（高电压与绝缘技术专业论文）悬式瓷制绝缘子表面污秽程度预测方法的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文目录 摘要 本文首先分析了悬式瓷制绝缘子在运行电压下泄漏电流产生的机理和特点，并 在此基础上研制了两种泄漏电流传感器。利用人工雾室，通过大量的试验，分析研 究了污秽绝缘子泄漏电流与环境相对湿度、绝缘子表面污秽程度之间的关系，并运 用灰关联分析方法处理了现场2 2 0 k v 绝缘子在线监测数据，验证了这种关系的正确 性。最后，引入人工神经网络，对绝缘子表面污秽程度进行预测。通过实验室试验 数据的验证，证明该方法可以准确有效的预测绝缘子表面污秽程度。这一方法为指 导现场绝缘子的清扫和优化绝缘子清扫周期打下了基础。 关键词：悬式瓷制绝缘子，泄漏电流，污秽程度，相对湿度，人工神经网络 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e ro fl e a k a g ec u r r e n to nt h es u r f a c eo ft h es u s p e n s i o n t y p ep o r c e l a i n i n s u l a t o rw a sa n a l y z e df i r s t l y b a s e dt h e s e ，t w ok i n d so fl e a k a g ec u r r e n ts e n s o r sw e r e d e v e l o p e d as e r i e so fr e s e a r c hw o r kh a db e e nc a r r i e do u ti nt h ef o gc h a m b e r t h e r e l a t i o n sa m o n gl e a k a g ec u r r e n t ，e s d d ( e q u i v a l e n ts a l td e p o s i td e n s i t y ) a n dr e l a t i v e h u m i d i t y ( r h ) u n d e ro p e r a t i n gv o l t a g eh a db e e na n a l y s e d t h ec o r r e c t n e s so ft h e r e l a t i o nh a db e e np r o v e db yt h eg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i si nt h ed a t ao ft h et e m p e r a t u r e ， h u m i d i t ya n dl e a k a g ec u r r e n tf r o mo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f2 2 0 k vi n s u l a t o r s t h e o v e r a l la i mo ft h i sp r o j e c tw a su s i n gt h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) t op r e d i c tt h e p o l l u t i o ns e v e r i t yo fi n s u l a t o r s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nb yt h ee x p e r i m e n td a t ap r o v e d t h a tt h em e t h o dc o u l dp r e d i c tt h ep o l l u t i o ns e v e r i t yo fi n s u l a t o r sm o r ea c c u r a t e l y t h i s m e t h o di sa b l et og u i dt h ew o r ko fc l e a n i n gi n s u l a t o r sa n do p t i m i z et h ec l e a n i n gc y c l e s o fi n s u l a t o r se f f e c t i v e l y z h a n gj i a n x i n g ( h i g hv o l t a g ea n d i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db y ：p r o f l uf a n g c h e n g k e yw o r d s ： s u s p e n s i o np o r c e l a i ni n s u l a t o r , l e a k a g ec u r r e n t ，p o l l u t i o n d e g r e e ，r e l a t i v eh u m i l i t y ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文悬式瓷制绝缘子表面污秽程度预 测方法的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他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。 学位论文作者签名： 弘建易日期： 出t1 1 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：堑窒! ：导师签名 日期： 蜘o f7 日期： o f 乒守_ 塑! ：兰：! z 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章引言 电力系统的输电线路要将巨大的电能从发电厂送到远方用户，必须具备两个条 件：一是为传输电流的导线提供机械支持：二是防止电流对地形成通道接地。绝缘 子就具备了这两种基本功能，所以绝缘子在输电线路中占有及其重要的地位【”。绝 缘子在高压线路中又是极易损坏的一个重要元件。在输电线路中一旦有绝缘子损坏 或发生闪络，就会导致供电中断，严重的时候甚至会引起电网的解列，给国民经济 造成严重的损失，这在中外输电线路的运行史上都有及其深刻的教训。例如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 l 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。事实证明，在输电线路中造成事故最严重、影响范围最广的就是大面积 的绝缘子污闪事故。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、中型变电站的出线有几条至十几条，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 界污闪的状态。而且线路一但跳闸，重合闸动作，还会造成电网的振荡，使l 临近闪 络绝缘子又多承受一个操作过电压的作用。特别是当较多绝缘子的外绝缘抗污闪能 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。 大面积的污闪事故引起了电力部门的高度重视。电力部门制定了一系列诸如加 大爬电距离、涂防尘涂料、采用半导体釉绝缘子和定期清扫等防污闪措施。并投入 大量精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。在绝缘子故障检测方面，一些传统的检 测方法，如测量绝缘子表面的等值赫密度、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。而且这些措施并不能及时消除绝缘子污秽闪络的危险，绝缘 子污闪事故仍时有发生【2 】。 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，对绝缘子进行测试，测试结果可以反应绝缘子运行的真实情况，而且可以随 时进行，这样就大大提高了发现问题的概率，提高了污秽闪络的预测能力。针对此， 华北电力大学硕士学位论文 国内外提出了以绝缘子泄漏电流为主要监测对象的在线监测方法。但是仅仅依靠泄 漏电流的数值来确定绝缘子表面的污秽情况并预报污闪是不可行的。只有将泄漏电 流值、污秽条件和气象因素综合起来考虑，利用先进的数学方法处理来自绝缘子在 线监测装置的实时数据，预测绝缘子表面的污秽情况，指导供电部门及时清扫，这 样做才会降低输电线路发生污闪事故的概率。因此，通过大规模、系统的试验，对 比研究额定运行电压下的绝缘子在不同污秽条件、不同湿度条件下泄漏电流的变化 规律，利用数学方法找到泄漏电流变化趋势与这些因素变化趋势之间的关系，具有 重要的科学意义和实用价值1 3 】。 1 2 国内外研究现状概述 1 2 1 试验手段 1 2 1 1 人工气候室的设计 绝缘子长期运行在外部环境中，气候条件与污秽条件千变万化。为了掌握在各 种条件下绝缘子的外绝缘电气特性，应当在各种气候环境和污秽条件下对其做试 验。但是由于骶候条件形成的时间周期长、设备运输困难、费用高等原因，去 现场做试验困难太大。人工气候室就是在一个小空间范围内模拟各种气候条件( 比 如：温度、湿度、湿沉降、污秽等因素) ，用于对绝缘子电气特性试验创造一个跟 实际情况相似的环境。文献 4 ，5 ，6 ，7 提出了用于瓷绝缘子的泄漏电流进行模拟试验研 究的人工气候室的设计标准和相应的设计方案。国内的中国电科院、重庆大学、清 华大学和陕西省西安高压电器研究所已经根据自己的试验需要建立了自己的人工 气候室。 1 2 1 2 绝缘子泄漏电流传感器的研制 线路绝缘子的泄漏电流具有幅值小、易受干扰的特性。在现场恶劣的电磁和自 然环境下，如何准确地测量出高压线路上绝缘子的泄漏电流，是绝缘子在线监测技 术中一个非常关键的环节。这就对绝缘子泄漏电流传感器的设计提出了很高的要 求。文献9 ，1 0 提出了绝缘子泄漏电流传感器的设计方案，其要求传感器应该具有以 下特点： ( 1 ) 能够适用于测量小电流的要求，灵敏度高，同时二次输出信号应尽可能大。 ( 2 ) 在测量范围内线性度好，输出波形不畸变。 ( 3 ) 工作稳定性好，温度系数小而且稳定，结构简单，体积较小。 1 2 1 3 人工污秽试验方法 人工污秽试验是人工模拟绝缘子的积污过程、受潮状况以及作用电压，以便在 华北电力大学硕士学位论文 实验室系统研究绝缘子耐污闪性能的方法。绝缘子的人工污秽试验方法已经基本成 熟，并制定了相应的国际标准与国家标准，6 1 。 1 2 2 理论研究 绝缘子表面污秽度的预测是一项十分复杂的工作，目前经常使用的预测方法主 要有以下几种： 1 模糊推理法】 模糊推理过程实际上是将人类的模糊概念和思维过程用严格的数学表达进行 描述，从而可以模仿人类思维人工智能。例如：人类识别一个人的过程，被识别人的 身高、体态、脸型、眼睛、鼻子、嘴等将在人的大脑中形成一个模糊的概念，如高 个子、大眼睛、圆脸、高鼻梁等等。有了这些模糊的概念，人类就可以对这个人进 行准确的识别，甚至只看到背影便可以进行识别。以上所有的识别判断过程都是以 模糊推理规则为依据的。 文献 1 2 提出了一种绝缘子污闪的模糊报警模型。该报警模型采用六输入一输 出结构。把污秽类型、环境温度、泄漏电流及其变化和环境湿度及其变化等六个变 量作为模糊报警模型的输入变量：模型按照规则库的推理规则进行判断之后，给出判 断的结果。报警模型的输出采用包含三个取值的单点模糊集合，取值分别是轻度污 秽、中度污秽和严重污秽。 2 专家系统方法 专家系统【1 3 】是人工智能领域的一个重要分支，它是一种基于知识推理的系统。 它通过获取大量的领域内专家知识，并在此基础上进行推理从而得到问题的解答。 专家系统还具有解释功能，便于人们理解和掌握其推理过程。目前，专家系统已经 在电力系统负荷预测，电力设备的在线监测与故障诊断等电力系统中得到了广泛的 应用。 3 人工神经网络方法 人工神经网络是人工智能领域的又一个重要分支，它是从模拟人脑思维开始发 展起来的：人工神经网络是由大量的简单神经元组成的非线性系统，每个神经元的 结构和功能都比较简单，而大量神经元组合产生的系统行为却非常复杂；人工神经网 络具有自学习能力，可通过训练样本，根据周围环境来改变自己的网络，并根据变 化的信息，调整自身的结构：人工神经网络能够用来解决非线性问题和不确定性问 题。 3 揪 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 】提出了用人工神经网络预测基于泄漏电流、气象因素的绝缘子 等值附盐密度( e q u i v a l e n ts a l t d e p o s i t d e n s i t y ，简称e s d d ) ，其示意图如图1 - 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 输入数据 泄漏电流值 温度 湿度 气压 输入层中问层输出层 图1 1 神经网络模型示意图 不同的预测方法有不同的优点和缺点。其中，专家系统方法和模糊推理方法在 确认事实和建立规则时需要大量的实践经验，所以人为因素多一些；在人工神经网络 方法中尽管网络结构的选择还依靠一定的人工经验，但神经元之间的关系( 权值和阐 值) 是通过学习样本得到的，所以人为因素要少一些。专家系统方法和模糊推理方法 不需要学习过程，其速度要快一些且不需要样本；而人工神经网络方法在应用之前必 须经过学习过程，其速度要慢一些且需要典型的样本集。 综上所述，本文选取了人工神经网络作为绝缘子表面污秽预测的方法。在利用 该方法得出预测值得后，再与实际的等值盐密度值对比，找出误差，改进网络以得 到合适的输出。该方法在实验室验证成功后，可以应用于现场在线监测数据的处理， 以达到指导绝缘子清扫的目的。 1 3 本论文的主要工作 本论文属于污湿环境中瓷制绝缘子表面泄漏电流特性的研究。针对瓷制绝缘子 的泄漏电流的性质，对其的影响因素和利用这些因素进行绝缘子表面污秽预测，主 要进行以下几方面的研究工作： 1 根据试验需要，在高压试验室设计建立了符合国家标准的能进行绝缘子泄漏 电流试验的人工雾室。 2 研制了能够测量微小泄漏电流的三段式电阻分流器和基于r o g o w s k i 线圈原 理的工频电流传感器，并对其进行了性能测试。 3 制定了污湿环境下线路用悬式瓷制绝缘子泄漏电流的试验计划和方法。 4 华北电力大学硕士学位论文 4 利用人工雾室，研究了污湿环境下线路用悬式瓷制绝缘子泄漏电流的性质， 环境因素对该泄漏电流的影响和绝缘子表面放电现象；还进行了绝缘子泄漏电流与 温、湿度的灰关联分析：分析了绝缘子泄漏电流与等值盐密( e s d d ) 的关系。 5 介绍了人工神经网络的基础知识，提出了利用b p 神经网络来预测绝缘子表 面污秽的方案，并用实验室数据进行了验证。 华北电力大学硕士学位论文 第二章线路用悬式瓷制绝缘子污秽试验方法 根据论文研究的目标和任务，本章主要制定了污湿环境中线路用悬式瓷制绝缘 子表面泄漏电流特性试验研究方法。 2 1 试验原理与装置 1 试验原理图 线路用悬式瓷制绝缘子泄漏电流试验如图2 1 所示。 。豳i 四 t ：调压器，g ：隔离变压器，l ：滤波器，b ：变压器，r i 、r 2 ：保护电阻 ， g ：保护球隙，k ：人工雾室，s ：试品绝缘子，f ：电容分压器， c ：传感器 r n ：匹配电阻，t v s ：瞬态电压抑制器，y ：示波器 图2 1 试验原理图 调压器型号为：接触式调压器t d j a 5 6 ，3 8 0 v 0 4 2 0 v ；隔离变压器型号为： g g b 5 0 0 3 8 0 ，4 ：滤波器型号为： c l b q 3 5 0 4 ：变压器型号为： y d j w - 5 0 2 5 0 ( 2 2 0 k v ) ；r 1 、r 2 的耐受电压为2 5 0 k v ，阻值为1 0 5 k q ：示波器的型 号为t d s 2 0 2 4 ( 四通道) ；r m 、r 。是阻值为5 0 q 的无感电阻：t v s 的型号为： 6 k e p l 5 0 c a 。 2 试验电源 进行泄漏电流试验时，试验电源由2 5 0 k v 5 0 k v a 工频试验变压器提供，该容量 能够满足泄漏电流试验的要求 撸】。为了去除试验电源中的谐波分量，在升压变压器 的原边与调压器之间串入了隔离变压器和滤波器，如图2 1 所示。 3 试验电压【”1 进行无闪络的泄漏电流( 1 “a 2 0 0 m a ) 实验时，根据下表2 1 所示的不同电压等 级下的单片绝缘子的电压分布，选取给单片试品加恒压1 0 k v 以模拟1 1 0 k v 工作状 态下单片绝缘子所承受的实际平均工作电压。 华北电力大学硕士学位论文 表2 13 5 k v 至2 2 0 k v 输电线路绝缘子串分布电压标准值 电压 由导线侧数绝缘子元件上的分布电压标准值 等级 ( k v ) ( k v ) 片数l23 4 567 891 01 11 2 1 31 4 21 0 oloo 3 539 05 06 o 48 o4 83 54 0 61 9 o1 1 09 08 07 0l o o 1 1 0 718 51 0 o8 57 o5 06o 9 0 81 7 o1 0 o8 o6 5 4 55 o5 08 o 2 2 01 43 1o16 012o9 0706 56 05 o5 o5 o5 o5 56 o 8 0 4 人工雾室 8 1 本文为了模拟不同空气相对湿度和浓雾等气候条件，建立了人工雾室( 如图2 2 所示) ，在人工雾室对线路用悬式瓷制绝缘子的泄漏电流进行模拟试验研究，以期 得到瓷制绝缘子在污湿环境中的泄漏电流特性。 j ：雾( 冷、热) 发生器，g ：套管，y ：示波器，s ：试品，p ：喷管，c ：泄漏电流传感器 l ：漏水孔，z ：支柱绝缘子 图2 - 2 人工雾室示意图 在图2 - 2 所示的人工雾室中，其容积为：2 m 1 5 m x 2 m ；喷雾装置采用型号为 亚都y c ：d 2 0 4 的加湿器两台，总喷雾量在0 8 0 0 m l h 之间可调，雾粒直径为1 5 1 t m 。雾室中温度在2 1 2 4 之间。空气相对湿度在3 0 1 0 0 可调。当喷雾速度 华北电力大学硕士学位论文 达到最大时，雾能见度为1 m ，3 0 r a i n 能够使人工染污悬式瓷制绝缘子的污层湿度达 到最大值。 5 绝缘子试品 绝缘子试品采用内蒙古精诚高压电瓷有限公司生产的w x p 2 7 0 高压线路耐污 盘形悬式绝缘子，详见图2 - 3 。由于实验条件所限，根据表2 7 l 提供的绝缘子串电压 分布，采用单片绝缘子来做实验。其电压取绝缘子串的平均耐受工作电压。 图2 - 3w x p 2 7 0 型高压线路耐污盘形悬式绝缘予外观 2 2 测量泄漏电流用传感器的研制 近年来，国内外提出以泄漏电流为主要监测对象的绝缘子在线监测方法。绝缘 子泄漏电流是电压、气候和绝缘子污秽状况三要素的综合反映，能客观地反映绝缘 子积污、直至闪络的全过程，是一个动态参数【2 。由于线路绝缘子安装位置的特殊 性及工作环境的恶劣性，对绝缘子泄漏电流传感器提出了很高的要求。因此，所设 计的电流传感器应该能够安全稳定的工作在电压等级较高的线路上，且能够适应恶 劣的电磁环境和自然环境的影响。传感器还应该具有体积小、重量轻、易于安装、 结实耐用和安装时不会破坏设备原有的接线方式的特点。目前，可以用于绝缘子泄 漏电流测量的传感器包括引流环、无感电阻分流器和r 0 2 0 w s k i 线圈3 种j 。 其中环行引流环【22 在目前绝缘子在线监测系统中大量采用。图2 - 4 是北京供电局 绝缘子在线监测装置用引流环示意图。引流环具有安装简便，绝缘良好，不破坏原 有接线方式的优点。它的缺点在于：受测量原理的限制，引流环所采集的信号易受 噪声干扰，测量的误差比较大；导电硅胶在恶劣的工作条件下会受到破坏，从而影 响到测量的准确度。 无感电阻分流器具有结构简单、输入输出特性好、工作频带宽等优点。其缺点 在于安装时必须串接入设备的接地线中。这样不但使分流器的绝缘要求提高，而且 一旦分流器损坏就会造成设备的地线开路，将威胁到设备和工作人员的安全。 华北电力大学硕十：学位论文 r o g o w s k i 线圈是通过测量一次导体中电流所产生的磁场的变化来反映一次电 流的大小。由于采用了磁耦合方式测量，所以r o g o w s k i 线圈的绝缘良好且不会破 1 1 ，绝缘圈( 各种绝缘材料均口j ) ：2 ，金属引流环；3 ，绝缘了表面：4 ，过爪保护：5 ， 小电流互感器电气隔离单元 图2 - 4 环形引流环 坏设备原有的接线方式。r o g o w s k i 线圈还具有输输出特性好、精度高、频带宽、体 积小、重量轻和易于安装的优点。但是，列于测量t t a 级泄漏电流，r o g o w s k j 线圈 会存在输出电压过小和信号易被干扰的问题。这些问题可以通过采用高磁导率材料 做铁芯，适当增加线圈匝数和采取合适的测量电路等方法来解决。 2 2 1 三段式无感电阻分流器的研制 绝缘予的泄漏电流范围较宽( 1 u a 1 a ) ，而对如此宽的电流信号仅使用一个无 感电阻分流器是不能满足测量精度的要求的。因为一个无感电阻分流器仅能在一定 范围内准确反映电流变化的特点，若保证了分流器在测量较大电流时的精度，则该 分流器剥小电流的测量则会精度不足，不能如实的反映小电流变化情况。若单为追 求精度而采用多个分流器采集同一路信号，则又会由于系统硬件的增多而增加系统 的负担，降低系统运行的可靠性1 2 3 。为此，本文提出了将电流信号分3 段采集的解 决方案。 1 三段式无感电阻分流器总体设计 由实验室模拟1 1 0 k v 线路测得的数据来看，工频泄漏电流的范围在1 u a 5 m a ， 而电晕脉冲电流的范围在5m a 1 a 【“j 。因此本文对l 儿a 1 0 0 1 a a 的微小电流信弓 ( 主要成分是工频泄漏电流) 采用2 0 k f 2 的无感精密采样电阻测量；1 0 0 9 a 5 m a 的 小电流信号( 主要成分是工频泄漏电流) 采用2 0 0 f ) 无感精密采样电阻测量；对 5m a l a 的大电流信号( 主要成分是电晕脉冲电流) ，采用1 q 的无感精密采样电阻 测量。电阻分流器原理图如图2 5 所示。各采样电阻之间的转换，采用开关控制，k l 打开，k 2 和k 3 闭合，由r i 来采样：k 2 打开，k i 和k 3 闭合，由r 2 来采样；k 3 打开，k 1 和k 2 闭合，由r 3 来采样。为了确保在量程转换过程中的试验人员的安全， 华北电力大学硕士学位论文 特别在传感器的外侧并联了一个开关k ，在量程转换前先将k 闭合，将传感器短路。 待量程转换完成后，将开关k 打开，继续测量工作。 l ! r 。，亍m | t ； i 一 一f 卜二” i j 平“”jk ：u 一l 一一 ，r ， i 州h ，；三| | l u、j 丫 g 一放电管；一压敏电阻：t v p 一瞬变电压抑制器：r - 一2 0 k q 无感精密电阻采样电阻 r 2 - - 2 0 0 q 无感精密电阻采样电i n _ ；r 3 1 q 的无感精密采样电阻；k l ( k 2 、k 3 ) 一开关 图2 - 5 电阻分流器原理图 2 装置的过电压保护系统 为了防止由不可确定因素引起的泄漏电流的突变对整个测量系统的冲击和危 害，在前端传感器部分必须加保护措施，以限制大电压或大电流，保护后续测量系 统。据此，本文选择了三级保护系统。 其中，第一级保护采用了瞬变电压抑制器( t v s ) 。由于它具有响应时问快( 能满 足保护系统中n 秒级快速保护的需要) 、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、 钳制电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点【4 】。因此将瞬变电压抑制二极管选 作保护系统一级保护的器件。氧化锌压敏电阻( z n o ) 的电压抑制特性好，通流能力 大。氧化锌压敏电阻响应时间是n s 级的，故能满足保护系统中n s 级快速保护的需 要。因此将氧化锌压敏电阻选作保护系统二级保护的器件。放电管在放电的过程中 能泄放大量能量，放电通道形成的时间在几十至几百“s 左右，因此把放电管用作保 护系统的三级保护器件，并担负着泄放冲击电流能量的作用。本文不但对各个采样 电阻均采用了t v s 保护，而且对总的测量装置也采用了一套三级保护系统，以保证 整个测量系统和测试人员的安全。 3 电阻分流器的抗干扰措施 电阻分流器在测量过程中，除了接收需要测量的信号之外，还要受到空间电磁 场的干扰。由于电阻分流器的输出信号幅值较小，受到这些干扰，将会导致测量结 果的不准确。 本套测量装置中，采取尽可能提高信号幅值的方法来抑制信号线上的传导耦合 干扰：对于空间耦合干扰，则采取接地和屏蔽的方法来抑制。对于电阻分流器本身， 将整个测试装置放入屏蔽盒中。为了更好的屏蔽空间电磁干扰，本文采用了高电导 华北电力火学硕士学位论文 率的钢铁材料作为最外面的磁屏蔽层，同时也能起到防护作用；屏蔽盒里面采用铜 箔纸作为电屏蔽层；将屏蔽盒可靠接地，一方面抑制了干扰，另一方面也确保了测 试装置和操作人员的安全。对于信号线，采用了屏蔽电缆，电缆的屏蔽层采用点 接地的方式。另外，由于电阻分流器所用的屏蔽盒不可避免的会被信号线穿透，这 会引起电磁波的泄漏或电磁耦合干扰的问题，即孔缝效应。解决这一问题的方法是 将信号电缆的屏蔽层与屏蔽盒可靠连接。图2 - 6 就是本文为了测量绝缘子泄漏电流 制作的三段式电阻分流器。 图2 - 6 电阻分流器外观示意图 4 三段式电阻分流器的性能测试 图2 7 是用来测试电阻分流器特性的测试电路。图2 _ 8 到图2 1 0 给出了电阻分 流器中各个采样电阻的特性。从图2 8 和图2 - 9 中可以看到分流电阻器在微小电流 ( 最小可达l g a ) 测试中线性度良好。 信 丐 发 生 器 图2 7 电阻分流器的测试电路 i 波 器口 与 华北电力大学硕士学位论文 e v 蛔 粤 看 曩 图2 - 8 电阻分流器中2 0 k f 2 采样电阻的输入输出特性 暑 u 冒 粤 葛 抽 辘入电藏i i ) 图2 - 9 电阻分流器中2 0 0 n 采样电阻的输入输出特性 根据绝缘子表面的电晕脉冲电流具有的频带宽、幅值大的特点，本文采用了1 n 无感采样电阻来采集该电流。从图2 1 0 中可以看到该电阻的带宽是1 0 h z l m h z ， 能满足测量的需要。 图2 1 0 电阻分流器中1q 采样电阻的幅频特性 华北电力大学硕士学位论文 从以上的测试可以看出，本文制作的三段式电阻分流器可以满足实验室测量污 湿环境下绝缘子泄漏电流的需要。 2 2 2 基 - y - r o g o w s k i 线圈的工频微小电流传感器的研制 r o g o w s k i 线圈外形如图2 - 11 所示。其测量电流的理论依据是电磁感应定律和安 培环路定理，其等效电路如图2 1 2 所示【2 5 】。 j ，e ( 1 ) 图2 - 11 r o g o w s k i 线圈示意图 m 一母线与线圈的互感 c o 一线圈的匝间电容 e ( t ) 一线圈的感应电动势 l 一线圈的自感 r 。一线圈电阻 图2 - 1 2 r o g o w s k i 线圈原理图 由被测的母线电流i l ( t ) 感应出的电动势为 印) = 掣= m 华一( a o n h 胁) l n ( 引胁( 2 - 1 ) 式中肚。为真空磁导率，n 为线圈匝数，r 。为骨架的内径，r b 为骨架的外径，h 为骨架的高度。 针对绝缘子泄漏电流的特点，本文采用了r o g o w s k i 线圈测量工频泄漏电流，其 示意图如图2 - 1 3 所示。 由等效电路，可得 m 掣郴。埘“叶石1 如瑚 俘2 1 假设i l ( f ) 是频率为，的正弦函数，则当满足条件( 2 3 ) 时，电路发生谐振 回时 华北电力大学硕士学位论文 1 f 02 丽 ( 2 - 3 ) 图2 - 13 r o g o w s k i 线嘲外积分测量的等效电路 此时有 纵。2 1 赤“ ( 2 _ 4 ) 电容c 上输出电压为 “。( 。2z 1 j i 2 ( t ) d t2 i 五_ 孝；i 再j f i ( f ) = 胁- ( f ) ( 2 5 ) 比例系数k 即为灵敏度系数 k ： 丝 ( 月t + 月) c ( 2 6 ) 因此，由外积分电路构成的电流传感器是选频型的传感器，电路的谐振频率如 即为传感器的中心频率。由式( 2 6 ) 可见，灵敏度系数k 与互感m 成正比，与外接 电容值及回路电阻值成反比，为提高外积分型传感器的灵敏度，可使外接电阻 r = 0 。本文设计传感器中所用的r o g o w s k i 线圈的结构参数如表2 2 所示。 表2 - 2 线圈参数表 线圈芯所用的材料坡莫合金 绕线所用的材料漆包线 线圈外径( r a m ) 2 4 5 线圈内径( r a m ) 1 9 线圈高度( m m l 1 2 线圈匝数( 匝) 2 0 0 0 磁导率( h m ) 1 0 _ 8 万 本文所设计的r o g o w s k i 线圈是工频选频型的，其装置如图2 一1 4 所示，将频率 固定在5 0 h z ，测试传感器的输入输出特性和温度特性2 1 , 2 6 。具体的测试结果如图 2 - 1 5 和图2 - 1 6 所示。其中在图2 1 5 中可以看到：r o g o w s k i 传感器在微小电流( 最 小可达5 1 x a ) 测试中线性度良好，增益达到o 7 8 v m a 。在通过对线圈进行了3 次温 1 4 华北电力大学硕士学位论文 度老炼之后，对线圈温度特性的实验结果如图2 1 6 所示。可以看到：当温度从1 0 。c 变化到6 2 * ( 2 的时候，输出电压的变化率为一4 到+ 8 ，温度变化系数为5 8 m v 。c 。 造成这一变化的原因是线圈的截面积会随着温度的变化而变化，由上式( 2 一1 ) 可知， 这将引起线圈输出的变化。对于这一变化，必要时可采用温度补偿电路予以补偿6 1 。 一 目 聊 羽 蜂 图2 1 4r o g o w s k i 传感器外观图 + 图2 15 r o g o w s k i 传感器的输入输出特性 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 6工频r o g o w s k i 传感器的温度特性 为了检测该传感器测量工频泄漏电流的性能，将浚传感器，高精度电流表和电 阻分流器一起串接入绝缘子试验的接地线中，加入1 0 k v 的高压。其中，高精度电 流表采用了北京电表厂生产的o 5 级的c 7 2 一ua 型微安表。从测量结果来看，工频 r o g o w s k i 传感器测量的泄漏电流值与作为标准的高精度电流表测量值之间的误差 小于2 ，可以达到测量精度要求。图2 1 7 到图2 1 9 是工频r o g o w s k i 传感器和电 阻分流器采集的e s d d = 0 1 ，n s d d = 1 5 和相对湿度r h = 3 0 时的绝缘子泄漏电流的 时域和频域波形：图2 2 0 到图2 2 2 是相对湿度r h = 7 0 时的绝缘子泄漏电流的时 域和频域波形。从这6 幅图上可以清楚的看到： ( 1 ) 在相对湿度r h = 3 0 时，绝缘子表面没有放电发生。从时域波形来看工频 r o g o w s k i 传感器所采集的泄漏电流的幅值和相位与标准电阻分流器所采集的基本 是一致的：从频域波形来看，电阻分流器采集的泄漏电流中含有奇次谐波，而工频 r o g o w s k i 传感器采集的泄漏电流中只有工频分量，而且二者的工频分量基本相同。 ( 2 ) 在相对湿度r h = 7 0 时，绝缘子表面有放电发生。从时域波形来看电阻分流器 所采集的泄漏电流的有明显的放电波形，工频r o g o w s k i 传感器所采集的泄漏电流 仍为标准的正弦波，而且其幅值远小于电阻分流器采集的泄漏电流的幅值；从频域 波形来看，电阻分流器采集的泄漏电流中大量的高频谐波分量，而工频r o g o w s k i 传感器采集的泄漏电流中基本只有工频分量，而且二者的工频分量基本相同。 ( 3 ) 从以上的分析可以看出，工频r o g o w s k i 传感器可以较为准确的采集绝缘子泄漏 电流中的工频信号，基本不受高频谐波的干扰。这一点在电磁环境极为恶劣的现场 运行条件下具有及其重要的作用。 华北电力大学硕士学位论文 图2 一1 7 电阻分流器与工频r o g o w s k i 传感器采集的r h = 3 0 时绝缘子泄漏电流的时域波形 图2 18 电阻分流器采集的r h = 3 0 时绝缘予泄漏电流的频域波形 图2 1 9 工频r o g o w s k i 传感器采集的r h = 3 0 时绝缘子泄漏电流的频域波形 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 0 电阻分流器与工频r o g o w s k i 传感器采集的r h = 7 0 时绝缘子泄漏电流的时域波形 图2 - 2 1 电阻分流器采集的r h = 7 0 绝缘予泄漏电流的频域波形 图2 2 2 工频r o g o w s k i 传感器采集的r h = 7 0 绝缘子泄漏电流的频域波形 2 3 污湿环境下线路用悬式瓷制绝缘子泄漏电流试验方法 参照文献 4 ，5 ，6 ，7 ，2 7 ，本文制定了污湿环境中瓷制绝缘子泄漏电流试验方法。 1 试品清洗处理 用洗涤剂仔细的清洗绝缘子，除去污物和油脂的所有痕迹，然后用自来水彻底 冲洗，当其表面形成大面积水膜的时候，表明绝缘子表面已经足够清洁，将其置于 华北电力大学硕士学位论文 防尘罩内干燥待用。 2 涂污 涂污可采用浸污法、定量涂刷法、喷污法、浇污法等方法。本文采用定量涂刷 法。即按照g b t 4 5 8 5 2 9 1 交流系统用高压绝缘子污秽试验方法固体层法的规 定，以化学纯氯化钠和硅藻土按一定比率配置模拟污层，用纯净水搅拌，均匀的涂 在绝缘子表面。涂污完成后将绝缘子置于防尘罩内干燥待用。 3 瓷制绝缘子泄漏电流试验 首先将一片洁净的绝缘子挂入雾室，测量不同温、湿度条件下的泄漏电流值， 作为基准值。然后采用定量刷涂法，固定其等值盐密和等值灰密( n os o l u b l ed e p o s i t d e n s i t y ，简写为n s d d ) 将该绝缘子涂污，挂入雾室、加压，试验电压均为试品的额 定运行电压。然后启动加湿器( 水箱的容量足以能够完成一次试验所需的沉降水的用 水) 在雾室中产生雾，分段测量在不同相对湿度( r e l a t i v eh u m i d i t y ，简写为r h ) 条件 下的泄漏电流数值与波形，直到雾室中的湿度达到最大值，连续测量和存储电压和 电流波形3 次。将电压降到零，换下一个试品。重复上述加压、受潮饱和、测量这 三个步骤。在同样条件下对3 支试品进行试验，然后对9 次i l 的有效值求平均值。 2 4 小结 本章根据研究内容和目的，首先在高压实验室搭建了符合国家标准的人工雾室 和试验电路。研制了用于微小泄漏电流测量的三段式电阻分流器和基于r o g o w s k i 线 圈的工频传感器。经测试表明：三段式电阻传感器能够满足实验室测量绝缘予泄漏 电流的需要：基于r o g o w s k i 线圈的工频传感器可以较为准确的采集绝缘子泄漏电流 中的工频信号，基本不受高频谐波的干扰。最后，确定了测试污湿环境中悬式瓷制 绝缘子泄漏电流试验的试品、装置和详细的方法。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章线路用悬式瓷制绝缘子污秽状态下泄漏电流的试验研究 目前国内外对泄漏电流与表面积污状况及环境因素之间的关系研究还不多，尤其是 空气湿度对泄漏电流的影响。因此，本章在大量试验的基础上，探索性的进行了研究绝 缘子泄漏电流与其表面污秽的等值盐密及空气相对湿度的关系。 3 ，1绝缘子污闪发生过程分析 尽管到目前为止，有关沿绝缘污染表面的放电机理还没有统一的看法，但大都 认为，沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象己不是一种单纯的空气间隙击穿，而是 一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热 动平衡过程【2 ”绝缘子的湿润加大了表面污层的导电性能，使得通过绝缘子表面的 泄漏电流增大，污层发热。发热将从正、反两个方面来改变表面污层的导电性能， 一方面由于表面污层的烘干将使电导率减小：而另一方面却因污层中正温度系数 电解质的影响，随着温度的升高而使电导率增加。因为污秽沿绝缘子表面的分布 通常是不均匀的，即使污秽均匀分布，常用绝缘子沿泄漏路径的等效直径也有所 变化，因此绝缘子各个区段的泄漏电流密度是不相同的，这就使得表面污层的自 身加热也是不均匀的。在某些污层薄的地方或潮湿程度轻的地方，特别是在绝缘 子表面泄漏电流密度最大的区段( 例如盘形悬式绝缘子的干燥区，如图3 一l 所示) ， 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。其等效模型和等效 电路图如图3 2 和图3 3 所示。当绝缘子表面污层形成烘干区后，取决于作用电压 大小的不同，表面物理过程的继续发展是不相同的1 2 9 , 3 0 j 。 一嫂钢殄一 华北电力大学硕士学位论文 i - 一卜一 ：i 王堂皇塾i | 乏三三三三三三三f 广。节蕊三=l 亨l 卜二里u 一 图3 - 2 绝缘予表面干燥带电弧示意图 图3 - 3 绝缘予表面干燥带电弧等效电路 具体的公式推倒如下【3 。1 ： u = ，一( x + 0 ( l x ) ) 屹= a 1 “ o2 i 石i 盯；= ( 3 6 9 0 5 c + 0 4 2 ) 1 0 6 d q = 去 f = ? 南 仁( 若，击 将( 3 3 ) 式带入( 3 7 ) 有 上 ，。= a d 卅吼) ”。 绝缘子l 临界闪络电弧长度可表示为： ，。= 鬲l 将( 3 - 9 ) 式带入( 3 1 ) 式有： 虬= t ( t + ( 三一，。) ) 2 l ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 _ 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 公式参数说明 符号描述 单位 爿 电弧长度 c m 上 绝缘予泄漏距离 c m ，。临界闪络电弧长度 c m ， 泄漏电流a 己， 所加电压k v r 口 单位长度电弧电阻 q c m h单位长度液体层电阻 q ，c m 爿 电弧常量 电弧常量 d e q 等效直径 c m c 等值盐密 m g c m 2 f 绝缘予行装系数 d ( 1 )绝缘予直径 c m d 聊绝缘子盘上的最大直径c m r 电弧范围 巩表面电导率 s k 是污层电导率，( 3 1 1 ) 是球形连接悬式绝缘子的表达式 k ：1 + ! ! i n ( 墨 、 2 - 7 f h2 口r f 。 其中r 是电弧脚的范围： 将( 3 1 2 ) 带入( 3 _ 8 ) 有 r = r = 0 4 6 9 ( 7 a d 。吒) 2 ”1 ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 1 ) 是支柱型绝缘子的表达式 k = 筹2 等f 砸n c i 告nr h 吣a n 蒜矽1 p 石 、 、刀 、 2 ( ”+ ) 4 将以上各个参数带入( 3 - l o ) 有- ： 虬= 鼎( l + z r n d m f 聊( 万彳巩叽) 叫者 ( 3 一1 5 ) 胨 华北电力大学硕十学位论文 由于g ；是c 的函数，f 和k 是l 和d m 的函数，所以( 3 1 5 ) 可以简化为 u 。= f ( a ，”，l ，d 。c )( 3 1 6 ) 3 2 污湿环境下线路用悬式瓷制绝缘子表面泄漏电流及放电现象描述 本章按照2 3 节制定的试验方法进行了大量试验，观察了不同湿度情况下的染 污瓷制绝缘子表面的放电现象，同时记录下i l 的波形，并通过傅立叶变换图谱分析 其频率成份。现取其中几种典型的情况，叙述如下： 1 干燥情况下( 相对湿度r h = 2 5 ) ，试品表面无放电现象。图3 - 4 所示为 e s d d = 0 1 m g c m 2 ，n s d d = 1 5 m g c m 2 的试品绝缘子，在相对湿度r h = 2 5 的雾室 中，额定电压下的i l 及其傅立叶变换图谱。由该图可见：在绝缘子表面洁净或是有 干燥的污秽时，泄漏电流是容性电流，电流值很小，而且波形接近f 弦曲线，波形 或多或少的变形是由于空间和电源谐波干扰引起的；i 【幅值很小，有效值约为 2 5 0 i r a ；奇次谐波的幅值远小于工频信号的幅值，可忽略不计。 绝缘子2