關(guān)于高壓絕緣子在線檢測(cè)與故障診斷方法的研究

多向陽(yáng) 肖澤海

摘 要：在長(zhǎng)時(shí)間的高電壓和惡劣天氣的作用下，高壓絕緣子很可能破損，導(dǎo)致高壓輸配電線的絕緣水平減低，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)受損，影響居民的工作生活，甚至威脅到居民的生命安全。本文簡(jiǎn)要分析了高壓絕緣子的故障原因，并介紹了高壓絕緣子在線檢測(cè)系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：高壓絕緣子 檢測(cè)系統(tǒng) 故障定位

中圖分類號(hào)：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（b）-0043-02

高壓絕緣子的損壞會(huì)嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全和居民的正常工作生活，目前檢測(cè)高壓絕緣子故障的方法都需要工作人員爬到高壓線塔中逐一檢測(cè)，工作量大且較危險(xiǎn)，所以如何設(shè)計(jì)出一套高壓絕緣子在線檢測(cè)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)需要研究的，本文從高壓絕緣子的故障原因入手，分析了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理，并設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 高壓絕緣子故障機(jī)理及檢測(cè)方法

1.1 絕緣子阻值降低

由于長(zhǎng)期在露天環(huán)境下工作，風(fēng)雨雪以及暴曬等惡劣的天氣會(huì)或多或少地對(duì)絕緣子造成一定的影響，其中發(fā)生最廣泛的就是局部絕緣子失效，進(jìn)而降低了整個(gè)絕緣子的等效組織，由于這種情況不會(huì)導(dǎo)致絕緣子停止運(yùn)行，短時(shí)間內(nèi)也不會(huì)發(fā)生其他后果，所以一般很少被發(fā)現(xiàn)，但隨著情況的不斷惡化，最終會(huì)導(dǎo)致絕緣子擊穿。根據(jù)絕緣子阻值降低前后的性質(zhì)差別，可以得出幾個(gè)檢測(cè)絕緣子阻值降低的方法，絕緣子阻值降低后，發(fā)生的變化有局部電壓增大、電場(chǎng)分布改變、電暈脈沖電流明顯、熱場(chǎng)分布改變，所以，可以通過檢驗(yàn)對(duì)比這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)，即應(yīng)用電壓分布法、電場(chǎng)測(cè)量法、脈沖電流法、紅外成像法檢測(cè)絕緣子阻值是否降低。

1.2 絕緣子電暈放電

絕緣子電暈放電是指絕緣子表面的電暈電流頻率過大導(dǎo)致絕緣子局部電壓過高的現(xiàn)象，其原因是絕緣子表面的實(shí)際E值超過了合理的E值的范圍，導(dǎo)致絕緣子周圍的氣體介質(zhì)帶電，正負(fù)電子各自奔向負(fù)正二極，進(jìn)而產(chǎn)生電流，即氣體介質(zhì)放電，絕緣子電暈放電直接導(dǎo)致負(fù)流注放電現(xiàn)象，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而任由負(fù)流注放電至負(fù)極時(shí)，絕緣子發(fā)生火花放電，并迅速被擊穿。由于電暈放電氣體介質(zhì)帶電，所以，可以利用紫外成像技術(shù)檢查絕緣子的氣體介質(zhì)中是否存在定向移動(dòng)的電荷，進(jìn)而確定絕緣子是否有電暈放電現(xiàn)象。

1.3 絕緣子破損

絕緣子破損包括絕緣子原本的質(zhì)量問題（如內(nèi)部存在電阻差、有氣泡、有夾渣等）和運(yùn)行后出現(xiàn)的裂紋、脫粘等，這些問題都會(huì)導(dǎo)致絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度降低、絕緣子斷裂等，進(jìn)而導(dǎo)致爬電距離減小，導(dǎo)致高壓輸配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，檢查這一問題只能用觀察法和超聲波法，超聲波法的原理是利用脈沖在絕緣子中的運(yùn)動(dòng)軌跡，從其折射和反射現(xiàn)象中分析絕緣子內(nèi)部是否存在質(zhì)量問題。絕緣子被污染后形成的表面污層可以導(dǎo)電，污物的組成中大部分是硫酸鈣，其他成分則取決于絕緣子周圍的污染源，它的電導(dǎo)率代表了污層的實(shí)際的電氣性能，絕緣子污染有a、b、c、d、e這5個(gè)級(jí)別，污染級(jí)別越高，絕緣子表面的泄漏電流聚集的越多，絕緣子越有可能發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象，及時(shí)檢查絕緣子表面是否存在污穢可避免絕緣子擊穿。

2 高壓絕緣子在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 在線檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

絕緣子阻值降低、絕緣子電暈放電、絕緣子破損和污穢是導(dǎo)致絕緣子故障的原因，這3種故障的共同點(diǎn)是都存在表面泄漏電流，所以，在線檢測(cè)系統(tǒng)以表面泄漏電流作為基本參數(shù)，在高壓輸配電網(wǎng)絡(luò)中加入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)要測(cè)量絕緣子電壓、電流、電阻、爬電距離、溫度、濕度、表面電流、風(fēng)力、天氣狀況等數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中，并在系統(tǒng)中定義電阻計(jì)算電阻的公式Rn =dRn，根據(jù)電流、電壓、電阻、爬電距離、絕緣子直徑、功率的基本關(guān)系，得到高壓絕緣子中電阻與爬電距離和直徑的關(guān)系，定義最低絕緣子阻值，當(dāng)絕緣子阻值低于達(dá)到此界限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，并通過GPRS系統(tǒng)對(duì)故障中心進(jìn)行定位，監(jiān)控中心中設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)絕緣子的各種故障的特征和發(fā)生故障時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比故障絕緣子與數(shù)據(jù)庫(kù)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，判斷絕緣子故障類型。

2.2 在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

在線檢測(cè)系統(tǒng)由電塔；高壓絕緣子；電流傳感器（每個(gè)絕緣子連接一個(gè)電流傳感器），用于檢測(cè)絕緣子的電流將之轉(zhuǎn)為f；GPS模塊，用于數(shù)據(jù)處理中心接受數(shù)據(jù)；防雷擊系統(tǒng)；軟件UART；電源系統(tǒng)（主要用太陽(yáng)能電池，蓄電池備用）；GPRS模塊，用于發(fā)送數(shù)據(jù)；C8051F010、RS485、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集溫度、濕度、測(cè)量風(fēng)速；主要可劃分為電塔、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析4個(gè)模塊。電流傳感器裝在電塔的接地線的探頭中，用于采集漏電脈沖或電暈脈沖，由于絕緣子剛發(fā)生故障時(shí)，漏電脈沖或電暈脈沖都很小，不僅不能接入電路，而且會(huì)被其他電流（如正常的電力載波和泄漏電流）所干擾，所以探頭中要安裝放大漏電脈沖或電暈脈沖信號(hào)的放大器，數(shù)據(jù)分析模塊中也要設(shè)置過濾脈沖信號(hào)的程序，為了采集到盡量多的漏電脈沖或電暈脈沖信號(hào)，放大器的頻率范圍要設(shè)置在20～40MHz，過濾脈沖信號(hào)的程序要設(shè)置512K空間，并選擇20MHz的頻率。數(shù)據(jù)傳輸部分，在線檢測(cè)系統(tǒng)采用的是GPS與GPRS系統(tǒng)，與其他的有線和無線傳輸系統(tǒng)相比，GPS與GPRS系統(tǒng)成本低廉、工作量小，由于野外信號(hào)不穩(wěn)，所以系統(tǒng)采用了在線檢測(cè)系統(tǒng)采用了雙系統(tǒng)模式，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋度和強(qiáng)度自動(dòng)變換GPRS或SMS模式。除此之外，在線檢測(cè)系統(tǒng)還需要解決以下技術(shù)問題：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與高壓輸配電網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，輸配電網(wǎng)絡(luò)中的高電壓瞬間加到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，很容易造成檢測(cè)設(shè)備損壞，為此，在設(shè)備接入之前，要對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行光電隔離處理，從介質(zhì)方面減小瞬間電壓，同時(shí)采取限制電壓的措施，參考防雷擊方法，接入部分防雷擊的措施；對(duì)于數(shù)據(jù)采集中環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性、信號(hào)發(fā)射中的折損等問題，需要采用先進(jìn)設(shè)備，盡量減小高壓環(huán)境的影響，測(cè)量時(shí)先模擬在測(cè)量，去除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

2.3 脈沖分析方法

脈沖分析是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的重要技術(shù)，是數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析的核心，絕緣子的漏電脈沖和電暈脈沖信號(hào)微小、波動(dòng)幅度也小，不僅達(dá)不到數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚〉男盘?hào)值和波動(dòng)值，還被同處于20MHz以下其他信號(hào)干擾，所以如何分析并篩選出盡量多的有效脈沖信號(hào)是研究脈沖分析方法的目的。首先，應(yīng)選用20～40MHz的放大器放大所有信號(hào)，設(shè)置一個(gè)20MHz的過濾器，采集到的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)紽FT軟件中與分析中心儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，將初步篩選出的信息以.MAT格式儲(chǔ)存，并在軟件內(nèi)設(shè)工具箱中分析，最終分析結(jié)果就是脈沖分析結(jié)果，可直觀反映是否存在絕緣子故障。電暈脈沖相位比較法則是根據(jù)脈沖信號(hào)的一個(gè)周期的數(shù)據(jù)繪出相位分布圖，比較電暈脈沖信號(hào)的相位，若在接近工頻信號(hào)的正、負(fù)峰值處的相位差為180°，則說明有電暈現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而比對(duì)這些絕緣子的相關(guān)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。小波分析則是通過分析漏電脈沖信號(hào)的波形和頻譜，繪出時(shí)間—頻率變化圖，若存在漏電脈沖的特征，則證明絕緣子故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)高壓絕緣子的故障分析，從絕緣子阻值降低、絕緣子電暈放電、絕緣子破損3個(gè)故障原因入手，分析對(duì)比國(guó)內(nèi)外已投入應(yīng)用的絕緣子在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理，先確定新檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)工作原理設(shè)計(jì)出研究方案，通過實(shí)驗(yàn)檢測(cè)得出的數(shù)據(jù)證明，該高壓絕緣子在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行。

參考文獻(xiàn)

[1] 李靜海.艦載導(dǎo)彈火工品點(diǎn)火電路安全技術(shù)研究[J].國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2008（2）：44-47.

[2] 陳青，黃建才，朱永利.基于壓縮傳感理論的絕緣子泄漏電流數(shù)據(jù)壓縮[J].電力科學(xué)與工程，2010（2）：44-47.