绝缘子泄露电流在线监测研究现状

绝缘子泄露电流在线监测研究现状

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绝缘子泄漏电流在线监测的研究现状Research Status of Insulator Leakage

Current Online Monitoring ABSTRACT: High voltage transmission line insulators have the dual function for both of electrical insulation and mechanical support. To ensure that the transmission lines can normally operate under the condition of all kinds of overvoltage .Insulators are normal or not, to the safety and reliability of the power system plays a decisive role. Related data have shown that the high voltage transmission line insulator pollution flashover accident damages and economic losses caused by far are more than that of over-voltage and lightning overvoltage. So a new type of insulator leakage current online monitoring system is of great significance and has an important practical value and to improve the security and stability of power system. In this paper, in order to achieve the purpose of catenary insulators' on-line monitoring,summarizing the characteristics of contaminated insulators.Based on surface discharge theory, in view of leakage current flowing through the insulators' surface contamination, an on-line monitoring scheme of catenary insulators' contamination is proposed and key issues are analyzed.

KEY WORD:Insulator；On-line monitoring；Leakage current

摘要：高压输电线路中绝缘子担负着电气绝缘和机械支撑的双重作用，要保证输电线路在过电压情下能正常运行，绝缘子的工作状态将对电力系统的安全可靠运行起着极为重要的作用。相关数据表明，高压输电线路绝缘子污闪事故的危害程度和造成的经济损失，己经远远超过了操作过电压和雷电冲击过电压对电力系统的影响。所以研究输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统具有重要的实用价值，对提高电力系统的安全可靠运行具有重大现实意义。本文以实现绝缘子污秽在线监测为目的，总结国内外污秽绝缘子运行状态表征参数的基础上，基于绝缘子的污秽沿面放电机理，针对流经污秽绝缘子表面的泄漏电流，提出了接触网绝缘子污秽在线监测的设计方案，并就其中的关键问题进行了详细分析。

关键词：绝缘子；在线监测；泄漏电流

1 引言

随着我国工农业的发展和人民生活水平的提高，电力工业也得到迅猛的发展，电力对人们生产生活来说已经不可或缺，那么提高电力系统运行的安全性和可靠性，也就成为了电力人所关注的重点。在电力系统中，高压电网运行的许多故障是由于绝缘不良所引起的，而高压绝缘子是高压电网绝缘的薄弱环节。绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的重要部件，其性能的优劣对整个输电系统的安全起着非常重要的作用。尤其是对于输电线路中的绝缘子，除了应具有一的电气绝缘性能以外，还应具备耐受自然环境和污染等的侵袭，以保证安全供电的要求。据统计，由于污秽而引起的绝缘子闪络事故目前在电网总事故中已经占到第二位。为了防止污闪事故的发生，需要对绝缘子的染污状况做出及时准确的判断，以便在危险来临之前，采取必要的措施。电力部门通常采用增加绝缘子串中绝缘子的数目、采用耐污绝缘子、在绝缘子表面涂憎水涂料、采用有机合成绝缘子、对绝缘子进行定期清洗等几种防污闪措施。这些方法在绝缘子的实际运行中都起着积极的作用，但是不能实时、动态、全面的反映绝缘子的染污状态，无法做到提前预防污闪事故的发生。因此，研制适应于电力系统需求的绝缘子在线监测系统，全天候的监测高压电网绝缘子的运行状况，以便提前采取措施避免电网运行故障的发生，提高电网运行的安全性和可靠性，促进绝缘子从目前的计划检修向状态检修过渡具有重要的意义。基于上述背景，本文提出的输电线路绝缘子在线监测系统可以减少检测人员上杆塔带电检测的次数，缩短检测周期，及时消除由于绝缘子闪络造成的事故，还可以为运行部门制订合理的检修计划提供科学依据。

2 污秽和泄露电流的形成机理分析

2.1 绝缘子监测特征量的选择

为了确定绝缘子的污秽程度，定量的划分污秽水平，需要表征污秽绝缘子运行状态的特征量。在进行了大量的研究后，人们提出了很多参数，主要有以下几种:

（1）等值盐密法：

等值附盐密度是指绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导电物质的含量相当于的NaCL含量(mg/cm2)，由于它只与绝缘子的污秽量、成分和性质有关，所以称为污秽的静态参数。它是表征绝缘子在自然环境下积污最普遍的特征量之一，直观的反映了绝缘子的污秽程度。但是，等值盐密法也存在着一些不足:一方面，测量时需对接触网进行停电，而且测量程序繁琐，不能作为实时在线监测参数;另外，污秽物成分复杂，包括强电解质成分和弱电解质成分，而强电解质和弱电解质会因为试验和实际中污秽物湿润程度的差异，导致测量结果有较大分散性，难以准确评价绝缘子的实际污秽状态。因此，等值盐密作为污秽度特征量较多在实验室作为静态参数使用。

（2）表面污层电导率法

表面污层电导率是指污秽绝缘子表面每平方厘米的电导。该参数是在污秽绝缘子受潮和施加比运行电压低的电压下测得的，从而把特征量与污秽及电压直接联系起来，比静态参数前进了一大步。但因测试电压低，而且受污层分布不均匀的断层带影响，并不能反映污秽层在高电压下的真实变化，故称为表征污秽绝缘子运行状态的半动态参数。

（3）污闪梯度法

绝缘子的污闪电压梯度是污闪电压与绝缘子串长的比值，是表征绝缘子污秽程度最直接理想的参数，一般以绝缘子的最短耐受串长或最大污闪电压梯度来表征。此法最接近于实际运行中绝缘子的工作状态，可直接表征当地自然环境下的污秽度以用于绝缘选择。但是该法也有较大缺点:一是悬挂串数要多，因为单串绝缘子的污闪概率不高，所得结果是否代表当地的最短耐受串长，或最大污闪电压梯度，也不易做出结论;二是悬挂时间要长，由于污秽已达临界状态而引起污闪的环境条件不足或者绝缘子表面的积污速度较慢等原因，要得出一个结论可能需要数年时间。

（4）泄露电流法

泄漏电流是指在作用电压下流过电气绝缘体表面的电流。这里所指的污秽绝缘子泄漏电流是指在运行电压下污层受潮时流过绝缘子表面的电流。显然，它是污秽程度、环境条件以及运行电压三个主要因素的综合反映和最终结果，称为反映污秽绝缘子表面污秽特性的动态参数。由于泄漏电流能较全面地反映绝缘子污秽状态，对泄漏电流的检测和分析作为污秽绝缘子在线监测的一种方法近年来引起大量关注。这主要是因为绝缘子泄漏电流和污秽沿面放电的发展过程密切相关，包含了丰富的信息，可以综合反映污秽程度、受潮程度、绝缘子耐受电压以及绝缘子形状等因素的影响，而且便于连续在线监测。同时绝缘子的泄漏电流变化也可以反映污秽的积累变化过程，所以对绝缘子泄漏电流估算方法的研究对于判断污秽绝缘子的运行状态具有重要意义。

除了上面介绍的几种特征量外，还有其他的一些特征量也可以用来表征绝缘子污秽程度，但同泄漏电流相比，也都有各自的不足之处。另用污秽的日沉降密度、污液电导率和盐浓度这些特征量来表征绝缘子的污湿特征，但这些参数所能说明的程度都很有限，同测量泄漏电流相比科学性上要差的很多。

2.2 绝缘子表面污秽的形成

绝缘子表面沉积的污秽，基本上来自于该地大气中环境的污染，也受大气条件的洗涤(例如，风吹和雨的冲洗)，还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密切的关系。大气环境中充满各种气态、液态污染物和固体微粒，固体微粒中直径较大者周围运动着在重作用下垂直降落绝缘子表面污秽的积聚直径较小的微粒呈悬浮状态，也在绝缘子一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。污秽微粒在绝缘子表面上的沉

积，受风力、重力是最重要的。

2.3 绝缘子污闪过程

目前有关染污绝缘子表面的放电机理还没有统一的认识，但许多学者都认为绝缘子的

闪络现象不是一种单纯的空气击穿，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、发展的热动力平衡过程。

当绝缘子表面存在污秽时，绝缘子串表面的污物会吸收水分，然后污秽层中的电解质在水的作用下溶解并且电离，使污层电导逐渐增大，则绝缘子表面的泄漏电流增加。由于绝缘子构造和绝缘子表面污秽分布差异以及和潮湿水平不同等因素的综合作用，使得绝缘子串各部分的电流密度存在差异，最后干燥带在电流密度较大的区域缓慢的形成了。干燥带的出现使得绝缘子串表面的分布电压相比以前更加不均，干燥带需要承担较高的电压。所以，当场强伸到某一特定值时，沿绝缘子串表面产生辉光放电、火花放电甚至是局部电弧。此时积污绝缘子表面的放电模型等同串联了污层电阻一串。局部电弧为间歇性的放电过程，这种状态有可能立即停止也有可能持续一段时间。如果这种电弧不断产生和发展，当其达到或者超过某一临界值时，电弧会沿绝缘子串面伸展，贯穿两极，并形成闪络。

由此可见，输电线路绝缘子的污秽闪络，很大程度上取决于下面四个连续过程[4]的产生与发展。

(1)绝缘子串表面的长期积污

(2)积污绝缘子串的湿润

(3)干燥带的产生与局部电弧的形成

(4)局部电弧的延伸到贯穿绝缘子两极所以，其沿面闪络的基本条件[5]如下: （1）首先流通过染污绝缘子表面的泄漏电流应该有烘干潮湿的污秽层且形成一定的干燥区，当干燥区所承受的电压达到某一极限值的时刻，有局部小电弧的出现。

（2）其次要符合单位长度的电弧电阻小于单位长度污层电阻的条件，使产生持续电弧通路的极限电流小于流过染污绝缘子表面的电流，局部电弧才有伸展延长的可能，并最终直到闪络的出现。

2.4 泄露电流与污秽沿面放点关系

在交流电压下，考虑试验电源、电弧电阻的影响，并增加电弧重燃条件，Alston和Zoledziourki建立了泄漏电流、电弧长度与试验电压之间的关系。他们推导并计算出闪络不会发生的临界条件:泄漏电流最大值未超过233Ec-1.31，其中Ec为闪络临界场强。通过在自然污秽状态下对绝缘子施加85kV 到231 kV(即250V/cm到750V/cm的峰值场强)电压试验发现，试验结果与理论推导结果具有良好的一致性，这在理论上表明了通过测量泄漏电流预测污秽闪络成为可能。

为了能更加深入研究污秽沿面放电机理，许多学者设计了大量的污秽试验来模拟自然环境下绝缘子的沿面放电过程。从他们的研究成果来看，研究泄漏电流对于理解绝缘子表面的放电现象和闪络过程是很有必要的。Verma指出，可以通过一个临闪前的最高峰值泄漏电流I max预估绝缘子的闪络概率，即Verma的最大值法。事实上已经表明，污秽绝缘子临闪前的最高峰值泄漏电流Imax在很大程度上是与污秽类型无关的特征参数。根据记录的闪络过程全电流，Verma 发现临闪前的最高峰值泄漏电流Imax (出现在完全闪络前大约10ms)指示了接近闪络的程度，即在任何环境条件下，泄漏电流如果达到Imax，则闪络已不可避免。一般来说，绝缘子柱体和钢帽附近较伞裙更易出现干燥带，干燥带的出现导致其场强急剧增大，而湿污层的场强随之减小。另外，干燥带数目越多，绝缘子沿面最大场强越小，即多条干带之间会削弱彼此的场强，而且伞裙下表面引起沿面场强的畸变程度比上表面严重。

最近几年，科研人员的研究工作越来越依赖于人工污秽试验。通过人工污秽试验，在恒压受潮过程中观察典型放电现象，并与测量的泄漏电流数据进行对应，如表2-1所示。结果表明，这种对应关系对实际现场具有较高的应用价值。

表1 XP-7型绝缘子放电现象与对应泄漏电流幅值Tab.1 The discharge phenomenon of XP-7 insulator and its corresponding leakage current

amplitude

泄露电流幅值/mA 放电特征

<2 无明显放电现象

5 紫色火星，淡紫色丝状放

电，微声

10-20紫色刷状放电，黄、白小火

星

50橘黄色短电弧，放电持续，

声大

70-100电弧放电频繁，电弧长度可

达1/3泄露电流

200-400电弧频次减少，明亮桔红色

主电弧，沟槽内密集小电弧400-900电弧放电强烈，但贯通几乎

整个泄露距离，仍能耐受900-1500红色电弧，随时可能发生闪

络

以人工污秽试验为依据，研究了泄漏电流与环境条件(主要是相对湿度)和污秽程度之间的关系。结果表明，流经瓷绝缘子表面的泄漏电流随着相对湿度的提高和污秽程度的加重逐步增长，存在着明显的非线性关系。当相对湿度大于55%时，泄漏电流增加更加明显。

为了在污秽沿面放电过程中针对泄漏电流波形进行研究，将高速摄影仪与人工污秽试验相结合，通过连续采集泄漏电流波形并利用高速摄影仪同步拍摄了放电过程，详细记录了绝缘子表面的局部放电现象和泄漏电流的变化情况，揭示出局部放电现象与泄漏电流波形特征之间的对应关系。结果表明，可以通过泄漏电流波形的特征判断绝缘子表面的放电程度，继而判断绝缘子的污秽程度。3 绝缘子在线监测系统

3.1 系统检测原理

图1 输电线路绝缘子泄露电流在线监测原理图

Fig.1 on line monitoring of insulator leakage

current of transmission line

整个系统检测原理如图1所示，从第二章绝缘子污闪的分析可知，绝缘子污闪从发生到发展的整个过程中，都伴随有泄漏电流幅值变化。绝缘子表面电导率越大，或加在绝缘子串两端电压越大，泄漏电流的幅值就越大，泄漏电流脉冲数目也会明显增多。随着绝缘子运行状态的恶化，泄漏电流的波形会从近似的正弦波形发展成为严重畸变的波形。泄漏电流波形的畸变表明了绝缘子绝缘水平的下降。可以根据泄漏电流的这一特征，使通过在线实时监测绝缘子泄漏电流的波形和计算泄漏电流的高频脉冲来估计绝缘子的运行状态，并预测污闪的发生成为可能。

输电线路绝缘子串在环境长期作用下会出现不良绝缘子。当绝缘子表面积累了大量污物、湿润状态达到一定水平时，泄漏电流增大，高频电流脉冲增多，。

在线监测分机主要由泄漏电流传感器、信号处理及发送模块、能源管理模块和定时启动模块等组成。

3.2 系统模块说明

该系统可分为硬件模块和软件模块。我们可以将硬件模块分成数据采集、电源电路、通讯模块和中央控制模块四个部分来讨论。

在数据采集模块中，可以通过泄露电流传感器、温湿度传感器来对泄露电流和环境温湿度进行测量评估。目前常用的泄露电流采集方式主要有电流互感器采集法、侵入式分布电位导入法及集流环式屏蔽法。电流互感器采集法由于采用了穿芯式环型互感器，因此无法做到互感器完全屏蔽，在抗干扰方而很难达到要求。此外从倒数第二片绝缘子与最后一片绝缘子之间提取信号相当于短路一片绝缘子，将影响线路安全运行。而且在安装时要将整串绝缘子取下再安装互感器，劳动强度非常大，安装十分不便，不利于推广；侵入式分布电位导入法安装能承受20KV的绝缘平台(三相都要装)，在正常的

运行电压下是安全的，但在过电压，尤其大气过电压或串内有零值绝缘子时则非常危险。而且经过一定时间的运行，当最后一片隔离绝缘子染污后，将泄漏电流分流，必然影响采集数据的准确性；集流环式屏蔽法通过加装金属引流环来收集泄漏电流信号，再经屏蔽电缆后由杆塔入地，采用穿芯式电流传感器将泄漏电流引入装置的数据处理单元。集流环材料为新型硅橡胶，其特点是防污防积水、耐高温。不会采集电容电流和杂散电流，对泄漏电流的采集准确，实测采集量大于实际流过绝缘子表面泄漏电流的95%以上，它安装于地电位端第一片绝缘子上部，不影响绝缘子串的安全运行。目前应用最多的是罗氏线圈电流传感器，罗氏线圈是将漆包线均匀绕在一个环形无磁骨架上，利用被测电流产生的磁场在线圈内干预的电压来测量电流。一般情况下，将线圈的一端引线穿过线圈内部，从另一端引出，使两端的引线分叉较小，来有效避免外磁场的干扰。对采集到的泄露电流信号利用模拟数字转换电路A/D进行模数转换，并用运算放大器进行信号放大。

图2 程序流程图

Fig.2 program flow chart

电源电路模块主要是利用太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统对在线监测装置持续供电，蓄电池的储能作用对保证连续供电是很重要的。在阴雨天太阳能电池发电量在不能满足装置需要时，要靠蓄电池的电能给以补足;在超过装置需要的时候，要靠蓄电池将多余的电能储存起来。此外，目前也有基于导线取能的装置，即是在导线上套装电流互感线圈，利用线圈感应导线周围变化的磁场，将导线能量转换到线圈二次侧，并经过一系列电路的处理最终输出直流稳定电压为监测终端核心电路板供电，同时给锂电池充电。

通讯模块是指前台监测系统与控制中心之间通过GSM或GPRS通讯模块，以短消息信息的方式按照一定的通讯协议实现了数据、命令、状态的交换，实现了控制中“自软件命令的下传和前台监测系统数据的互传功能。

中央控制模块中CPU是前端机系统的核心，根据系统的要求，处理器应具有较高的处理速度，同时应具有低功耗特性。

此外

绝缘子在线监测系统对泄漏电流进行采集处理后，向后台控制中心传输的数据中必须包含数据记录的时间，因此系统中应该有时钟单元。

关于系统的软件部分，可以用图2说明。

4 总结与展望

本文分析讨论了绝缘子在线监测的几种方法，并着重讨论了泄露电流在在线监测中的应用，从以上的讨论中我们可以知道：通过对绝缘子泄露电流的在线检测，可以掌握污秽绝缘子的运行状态，对防止污闪有重要意义。不过，我们同时也应该注意到绝缘子在线监测的复杂性，泄露电流虽然能在一定程度上实现在线监测，不过它是安装在户外杆塔上面的，泄露电流采集困难，易受干扰，运行环境恶劣而且存在很大差异，在设计时不仅要考虑其对泄露电流的监测精度，也要考虑系统本身的工作环境是否能适应一年中气候的变化和中国南北气候的差异。我认为，可以再一定程度上根据当地气候的状况来设计适合当地情况的监测系统，不过这又会增加成本。其次，这种监测系统是对绝缘子进行实时监测，采集的数据量大，会给数据的传送和处理带来一定的难度。

通过对电气设备在线监测这本书的学习和在进行这次课程论文选题及写作的过程中，我对电气设备在线监测有了进一步的了解。目前在线监测的方法还有很多，比如现在研究很多的紫外线成像法、红外测温法、超声波检测法等这些非电量测量法，都是各有优缺点。在不考虑经济性的情况下，紫外线成像法和红外测温法，都有比较好的效果，如何经济的将这些技术应用于电力系统上也是我们需要考虑的问题。除此之外我记得上第二节可得时候，请的黄老师上课时，曾提到：现在电力系统在线监测存在的最大问题是对监测的数据处理问题，我们的电力系统上有很多监测变量，无论是在线的还是非在线的，很多情况下，监测到的各种数据是无法进行处理的，当然也就没有价值，所以对所得到的的监测数据进行合理的处理和分析也是我们要考虑的。参考文献

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