污秽绝缘子紫外在线监测系统

1、2010年7月电工技术学报Vol.25 No. 7 第25卷第7期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2010 污秽绝缘子紫外在线监测系统熊兰1刘钰1姚树友2杨霁2张占龙1何为1(1. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆 4000302. 重庆市电力公司璧山供电局璧山 402760摘要电力传输线的绝缘子污闪事故时有发生,严重威胁着电力系统的安全运行。绝缘子发生污秽闪络之前,放电强度迅速增加,紫外线辐射强度也随之增加。利用这种特性,提出了一种基于日盲型紫外传感器的绝缘子污秽状态监测方法,完成了在线监测系统的软

2、、硬件方案设计。绝缘子污秽状态与紫外脉冲强度直接相关,同时又受绝缘子运行年限、温度、湿度等因素影响。本文建立了基于层次分析法的绝缘子污秽状态模糊综合评判模型,研究了各因素对绝缘子污秽状态的影响,确定了各因素的模糊隶属度函数,并通过软件编程实现了该模型。通过在重庆市璧山供电局挂网试验,证明系统具有可靠性高、响应速度快、成本低等优点,具有广泛的应用前景。关键词:紫外线污秽绝缘子模糊综合评判在线检测中图分类号:TM855Ultraviolet On-Line Monitoring System forContaminated InsulatorsXiong Lan1Liu Yu1 Yao Shuyo

3、u2 Yang Ji2 Zhang Zhanlong1He Wei1(1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipments & System Security and New TechnologyChongqing University Chongqing 400030 China2. Bishan Power Supply of Chongqing Electric Power Company Bishan 402760 ChinaAbstract Flashover of contaminated insulators a

4、long the transmission line took place frequently, which threats the safe operation of power system. Before flashover of contaminated insulators happens, the intensity of discharge pulse from their surface increases quickly, so does the ultraviolet light.Therefore, the intensity alteration in the spe

5、cific range of UV wavelength can be monitored to reflect the contamination level of insulators. This paper introduces the theory of monitoring the discharge intensity of insulators by use of “solar-blind” UV sensor. Moreover, it shows the layout and picture in field of UV on-line monitoring system.

6、The contamination level of insulator is correlated with the temperature, humidity and the working time besides the discharge intensity. In order to analyze the comprehensive effects of different factors, fuzzy synthesis evaluation method is applied to build an estimated model and an intelligent synt

7、hesis assessment system. The practical application in transmission line of Bishan city lasted half a year, and the analysis data demonstrated that the system has high reliability and fast response speed with low cost. Therefore, it is possible for wide application in late future.Keywords:Ultraviolet

8、, contaminated insulator, fuzzy synthesis assessment, on-line monitoring1引言近年来,随着电网容量的增大和额定电压等级的升高,电力传输线的绝缘子污闪事故时有发生,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居电网总事故的第2位,仅次于雷击事故,而污闪事故造成的损失却是雷击事故的10倍1。因此,研制一套绝缘子在线监测系统,准确掌握绝缘子的污秽状况,对电力系统的安国家自然科学基金资助项目(40874094。收稿日期 2009-12-25 改稿日期 2010-03-19第25卷第7期熊兰等污秽绝缘子紫外在线

9、监测系统 187全运行具有重要意义。目前,国内外高压绝缘子放电检测的方法主要分为非接触式检测和接触式检测2。非接触式检测如超声波检测法,其原理为当绝缘子存在裂隙、分层等缺陷时,超声波会在裂隙处发生折射、反射和模式变换。通过对接收到的超声波进行处理可检测出劣质绝缘子3。此方法可准确检测出开裂绝缘子。但是,对于未开裂的劣质绝缘子检测无效,并且不能用于在线监测。接触式检测如泄漏电流法,其原理是当绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在不良绝缘子时,泄漏电流将增大,通过测量泄漏电流的变化可以反应绝缘子状态4。但泄漏电流的测量过程存在着大量干扰,而且泄漏电流的大小易受环境因素、屏蔽措施以及绝缘子种类等因素

10、的影响。此外,通过紫外成像仪直接检测绝缘子异常温升之前的放电过程也可以判断绝缘子的内部故障,但是紫外成像设备价格高昂而且难以实现在线监测5,所以迄今没有被广泛地应用。本系统采用HAMAMATSU公司生产的紫外传感器R2868作为监测终端的核心部件,能够快速检测污秽绝缘子的紫外放电脉冲,同时采集环境温度、湿度数据,通过短消息形式将现场数据发送到上位机,经系统综合分析后得出绝缘子污秽状态。紫外脉冲过限时系统自动拍照,并将现场图片发送给监控人员,便于辅助分析和准确判断。与紫外成像法相比,这种方法具有低成本、高灵敏度、实时监控等优点,而且不受交通条件和人为因素的限制,更适用于对高压污秽绝缘子的在线远程

11、监测。2污秽绝缘子紫外检测原理绝缘子污秽放电是指其在工作电压下的污秽外绝缘闪络。污秽放电时,空气中的电子不断获得和释放能量。当电子释放能量时,会辐射出光波和声波,还有臭氧、紫外线、微量的硝酸等6。紫外线的波长范围是10400nm,太阳光中也含紫外线,但波长小于280nm的部分几乎全部被大气层中的臭氧所吸收,所以辐射到地面上的紫外线波长都大于300nm。因此,紫外线波长低于280nm的部分被称为太阳盲区。绝缘子放电产生的紫外线大部分波长在280 400nm内,也有小部分的波长在230280nm,如图1所示。绝缘子发生闪络前,表面的泄漏电流不稳定,并伴有局部电弧的形成和熄灭,闪络前放电强度迅速增加

12、,紫外线辐射强度相应增加7。利用工作波长为185260nm的紫外传感器,检测绝缘子放电产生的紫外脉冲,去除可见光的干扰,反应绝缘子的真实放电情况。 图1 典型电晕放电光谱Fig.1 Typical spectrum of corona discharge紫外传感器R2868的光电阴极由只对紫外线敏感的材料制成,紫外线照射下将发射光电子8。传感器的阳极和光电阴极之间加上电压后,就在两极之间建立了电场。当紫外线照射在光电阴极表面时,如果入射光能量大于阴极表面逸出功,就会产生光电效应,逸出光电子。由于纯金属阴极的电子产额极低,紫外传感器中还需充入特殊气体,以增加电子输出。光电子在电场作用下,以极高的

13、速度碰撞周围的气体分子,使其电离成电子和正离子。电离产生的新电子被加速后继续碰撞电离周围的气体分子,最终射向阳极。而电离产生的正离子,在电场作用下也被加速撞向光电阴极,导致更多电子的产生。这一过程循环往复,在阳极和光电阴极之间就会迅速形成很大的电流并产生放电。自主研制的高压污秽绝缘子紫外监测仪,利用紫外传感器接收绝缘子沿面放电时产生的紫外脉冲,经6N136光耦处理后得到尖脉冲信号。通过对单位时间接收到的放电脉冲数进行统计,从而确定放电强度,为判断绝缘子污秽状态提供依据。3整体方案设计由于同一地区的污秽等级相似,实际运行中只需在不同地区的典型地点安装监测装置。根据实际情况在璧山县的青杠线、天璧线

14、等4条110kV线路上分别安装了监测装置,实现了四对一的网络结构,以监测整个璧山地区110kV线路的污秽状况,整个系统的设计如图2所示。由图2可以看出,系统由污秽紫外监测仪、无线通信系统和上位机评判软件构成。监测仪安装在杆塔上,探头正对绝缘子(经测试,有效距离为3m188 电工技术学报 2010年7月 图2 监测系统示意图Fig.2 Location of monitoring system左右。当绝缘子产生放电时,监测仪检测到紫外放电脉冲,并将放电脉冲和环境温度、湿度进行记录,然后定时通过SMS方式向上位机发送采集到的数据。上位机通过分析这些数据,在前台直观地显示绝缘子的污秽状态。紫外脉冲数

15、超过规定阈值时,系统启动摄像模块拍照,并将现场图片发送给监控人员,提供运行参考。4监测终端硬、软件设计4.1硬件设计污秽绝缘子紫外监测仪主要由紫外传感器及其驱动电路、温湿度采集模块、摄像模块、无线通信模块和单片机五部分构成。电源由功率为20W的多晶硅太阳能电池板提供,它通过充、放电控制模块对12V/24AH的铅酸电池进行充电。经测试,系统的平均功耗约为3.3V/300mA,可在连续阴雨条件下正常工作25d,满足野外条件下使用。污秽绝缘子紫外监测仪组成如图3所示。设计紫外监测仪的关键是要选择合适型号的紫外传感器,避免可见光的干扰,使其可靠性和灵敏度满足监测要求。经过比较,选用了HAMAMATSU

16、 公司生产的紫外传感器R2868。实测中发现,R2868对火焰和电火花的反应能力与其工作电压有很大关系。当工作电压下降到300V时,对火焰的最大检测距离下降到1.5m,对电火花的最大检测距离下降到7m。提高电压至325V后,火焰检测最大距离为2.5m,电火花最大检测距离为11m。多次测试表明,工作电压为315V比较合适。 图3 紫外监测仪结构图Fig.3 Structure of UV monitor set绝缘子的污秽状态与环境的温度、湿度有着较大的关系。因此,系统除监测绝缘子紫外放电脉冲以外,还必须采集绝缘子所处环境的温度和湿度,以准确判断绝缘子的污秽状态。本系统采用瑞士Sensirion

17、公司的SHT1l传感器设计温、湿度采集电路。SHT11是一款具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器,实际应用中,处理器C8051F020与SHT11相连,使用C8051F020的2根通用I/O线来虚拟I2C总线。通过编程模拟I2C总线的工作时序,完成对温、湿度数据的采集。为了使监控人员掌握绝缘子的实际运行情况,增加系统评判的可靠性,本系统还配置了摄像模块。在监测探头上安装了带图像压缩功能的红外摄像头,当统计到的紫外脉冲超过规定阈值时,系统自动拍照,并将图片发送给监控人员,同时监控人员也可以通过发送短消息的方式命令系统拍照。监测点和上位机处理中心之间的数据传输使用西门子公司的G

18、PRS模块MC35设计实现,该模块抗干扰能力强、性能稳定,适合在野外条件下使用。污秽绝缘子紫外在线监测终端主要由太阳能电池板、蓄电池、监测主机、监测探头、固定支架几部分组成,如图4所示。 图4 紫外在线监测终端实物图Fig.4 Picture of UV on-line monitor set第25卷第7期熊兰等污秽绝缘子紫外在线监测系统 1894.2软件设计单片机部分的程序用C语言进行编制,完成数据采集、发送以及控制摄像头拍照等功能。系统采样频率为1000Hz,将每2min统计到的紫外脉冲数进行存储,处理器每隔1h将监测到的数据打包发送给上位机。当统计的紫外脉冲数超过规定阈值时,系统自动开启

19、拍摄模块。数据存档以当天的日期来命名,便于历史查询和统计。其流程图如图5所示。 图5 单片机程序流程图Fig.5 Program flow chart of single-chip 由于采集的数据量十分庞大,而每个短消息又限制为140个8位组(7bit编码即140个英文字节或70个文字符号。超过此长度,则要分多次发送,如果不进行数据压缩,势必造成存储量增大和运行成本的增加。因此,需将数据进行压缩,压缩格式见表1。表1数据压缩格式Tab.1 Data compression formatSF SN ON P1 P2 P3P30 H T EF表中,SF为开始标志;SN为序列号,区分不同的监测点;O

20、N 为顺序号,区分不同的采样时间。P1P30为30次/h采样数据;H为湿度数据;T为温度数据;EF为结束标志。5评判系统设计绝缘子污秽状态评估是一项十分复杂的工作,国内外学者对此做了大量的研究。大多数研究都是以泄漏电流作为主要参数,同时考虑环境因素对绝缘子状态的影响,通过模糊神经网络、专家系统、支持向量机等人工智能方法建立模型,评估绝缘子的状态。模糊综合评判是一种基于模糊数学的综合评判方法,该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价,即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价,可以比较自然地处理人类思维的主动性和模糊性9。该方法具有结果清晰、系统性强的特点,能较好

21、地解决模糊的、难以量化的问题,适合解决各种非确定性问题。因此,本系统采用了该方法建立评判模型。由于绝缘子状态评估具有多因素、模糊性、随机性等特点,本文提出了以紫外脉冲强度为主要参数,温度、湿度、气象条件以及绝缘子运行年限为辅助参数的多级模糊综合评判模型,建立了层次型评估指标体系,如图6所示。图6 绝缘子污秽等级评估指标体系Fig.6 Evaluation system of contamination level考虑到层次分析法确定的各因素权重是固定值,不会因状态或评判因素的不同而改变10。但实际运行过程中某些参数(如紫外放电脉冲数严重偏离正常值时,往往表示绝缘子的性能已急剧下降,若采用常权评

22、判模型,可能会因为该因素所占的权重较小而得出正常的结论,不能真实地反映绝缘子的状态。因此,本系统采用变权综合的方式确定绝缘子污秽状态。待定系数法是确定隶属度函数的基本方法,本文采用了降半梯形与三角形相结合的分布函数以确定隶属度。在进行模糊评估之前需将各因素转化为值域在01的数。结合权威机构的统计资料和现有的试验数据,本文将紫外脉冲的注意值设为3000,瓷质绝缘子的注意值设为16年,温度的最优值设为190 电工技术学报 2010年7月35,注意值设为5,湿度的注意值设为75%。各因素的归一化函数见表2,其中n表示各因素实际值,x表示归一化后的值。天气情况采取专家评分的方法,根据实际情况在01之间

23、取值。表2各因素归一化函数表Tab.2 Normalized functions因素归一化函数紫外脉冲3000300030000 3000nnxn=运行年限1616160 16nnxn=温度0 55535301 35nnx nn=湿度0.750.750.750 0.75nnxn=根据试验数据,求得各因素隶属度函数的模糊分界值,见表3。根据隶属度函数,可确定各因素的评判结果,最后由评判结果组成评判矩阵。表3各因素隶属度函数的模糊分界值Tab.3 Fuzzy boundaries of membership function评估因素x1 x2 x3 x4放电脉冲0.2 0.6 0.9 0.95 运

24、行年限0.1 0.25 0.5 0.875 温度0.1 0.3 0.7 0.9 湿度0.8 0.75 0.65 0.6 气象条件0.2 0.4 0.6 0.8 确定绝缘子的评估因素后,还需要将绝缘子污秽状态划分等级。根据实际情况,本文将绝缘子状态分为四级,分别是很好、好、一般、差,各等级赋值分别为1、2、3、4。当评估值大于3.5时,系统给出报警信号。作者根据评判模型搭建了污秽绝缘子状态评估及报警系统,对在线运行的重庆璧山地区110kV线路的绝缘子污秽状态进行实时分析,系统的主界面如图7所示。6数据分析自绝缘子紫外在线监测系统挂网运行以来,接收到大量的现场数据。以1号监测点为例(部分数 图7

25、污秽评判系统主界面Fig.7 Main interface of evaluation system据见表4,该监测点的绝缘子运行时间只有1年左右,而且附近没有大型厂矿,环境较好。监测数据显示,该点每小时的紫外放电脉冲数在200左右。通过评判系统分析后得出的绝缘子状态也在1.8左右,表明该点绝缘子的运行情况良好,这与实际情况相符。表4一号监测点部分数据Tab.4 Data of NO.1 monitor point脉冲数(次/h温度/相对湿度(%状态等级219 11 75 1.73 201 10 75 1.72 232 11.3 80 1.85229 9 85 1.85 217 8 95 1.

26、81 210 10.1 95 1.782008年3月至6月监测点1的状态等级如图8所示,可以看出这段时间内绝缘子的污秽状态有一个增大和减小的过程。这是因为从3月到6月,当地几乎没有下雨,早上和晚上的相对湿度较大,有利于积污形成,随着污秽的增多,紫外放电脉冲增加,状态等级也随之升高。进入6月中旬,雨季来临,雨水的冲刷使绝缘子的积污减少,从而紫外放电脉冲减少,状态等级也随之降低。绝缘子状态等级变化趋势为(1.42.71,可见两者基本一致。 图8 监测点1状态评估图Fig.8 Bar chart of state assessment for NO.1 point<< < <

27、<第 25 卷第 7 期 熊 兰等 污秽绝缘子紫外在线监测系统 191 7 结论 本文提出了一种基于紫外脉冲法的绝缘子污秽 Dai Libo. Application of UV imaging in high voltage equipment detectionJ. Automation of Electric Power Systems, 2003, 27(22: 97-98. 7 何为, 陈涛, 刘晓明, 等. 基于紫外脉冲法的非接 触式低值(零值绝缘子在线检测系统J. 电力系统 自动化, 2006, 30(10: 69-72. He Wei, Chen Tao, Liu Xia

28、oming, et al. On-line monitoring system of faulty insulator based on non-touching UV pulse methodJ. Automation of Electric Power System, 2006, 30(10: 69-72. 8 汪金刚, 何为, 陈涛, 等. 绝缘子表面电场与紫外 脉冲关系以及在劣化绝缘子检测中的应用J. 电工 技术学报, 2008, 23(6: 138-142. Wang Jingang, He Wei, Chen Tao, et al. Relationship between the

29、 electric field on the surface of insulators and ultra-violet pulse intensity and its application in detecting faulty insulatorsJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(6: 138-142. 9 焦尚彬, 刘丁, 郑岗, 等. 基于模糊逻辑方法的高 压绝缘子污秽程度评定J. 电力系统自动化, 2005, 29(7: 84-87. Jiao Shangbin, Liu Ding, Zheng

30、 Gang, et al. Assessment of surface contamination condition of high voltage insulator based on fuzzy logic methodJ. Automation of Electric Power Systems, 2005, 29(7: 84-87. 10 栗 秋 华 , 周 林 , 张 凤 , 等 . 基 于 模 糊 理 论 和 层 次 分 析法的电力系统电压态势预警等级综合评估J. 电 网技术, 2008, 32(4: 40-45. Li Qiuhua, Zhou Lin, Zhang Feng,

31、 et al. Comprehensive evaluation of forewarning grade of voltage state and tendency in power systems based on fuzzy theory and analytic hierarchy processJ. Power System Technology, 2008, 32(4: 40-45. 作者简介 熊 兰 女，1972 年生，博士，副教授，主要研究方向为电力设 状态监测方法，利用层次分析法建立了绝缘子污秽 状态模糊综合评判模型。研究了绝缘子运行年限和 环境因素对绝缘子污秽状态的影响，确立了各因素 的模糊隶属度函数，并利用软件编程实现了评判模 型。 通过挂网运行，表明绝缘子紫外在线监测系统 可以实现对输电线路污秽绝缘子的连续在线监测， 并且利用上位机软件可以确定绝缘子的污秽状态， 具有