（电气工程专业论文）电力系统检测新技术研究——绝缘子在线检测及光学电量互感器.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 i u 力系统的快速发展为国民经济的稳步增长提供了可靠的保障，似也同时为f 乜 力系统的安全稳定运行提出了一系列必须认真考虑、妥善解决的问题。随着电力系 统输电线路电压等级的不断提高、电网规模及供电功率的不断增大，电力故障对国 民经济和人民h 常生活的不利影响也越来越严重，尽量减少电力故障的发生已成为 电力系统必须面对的一个重要问题。提高在线检测水平、降低电力系统绝缘故障的 发生愈来愈显示出其重要性。本文在电力系统检测新技术这一主题下，对输电线路 绝缘子在线检测和光学电量互感器的原理、方法及应用技术进行了研究和探索。卢y 在大量检索国内外参考文献及研究成果的基础上，结合近年来在计算机领域及 微i 乜予学方面的最新研究进展，本文提出了一种性能价格比优良的线路绝缘予在线 检测方案基于电晕电流检测的绝缘子劣化状况监测。通过详尽的理论分析和大 量的高压实验，发现绝缘予电晕放电现象过程中，电晕放电的起晕电压服从统计特 性，是渗断线路绝缘子早期绝缘故障的一个有效手段；用假设检验的方法对绝缘子 电晕放电现象进行的实验结果分析和理论计算验证，得出了绝缘子电晕放电符合正 态分布的结论，进而首次获得绝缘予电晕放电的概率公式。对绝缘子串的电压分布 特性进行的实验研究表明，线路绝缘子串的电压分布虽然总体而言呈马蹄形，但也 存在一定的随机性，在线路存在劣质绝缘子的情况下，各单个绝缘子承担电压因绝 缘子劣化程度、劣质绝缘子所处位置及劣质绝缘子个数的不同而异，v f 依实验结果分析得出的电晕电流频谱特征，采用特别设计的高频电晕电流传感 器和泄漏电流传感器，利用n 1 l j 图法并合理地选择绝缘子三相泄漏电流之和的基 频分量作为参考相，研制出一种适用于现场运行的便携式绝缘子绝缘状况检测仪样 机。实验室模拟实验验证了这种检测方法的正确性，其优点在于操作简单、使用方 便、便于携带。7 0 通过对绝缘子的大量实验发现，其绝缘性能具有较大的模糊性。本文利用模糊 集理论对绝缘子进而引伸到对高压外绝缘设备的绝缘状况的在线监测方案进行了探 讨，并结合电力系统继电保护的观点，提出了绝缘诊断型保护的概念，对其进行了 解释和定义。鉴于电晕电流的独特作用，在模糊集的建立过程中，该参数被认为是 华中科技大学博士学位。论文 诊断高压外绝缘材料的早期故障的重要依据。从模糊保护的观点出发并基于实验的 结果给了线路绝缘子诊断的模糊关系矩阵及其模糊隶属度函数定义了模糊运算 规则，给出了保护动作的判据。 另外。，针对电力系统中现有电量互感器使用中存在着种种问题，本文对光学电 量匝感器在电力系统测控领域的应用的可能性进行了理论分析，指出了当前光学l u 量互感器研究中存在的不足在于现有材料本身的缺陷、生产工艺方面的有待进一步 完藩及与传统电力系统设备的兼容等问题，并给出了具体的改进意见；同时，提出 了一种更切合当前光学电量互感器研究现状的有源型光学电量互感器磁位计式 数字光纤电流传感器( d o c t ) 和电容分压型光纤电压传感器( d o v t ) 设计方案 j f ：从删! 论上进行了阐述，对方案在具体实施中需要注意的事项作了说明；最后对 肇f 光纤传感器及二次回路采用光纤数字传输的变电站自动化系统的设计模式提出 了一种全新的构想并具体阐述了在实际开发研究中需要解决的问题。 关键词t 绝缘子电晕电流法在线检测模糊控制传感器 光学电量互感器变电站及萁軎动呻岳绝缘诊断型保护 一。 i i 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t a l t h o u g ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mp r o v i d e saf i r mf o u n d a t i o n f o rt h es t e a d yi n c r e a s eo fn a t i o n a le c o n o m i c s ，i nt h em e a nt i m e ，i ta l s oi n t r o d u c e sas e r i e s o fp r o b l e m st h a tm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n ta n dd e a l tw i t hs e r i o u s l y w i t ht h eh i g h e rt h e t r a n s m i s s i o nl i n ev o l t a g e s ，t h el a r g e rt h ee l e c t r i c a lp o w e ro ft h ee l e c t r i c i t yn e t w o r ka n d t h es e r v i n gs c a l e ，t h ed i s a d v a n t a g ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cp o w e rf a i l u r eb e c o m e sm o r ea n d m o r ef e a r f u lt ot h ep r o d u c t i o na n dt h ed a i l yl i f e a n di tb e c o m e sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt o d e c r e a s et h eo c c u r r e n c eo ft h ef a u l t st ot h eb e s to ft h ee l e c t r i cw o r k e r s a b i l i t i e s a so n e o ft h em a i nf a u l t so fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，i ts h o w s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n c et ol o w e r d o w nt h ei n s u l a t i o nf a u l t sa n dt oe n h a n c et h ea b i l i t yo ft h eo n l i n ei n s u l a t i o nd e t e c t i o n u n d e rt h es u b j e c to f r e s e a r c ho nt h en e wd e t e c t i n gt e c h n o l o g yo fe l e c t r i c p o w e r s y s t e m ”，t h i sd i s s e r t a t i o ni sj u s ta b o u tt od e v o t et ot h es t u d ya n dt h ee x p l o r a t i o no ft h e p r i n c i p l e s ，m e t h o d sa n dt h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e s o ft h eo n l i n ed e t e c t i o no ft h e t r a n s m i s s i o nl i n ei n s u l a t o rs t r i n g sa n dt h eo p t i e a lf i b e rt r a n s d u c e r s b a s e do nt h e l a r g e s e a r c h e so ft h ed o m e s t i ca n dt h ee v e r s e a sr e f e r e n c e sa n d r e s e a r c h i n gr e s u l t s ，a n di n t e g r a t i n g t h el a t e s t p r o d u c t i o n i n c o m p u t e r a n dm i c r o e l e c t r o n i c s ，an e wd e s i g n ，w h i c hh a sab e t t e rr a t i oi np e r f o r m a n c e - p r i c e ，w a sp r o p o s e dt o e x a m i n et h ed e t e r i o r a t e ds t a t u so n - l i n e i ti sb a s e do nt om o n i t o rt h ec o r o n ap u l s ec u r r e n t c a u s e db yt h ea p p l i e dv o l t a g eo nt h ei n s u l a t o rs t r i n g s al o to fe x p e r i m e n t sa n dt h e d e t a i l e da n a l y s i sp r o v e dt h a tt h ec o r o n ad i s c h a r g ep h e n o m e n ac o n f o r m sw i t ht h es t a t i s t i c r u l e sa n dt om o n i t o rt h ec o r o n ac u l t e n ti sae f f e c t i v em e t h o dt of i n dt h ee a r l yi n s u l a t i o n f a u l t s a f t e ras e r i e so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w i t ht h eh e l po fs t a t i s t i c a lh y p o t h e s i sa n dv e r i f i c a t i o nm e t h o d ，i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h e c o r o n ad i s c h a r g ea c c o r dw i t ht h eg a u s sd i s t r i b u t i o n a n dt h e nas e to fp r o b a b i l i t y f o r m u l a sw a so b t a i n e da b o u tt h ec o r o n ad i s c h a r g eo ft r a n s m i s s i o nl i n ei n s u l a t o rs t r i n g s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ei n s u l a t o rs t r i n g sa b o u tt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o na t h i g h v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e ss h o wt h a tt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n sh a v es o m er a n d o m i c i t y ， t h o u g hi t i si nh o r s e s h o et a k i n go n ew i t ha n o t h e r 1 1 1 ev o l t a g es u f f e r e db y e v e r ys i n g l e i n s u l a t o ri sd i f f e r e n tw i t ht h ed i f f e r e n c eo ft h ed e t e r i o r a t e dd e g r e ea n dt h ep o s i t i o na n d t h e q u a n t i t i e s o ft h ef a u l ti n s u l a t o rw h e nt h e r ea r es o m ef a u l t i n s u l a t o r si nt h e t r a n s m i s s i o nl i n e _-一 i i i 华中科技大学博士学位论文 i no r d e rt or e a l i z et h es u r v e yo ft h ed e t e r i o r a t e di n s u l a t o r so n l i n e ，s p e c i a ld e s i g n e d c o r o n ac u r r e n tt r a n s d u c e ra n dl e a k a g ec u r r e n tt r a n s d u c e rw e r ed e v e l o p e da c c o r d i n g t ot h e s p e c t r u m c h a r a c t e r i s t i c so fc o r o n ac u r r e n tf r o mt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s a n da s h o w p i e c ea p p a r a t u s w a sm a n u f a c t u r e d ，i nw h i c h n - 口g r a p h m e t h o dw a sa d o p t e da n dt h e b a s i cc o m p o n e n to ft h et o t a ll e a k a g ec u r r e n to fi n s u l a t o rs t r i n g sw a sc h o s e na st h e r e f e r r i n gp h a s e t h es i m u l a t i n gh i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t sv e r i f i e dt h ec o r r e c l l l e s so f t h i s m e t h o di nt h el a b o r a t o r y i t sm a i nc h a r a c t e r sa r et h e s i m p l e s i n m a n i p u l a t i o n ，t h e c o n v e n i e n tw h e no u t i n ga n dt h ec l e a r n e s so f i t sd i s p l a y i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h ei n s u l a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ei n s u l a t o r se x i s t sb i g g e rf u z z y a b i l i t yb y al a r g en u m b e ro f h i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t s s o ，a no n - l i n em o n i t o r i n gs c h e m e o fi n s u l a t i o ns t a t u so fi n s u l a t o rs t r i n g si sd i s c u s s e da n dt h e nt h ed i s c u s s i o ni se x p l i c a t e d t ot h e h i g hv o l t a g e o u t i n s u l a t i o n e q u i p m e n t s 、v i t h t h e m z z ys e tt h e o r y a n dt h e c o n c e p t i o no f t h ed i a g n o s i sb a s e di n s u l a t i o np r o t e c t i o ni sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e a n dad e f i n i t i o ni s g i v e nc o m b i n e dw i t l lt h ep o i n tv i e wo f t h ep r o t e c f i v er e l a y si nt h e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a rf u n c t i o n so ft h ec o r o n ac u r r e n ti nt h e i n s u l a t i o ni n s p e c t i n g ，i ti st h o u g h ta sak e yp a r a m e t e rt od i a g n o s et h ee a r l yi n s u l a t i n g f a u l t s i nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ef u z z ys e t t h ef u z z yr e l a t i o nm a t r i xa n di t s 呦 m e m b e r s h i p f u n c t i o n st od i a g n o s et h et r a n s m i s s i o nl i n ei n s u l a t o r s t r i n g sw e r eg i v e nb a s e d o nt h e e x p e r i m e n tr e s u l t sf r o m t h ev i e wo f t h ei n s u l a t i o np r o t e c t i o n a n da tl a s t , t h ef u z z y o p e r a t i o nr u l e sa r ed e f i n e da n dt h ec r i t e r i o nt h a tt h ei n s u t a t i o np r o t e c t i o nd e v i c ea c t si s g i v e n i na l l u s i o nt ot h ee x i s t e dp r o b l e m si nt h eu s a g eo f e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s d u c e r s ( c t ， p t & v c t ) ，ad e t a i la c a d e m i ca n a l y s i sw c r cd o n ea b o u tt h ea p p l i c a t i o np o s s i b i l i t yo f o p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e r su s i n gi nt h em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m t h ei n s u f f i c i e n c y i nt h e p r e s e n t r e s e a r c ho ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e rw a s p o i n t e do u ta n dt h ed e t a i l e di m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sw e r eg i v e n a tt h es a m et i m e ，a m o r ea p p r o p r i a t ed e s i g n i n gp r o j e c to ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e r s ，i e t h em a g n e t i c p o t e n t i o m e t e rb a s e d a c t i v eo p t i c a lf i b e rc u r r e n tt r a n s d u c e r ( d e c t ) a n d c a p a c i t o rd i v i d e r b a s e da c t i v eo p t i c a lf i b e rv o l t a g et r a n s d u c e r ( d o v t ) ，a r ep r o p o s e d ，w h i c ha r em o r e c o m p a t i b l e w i t ht h ec u r r e n tc o n d i t i o n t h e t h e o r ya n a l y s i s w a sd o n ea n ds o m e p r o c e e d i n g st h a tm u s t b ea d v e r t e n ti nt h ep r a c t i c a ld e v e l o p m e n tw e r e t i p p e da l s o f i n a l l y ， an e w p a t t e r no f s u b s t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eo p t i c a lf i b e rt r a n s d u c e r sa n d o p t i c f i b e r c o m m u n i c a t i o nw e b ，w h i c hi su s e dt ot r a n s m i tt h e d i g i t a ls i g n a l a tt h e 华中科技大学博士学位论文 s e c o n d a r ys i d e ，i sp r o p o s e d ，a n dt h ep r o b l e m st h a tm u s tb es o l v e di nt h ea c t u a l i z i n go f t h i ss c h e m ea r e p o i n t e do u t a l s o k e y w o r d s ：i n s u l a t o r ，c o r o n ac u r r e n tm e t h o d ，o n l i n ed e t e c t i o n ，f u z z yl o g i c a lc o n t r o l ， t r a n s d u c e r ，o p t i c a lp o w e rt r a n s d u c e r ，s u b s t a t i o na n di t sa u t o m a t i o n , d i a g n o s i s b a s e di n s u l a t i o np r o t e c t i o n 一 v 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 本章在简述绝缘在线监测的重要性的基础上，阐述了其研究的必要性；介绍了 绝缘在线监测的发展简史，并重点介绍了绝缘子在线监测的发展现状最后陈述了 本论文的主要研究工作 1 1引言 电力网中各种电气设备能否正常可靠安全运行，主要取决于设备的绝缘水平和 作用于绝缘上的电压高低。随着国民经济的快速发展，用电量不断上升，输电距离 不断增加带来的电力系统工作电压的不断提高，有关电气设备绝缘的问题就越来越 突出。电力系统在正常运行情况下，作用在电气设备上的电压为额定相电压。但由 于种种原因，在电力系统中的某些部分可能会产生大大超过正常运行电压的过电 压，从而可能造成电气设备绝缘的严重损坏。进而导致供电系统的运行失常。给国 民经济带来重大损失：另外，由于大多数户外运行的电气设备长期处于露天运行状 态，饱受风霜日晒、气候冷暖变化带来的老化及绝缘失效的影响也会给电力系统的 正常运行带来威胁，因此，电力系统的绝缘状态监测及保护至关重要。 几十年来所沿用的定期进行预防性试验的方法与制度，经过我国广大技术人员 的不断改进，已为我国电力设备的安全运行发挥了重要作用。但随着我国电力设备 额定电压的提高、单台容量的增大、品种结构的多样化，原有的主要依靠定期停电 后进行绝缘预防性试验的方法就显得很不适应。不但试验时需要停电，更重要的是 原有的停电后的试验内容及方法，不少已难以真实地反映出被试设备在运行条件下 的绝缘状况。例如，目前大量使用的是交流高压电气设备，但在测量被试品绝缘电 阻或泄漏电流时，常规预防性试验所加的则是直流电压，其等效性如何呢? 以串联 介质组成的绝缘结构为例，般情况下加交流时其电位分布是按该串联层的电容大 小呈反比分布，而在稳态直流时，是按电阻的大小呈正比分布，显然两者会有很大 差异；而且施加同样幅值的直流高压或交流高压，绝缘中的损耗、局部放电过程， 在交流下都比直流下严重得多，因此，在交流高压下运行的设备最好仍测量其交流 华中科技大学博士学位论文 下的参数变化，这显然更真实些。随着电网容量的增大及科技的进步，绝缘诊断已 逐渐发展到必须在运行现场进行。在线监测将愈来愈成为预防性试验中的一个重要 组成部分，它将在很多方面弥补仅靠定期停电预试的不足。近年来，国内外由于绝 缘原因引起的电力系统大规模停电事故充分证明了在线监测的重要性。如：1 9 9 5 年宁夏电网“9 9 ”污闪事故其起因是西北3 3 0 k v 靖( 远) 大( 坝) 线发生a 相绝 缘子对横担闪络接地，宁夏电网内多处继电保护装置拒动，造成宁夏电网解列瓦 解、大面积停电的重大事故，事后分析虽然原因有多方面，但绝缘监测系统的不 健全及电流互感器因自身结构或人为因素造成的保护拒动或误动则是造成大面积供 电中断的真正原因( 新城变电站3 号主变2 2 0 k v 侧零序方向保护变比错接造成误 动、银川变电站4 号主变差动保护和大武口电厂4 号主变差动保护电流中因含有较 大3 、5 次谐波导致主变压器差动保护误动、大坝电厂8 号联络变压器中性点c t 开 路导致中性点零序电流保护拒动及大靖线保护用c t 两点接地导致高频闭锁方向保 护、零序方向保护、距离保护) ，因此，加大绝缘状态监测及保护的力度是降低电 力系统绝缘故障发生的有效途径。 另外，因绝缘状态监测不力而导致的电力系统跳闸是电力供应中断的主要原因 之一。如甘肃省j j 0 - - 3 3 0 k v 送电线路从1 9 5 5 年1 9 8 6 年发生大小事故4 4 8 次，其 中绝缘子串污闪事故1 3 4 次，占总事故次数的2 9 ，雷击闪络事故3 3 次，占总事 故的7 4 ：1 9 8 6 年兰州电网的“3 1 6 ”污闪，导致1 4 条线路4 l 处发生污闪，5 条 线路9 处架空地线断线，2 条线路3 处导线断线，全网开关跳闸1 0 6 台次，5 个 2 2 0 k v 变电站和2 8 个1 1 0 k v 变电站全部停电，1 个2 2 0 k v 变电站部分停电，兰州 电网与西北电网解列，电厂与系统解列2 次8 i 。虽然事后分析没有提到部分绝缘子 失效问题，但从理论上而言，这种可能应该是存在的。如果有绝缘在线监测装置， 至少应该可使故障损失得到部分减少。生产的发展，导致了对电力系统绝缘在线监 测装置的迫切需要。 由于污秽微粒的物理化学特性( 主要是导电性和吸水性) 、污秽层( 包括履 冰、雪) 的厚度及其分布、作用电压的大小以及污秽层受潮( 包括冰、雪融化) 的 气象条件等都因时因地而变化，具有较大的随机性和分散性，这就使得实测和统计 的工作量极为庞大，绝缘污染和气象条件的模拟极为复杂，给试验研究工作带来较 大的困难。 蚶韭! 童垦皇犍壁堡垫丝堡至里墨丝堂堕茎查堑笙：翌三望鉴丝竺鲞望，表征其 华中科技大学博士学位论文 电气性能的是在一定污秽程度和湿润条件时各种形式电压作用下的闪络电压。它不 仅与污秽物的特性和数量以及湿润的强度有关，而且还与绝缘表面的爬电距离和结 构造型有关。世界各国大都分别采用绝缘子表面污物的等值附盐密度、污层导电 率、单位面积上的污物重量以及通过绝缘子的泄漏电流等来表征各种类型污源的污 秽程度，从而研究它们与污闪电压的关系阱m l ，但是直到目前为止，有关表征各种 性质污源的污秽程度的表征量问题尚没有一致的意见。 为了提高绝缘子的运行可靠性，在污秽地区通常采用人工清扫、水冲洗等净化 绝缘子的方法：在绝缘子表面涂憎水层涂料以及采用半导体釉绝缘子、合成绝缘子 与无机材料构成一体的绝缘子等，以使绝缘子表面不易形成导电水膜；研制耐污型 绝缘子，以增加爬电距离和从造型上抑制电弧的发展。在实际运行中这些防污闪措 施都在不同程度上取得了一定的效果，但从技术、经济乃至劳动力、劳动强度上来 看，都还存在着一定的局限性。 若干年来，国内外也有一些单位开始研究及试用在线监测的方法，但苦于没有 较先进的检测技术及相应的仪器，以致难以实用化。直到近年来，传感器、计算机 技术、光纤及新的测量技术的迅速发展，为实现在线监测创造了良好的条件，才使 得一些新的在线检测的方法及仪器得以研制出来，它丰富了原有的绝缘预防试验性 方法；有的已在投运后及时检测出设备缺陷，因而深受电力部门的欢迎。 1 2 绝缘在线监测的发展历史及现状 绝缘材料是高压电气设备的两大组成部分之一( 另一部分为金属材料) ，它包 括绝缘纸、塑料薄膜、层压板、电瓷、绝缘油等。相对于金属材料而言，绝缘材料 容易损坏，很容易老化变质而导致机电强度的显著降低，因而绝缘结构的机电性能 的好坏往往成为决定整个电气设备寿命的关键所在。例如，对于1 1 0 k v 及以上的 电力变压器的9 3 次事故原因分析，其中由于匝绝缘、引线及对地绝缘、套管绝缘 所引起的各事故约占4 3 、2 3 、1 5 ；而铁芯、分接开关等非绝缘事故仅占2 0 以下；另外，尽管有严格的组织和技术管理措施，但是误登、误碰带电设备、高空 坠落情况时有发生，且易发生误操作事件，因此，高压绝缘在线监测致关重要。 我国对在线监测的重要性也早有认识，6 0 年代就提出过不少带电试验的方 法，但行之有效的却不多。如有的要在沉重的外壳下面垫进绝缘板；有的需配以带 华中科技大学博士学位论文 电作业的工具或设备，而测量的结果分散性很大，因此就缺乏推广的价值。虽然清 楚在运行高压下进行在线监测会比停电后加较低的试验电压更真实、及时，然而当 时的现实条件限制了方案的实施。 进入8 0 年代以后，特别是最近十年来传感器技术、计算机及光纤技术的突飞 猛进使在线监测方案的实施逐渐进入到工业现场，极大的增强了电力系统运行的安 全性和稳定性，有利于生产自动化及管理现代化水平的提高。同时对于电力系统设 备状态检修方案的实施、绝缘诊断型保护的应用提供了坚实的物质基础。 国内在线监测方案的引入首先在变压器在线监测方面获得成功。如山东省电力 工业局1 9 9 5 年制订了“电力系统设备状态检修管理办法”，并逐步推行供电设备 的状态维修，取得了供电临修减少1 0 ，大修工作量减少2 0 ，部分维修工作周 期大大延长的不俗业绩即为一个典型事例1 3 9 1 。 图1 1 在线监测基本流程框图 图1 1 给出了在线监测中一些基本流程的方框图：由各种传感器所采集的信 号，经过必要的转换或处理后，统一送到数据处理系统进行分析，综合分析判断后 输出结果屏幕显示、打印或存盘待用，亦或根据不同的设计可报警或进行相应 的操作并可与上一级监测中心相连，即形成多级的监控系统s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 中的一部分。例如，在设备旁边的传感器及预处理系 统可用单片机，而在变电所及电业局里用微机实现对设备的参数进行统一储存、管 理、分析、诊断等功能。 目前国内外对主要电气设备较常用的一些方法列表如下： 华中科技大学博士学位论文 表1 1 国内外常用绝缘在线检测方法览表+ 设备名称电气法机械法化学法物理法综合方法 发电机、局部放电( 电荷 自振荡频率 红外光谱、 微粒离子 化法、电 局部放电及 电动机量、地线电流法)色谱分析微粒离子化法 磁波法 变压器、局部放电( 电荷超声波、振动 色谱分析( 单 成分或多成 地线电流及 电抗器量、地线电流法)加速度 超声波法 分1 金属氧化物阻性电流法( 基 湿度及 避雷器波、谐波) 、功耗 湿度 阻性电流 g i s ( s k 及局部放电( 电荷超声波、振动气体色谱分 电磁场、 光测法、 局部放电及 支撑绝缘子)量、地线电流法)加速度析、变色法 测气压 测气压 交链聚乙烯直流泄漏、局部 直流成分及 电力电缆放电量、t g6 法 超声波温度 t g6 法 高压电容式套 管、耦合电容 t g6 法、 器、电容式电电容电流法 流互感器等 电火花法、 线路绝缘子泄漏电流法、 超声波、激光 ( 空气中)分布电压法、 多普勒振动法 红外光谱 电晕电流法 1 3 线路绝缘子在线监测的一些特殊问题 同一般绝缘在线监测一样，绝缘子在线监测首先必须解决传感器的选用或研 制，以便从被监视的设备上获取信息，有时还需从其它设备上同时取得作为对比或 基准的信息；然后是如何无畸变地送到数据处理系统去进行分析、存储。因为这些 工作很多是在现场进行，被测设备均是在高电压下运行，所以必须设法准确地获得 并传输这些相当微弱的信号，使之少受或不受干扰，这时就必须采用一系列的屏蔽 抗干扰措施。除此之外，线路绝缘子在线监测还有其有别于其它绝缘在线的特点。 主要是： 1 线路绝缘子主要以电瓷或玻璃作为绝缘体，虽然它们都具有卓越的耐老化 性能，特别是在电老化、热老化方面的耐久性比有机介质好得多，但由于其生产工 华中科技大学博士学位论文 艺及过程的随机性和不确定性较大，因此，其产品电参数的随机性也较大。如：垂 悬式盘形绝缘子的直流绝缘电阻值为大于几千兆欧的一个任意值，其交流等效电容 为3 0 6 0 p f 的随机值，因此，用常规的电学测量方法难以准确的判断其绝缘性能的 好坏。 2 线路绝缘子因长期运行于自然环境条件下，常会受到工业污秽或自然盐 碱、飞尘、鸟粪等的污染。干燥情况下，这些污秽物的电阻很大，对绝缘子的运行 影响不大，但当大气湿度较高，在毛毛雨、雾、露、雪等不利气候条件下，绝缘子 表面污秽物被湿润时，其表面电导和泄漏电流剧增，使绝缘子的闪络电压显著降 低，甚至可使绝缘子在工作电压下闪络，影响电力系统的安全运行。因此，绝缘子 的在线监测必须考虑在不同自然环境条件下绝缘子的电特性可能发生的变化，预测 其发生闪络的几率以确保供电的可靠性。 3 线路绝缘子在运行过程中，由于长期经受机电负荷、日晒雨淋、冷热变化 等作用，绝缘子本身可能会出现绝缘能力下降甚至失效等故障。但对于高压线路绝 缘子，由于在其设计过程中预留有相当的绝缘裕量，有些轻微绝缘失效( 指绝缘子 不完全损坏) 故障情况下是容许继续运行的，据国家权威部门武汉高压研究所电瓷 质检站介绍，目前国内5 0 0 k v 高压输电线( 2 8 片绝缘子) 在存在4 5 片劣质绝缘 子时仍然允许继续工作，l l o k v 高压输电线路( 7 片绝缘子) 存在一片劣质绝缘子 时继续带电运行的情况屡见不鲜，因此，在绝缘子在线监测过程中判别绝缘失效的 严重程度以正确判断出线路是否可以继续供电，而在适当时候再进行更换或维护亦 相当重要。 由于线路绝缘子安装位置的特殊性及分布区域的广泛性，确定了其在线监测的 特殊性，因此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 4 1 - 4 2 】，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典型的电量 测量法被尝试用于解决绝缘子在线检测问题。 激光多普勒振动法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 缘予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。 华中科技大学博士学位论文 超声波检测法是基于当超声波在从一种介质进入到另一种介质的传播过程中会 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( 称为换能器) 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仪法可准确检定出开裂绝缘子，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p “6 1 ；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用途。激光多普勒振动仪体积庞大、笨重、使用及 维修复杂、造价高等缺点及两种检测法对未开裂的劣值绝缘予检测无效的问题，限 制了这两种检测法的适用范围。 。 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1 4 7 | 对于涂有半导体 釉的防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予，其正常表面温度比劣 值表面温度仅相差l 。c 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，在本论文中我们重点 研究讨论的是用电量检测法实现绝缘子在线检测技术。 电量检测法包括电压分布检测法、绝缘电阻法( 泄漏电流法) 及脉冲电流法等 多种通过检测绝缘子在运行过程中其电参数的变化实现在线监测的方法。 电压分布检测法是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( 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，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电光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1 4 i f9 】或真接将测量结果转换成语音信号报出f 5 0 i l ，j 的方法。 华中科技大学博士学位论文 至于劣值绝缘子的判定。目前众多的理论研究及实验均已证明盼“1 ：正常绝缘 子串的电压分布呈不完全马鞍型，即在每串绝缘子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 3 0 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 】一1 3 之间，因此，用相邻比较法即能较 好地判断出低劣值绝缘子。国内目前一般以相邻绝缘子电压比低于5 0 作为劣值绝 缘子的判断标准瞰】，或采用纵向比较法即与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。 电压分布检测法的特点在于直观、能准确地判断绝缘子性能的变化。光学测量 方法消除了以前测量方法的准确度不高、读数困难等缺点，虽然已研制出自爬式绝 缘子检测仪【删m j ，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。 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、串接成串后可在任意电压等级的输电线上使用的盘形悬式绝缘子组合而成，其 在交流电压下的等效电路可用r c 串并联电路表示如图1 2 所示。 图i 2 绝缘子串等效电路图 正常时，泄漏电流i 为毫安级( 1 毫安左右) ，当绝缘子串中有零值或低值绝 缘子时，其对地泄漏电流的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，但通过检测灵敏度及准确度较高的电流传感器是完全可以准确测量、判 断的。 文献【4 8 】介绍了一种输电线路绝缘子在线监测的方法。它通过高灵敏度的电流 传感器测得流经绝缘子的泄漏电流值后，以无线通讯的方式将测量结果传送到处理 一一 r 华中科技大学博士学位论文 中心进行信