覆冰絕緣子串泄漏電流與覆冰量及覆冰水電導率的關系

蔣興良 趙世華 張志勁 胡建林 舒立春

（重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室 重慶 400044）

1 引言

輸電線路絕緣子冰閃事故嚴重危害到電網的安全運行，特別是隨著“西電東送、南北互供、全國聯網”實施和超、特高壓輸電工程的建設，輸電線路絕緣子將面臨更加嚴重的冰閃威脅。影響輸電線路絕緣子冰閃電壓的主要因素是覆冰量和污穢[1,2]，覆冰是一種特殊形式的污穢，覆冰量和覆冰水電導率反映了這種特殊污穢形式的本質，泄漏電流是這種特殊污穢形式的動態表征。因此開展覆冰絕緣子泄漏電流特性研究，探究覆冰絕緣子泄漏電流與覆冰量、覆冰水電導率之間的內在聯系，通過檢測及分析泄漏電流特性來預測覆冰絕緣子的覆冰量和覆冰水電導率，評估覆冰絕緣子的安全狀態，為輸電線路外絕緣的選擇和設計提供參考依據，對于預防冰閃事故的發生有著重要的意義。

許多研究表明，通過分析泄漏電流特性能夠對污穢絕緣子性能進行評估，文獻[3-5]提出了采用脈沖數、泄漏電流峰值和電荷作為評估和預測絕緣子性能的方法；文獻[6]提出根據泄漏電流均值、最大值和標準差三個特征值預測污穢程度；文獻[7]提出用三次諧波與基波幅值比和高頻能量與總能量的比作為特征量來反映污穢程度；文獻[8]提出采用泄漏電流高頻成分來預測絕緣子閃絡和污穢程度。然而關于覆冰絕緣子泄漏電流的研究較少，文獻[9,10]對覆冰期和融冰期的輸電線路絕緣子泄漏電流特性了研究；文獻[11]對覆冰期絕緣子泄漏電流特性進行了研究，得到了泄漏電流包絡線、累計能量與覆冰水電導率的關系；文獻[12]根據泄漏電流特性來鑒別局部放電和局部電弧的分界點；文獻[13]從時域和頻域上對覆冰絕緣子泄漏電流特性進行了研究，通過分析泄漏電流波形和諧波成分發現泄漏電流在覆冰階段經歷兩個明顯的階段；文獻[14]使用人工神經網絡模型分析融冰期泄漏電流的變化，指出人工神經網絡模型能夠鑒別電弧放電起始階段，并將它們分為四個典型的覆冰狀態；文獻[15]利用泄漏電流分幀與小波技術識別覆冰絕緣子閃絡故障；文獻[16,17]分析了覆冰閃絡過程中絕緣子串泄漏電流及其頻譜特性的典型變化規律。

通過泄漏電流及環境參數來評估污穢絕緣子污穢程度，國內外研究者已經進行了大量的研究[3-8]。然而，關于泄漏電流與覆冰量、覆冰水電導率之間的內在聯系，以及通過泄漏電流預測絕緣子覆冰量及覆冰水電導率確少有研究。因此，本文通過人工氣候室模擬運行電壓下覆冰量和覆冰水電導率對覆冰絕緣子泄漏電流的影響，分析泄漏電流時頻特性，揭示了泄漏電流特征量（脈沖幅值、諧波含量及電荷量）隨覆冰量及覆冰水電導率變化的規律，并以此為基礎建立覆冰絕緣子污冰預測神經網絡模型。

2 試驗裝置和試品及試驗方法

2.1 試驗裝置及試品

試驗在重慶大學長4.0m、直徑2.0m 的人工氣候室內完成，人工氣候室的最低溫度可達?40℃，最低氣壓可達34.7kPa，風速為1～3m/s，噴淋系統由2個IEC 推薦的噴頭組成，霧粒直徑為10～120μm。交流電源由900kV·A/150kV 污穢試驗變壓器提供，試驗變壓器額定電壓為150kV，額定電流為6A，其最大短路電流可達30A，滿足IEC 60507[18]與國標GB/T 4584—2004[19]對交流污穢試驗電源的要求。通過SGB—200A 交流電容式分壓器分壓測量試驗電壓，分壓器分壓比1∶10 000，通過100Ω 無感電阻測量泄漏電流信號。數據采集系統由個人電腦、NI公司USB—6215 數據采集卡以及配套的Labview 軟件組成，采樣頻率5 000Hz。

圖1 試驗原理接線圖Fig.1 Test circuit of the artificial pollution test

試品為FXBW4—35/70 復合絕緣子，其基本技術參數及結構示意圖見表1。

2.2 試驗方法

（1）絕緣子覆冰時人工氣候室溫度控制在?10～7℃之間，風速控制在1～3m/s，覆冰前覆冰水預冷卻至3～4℃，霧?？刂圃?0～120μm 之間，覆冰水的噴淋速度為60±20L/(h·m2)。覆冰為透明的雨凇，冰的密度為0.80～0.90g/cm3。

表1 試品絕緣子參數與結構Tab.1 Parameters and configuration of the insulator

（2）模擬覆冰絕緣子的污穢采用覆冰水電導率法[20,21]。清除絕緣子表面油污和灰塵，用電導率小于10μS/cm 的去離子水清洗，晾干后懸掛于人工氣候室，直接對絕緣子噴灑水霧進行覆冰，本試驗的覆冰水電導率控制在100～1 000μS/cm 之間。覆冰重量采用拉力電子秤實時監測，覆冰量控制在10～60g/cm 之間，覆冰量指每厘米電弧距離長度的覆冰重量，單位為g/cm。不同覆冰量的覆冰絕緣子如圖2 所示。

圖2 不同覆冰量的覆冰絕緣子Fig.2 Iced insulators with different icing weight

（3）當絕緣子覆冰達到預定要求后，停止噴霧，繼續冷凍15min，使絕緣子表面尚未凍結的水膜有足夠的時間凍結。停止制冷后，緩慢升高環境溫度，溫升速度控制在3 ℃/h 。當溫度回升至-2℃時，立即施加至運行電壓（20.2kV），同時采集泄漏電流、環境溫度，直至環境溫度回升至2 ℃/h 停止試驗。

3 泄漏電流特性分析

3.1 泄漏電流與覆冰重量、覆冰水電導率的關系分析

融冰過程中，絕緣子表面將形成導電水膜，因此覆冰絕緣子放電與污穢絕緣子放電相似，其放電過程也是由表面泄漏電流引起的，所以覆冰是一種特殊形式的污穢?；谖鄯x放電的Obenaus 模型，覆冰絕緣子閃絡數學模型的基本方程可表示為[22,23]

式中，U為施加的電壓（V）；Rr(x)為剩余冰層電阻（Ω）；γe為冰層表面電導率（S/cm）；L、D 分別為絕緣子的放電距離和等效直徑（cm）；d為冰層厚度（cm）；r0為電弧根部半徑（cm）；UE為電極壓降（V）；x為電弧長度（cm）；A為靜態電弧特征常數；I為泄漏電流。

由式（1）可得

由式（2）可知：泄漏電流I 與冰層表面電導率γe、絕緣子等效直徑D、冰層厚度d 成正比，與放電距離L 成反比。隨著覆冰量的增加，絕緣子覆冰厚度d 增大，絕緣子等效直徑D 增大；當覆冰量增加導致冰凌橋接絕緣子串部分傘裙或全部傘裙時，放電路徑將會沿冰凌濕潤表面，放電距離L 減小。所以泄漏電流隨著覆冰量的增加而增大。融冰時冰層表面電導率隨著覆冰水電導率增加而增加；加之水滴在凍結過程具有“晶釋效應”，使得冰層表面電導率更大，從而泄漏電流隨著覆冰水電導率的增大而增大。

3.2 泄漏電流的三個特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量

覆冰是一種特殊污穢形式，覆冰量和覆冰水電導率正是反映了這種特殊污穢形式的本質，泄漏電流是這種特殊污穢形式放電過程的動態表征。因此，提取合適的泄漏電流特征量能夠正確反映覆冰量和覆冰水電導率的大小。時域特征量脈沖幅值（Ih）從一定程度上反映了電弧放電的大小，是一個受覆冰水電導率與覆冰量變化影響最顯著的特征量，覆冰水電導率與覆冰量越大則泄漏電流脈沖幅值也就越大；頻域特征量諧波含量（THD）反映沿面電弧出現后的熄滅和重燃所引起的泄漏電流波形畸變程度，覆冰量和覆冰水電導率越大，沿面電弧放電越頻繁，導致泄漏電流波形畸變越明顯，諧波含量越大；電荷累積量（Q）反映了泄漏電流整體的大小，反映了脈沖放電能量的大小。泄漏電流三個特征量從不同角度描述了當前泄漏電流的特性和覆冰絕緣子沿面放電的特點。因此，本文提取泄漏電流脈沖幅值、諧波含量及電荷量三個特征量，即

式中，Ih為泄漏電流脈沖幅值；THD為總諧波含量；Q為電荷量；為泄漏電流絕對值；In為n次諧波分量；I1為基波分量；0～τ為積分區間。

3.3 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導率的關系

不同覆冰水電導率下泄漏電流脈沖幅值與覆冰量的關系如圖3 所示。由圖3 可知，在絕緣子傘裙間未橋接之前，泄漏電流通道仍然沿絕緣子表面，放電路徑變化不大，泄漏電流脈沖幅值隨覆冰量的增加而緩慢增加；當冰凌橋接絕緣子串部分傘裙時，放電路徑將沿冰凌濕潤表面，泄漏電流脈沖幅值明顯升高；當覆冰量繼續增加時，僅增加表面覆冰厚度或橋接傘裙的冰凌數量，為電弧提供更多的放電通道，泄漏電流脈沖幅值緩慢增加，逐漸趨于穩定。

圖3 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量的關系Fig.3 The relationship between Ihand icing weight

不同覆冰量下泄漏電流脈沖幅值與覆冰水電導率的關系如圖4 所示。由圖4 可知，泄漏電流脈沖幅值隨覆冰水電導率的增加而增加。對圖3 與圖4中的數據進行擬合得到泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導率滿足

式中，K1為與覆冰狀態、絕緣子結構等有關的常數，K1=2.77×10-3；a1為覆冰水電導率對泄漏電流脈沖幅值影響的特征指數，a1=1.07；b1為覆冰量對泄漏電流脈沖幅值影響的特征指數，b1=0.47。式（4）與圖3 和圖4 中試驗數據的相關系數之二次方(R2)＞0.97。

圖4 泄漏電流脈沖幅值與覆冰水電導率的關系Fig.4 The relationship between Ihand the conductivity of icing water

由式（4）可繪出如圖5 所示的泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導率之間的關系。

圖5 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導率的關系Fig.5 The relationship between Ihand icing weight,the conductivity of icing water

3.4 泄漏電流諧波含量與覆冰重量、覆冰水電導率的關系

不同覆冰水電導率下泄漏電流諧波含量與覆冰量的關系如圖6 所示。由圖6 可知，當覆冰較輕時，泄漏電流諧波含量隨覆冰量的增加而緩慢增加；當冰凌橋接絕緣子串傘裙時，泄漏電流諧波含量明顯升高；絕緣子傘裙橋接傘裙后，泄漏電流諧波含量隨著覆冰量的增加而緩慢增加，逐漸趨于穩定。

圖6 泄漏電流諧波含量與覆冰重量的關系Fig.6 The relationship between THD and icing weight

不同覆冰量下泄漏電流諧波含量與覆冰水電導率的關系如圖7 所示。由圖7 可知，泄漏電流諧波含量隨覆冰水電導率的增加而增加。對圖6 與圖7中的數據進行擬合得到泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導率滿足

式中，K2為與覆冰狀態、絕緣子結構等有關的常數，K2=0.58；a2為覆冰水電導率對泄漏電流諧波含量影響的特征指數，a2=0.58；b2為覆冰量對泄漏電流諧波含量影響的特征指數，b2=0.23。式（5）與圖6 和圖7 中試驗數據的相關系數之二次方（R2）＞0.97。

圖7 泄漏電流諧波含量與覆冰水電導率的關系Fig.7 The relationship between THD and the conductivity of icing water

由式（5）可繪出如圖8 所示的泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導率之間的關系。

圖8 泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導率的關系Fig.8 The relationship between THD,icing weight,and conductivity of icing water

3.5 泄漏電流電荷量與覆冰重量、覆冰水電導率的關系

不同覆冰水電導率下泄漏電流電荷量（10min的累計電荷量）與覆冰量的關系如圖9 所示。由圖9 可知，當覆冰較輕時，泄漏電流電荷量隨覆冰量的增加而緩慢增加；當冰凌橋接絕緣子串傘裙時，泄漏電流電荷量明顯升高；絕緣子傘裙橋接傘裙后，泄漏電流電荷量隨著覆冰量的增加而緩慢增加，逐漸趨于穩定。

圖9 泄漏電流電荷量與覆冰量的關系Fig.9 The relationship between Q and icing weight

不同覆冰量下泄漏電流電荷量與覆冰水電導率的關系如圖10 所示。由圖10 可知，泄漏電流電荷量隨覆冰水電導率的增加而增加。對圖9 與圖10中的數據進行擬合得到泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導率滿足

式中，K3為與覆冰狀態、絕緣子結構等有關的常數，K3=8.01；a3為覆冰水電導率對泄漏電流電荷量影響的特征指數，a3=0.28；b3為覆冰量對泄漏電流電荷量影響的特征指數，b3=0.22。式（6）與圖9 和圖10 中試驗數據的相關系數之二次方（R2）＞0.97。

圖10 泄漏電流電荷量與覆冰水電導率的關系Fig.10 The relationship between Q and the conductivity of icing water

由式（6）可繪出如圖11 所示的泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導率之間的關系。

圖11 泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導率的關系Fig.11 The relationship between Q,icing weight,and conductivity of icing water

4 基于泄漏電流特性的神經網絡污冰預測模型

4.1 污冰特征量

覆冰絕緣子的閃絡電壓是覆冰量與覆冰水電導率二者共同作用的結果。通過大量的試驗摸索和分析得到，將轉換為20℃的覆冰水電導率（γ）與每厘米電弧距離的平均覆冰量（w）的積（γ w）作為新的特征參量來表征覆冰和污穢對絕緣子串閃絡電壓的影響是合理的[2]，并為分析覆冰絕緣子閃絡特性帶來了很大方便，且易于被工程應用所采納。用污冰參數（ISP）表示新的特征參量，即ISP= γ w，其量綱為μS·g·cm-2。ISP是覆冰量和覆冰水電導率的綜合反映。

4.2 污冰參數（ISP）神經網絡預測模型的建立

神經網絡具有高度的自學習、自組織和自適應能力，廣泛應用在模式識別、故障診斷、趨勢預測等方面[14,24,25]。本文選用后向BP 神經網絡預測覆冰絕緣子污冰參數，采用有監督學習方式。選取泄漏電流脈沖幅值（Ih）、諧波含量（THD）、泄漏電流電荷量（Q）作為神經網絡的輸入，隱含層有12個神經元，選取污冰參數（ISP）作為神經網絡輸出層。

對于神經網絡而言，學習過程的收斂速度和精確性主要依靠輸入數據的范圍。因此在數據進行訓練前，首先要完成輸入輸出數據的歸一化。輸入輸出量需按式（7）進行歸一化處理。

式中，xmax和xmin分別為xi的最大值和最小值；為xi歸一化后的結果。

4.3 網絡訓練與結果分析

根據試驗實測的泄漏電流幅值、諧波含量及電荷量與覆冰量、覆冰水電導率的回歸擬合式（4）、式（5）及式（6），選擇1 200個點進行網絡學習訓練。最后用實測的21 組數據驗證網絡性能優劣。預測結果與試驗結果的對比見表2，其中相對誤差按式（8）計算。

式中，D為相對誤差；S為預測值；A為實測值；單位都為μS·g·cm-2。

由表2 可知，預測結果與試驗結果的相對誤差絕對值都小于8.5%，由此可見，本文提出的覆冰絕緣子污冰預測模型與試驗結果基本一致，能夠有效地對覆冰絕緣子污冰參數進行預測，為輸電線路外絕緣的選擇和設計提供參考依據，對于預防冰閃事故的發生有著重要的意義。

表2 預測結果與試驗結果的比較Tab.2 Comparison between test results and prediction results

5 結論

（1）提出泄漏電流三個特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量，這三個特征量從不同角度描述了當前泄漏電流的特性和覆冰絕緣子沿面放電的特點。

（2）泄漏電流脈沖幅值隨著覆冰量和覆冰水電導率的增加而增加，且滿足Ih=K1γa1wb1，K1=2.77×10-3，a1=1.07，b1=0.47。

（3）泄漏電流諧波含量隨著覆冰量和覆冰水電導率的增加而增加，且滿足K2=0.58，a2=0.58，b2=0.23。

（4）泄漏電流電荷量隨著覆冰量和覆冰水電導率的增加而增加，且滿足a3=0.28，b3=0.22。

（5）提出用覆冰水電導率與覆冰量的乘積γw 作為新的特征參量來表征覆冰和污穢對絕緣子串閃絡電壓的影響，并為分析覆冰絕緣子閃絡特性帶來了方便。

（6）基于泄漏電流三個特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量，提出絕緣子污冰預測神經網絡模型，預測結果與試驗結果的相對誤差絕對值都小于8.5%，能夠有效地對覆冰絕緣子污冰參數進行預測，為輸電線路外絕緣的選擇和設計提供參考依據，對于預防冰閃事故的發生有著重要的意義。

[1]Farzaneh M,Kiernicki J.Flashover performance of IEEE standard insulators under ice conditions[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1997,12(4):1602-1613.

[2]Jiang Xingliang,Wang Shaohua,Zhang Zhijin.Study on AC flashover performance and discharge process of polluted and iced ice standard suspension insulator string[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(1):472-480.

[3]Ramirez-Vazquez I,Fierro-Chavez J L.Criteria for the diagnostic of polluted ceramic insulators based on the leakage current monitoring technique[C].Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,Austin,USA,1999:715-718.

[4]Marungsri B,Shinokubo H,Matsuoka R,et al.Effect of specimen configuration on deterioration of silicone rubber for polymer insulators in salt fog ageing test[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2006,13(2):129-138.

[5]Channakeshava D D,Rajkumar A D.Leakage current and charge in RTV coated insulators under pollution conditions[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2002,9(1):294-299.

[6]Sun Caixin,Li Jingyan.Contamination level prediction of insulators based on the characteristics of leakage current[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(1):417-424.

[7]Li Jingyan,Sun Caixin,Sebo Stephen.The impact of humidity and contamination severity on the leakage currents of porcelain insulators[J].IET Proceedings Generation,Transmission &Distribution,2009,5(1):19-28.

[8]Song Y C,Choi D H.High-frequency components of leakage current as diagnostic tool to study ageing of polymer insulators under salt fog[J].Electronics Letters,2005,41(1):684-685.

[9]Hara M,Phan C L.A study of the leakage current of H V Insulators under glaze and rime[J].Canadian Electrical Engineering Journal,1978,3(1):84-91.

[10]Hara M,Phan C L.Leakage current and flashover performance of iced insulators[J].IEEE Transactions on Power Apparatus System,1979,98(1):849-859.

[11]Meghnefi F,Farzaneh M,Volat C.Characterization of leakage current of a post station insulator covered with ice with various surface conductivities[C].IEEE Conference on Electrical Insulation Dielectrics Phenomena(CEIDP),Nashville,USA,2005:333-336.

[12]Volat C,Meghnefi F,Farzaneh M.Analysis of leakage current of an ice-covered insulator during ice accretion[C].Proceedings of the IEEE PES Transmission and Distribution Conference,Dallas,USA,2006:485-490.

[13]Meghnefi F,Volat C,Farzaneh M.Temporal and frequency analysis of the leakage current of a station post insulator during ice accretion[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,Special Issue on Ice-Covered Insulators,2007,14(1):1381-1389.

[14]Volat C,Meghnefi F,Farzaneh M,et al.Ezzaidi.Monitoring leakage current of ice-covered station post insulators using artificial neural networks[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2010,17(2):443-450.

[15]李毅，周野，鐘浩，等.利用泄漏電流分幀與小波技術識別覆冰絕緣子閃絡故障[J].高壓電器，2011,47(2):27-30.Li Yi,Zhou Ye,Zhong Hao,et al.Recognition of flashover fault on the iced insulator based on frame segmentation and wavelet technology for leakage current[J].High Voltage Apparatus,2011,47(2):27-30.

[16]許佐明，徐濤，姚濤，等.覆冰絕緣子串閃絡過程試驗分析[J].高電壓技術,2010,36(12)：2924-2929.Xu Zuoming,Xu Tao,Yao Tao,et al.Analysis of the flashover process on ice-covered insulator string[J].High Voltage Engineering,2010,36(12):2924-2929.

[17]徐濤，王海明，王琳琳.500kV 瓷支柱絕緣子加裝復合增爬裙后的覆冰閃絡特性[J].高電壓技術,2012,38(1):167-172.Xu Tao,Wang Haiming,Wang Linlin.Flashover performance of 500kV ice-covered porcelain post insulators with composite assistant shed[J].High Voltage Engineering,2012,38(1):167-172.

[18]IEC Standard 60507,Artificial pollution tests on high voltage insulators to be used on A.C.systems[S].1991.

[19]國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T4585—2004 交流系統用高壓絕緣子的人工污穢[S].北京：中國標準出版社，2004.

[20]Farzaneh M,Baker T,Bernstorf A,et al.Insulator icing test methods and procedures,a position paper prepared by the IEEE TF on insulator icing test methods[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(1):1503-1515.

[21]Farzaneh M,Baker T.Insulator icing test methods and procedures—A position paper prepared by the IEEE task force on insulator icing test methods[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(4):1503-1515.

[22]Farzaneh M,Zhang J,Chen X.Modeling of the AC arc discharge on ice surfaces[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1997,12(1):325-338.

[23]Chen Xing.Modeling of electrical arc o polluted ice surfaces[D].Universitéeal,Canada,2000.

[24]Jahromi A N,El-Hag A H,Jayara S H.A neural network based method for leakage current prediction of polymeric insulators[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2006,21(1):506-507.

[25]Kontargyri V T,Gialketsi A A,Tsekouras G J,et al.Design of an artificial neural network for the estimation of the flashover voltage on insulators[J].Electric Power Systems Research,2007,77(1):1532-1540.