（电气工程专业论文）覆冰与污秽绝缘子闪络试验中泄漏电流测量系统研究.pdf

j 文摘要 摘要 覆冰与污秽引起的绝缘子串闪络事故对电力系统的安全运行造成严重威肋- 。覆 冰与污秽绝缘子串的闪络均是由泄漏电流引起的，泄漏电流的变化与发展是决定闪 络的主要因素之一。全【监测冰闪j 污闪过程中泄漏电流的变化及发展趋势有助于 分析覆冰与污秽绝缘子的闪络机理，有利于分析冰闪与污闪络过程中电弧发生、发 展的过程，是建立绝缘子的污闪与冰闪闪络物理数学模型的基础。因此研究测量绝 缘子污闪与冰闪闪络过程中泄漏电流的变化的系统装置不仅具有重要的学术意义， 而且具有重要的工程应用价值。 本文在固内外现有研究成果的基础上，根据覆冰与污秽绝缘予闪络过程巾泄漏 电流特性以及测量要求，应用图形化编程语言l a b v i e w 设训了基于虚拟仪器的绝 缘子污闪、冰闪过程泄漏电流检测系统。完成了硬件电路和软件的设计、制作及系 统的模拟和现场凋试j 作。 在硬件电路上，研制了分别用于交流雨1 直流泄漏电流测量的电流传感器，结台 自行设计的放大电路实现对o ，l n 俄到1 a 泄漏电流的测量。依据实验室现场条件， 设计r 能有效抑制信号巾无用的高频噪声和下扰的模拟低通滤波器，并研制了能可 靠保护测量系统的过压过流保护系统。在分析泄漏电流频率特性的基础卜，提出了 数掘采集卡的选取原则。 在系统软件设计上，设计了l a b v i e w 与普通数据采集卡连接，实现了在 l a b v i e w 环境中应用普通数据采集卡的连续数据采集；对采集的大容量数据进行了 分析和处理：不同放大倍数泄漏电流最佳合并算法的实现：脉冲电流的判断和脉冲 个数的统计；累积电荷的计算；电压电流相位差的计算，数据流方向及步长的调整。 本系统在重庆大学高压实验室人工气候室内进行了大量的污秽与覆冰绝缘子闪 络过程中泄漏电流测量。测量得的泄漏电流反应了污秽、覆冰绝缘子泄漏电流变化 和局部电弧的发展的全过程。 关键训：绝缘子；污秽：覆冰：泄漏电流；测量 重庆大学硕十学位论文 英义摘要 a b s t r a c t t i l ee l e c t r i cs y s t e n l sa r es e r i o u s l yt h r e a t e n e db yf l a s h o v e ro ii c e da n dc o n t a m i n a t e d i n s u l a t o r s w h i c ha r ec a u s e db yl e a k a g ec u r r e n t ( l c l t h ec h a n g ea n dd e v e l o p m e n to f l ci so n eo ft h em a i nd e c i s i v ef a c t o r so ff l a s h o v e ri n s p e c t i n gt h ec h a n g ea n d d e v e l o p m e n to fl cd u r i n gt h ei c i n gf l a s h o x 7 e ra n dc o n t a n f i n a t i o nf l a s h o r e l c a nh e l pt o a n a l y z et h em e c h a n i c so fi n s u l a t o r sa n dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fa r cd u r i n gt h ef l a s h o x 7 e r w h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft h ep h y s i c s m a t h e m a t i cm o d e lo fi n s u l a t o r s f l a s h o v e r t h e r e f o r e l cd a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) s y s t e mf o rf l a s h o v e rt e s t so fi n s u l a t o r su n d e ri c e d a n dc o n t a m i n a t e dc o n d i t i o n sh a sn o to n l ya na c a d e m i cs i g n i f i c a n c e b u ta l s oar e m a r k a b l e v a l u ei l le n g i n e e r i n g b a s e do nt h ep r e v i o u sa c h i e v e m e n t sh o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e ra d a p t sl a b v i e w t od e s i g nt h ed a qs y s t e mo fl cd u r i n gt h ei c i n gf l a s h o v e ra n dc o n t a m i n a t i o nf l a s h o v e r b yr 1 e a n so fv i r t u a li n s t r u m e n t s a n dt h ea u t h o rd e s i g n e dh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f i w a l e ， s i m u l a t e da n dt e s t e dt h es y s t e m f o rh a r d w a r ec i r c u i t c u f f e b ts e n s o r sa r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l yw h e nm e a s u r i n ga c a n dd c a n dr e a l i z et h em e a s u r e m e n to fl cf r o m01n 认t o1ai nc o m b i n a t i o nw i t ht h e s e l f - d e s i g n e da m p l i f i c a t i o n ss y s t e ma c c o r d i n g t ot h eo ns p o tc o n d i t i o n s ，l o w p a s sf i l t e r , w h i c hc a ne f f e c t i v e l y r e s t r a i nt h eh i g hd e q u c n c yn o i s e ，a n dap r o t e c t i o ns y s t e m w h i c h c a np r o t e c tt i l ed a qs y s t e mf r o mo v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n t a r ed e s i g n e dm l d d e v e l o p e d t h es e l e c t i o np r i n c i p l e so fd a q c a r da r ep r o p o s e do i lt h eb a s i so fa n a l y z i n g t h el cf r e q u e n c y , c h a r a c t e r i s t i c s ac o m m o nd a qc a r dc a nb eu s e do nl a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g w o r k b e n c ht h r o u g hd e s i g n i n gt h ee x t e r n a li n t e r f a c eb e t w e e nl a b v i e wa n dc o i i l l y l o nd a t e a c q u i s i t i o nc a r do nt h es 0 f l v c a r ed e s i g n b i gc a p a c i t a n c ed a t aa r e m l y z e da n dd i s p o s e d ： t h eo p t i m u md i f f e r e n ta m p l i f i c a t i o nr a t i oc u r r e n t sm e r g e dc a l c u l a t i o ni sr e a l i z e d ；p u l s e c a r t c n ti sj u d g e da n dp u l s en u m b e ri sc o u n t e d ；s t o r e dc h a r g ea n dp h a s ed i f f e r e n c e b e t w e e nv o l t a g ea n dc u r r e n ta r ec a l c u l a t e d ：d a t af l o wa n ds t e pl e n g t ha r ea d j u s t e d t h eh i s u l a t o r sl cm e a s u r e m e n tr e s u l t s d u r i n g f l a s h o v e r p r o c e s s i n t h e m u h i f u n c t i o na r t i f i c i a lc l i m a t ec h a m b e ro fc h o n g q i n gu n i v e r s i t yi n d i c a t et h a tt h e a c q u i s i t i o na n dl o g g i n go fi c e da n dc o n t a m i n a t e di n s u l a t o r sl ca n dp a r t i a la r ce x a c t l y k e y , w o r d s ：i n s u l a t o r , c o n t a m i n a t i o n ，i c e d ，l e a k a g ec u r r e n t ，m e a s u r e m e n t l 】 绪论 1 ，1 课题研究的意义 l 绪论 西部是我国主要的能源基地，其中煤炭资源的7 3 位于晋、陕、蒙和新、l 二| + 、 青、宁几个省区，而“三西”地区( 山西、陕西及内蒙古西部) 原煤产量占全国1 4 ：水 电资源的6 7 _ 8 集中在大气环境恶劣、经济基础差、交通不便、远离负荷中心的西 南地区。凶此，我国应以西部大开发为契机，促进电力结构战略性调整。结合资源 分布特点，优先、大力发展西部水电。近期我国拟建设一批大型水电站其中大部分 位于西部地区。 我因在大力j t 二发西部能源( 尤其是水电开发) 的同时，也必须加强对能源的输送 的研究。两电东送既可以发展西部地区的经济，同时可以解决目前我国东南沿海地 区用电紧张的局面。我们的近期目标是形成北、中、南三条输电通道，即：从西北 向华北送电，形成- 1 e 通道，解决京津唐经济带的用电问题：从西南向华中和华东送 电，解决长江三角洲经济带的电力紧张的局面；从西南的云南、贵州等地向珠江三 角洲经济区供电，以缓解广东省用电问题。其最终的目标就是形成西电东送、南北 互送和全国统一大联网。这些线路走廊必然要穿过高海拔、覆冰( 雪) 、污秽、酸雨 酸雾、强雷暴等恶劣而复杂的各种气候环境地区。高海拔、污秽、覆冰( 雪) 、酸雨( 雾) 等复杂气候环境及其输电线路覆冰、雷电等丰要自然灾害是影响我国实施“西电东 送、南北互供、全国联网”战略不可忽视的挑战性技术难题1 1 j 。 在经济迅速发展的同时，大气环境也不断恶化、降水酸化日趋严重。大气环境 的污染丰要来自于废气的排放：一类是贫困污染，包括低效燃烧，森林破坏等造成 的空气污染；二类是现代化污染，即工厂、汽车大量使用矿物燃料排放的s 0 2 、n o 。、 铅、臭氧的污染和对地区酸化的影响；三类是温室气体的排放，尤其是c 0 2 排放引 起的全球气候变暖。对于电力发展，关心的是前两者，即所谓的地区环境污染口】。 由污秽引起的绝缘闪络事故次数在电网总事故次数中已居第二位，仅次于雷害 事故，而污闪事故造成的损失却是雷害事故的10 信口j 。早在1 9 0 7 年意大利沿海附 近一条2 5 k v 交流输电线路就发生了_ 污闪事故。到了2 0i i 纪5 0 年代，世界各围的 污闪事故已是非常严重，如1 9 5 1 1 9 5 5 年英国1 3 2 k v 线路污闪事故率大于0 6 次 ( 1 0 0 k r na ) ；1 9 6 1 年曰本发生污闪事故1 6 2 次；1 9 6 9 年斯堪地纳维哑5 0 - - 4 0 0k v 线 路共计发生污闪事故4 0 0 多次；1 9 6 0 1 9 7 0 年美国和加拿大的工业和沿海污秽地区， 12 5 0 0k v 电网也相继发生了大量污闪事故。 2 0 世纪7 0 年代末期以来，全国各大电网相继发生大面积污闪事故，据不完全 重庆人学碗e 。7 1 立论文 绪论 统计，1 9 7 9 - 1 9 8 5 年的6 年中发生污闪事故8 8 6 次，1 9 8 6 - 1 9 8 7 年的2 年中发生污 闪事故5 7 7 次电能损失4 6 6 7 万度，东北、华北、华东的5 0 0 k v 线路自投运以来 多次出现闪络事故，其中华北和东北的线路污l 刈跳闸率分别高达12 3 5 次1 0 0 1 0 n a 和】0 次10 0 1 0 n 19 9 0 年】月到3 月，华北地区出现大面积污闪事故，1 1 0 k v 至 5 0 0 k v 线路9 3 条段掉闸，其中4 6 条线路停运，共发生1 8 2 基故障塔，2 2 8 串绝缘 了闪络，7 座2 2 0 k v ，8 座1 1 0 k v 变电站全部、部分或瞬时停电，故障约3 6 处。1 9 9 2 年1 月2 2 日到2 5 日，四川西北部电网发牛较大面积污闪，在持续大雾中相继有1 3 条线、4 7 基杆塔、7 1 串瓷瓶，3 个变电站1 t 只支柱瓷瓶闪络；随后1 月3 1 日，j i i 南电网向家岭电站又多次闪络。1 9 9 6 年1 2 月2 7 同一3 0 日华东地区出现罕见大雾， 5 0 0 k v 线路有1 2 条发生污闪跳闸共7 8 次，2 4 条2 2 0 k v 线路发生污闪，发生多起因 零值绝缘予炸裂，导线落地事故，造成巨大损失，发生污闪事故的均是瓷绝缘于串。 1 9 9 7 年2 月2 6 日一2 7 日陕西电网发仁大面积污闪，造成渭南地区东部和商洛地区 全部停电，系统甩负荷4 1 0 m w ，同时对输变电设备损害严重，发生污闪的输电线 路3 3 0 k v ，2 2 0 k v 各2 条，11 0 k v 5 条，发生污闪的变电站3 3 0 k v 2 座，11 0 k v 3 座， 事故都是发生在瓷绝缘子上。1 9 9 0 年以来福建省2 2 0 k v 线路基发生1 5 0 次污闪跳闸 事故，仅1 9 9 6 年1 月1 4 日至2 月15 日一个月期间福建莆田，泉州，石狮等地2 2 0 k v 线路就发生污闪跳闸7 0 次。1 9 9 7 年元旦前后华东，华北，j j j 东等地因污闪造成2 2 0 k v 以上线路2 3 起导线落地，3 起导线落在塔窗卜的严重事故。 除了在雾、露、毛毛雨等气候条件下污层受潮湿润引起绝缘予串闪络，当积污 绝缘子覆上冰雪后，如不采取有效的防护措施，在冰雪融化时，绝缘子串易发生闪 络事故。 在国外，些国家的电力系统经常发生绝缘子冰闪事故。如：1 9 6 3 年1 】月荚 国西海岸一条3 4 5 k v 线路，在史蒂汶斯山口发生绝缘子串覆冰| = j 、j 络，运行人员在现 场观测到，在恢复送电3 4 r a i n 内，覆冰绝缘子由微弱放电迅速发展成全面闪络 以至无法供电h j ；1 9 6 6 t 9 6 7 年，瑞士一条4 0 0 k v 线路横跨阿尔卑斯山脉，因火冰 雪，在现场观察到覆冰绝缘子有人量刷形放电，在短时间内重复出现几次接地故障 ”1 ：美国波特兰电力公司服务的田纳西峡谷地区，在1 9 7 4 年1 月3 门1 月6r 期 间的一次冻雨中，5 0 0 k v 线路悬垂绝缘子串出现了冰柱桥接现象，第四天( 1 月6 日) 5 0 0 k v 线路悬垂绝缘予串以及电站绝缘予和套管都发生了大面积的闪络 5 】；1 9 7 6 年，一次冰雪过后，底特律爱迪生电力公司许多3 4 5 k v 电站支柱绝缘子发生了闪络， 并且这种闪络都是发生存无污染的变电站，1 9 8 0 年2 月1 日m o n r o e 电厂的3 4 5 k v 丌关站绝缘予【旦出现了炎似的情况1 6 1 ；舢拿大安大略水电局一条5 0 0 k v 线路频繁出 现冰闪事故，1 9 8 2 年2 月2 1 日连续发生1 1 次单相接地故障，1 9 8 6 年3 月1 0 日早 晨又连续川络5 7 次坤j 。 绪论 我国是世界上输电线路覆冰严重的地区之一，线路冰害事故发生的概率比任何 其他国家都高，导线覆冰造成的损失电很高。贵州电网1 9 8 1 年至1 9 8 4 年的统计结 果表明：1 1 0 k v 及2 2 0k v 送电系统覆冰跳闸率高达i 3 5 次1 0 0k m - a t 尤其是1 9 8 4 年的覆冰事故，全省2 73 7 线路跳闸，跳闸次数达1 3 1 条次，直接经济损失达一千 万元以上8 1 。内蒙的】1 0 k v 呼武线自1 9 7 6 年投运以来，共跳闸4 1 次，其中9 次 为覆冰绝缘子闪络造成的【9 01 9 8 2 年遵綦线2 2 0 k v 线路在融冰期间发生了2 ( ) 多次 跳闸事故，除仅查出几次是导线对地放电外，可能还有悬式绝缘子( 或绝缘子串) 的闪络；1 9 8 4 年l 2 月在华东、贵州和云南东部地区发生了大面积严重的冰害事 故；特别是1 9 9 6 年初，福建省3 5 2 2 0k v 线路因覆冰倒杆断线2 0 0 多处1 “j ：1 9 9 9 年3 月8 日，贵州省电网园多条2 2 0 k v 线路因冰融化和雾闪络而使天贵5 0 0 k v 线路 多次跳闸，导致贵州电网与南方电网解裂。山西省白1 9 9 8 年以来2 2 0 k v 线路发生 冰闪事故2 5 次，其中1 9 9 8 年1 次，2 0 0 0 年4 次，2 0 0 2 年7 次，而2 0 0 3 年的1 0 次跳闸中9 次是由冰闪引起的，冰闪事故越来越突出。2 0 0 1 年2 月1 3 同，：滩电 站送出工程5 0 0 k v 输电线路在西南的四川两昌发生覆冰事故，造成5 0 0 k v 线路中断 供电达2 4 小时。2 0 0 1 年1 2 月12 日，5 0 0 k v 葛双二回线路发生2 次b 相接地故 障，引起线路跳闸，当时气温为2 - - 0 。c ，闪络事故后到现场检查，发现从导线上脱 落的冰块有8 0 m m 厚，为雨凇覆冰，检查绝缘子发现，绝缘子有明显烧伤痕迹。担 负“西电东送”重要通道的5 0 0 k v 阳淮线中的阳东二线、三线于2 0 0 3 年2 月2 1 日凌 晨相继发生绝缘予覆冰引起的闪络事故，引起三相跳闸事故，重合没有成功。 由以上例子可以看出，我国污闪、冰闪事故不断，污闪事故遍及全国各地，冰 剐事故也在全国大部分地区出现。由于我国输变电设备的外绝缘仍存在很多薄弱环 节，所以污闪和冰闪事故严重威胁着电力系统的安全运行。污闪、冰闪事故多发生 在电力系统正常运行电压下，而且重合闸成功率低，往往造成大面积、长时间停电， 一次污闪、冰闪事战损失的电量可达几万甚至上千万度，而污闪、冰闪事故期间大 面积停电给国民经济造成的间接损失更是无法估计的。随着电网电压的提高和容量 的增大，污闪、冰l 刈事故造成的损失将越来越大，因此积极开展防污闪、冰闪课题 的研究有羲显著的现实意义。 为了防止污闪、冰闪事故发生需要对染污、覆冰绝缘状态作出及时、准确的 判断，以便在危险来临之前采取必要的维护措施。根据污闪、冰闪电压评价染污、 覆冰绝缘状态，这是最直接的评价方法，但是污闪、冰闪电压的直接测量不太方便， 需要套高压实验设备，更何况对实际线路中处于运行状态的绝缘子足根本不可能 的。因此，只有通过寻求别的间接i 平价方法，才。能实现对运行线路和变电站进行睡 续的在线监测。 国内外学者认为：覆冰是一种特殊形式的污秽，覆冰绝缘j 了二闪络的机理与污秽 重庆大学硕 学位论文 绪论 绝缘子闪络机理类似11 3 “1 。通过对污| ：q 机理的深入研究，发现泄漏电流和污闪放 电的发展过程密切相关。绝缘子泄漏电流便于连续嗡测，综合反映了污秽程度、受 潮程度、覆冰程度、绝缘子形状因数以及绝缘子承受电压等综合因数，同时绝缘子 泄漏电流的变化反映了绝缘子污秽的积累和变化过程以及冰雪的融化程度，而且绝 缘子泄漏电流的某些特征量对于判断绝缘子在运行电压下的绝缘裕度有重要意义。 因此开发测量及监测泄漏电流变化的系统装置不仅具有重要的学术意义，而且具有 重要的工程实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 绝缘子泄漏电流和绝缘污秽度的研究方法 污秽度是绝缘子污秽程度的表征，是剧于区分污秽区和清洁区以及轻污秽区与 重污秽区差别的物理量。国际大电网会议第3 3 委员会推荐了：臣种表示污秽度的方 法，即等值盐密法( e s d d ) 、积分电导率法、脉冲计数法、最大泄漏电流法和绝缘子 i 6 1 1 梯度法。对运行人员选择绝缘水平来讲，最好是在运行地点模仿实际情况，挂 t 实际绝缘子并施加运行电压，以便观察到染污放电过程。如i 已录泄漏电流的脉冲 个数和最大幅值，甚至是闪络次数。泄漏电流脉冲个数法和最大泄漏电流法是研究 绝缘污秽的最有效方法。通过对绝缘子泄漏电流的测量能有效的评估绝缘子污秽水 图1 1 泄漏电流典型波形 f i g l 1t h ec a n o n i c a lw a v e b m n so fl e a k a g ec l ! r r e n t 图11 为绝缘子泄漏电流的典型波形。从图中可以看出绝缘子泄漏电流的特点 绝缘子泄漏电流的幅值范火 结论 绝缘子泄漏电流的幅值变化快 绝缘子泄漏电流中包含的信号复杂且信息量多 根据绝缘子泄漏电流的以上特点而制定了以下几种由绝缘二于泄漏电流的特征量 来表征绝缘子的污秽稃度n 勺方法。 f 1 ) 绝缘子泄漏电流脉冲记数法 在运行电压下逢潮湿天气，染污绝缘予上会出现局部放电和较大的泄漏电流脉 冲。绝缘子表面污秽越严重，出现泄漏电流脉冲的频度越高，幅值电越大。因此 记录某处在一定周期内超过某一幅值的泄漏电流脉冲数，即可以表征此处的污秽度。 此法的优点是可以连续检测，它反映污闪的全过程f 包括积污、湿润、干带和局 部电弧) ，缺点是脉冲频数只能在相刑意义j 二表明污秽的轻重，它于污闪电压之间没 有直接的定量关系，也不可能提供有意义的绝对值。此法实行起来比较的方便，自 然污秽试验站中常用此方法来比较不同绝缘子耐污性能的优劣。运行部门常用电磁 式记录器，串接到绝缘子串的接地端，不需要辅助电源，使用很方便。但是这种记 录嚣动作电流与脉冲持续时间和波形有关，其反映的绝缘子污秽度不是十分准确。 ( 2 ) 绝缘子最大泄漏电流法 绝缘了泄漏电流同污闪电压之间存在着明显的确定关系，能够在很大程度上估 计利预测绝缘子的污闪电压以及评价绝缘子的污秽水平。在绝缘子污闪之前存在着 绝缘子的临界泄漏电流，绝缘予的临界泄漏电流和绝缘子的污闪电压之间有着确定 的关系。临界_ f f 漏电流的人小能确定的反映绝缘子的污秽水平。但不能用! 临界泄漏 电流米代表服务于电力系统安全运行的污秽度。不能临界泄漏电流代表的是 临界污 秽度，其临界电压即运行电压。必须用远低于临界泄漏电流的泄漏电流来代表绝缘 了的污秽度，这样其代表的污秽度的污闪电压要比运行电压高的多。临界泄漏电流 所表达的是污l j 的裕度。通常泄漏电流是用其最大值来表示的，但其峰值的测量和 估计是不容易实现的，所以我们常采用一定目寸间内测得的许多电流腺 申中，取其最 大的数值来代表绝缘子的污秽度，即为最大泄漏电流法。 ( 3 ) 绝缘子临闪电流法 在绝缘子污秽闪络试验中闪络前的半个周波的泄漏电流的峰值为绝缘子的临闪 电流。污秽绝缘子的闪络场强和临闪电流之间存在负指数函数关系，而且该关系不 受绝缘予形状、串长、栽种类和污秽分布不均匀度的影响，自然污秽和人工污秽的 试验结果相吻合。临闪电流反映污秽绝缘子泄漏电流发展的结果，可以比较确切的 表征绝缘于的污秽程度。 在实际的应用中常通过测量绝缘子泄漏电流，分析泄漏电流的特征，并运用以 上几种表征绝缘子污秽度的方法，来研究绝缘子的污秽发展状况。由于冰闪是污刈 的种特殊形式，同样可以运用上述几种表征绝缘子污秽度的方法，来研究绝缘于 重庆大学硕f “竽位论文 绪论 溶冰的变化情况。 对绝缘子泄漏电流的研究也分两种情况，现场研究和试验室研究。对绝缘予泄 漏电流的现场研究，是在实际的环境和工作条件f 对绝缘子泄漏电流进行测量和研 究，要求测量的速度快能实时反映_ i f 漏电流的变化，测量设备叮靠性好，稳定性 高。但现场研究获得的数据量小，能反映的泄漏电流的特征量少，不利于对绝缘子 泄漏电流作事后处理和更深入的分忻研究。对绝缘子泄漏电流的实验室研究，是在 实验室中对现场积污及覆冰绝缘子或人工涂污及覆冰绝缘予的泄漏电流进行测量和 研究，要求能记录绝缘子泄漏电流发展的变化的过程，实时的处理测量数据，及时 的分析和提供绝缘子泄漏电流的特征量，并能对测量的试验数据进行事后分析和进 一步的研究。 1 2 2 泄漏电流测量系统装置研究现状 高电压绝缘试验过程以及输电线路运行中，泄漏电流的测量一直是科研、设计、 生产运行人员关注的课题，为此列其进行了广泛的研究和探索。 在2 0 世纪8 0 年代前，泄漏电流的测量。直是用光线示波器进行监测。通过改 变测量振子来变换泄漏电流采样的灵敏度，能实现对不同范围的泄漏电流信号进行 测量，并能长时间记录泄漏电流的波形信号。但光线示波器也存在许多不便之处。 光线示波器改变量程的方法是变换测量振予的灵敏度，也只能同时对一定范幽的泄 漏电流信号进行测量，对泄漏电流幅值的突然大范围变化则无法测量和反映出来。 而且光线示波器的采样频率不高，最高5 0 0 h z ，对于较高频率的泄漏电流波形不能 恰当的描述和记录，光线示波器以波形形式记录数据，不便于对信号的进一步分析。 此外，对大量的光敏记录纸的保存也很不方便。 1 9 9 0 年，美圆道康宁( d o wc o r n i n g ) 公司成功开发了用于测量污秽条件下 合成绝缘子泄漏电流脉冲的实用p c 数据采集系统，如图1 2 【】。该系统用c 语言编 写的控制程序实现划采集的数据进行存储，波形显示、 i - e i 操作。采用的i s a 数据 采集卡有8 个通道，每个通道的采样频率在4 0 0 1 0 0 0 h z 可调。但该系统仅简单的测 量每半周波r * l 幅值超过1 0 m a 的脉冲放电的电量q 并逐次累计叠加，而无法显示泄 漏电流的脉冲波形。 19 9 2 年，ae v l a s t o s 在瑞典西海岸的a t m e b e r g 污秽试验站建立一套合成绝缘 子泄漏电流监测系统。该系统只监测泄漏电流的峰值和平均值，并对绝缘子泄漏 电流的数据进行有目的的选择性地采集。对幅值小于t m a 的泄漏电流每3 0 r a i n 记 录一次，对幅值在l m a 5 m a 之间的泄漏电流每1 0 m i n 记录一次，划幅值超过5 m a 的泄漏电流则每1 m i n 记录一次。这种选择性的采集火大减少了数据的存储量，是 现场长期在线监测下处理大量数据行之有效的方法。 重庆大学硕l 学位论义绪论 高压端 图12 泄漏电流脉冲测量系统 f i 9 1 2t h es y s t e mf o rm e a s u r e m e n to fl e a k a g ec u r r e n tp u l s e s 1 9 9 3 年，澳大利弧昆士兰的2 7 5 k v 紧凑型输电线路上安装的泄漏电流监测系统 是一套用于绝缘子泄漏电流现场研究的测量系统j 18 1 1 9 1 ，目的是评价瓷绝缘子和合成 绝缘子短期和长期运行的污秽特性。该系统的特点是可同时记录温度，湿度和太阳 辐射对绝缘子泄漏电流的影响。其特点是通过数据中心采集数据，由控制中心存储 数据并与计算机进行数据通行，来实现对绝缘子泄漏电流的测量。 1 9 9 5 年2 月，j l f i e r r o c h a v e z 等人在墨西哥东北部的蒙特雷地区4 0 0 k v 输电 线路上安装了一套污秽绝缘子泄漏电流测量装置，如图1 3 口”j 。该系统利用c t 做为 传感器对泄漏电流取样，经同轴电缆传到杆塔中部的数据采集系统，数据采集系统 采用太阳能电池供电，并配有3 2 k 的r a m 用于记录5 0 m a 1 5 0 m a ，1 5 0 m a 一2 5 0 m a ， 2 5 0 m a 一3 5 0 m a ，3 5 0 m a 一4 5 0 m a 及超过4 5 0 m a 五个范围泄漏电流峰值。这些采集的 数据信息可以通过设在杆塔低部的r s 2 3 2 串口下载到手提电脑中。根据采集的泄 漏电流各范同峰值数量的多少来判断是否需要对线路绝缘予进行清洗或调爬，便于 工程人员及时消除事故隐患，提高了输电的可靠性。 2 0 世纪9 0 年代，美国俄亥俄州大学电机工程系开发了一套实验室研究用的绝 缘子泄漏电流测量系统 2 1 , 2 2 , 2 3 , 2 4 1 。他采用d a s y l a b ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m l a b o r a t o r y ) 软件，该软件类似于l a b v i e w 6 ，均是虚拟仪器软件，均可以提供图形 用户界面，都具有多线程运行的能力，但采集数据和数据处理功能都不如l a b v i e w 6 强大。该系统采用2 0 f 2 电阻传感器，8 通道1 0 0 k h z 采集卡，平均每个通道1 2 5 k h z 。 采集的信号利用d a s y l a b 软件统计正负脉冲的个数和幅值人小并把这些脉冲幅值 分为l m a 5 m a ，5 m a 1 0 m a ，1 0 m a - 2 0 m a ，2 0 m a 5 0 m a ，超过5 0 m a 五个等级。 重庆大学硕七学位论文 绪沦 阁13 线路杆塔绝缘子泄漏电流测量装置 f i g l3o n l i n el e a k a g ec u r r e n tm o n i t o r i n gs y s t e m 2 0 0 2 年，日本九州技术研究所的s a t o s h ik u r i h a r a 等人开发了一套针对户外绝 缘子泄漏电流的遥测系统f 2 5 # ”。该系统利用两个截止频率分别为3 0 k h z 和1 m h z 滤 波器将采集的绝缘子泄漏电流分成高、中、低三个频段分别对应为电晕放电电流、 干燥带电弧电流和传导电流。 国内划绝缘了泄漏电流测量系统的研究开始丁2 0 世纪9 0 年全国电网大面积污 闪事故以后。 1 9 9 4 年，华北电力学院的杨万开等研制了污秽绝缘孑泄漏电流光纤测量系统 旧。该系统采用压频变换和8 0 9 8 单片机实现，以先进的集成电路和光电技术取代 以往的电缆测量，适合于严重电磁干扰的场合，通过对1 0 k v 的交流系统的污秽绝 缘子泄漏电流监测试验表明该系统能对污闪泄漏电流的变化进行有效监测。 1 9 9 5 年，复旦大学与东北电力试验研究院采用光纤技术直接测量流过绝缘子串 不同点的泄漏电流，从而得出绝缘子串的电压分御2 ”。将处于高压系统中与泄漏电 流相对应的微弱电信号经过处理转换为光信号并通过光波导送到处予地电位的测量 仪器上进行检测，具有良好的抗电磁干扰能力和绝缘性能。 1 9 9 7 年，武汉水利电力大学、浙江省电力试验研究所、清华大学提出了一种输 电线路绝缘状况在线遥测新方法 2 。即在每一基杆塔的绝缘子串导线侧安装个分 机在线路一端或中途变电站内安装个主机。主机的控制命令用逐级无线接力方 重庆大学硕【一学位论文 绪论 式由近而远传给分机各个分机的测量结果用逐级无线接力的方式由远而近传给主 机。 1 9 9 9 年，武汉高压研究所和华中电力渊度通信局联合建立了智能型交直流污秽 绝缘子泄漏电流监测工作站 3 0 1 。该工作站能将交流脉冲发生时间、脉冲峰值及脉冲 持续时间等记录于硬盘中，实时显示被监测的泄漏电流脉冲波形，还可简单分析任意 时段的波形数据，体现了污秽峪测的智能化。 2 0 0 1 年，西安理工大学李琦等设计了基于工控机的高速数据采集和处理的变电 站绝缘子污秽在线监测系统 3 1 3 2 1 。系统采用耐腐蚀性金属集流环采集支柱绝缘子的 泄漏电流，采用表面银环来采集悬式绝缘子的泄漏电流，所用电流传感器频带宽度 为15 0 h z ，且在1 0 0 5 1 0 5 “a 范围内具有足够的线形度从而可以检测出闪络脉冲电 流。 2 0 0 1 年，武汉大学电气工程学院刘涤尘等提出利用自适应谱线增强滤波器滤除 高频噪声和噪声对消器滤除低频噪声原理的改进型噪声对消器，用于绝缘子泄漏电 流的检测。实验表明，改进型噪声对消器能更有效地滤除宽带噪声和窄带噪声，其 检测和处理方案较好的解决了传统的检测方案因强电磁干扰、高噪声下无法在线检 测绝缘子泄漏电流的问题口“。 2 0 0 1 年，针对目前高压电流互感器尚无有效的安全措施的情况，澳大利红相 集团厦门公司开发的c t m 高压绝缘设备在线监测系统，科学地根据电流互感器绝 缘套管运行中在额定电压下产生泄漏电流等现象而漫计，并采用更高灵敏度的传感 设备采集运行中电流互感器的绝缘劣化信息由处理器完成信息的处理和识别，能同 时监测1 2 0 个c t 或绝缘套管。 本系统刘运行中绝缘子的泄漏电流采样从第二片绝缘子截取( 如用户使用的是 合成绝缘子，可加装一片瓷绝缘子束截取泄漏电流) ，泄漏电流经过具有优良抗于扰性 能的专用铠包电缆联接到系统的主保护单元，再经过保护和传感单元进行a d 转换， 再到微处理器进行分析和运算。 2 0 0 1 年，武汉大学设计了以单片机为主控c p u 的雷电流跟踪测量装置【3 5 l ，陔 装置通过罗柯夫斯基线圈作为传感器进行信号采集，然后通过一系列的模拟电路：和 数字电路实现对雷电流幅值记录的存储等，可以测量避雷针、铁杆等处的雷电流。 装置能实施多点测量、大容量记录、长时间连续工作。研究表明该装置工作靠。电 路组成见图1 4 。 重庆大学颂_ l = 学位论文 绪论 信号 输入| 电流互感器h 极| 生变换电路卜 幅值保持电路h d 转换器 i | ! 竺竺! 卜一 l l 竺竺三兰竺竺卜一 8 9 c 5 l + j 圈一 叫 圈14 需电流测量电路倒 f i g l4t h em e a s u r e m e n to f t h u n d e rc u r r e r l l 2 0 0 2 年2 月，武汉水利水电大学的刘金华等设计了绝缘子泄漏电流在线监测系 统【3 “，系统采用在线监测、离线分析的方式。采用红外通讯方式提高通信的抗干扰 性能，选用l 刈速存储器作为存储器件提高数据保存的呵靠性。能对整条输电线路上 每基杆塔上绝缘子串泄漏电流实州遥测。 2 0 0 2 年，第二炮兵工程学院的蔡伟、李敏等设计的基于遥测技术的绝缘子在线 监测系统 3 7 3 8 , 3 9 , 4 0 a l 】，采用网络测量技术，通过数据采集单元，在线实时监测输电线 路上绝缘子串的泄漏电流。原理框图如图1 5 所示。 雷击fl 整流 采样卜叫电路 q 、 湿、温度 测量电路 l u 姐 旺配 网络 j 虑泄 驶附副 网* 耀蓟f 网络l 多蹄f 程竿增益 复用卜叫放大赫披 器ii 阻副网络 up 脏测模块 m c u ms p 4 30 f 4 ) j t g 接习 电蹄 r f 发甜 模块 流稳压i u l畦t 流充t u i u ( 蓄电池十啪( 太m 能 供电)f 也池供也) 图15 泄漏电流测量的原理框幽 f i g l5t h es k e t c hm a po f t h em e a s u r e m e n to f l e a k a g ec u l t e r l l 其实现方法是接地端绝缘予钢帽上安装一开口式的引流装置卡，由双层屏蔽引 线将泄漏电流导入安装于铁塔中的数据采集单元中。采样信号通过具有放大作用的 互感器及其相应的电阻匹配网络进入主电路系统，由信号调整电路实现滤波、限幅等 功能。经过调理的信号在单片机控制下依次通过多路复用器，进入信号放大环节。在 型哥蕊 a的器一一，0；城甩感一一，燮吾鬻 +，d0，ljj泄漏电漉引流嚣 重庆大学硕 二学位沦文 绪论 信号放大环节中程控增益放大器根据输入信号幅值对其进行相应倍数的放大，最后 通过限幅网络送入m c u 。m c u 利用片内1 2 位a d 对这几路信号分别以5 r a i n 为周 期高速采集实时分析处理采集，求得该周期内的泄漏电流平均峰值、最大峰值，并对 】0 3 0 m a 、3 0 5 0 m a 、5 0 1 0 0 m a 、1 0 0 一3 0 0 m a 、 3 0 0 m a 等5 个档位内出现的 脉冲计数。 2 0 0 2 年，清华大学王鹏等研制开发出国内第一套高精度全自动化绝缘子离子迁 移试验测量分析系统p “，如罔1 6 。该系统包括5 0 路电流测量控制、微电流自动循 环测量及3 级保护系统，并以美【马ni 公司的l a b v i e w 为平台开发出该系统的 软件系统。 削1 ，6 离f 迁移试验测量装置示意图 f i g i - 6 t h es k e t c h m a po f m e a s u r i n gs y s t e mo f i o n m i g r a t i o n f o r i n s u l a t o r s 国内一些专家对其它一些高压设备的泄漏电流测量也进行r 深入研究，其中不 乏好的经验和方法值得在研究绝缘子泄漏电流测量时借鉴参考。 1 9 9 5 年，西安交通大学张源斌等人与宁夏石嘴l ij 供电局合作研制高压设备外绝 缘污秽泄漏在线监测系统 ” ，流过各种电气设备外表面的污秽泄漏电流经过传感 器，由套有一层金属软管的同轴电缆送至变电所的主控室内，经过信号处理后再将 电流信号进行模数转换。基本消除了变电所内的干扰问题。 1 9 9 7 年，上海交通大学肖登明等开发了变电站污秽泄漏电流在线监测系统m 1 ， 系统的数据采集与微机之间采用主从机通讯控制，实现了分布式实时监测。 2 0 0 1 年，山峡大学刘会家、李宁提出基于谐波分析和数值运算的m o a 阻性泄 漏电流的测量方法，为计算机用于m o a 在线监测提供参考”1 。 2 0 0 1 年，常州太平洋自动化技术有限公司周骁威将光纾取样技术用于避雷器泄 漏电流的在线实时监测m ，解决了避雷器泄漏电流检测中的高电压隔离和数据远传 问题。 2 0 0 3 年，西安交通大学李飞、申忠如、都延星、丁晖等引入了小波技术和虚拟 仪器丌发了m o a 泄漏电流测试仪m 4 8 4 9 ，5 。测试仪以m c u 加t i 公司的3 2 位浮点 重庆人学硕f 学位论文1 绪论 型d s p 器件t m s 3 2 0 c 3 2 为硬件核心，软件上采用加窗、插值的高精度f f t 算法，真 实复现了信号中的劣化特性，电压和电流之间的夹角u 测量已达0 1 。的准确度。 综上所述，国内外对绝缘子泄漏电流检测系统已进行了广泛的研究，取得了许 多创造性成果。但到目前为止，开发出来的仪器和采用研究手段都存在着许多不足 之处，对于实验室研究用的绝缘子泄漏电流测量系统而言，现阶段已有的泄漏电流 测量系统存在的问题在r ： 1 ) 采样率不高，现有的泄漏电流测量系统中采样率都不高一般在1 0 k h z 以下， 得到的采集信号不够精细还丢失了许多高频信息，不能很好的反映泄漏电流的细节， 但若大幅的提高采样率，采集的数据成几何倍数的增加，导致数据处理变的极其困 难，并影响系统长时 _ 作的稳定性； 2 ) 特征量不多，污闪与冰闪过程中沿绝缘子表面的泄漏电流中有多个分量，如 电导电流，电晕电流，局部电弧电流。这就要求测量系统所要考虑的参数、所要记 录的特征量增加，使得测量系统变的复杂。 3 ) 信号的采样范围较窄。由丁输电线路电晕噪声较大，对信号有较大的干扰， 以上系统采集的信号均在数十毫安以上，刘馓安级的电流无法j 瞌测。若改进传感：器 和将电流分段采集后，可准确采集的采样信号范围就扩大了。 4 ) 各仪器或系统的数据处理能力不强，功能比较单一，仪器的升级复杂、成本 高，系统的稳定性不强，操作不便。 5 ) 保护措施不全面，绝缘子污闪与冰闪试验不i 叮避免的存在闪络，所以测量系 统要面对冲击电压和冲击电流的考验，为此整个系统要求有效的保护措施，能够耐 受各种情况下的冲击电流和冲击电压，保证测量系统在严酷的外界条件下不受损害。 因此，研究在试验过程中可刘泄漏电流变化的全过程进行测量的自动化系统已 成为当前迫切需要解决的问题。 1 3 论文主要内容 依据绝缘子污l n 与冰闪过程中泄漏电流幅值变化大，持续时间长的特点，研究 基于l a b v i e w 的绝缘于泄漏电流洲量系统装置。 1 ) 完成绝缘子泄漏电流测量系统的硬件系统； 在研究了泄漏电流的频率特性的基础上选择了合适的