设备及计算机免受主电路中危险过电压造成的破坏，在线监测系统对这种电流 互感器提出的要求是： 1 能够使用于测量小电流( m a 级) 的要求，灵敏度高，同时二次输出信号电压尽可 能高； 2 在测量范围内线性度好。输出波形不畸变，被测电流与输出信号电压之间固有位 差变化小； 3 工作稳定性好、结构简单、体积小。 a ) 接线图b ) 绝缘的等值电路c ) 相量图 图4 i 用小c t 测量设备绝缘泄漏电流 小c t 由环形铁芯和匝数分别为n i 和n 2 的一次、二次线圈组成，如图4 2 所示n 1 一般为l l o 匝，n 2 为上千匝。z 2 是二次线圈的负载阻抗。 第四章在线监测系统的结构及功能 c t 图4 2 小c t 工作原理图 由于高压设备的绝缘都有极高的阻抗值，因此流过绝缘进入小c t 一次线圈的电流l l 应该视为恒流源。i l 通过一次线圈并在环形铁芯中产生磁通m l 。由于电磁感应，二次线圈 中将有电流1 2 ，并在铁芯中产生去磁磁通中2 ，所以铁芯中实际流过的磁通为两者之差即 激磁磁通 m o = 0 1 一中2 如果忽略线圈的电阻和漏抗，小c t 二次输出的信号电压u 2 = 1 2 z 口应与中。在二次绕组 中感应的电势e 2 在大小上相等，即有 u 2 = e 2 - - - - - 4 4 4 f n 2 o 中。也可以认为由1 1 的激磁分量1 1 0 产生，根据磁路定理可求得： 卟乏= 嚣摭 或 i m = 由q = t | n t l s h 式中l l o 一一环形铁芯的磁阻 k ，s h 一一铁芯磁路长度及截面积 一一铁芯材料的导磁率 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 对于理想的电流互感嚣，中。趋近0 ，一次、二次的磁势平衡，即有，l l = 1 2 n 2 而 小c t 二次输出信号电压u 2 与l l 的关系： = ，1 五= ( lz 1 ) 2 ( 5 ) 但实际的小c t 因存在激磁磁通或一次电流中须有激磁电流分量，则一次与二二次磁势平衡 2 l 东南大学工程硕士学位论文 关系变为： ( 一。) ，= 2 小，：可u 2 - u ：驾掣：和 ( 6 ) ( 7 )