（高電壓與絕緣技術專業(yè)論文）基于泄漏電流遞歸分析的絕緣子狀態(tài)檢測研究.pdf

中文摘要 絕緣子閃絡嚴重危害電力系統(tǒng)及其輸變電設備的安全運行，因此積極開展絕 緣子運行狀態(tài)的檢測研究，對預防閃絡事故，提高電網(wǎng)運行可靠性具有重要意義。 本文基于泄漏電流檢測絕緣子運行狀態(tài)的研究現(xiàn)狀，在人工污穢試驗方法的基礎 上，將混沌理論的遞歸分析技術應用于泄漏電流的特征分析，結(jié)合絕緣子表面動 態(tài)變化和閃絡過程，旨在研究及時有效的絕緣子狀態(tài)檢測與閃絡預測方法。 首先針對絕緣子在災害性濃霧天氣下容易發(fā)生的閃絡事故，通過觀察閃絡現(xiàn) 象與過程，對閃絡發(fā)展各個階段的泄漏電流進行時間序列的混沌特征判別，計算 和分析了l y a p u n o v 指數(shù)、分形維數(shù)、功率譜密度、吸引子相圖以及p o i n c a r e 截 面，論證了泄漏電流具有混沌特征，闡明了泄漏電流遞歸分析方法應用于絕緣子 泄漏電流非線性特征分析的可行性。 在建立濃霧環(huán)境下泄漏電流與絕緣子閃絡過程對應關系的基礎上，運用小波 變換方法提取閃絡發(fā)展各個階段泄漏電流的頻率分布與特征，通過相空間重構技 術將頻率分量的時間序列拓展至m 維空間，根據(jù)遞歸分析技術得到各個頻率分 量發(fā)展變化的遞歸圖及遞歸定量指標，提出了泄漏電流高頻分量可以有效反映絕 緣子表面放電的非線性特征，提高了檢測與預測的準確性。 為了研究大氣環(huán)境因素對絕緣子運行狀態(tài)的影響，在人工污穢試驗基礎上開 展了污穢程度、環(huán)境溫度和相對濕度等諸多因素下絕緣子的狀態(tài)檢測研究，提取 與絕緣子表面動態(tài)變化密切相關的泄漏電流特征量，在論證當前特征分析方法局 限性的基礎上，根據(jù)泄漏電流遞歸圖拓撲結(jié)構及其定量指標有效揭示了環(huán)境參數(shù) 對外絕緣狀態(tài)的影響程度與機理，建立了基于泄漏電流遞歸分析的絕緣子運行狀 態(tài)檢測方法。 最后，基于絕緣子霧凇閃絡現(xiàn)象的觀察與泄漏電流的遞歸分析，檢測并研究 了絕緣子在霧凇環(huán)境下的閃絡過程與機理，提出泄漏電流遞歸圖能夠定性表征絕 緣子霧凇閃絡過程中表面放電特征，并且遞歸定量分析法進一步增強對閃絡過程 的監(jiān)測分析。 泄漏電流遞歸分析法為絕緣子運行狀態(tài)提供了一種可視化的檢測方法，遞歸 圖拓撲結(jié)構及其定量指標有效反映了絕緣子表面狀態(tài)，揭示了表面放電的非線性 特征及發(fā)展過程，提高了絕緣子狀態(tài)檢測的有效性和準確性。 關鍵詞：絕緣子；泄漏電流；混沌特征；遞歸圖；遞歸定量指標；污穢試驗； 濃霧；霧?。婚W絡；狀態(tài)檢測 a bs t r a c t g e n e r a l l y ，t h ef l a s h o v e ra c c i d e n t so f o u t d o o ri n s u l a t o r sc a nc a u s es e r i o u si n f l u e n c e o nt h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e ma n di t se q u i p m e n t s t h e r e f o r e ，i ti s s i g n i f i c a n tt oe v a l u a t ea n dm o n i t o rt h ei n s u l a t o rp e r f o r m a n c ef o rt h ep r e v e n t i o no f t h e f l a s h o v e ra c c i d e n t sa n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ep o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y i nt h i s p a p e r ，b a s e do n t h ep r e s e n ti n v e s t i g a t i o no fl e a k a g ec u r r e n tf o re v a l u a t i n ga n d m o n i t o r i n go u t d o o ri n s u l a t o r s ，t h er e c u r r e n tp l o tt e c h n i q u ei sp r o p o s e dt oa n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fl e a k a g ec u r r e n tt h r o u g ht h ea r t i f i c i a lc o n t a m i n a t i o ne x p e r i m e n t s i na c c o r d a n c ew i t hd y n a m i cb e h a v i o r sa n df l a s h o v e rp r o c e s so nt h ei n s u l a t o rs u r f a c e ， t h er e s u l t so b t a i n e da i mt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n df l a s h o v e rp r o t e c t i o no fo u t d o o ri n s u l a t o r s i no r d e rt od e t e r m i n ew h e t h e rt h el e a k a g ec u r r e n td u r i n gt h ef l a s h o v e rp r o c e s sh a s c h a o t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee x p e r i m e n t ss i m u l a t i n gt h ei n s u l a t o rf l a s h o v e ri nh e a v yf o g w e r ec a r r i e do u ta n dt h ec h a o t i ca n a l y s i sm e t h o do ft i m es e r i e sw a ss e l e c t e dt o a n a l y z et h en o n - l i n e a rp r o p e r t i e so fl e a k a g ec u r r e n ti n a c c o r d a n c ew i t ht h ef l a s h o v e r p r o c e s s l y a p u n o ve x p o n e n t ，f r a c t a ld i m e n s i o n , p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , c h a o s a t t r a c t o r , a sw e l la sp o i n c a r em a pw e r ec a l c u l a t e dt o r e v e a lt h a tt h ev a r i a t i o no f l e a k a g ec u r r e n td u r i n gt h ef l a s h o v e rp r o c e s sh a sc h a o t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h er e c u r r e n tp l o tt e c h n i q u ef o rt h en o n - l i n e a r c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fl e a k a g ec u r r e n t b a s e do nt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h el e a k a g ec u r r e n ta n dt h e f l a s h o v e rp r o c e s si nh e a v y - f o gc o n d i t i o n s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mt e c h n i q u ew a s a p p l i e dt od e c o m p o s et h el e a k a g ec u r r e n ti n t od i f f e r e n tf r e q u e n c yc o m p o n e n t s t h e t e m p o r a ls e r i e so ft h ee x t r a c t e dc o m p o n e n t sa r ee x t e n d e dt o m d i m e n s i o n a lp h a s e s p a c eb yu s i n gap h a s e s p a c er e c o n s t r u c t e dm e t h o d t h e r e c u r r e n tp l o ti so b t a i n e d t os h o wt h a tt h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft h eh i g h - f r e q u e n c yc o m p o n e n t si sp r o m i n e n t t oi d e n t i f yn o n - l i n e a rp r o p e r t i e so fd i s c h a r g ea c t i v i t i e s t h ed y n a m i cb e h a v i o r so n t h ei n s u l a t o rs u r f a c ea r eg r a p h i c a l l yi l l u s t r a t e do nt h er e c t a n g u l a rb l o c ks t r u c t u r e s w i t hh i g h e rd e n s i t yo fp o i n t s b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eh i g h - f r e q u e n c y c o m p o n e n t s ，t h eq u a n t i t a t i v ei n d i c a t o r so fr e c u r r e n tp l o ta r co b t a i n e dt or e f l e c tt h e u n d e r l y i n gm e c h a n i s mo ff l a s h o v e rp r o c e s s t h er e s u l t so b t a i n e d i n d i c a t et h a tt h e r e c u r r e n tp l o tt e c h n i q u ei sh e l p f u lt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fi n s u l a t o re v a l u a t i o n c o n s i d e r i n gt h ee f f e c t o fw e t c o n t a m i n a t e de n v i r o n m e n to nt h e i n s u l a t o r p e r f o r m a n c e ，t h ea r t i f i c i a lc o n t a m i n a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni nm u l t i - e n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n c l u d i n gc o n t a m i n a t i o n d e g r e e ，a m b i e n tt e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e a k a g e c u r r e n tw e r ee x t r a c t e dt or e f l e c td y n a m i cb e h a v i o r so nt h ei n s u l a t o rs u r f a c e b a s e d o nt h el i m i t a t i o no ft h ep r e s e n ta n a l y s i sm e t h o d , t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n d q u a n t i t a t i v ei n d i c a t o ro fr e c u r r e n tp l o to ft h el e a k a g ec u r r e n tw e r eo b t a i n e dt or e f l e c t t h ei n f l u e n c em e c h a n i s mo fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h eo u t d o o ri n s u l a t i o n t h e r e c u r r e n tp l o tm e t h o dw a se s t a b l i s h e df o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e a k a g ec u r r e n t a n dt h ei n s u l a t o rp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h ep h e n o m e n ao ft h er i m ef l a s h o v e rw e r eo b s e r v e da n dt h en o n 1 i n e a r c h a r a c t e r i s t i c so fl e a k a g ec u r r e n tw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t sa r eh e l p f u lt o m o n i t o ra n dr e v e a lt h ep r o c e s sa n dm e c h a n i s mo fi n s u l a t o rf l a s h o v e ri nr i m e c o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e c u r r e n t p l o to fl e a k a g ec u r r e n tc a n q u a l i t a t i v e l yr e v e a lt h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sd u r i l 培t h er i m ef l a s h o v e rp r o c e s s ， a n dt h ef u r t h e rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i se n h a n c e st h em o n i t o r i n ga n dt h eu n d e r s t a n d i n go f t h ef l a s h o v e rm e c h a n i s m nc o n c l u s i o n , t h er e c u r r e n tp l o tt e c h n i q u eg i v e sav i s i b l em o n i t o r i n gm e t h o df o r o u t d o o ri n s u l a t o r st om o n i t o rt h ef l a s h o v e rp r o c e s sa n de v a l u a t et h eo p e r a t i n g p e r f o r m a n c e t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo fr e c u r r e n tp l o ta n di t s q u a n t i f i c a t i o n i n d i c a t o r sc a ne f f e c t i v e l yr e p r e s e n tt h es u r f a c ep e r f o r m a n c ea n df u r t h e rr e v e a lt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t et r a n s i t i o no fs u r f a c ed i s c h a r g e sd u r i n gt h ef l a s h o v e rp r o c e s s t h e r e f o r e ，t h er e c u r r e n tp l o ta n a l y s i so fl e a k a g ec u r r e n ti sa l le f f e c t i v em e t h o df o rt h e i n s u l a t o rm o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：o u t d o o r i n s u l a t o r ；l e a k a g ec u r r e n t ；c h a o sc h a r a c t e r i s t i c s ；r e c u r r e n t p l o t ；r e c u r r e n tq u a n t i f i c a t i o ni n d i c a t o r ；c o n t a m i n a t i o ne x p e r i m e n t ； h e a v yf o g ；r i m ec o n d i t i o n ；f l a s h o v e r ；p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：事瑤螽簽字日期：j 如夕年歲胗日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解丞壟盤堂 有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權丞盜盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名：別霧 簽字目期：勿砰年歲月名歹日 導師簽名： 簽字日期：乙噶年 月2 日 天津大學博士學位論文第一章緒論 1 1 選題背景及意義 第一章緒論 在電力系統(tǒng)及其輸變電設備中，絕緣子能夠同時滿足機械負荷與電氣絕緣雙 重性能的要求。伴隨著超高壓、特高壓輸電工程的開展，絕緣子在得到日益廣泛 應用的同時，也成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素 1 5 1 。在污穢物以及霧、 雨、雪等大氣環(huán)境的共同作用下，絕緣子的絕緣性能必然受到影響，甚至在正常 運行電壓下發(fā)生閃絡事故，不僅嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全可靠運行，而且給社會 經(jīng)濟造成重大損失 6 - 1 0 】。例如：2 0 0 1 年2 月下旬，東北、華北和河南電網(wǎng)相繼發(fā) 生了大面積、惡性的污閃跳閘事故，僅遼寧省損失電量就高達9 3 7 0m w h t 7 9 1 。 2 0 0 2 年1 月，湖南省常德、湘潭地區(qū)的2 2 0k v 和5 0 0k v 線路連續(xù)發(fā)生污閃跳閘事 故【1 1 1 。2 0 0 5 年1 月，廣東電網(wǎng)接連發(fā)生大面積污閃跳閘事故，導致4 條5 0 0k v 線路 停叫?！?。2 0 0 6 年l 、2 月份災害性的濃霧天氣引發(fā)天津電網(wǎng)由1 1 0k v 至5 0 0k v 線路 接連發(fā)生閃絡事故。為了防止閃絡事故的發(fā)生，雖然耐污絕緣子、合成絕緣子、 憎水性涂料以及調(diào)整爬距、定期清洗等措施在一定程度上起到了積極作用，但是 污閃事故仍不斷發(fā)生，其中一個主要原因就是無法全面掌握絕緣子運行狀態(tài)的有 效信息【1 3 】。因此，開展絕緣子運行狀態(tài)的檢測研究，不僅有助于預防閃絡事故的 發(fā)生，提高絕緣子使用的可靠性，而且能夠加強對絕緣子的監(jiān)管能力，減少維護 費用，對保障電力系統(tǒng)安全運行具有重大的現(xiàn)實意義【l 睨0 1 。 當前，國內(nèi)外采用的絕緣子表面狀態(tài)的檢測方法主要有：等值附鹽密度法、 污層電導率測量法和泄漏電流測量法【1 ，1 4 ，2 1 。2 3 1 。在這些方法中，等值附鹽密度法 是當前電力生產(chǎn)運行部門廣泛采用的檢測絕緣子污穢程度的重要參數(shù)，該方法雖 然簡便易行，但是無法實時反映絕緣子表面狀態(tài)，并且有些測量結(jié)果與真實情況 存在一定的差異；污層電導率測量法包括整體表面電導率法和局部表面電導率 法，能夠有效反映絕緣子表面絕緣特性，但是該方法對試驗設備與測試條件要求 較為嚴格，通常用于抽樣評估某一地區(qū)絕緣子的整體情況，而不能連續(xù)對絕緣子 進行檢測。上述兩種方法均無法對絕緣子運行狀態(tài)進行實時的連續(xù)檢測，相比較 而言，泄漏電流測量法可以連續(xù)對絕緣子進行檢測，能夠及時、準確地反映各種 動態(tài)參數(shù)對絕緣子運行狀態(tài)的影響。 泄漏電流貫穿于絕緣子運行過程始終，能夠在運行中連續(xù)、直觀、綜合地反 天津大學博士學位論文 第一章緒論 映各種因素對絕緣子表面狀態(tài)的影響，已經(jīng)成為當前絕緣子運行狀態(tài)檢測的研究 熱點。絕緣子表面泄漏電流是指在運行電壓下流過絕緣子表面的電流，它能夠?qū)?時反映電壓、大氣環(huán)境( 霧、溫度、相對濕度等) 與污穢等動態(tài)參數(shù)對絕緣子的 影響。在干燥天氣下，絕緣子表面即使受到工業(yè)污穢、自然鹽堿等的污染形成污 層，但是由于此時污層的電導率不高，泄漏電流仍然保持很小的數(shù)值。當環(huán)境因 素造成污染物的電導率增大時，污層在絕緣子表面形成導電通路，在正常運行電 壓下泄漏電流顯著增加。由于絕緣子結(jié)構、形狀以及表面污層分布及其受潮程度 不均等因素的影響，絕緣子表面泄漏電流密度存在很大差異，在泄漏電流焦耳熱 作用下，絕緣子表面局部被干燥，潤濕區(qū)和干燥區(qū)交替出現(xiàn)，表面電壓分布隨之 改變，并且干燥區(qū)所承受的電壓逐漸增大。當干區(qū)電壓超過空氣的擊穿電壓時， 該處就會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，放電的伏安特性導致泄漏電流增大，波形也會發(fā)生相應 的畸變；隨著表面干燥區(qū)放電的逐漸增多、增強與延伸，絕緣子表面出現(xiàn)局部電 ??；當污層電阻不斷減小而泄漏電流不斷增大時，局部電弧能夠繼續(xù)發(fā)展和延伸 而超過臨界狀態(tài)的時候，電弧就會貫穿絕緣子兩側(cè)金具引發(fā)閃絡。 綜上所述，絕緣子表面的動態(tài)變化必然引起流過絕緣子表面的泄漏電流發(fā)生 變化，通過檢測泄漏電流可以隨時反映絕緣子在各種因素影響下真實的運行狀 態(tài)，一方面可以為絕緣予管理維護工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，另一方面有助于建 立絕緣子運行狀態(tài)與運行環(huán)境參數(shù)的動態(tài)信息庫，為絕緣子運行狀態(tài)檢測與閃絡 預測提供科學的依據(jù)。 然而，絕緣子表面泄漏電流的變化存在很大隨機性，該特性除了與絕緣子自 身材料、結(jié)構復雜性有關外，還與運行環(huán)境所引發(fā)的表面放電隨機性和復雜性有 判2 牝6 1 。絕緣子表面放電是一個復雜的隨機現(xiàn)象。從宏觀上來看，放電過程表現(xiàn) 出一些看似雜亂無章的隨機特性，即使在相同的環(huán)境下，絕緣子的表面放電和閃 絡過程仍然存在差別，這些都是混沌現(xiàn)象中系統(tǒng)內(nèi)在結(jié)構復雜性的外在隨機性體 現(xiàn)。此外，隨著表面放電的發(fā)展，絕緣子發(fā)生閃絡的時刻也存在很大差異，這是 表面放電內(nèi)在確定性和外在隨機性的集中表現(xiàn)。這些現(xiàn)象均屬于混沌理論的研究 對象。如果能夠驗證絕緣子表面放電具有混沌特性，可以考慮將混沌等非線性特 征分析的理論引入絕緣子表面泄漏電流的分析，揭示不規(guī)則表面放電的規(guī)律性， 并利用混沌的時間序列處理方法對放電信號進行分析，一方面可以有效促進對絕 緣子運行狀態(tài)的檢測和表面放電特征的理解；另一方面可以增強對絕緣子閃絡現(xiàn) 象的分析和閃絡機理的研究。 因此，將混沌理論應用于絕緣子狀態(tài)檢測領域不僅能夠增強對絕緣子表面放 電復雜程度的判定與預測，而且能夠促進絕緣子運行狀態(tài)檢測與評估方法的不斷 進步和完善。 天津大學博士學位論文 第一章緒論 1 2 基于泄漏電流分析的絕緣子檢測研究現(xiàn)狀 基于泄漏電流的絕緣子運行狀態(tài)檢測研究開始于2 0 世紀5 0 年代，伴隨著絕緣 子閃絡事故的逐漸增多，傳統(tǒng)的檢測方法已經(jīng)無法滿足絕緣子監(jiān)測與維護工作的 要求，迫切需要新的檢測方法提高檢測準確性，同時進一步增強對閃絡現(xiàn)象與機 理的深入理解。然而，由于當時測量與分析技術的限制，泄漏電流檢測方法的研 究進展相對緩慢。隨著測量方法與檢測技術的不斷發(fā)展，特別是計算機技術與信 號處理技術的迅猛發(fā)展，為泄漏電流檢測絕緣子運行狀態(tài)提供了強大的測量與分 析方面的支持，推動了泄漏電流檢測方法的飛速發(fā)展【2 1 1 。 1 2 1 泄漏電流值檢測法 泄漏電流值的大小是最直觀的泄漏電流特征，它在一定程度上與絕緣子表面 狀態(tài)、放電現(xiàn)象乃至閃絡過程具有一致性，因此成為早期泄漏電流檢測絕緣子運 行狀態(tài)的研究熱點。 由于絕緣子泄漏電流值的大小與運行電壓、絕緣子自身材料和結(jié)構參數(shù)、大 氣濕度以及環(huán)境溫度等因素有關，很難用精確的模型對泄漏電流值的變化進行模 擬。當前，主要采用模擬試驗和現(xiàn)場測量的方式檢測不同條件下流過絕緣子表面 泄漏電流的大小，通過分析泄漏電流的幅值、最大值、峰值、平均值和有效值， 實現(xiàn)絕緣子運行狀態(tài)的檢測研究。 文獻 2 6 1 對盤型懸式絕緣子在受潮至飽和過程的表面狀態(tài)進行了檢測研究， 通過觀察絕緣子表面典型的放電現(xiàn)象，建立了泄漏電流幅值與絕緣子表面狀態(tài)的 對應關系，為現(xiàn)場檢測絕緣子染污狀態(tài)提供了一種直觀、初步的診斷方法。日本 m a t s u o k a 等研究人員通過泄漏電流幅值研究了復合絕緣子表面老化程度與絕緣 子結(jié)構類型的關系，提出了泄漏電流幅值可以有效表征絕緣子表面的狀態(tài)變化 口7 1 。為了確定絕緣子閃絡的發(fā)生和發(fā)展，國內(nèi)外研究人員根據(jù)泄漏電流幅值的變 化將閃絡過程分為不同階段，在確定各個階段泄漏電流報警值的基礎上，提出了 連續(xù)監(jiān)測泄漏電流幅值以降低絕緣子閃絡事故的檢測方法【1 8 , 2 9 - 3 0 。同時，為了進 一步提高泄漏電流值檢測絕緣子運行狀態(tài)的及時性和有效性，研究人員獲取了泄 漏電流的有效值以及單位時間內(nèi)的峰值、最大值和平均值，在此基礎上分析了絕 緣子表面狀態(tài)及其影響因素，進一步建立了泄漏電流與等值附鹽密度、絕緣子結(jié) 構特征、表面污穢狀況、污閃電壓以及霧的參數(shù)、大氣濕度等氣象條件的變化關 系 2 2 , 3 1 - 3 5 】。 上述傳統(tǒng)的泄漏電流幅值檢測法都是在工頻電源下開展的研究，測量結(jié)果容 易受到外界因素的干擾，并且所需要的設備和條件相對復雜。因此，文獻【3 6 】提 天津大學博士學位論文 第一章緒論 出了采用高頻高壓電源對絕緣子進行檢測試驗，建立了高頻泄漏電流幅值與絕緣 子表面狀態(tài)的關系，降低了試驗對絕緣子表面狀態(tài)的破壞，同時提高了檢測的準 確性和抗干擾性。 但是，由于影響泄漏電流的因素很多，對于在不同環(huán)境下運行的不同類型絕 緣子，泄漏電流值的變化存在較大的分散性，導致該檢測法存在一定的局限性， 需要繼續(xù)進行大量試驗研究，確定統(tǒng)一的幅值報警值。 1 2 2 泄漏電流脈沖檢測法 當絕緣子表面電阻下降、導電能力增強時，在運行電壓下泄漏電流逐漸增大， 在泄漏電流焦耳熱的作用下，潤濕的污穢層出現(xiàn)局部干燥現(xiàn)象，表面電阻局部增 大，絕緣子表面電壓分布發(fā)生改變，當干燥區(qū)電壓超過空氣擊穿電壓時就會發(fā)生 局部放電，產(chǎn)生泄漏電流脈沖。隨著絕緣子表面干燥區(qū)逐漸被擊穿，泄漏電流的 脈沖也會逐漸增加，絕緣子在發(fā)生閃絡之前會產(chǎn)生較大的局部電弧和放電脈沖， 脈沖幅值的增大以及脈沖頻率的增加是閃絡的一個征兆，表面狀態(tài)的不同導致出 現(xiàn)泄漏電流脈沖的幅值和頻率也不同【2 6 】。因此，單位時間內(nèi)脈沖電流峰值和脈沖 計數(shù)法成為泄漏電流的重要特征量，在一定程度上可以反映絕緣子的表面狀態(tài)。 單位時間內(nèi)脈沖電流峰值是指在規(guī)定時間內(nèi)測量的放電脈沖的最大值；脈沖計數(shù) 法是在將泄漏電流幅值按照規(guī)定閾值劃分為不同檔次的基礎上統(tǒng)計各個檔次出 現(xiàn)的脈沖個數(shù)。 泄漏電流脈沖測量法一方面能夠反映絕緣子表面放電和閃絡過程，另一方面 便于實現(xiàn)在線檢測，已經(jīng)成為眾多研究人員開展絕緣子狀態(tài)研究以及研發(fā)檢測裝 置的首選參數(shù)。文獻【3 7 】分析了不同老化程度下絕緣子表面放電脈沖發(fā)生的頻 度，明確了脈沖個數(shù)可以檢測各種因素對絕緣子運行狀態(tài)的影響。文獻【3 8 基于 泄漏電流脈沖幅值與數(shù)量統(tǒng)計，評估了不同霧的電導率下絕緣子的運行狀態(tài)。雖 然泄漏電流脈沖幅值與絕緣子污閃梯度之間存在負指數(shù)冪的關系【3 9 1 ，但是文獻 4 0 指出在利用泄漏電流脈沖幅值檢測絕緣子表面狀態(tài)時，需要考慮和校正各種 參數(shù)的影響，如：絕緣子結(jié)構、運行電壓波動、大氣相對濕度、霧的濃霧、污穢 程度、等。文獻【4 1 】采用非濾波方式將泄漏電流的工頻分量與脈沖分量進行了分 離，提出了脈沖個數(shù)統(tǒng)計以及脈沖放電量能夠有效研究絕緣子污穢閃絡機理。文 獻【4 2 】采用恒壓潔凈霧試驗方法分析了潮濕條件下泄漏電流脈沖個數(shù)及脈沖放 電量與污閃之間的關系，指出脈沖發(fā)生頻率與污閃存在密切聯(lián)系，在污閃發(fā)生之 前脈沖個數(shù)與放電量均呈現(xiàn)較高的上升速度。文獻 4 3 】在高海拔地區(qū)進行了玻璃 絕緣子直流污閃試驗，總結(jié)了泄漏電流脈沖幅值、數(shù)量、電量等參數(shù)隨污穢程度 的變化規(guī)律，隨著污穢程度的增加，泄漏電流脈沖特征量均出現(xiàn)一定比例的增長， 天津大學博士學位論文第一章緒論 可以作為檢測絕緣子表面狀態(tài)的重要特征參數(shù)。文獻 4 4 】在定義泄漏電流脈沖的 基礎上，在不同的污穢條件下建立了脈沖個數(shù)與大氣相對濕度的關系，對潮濕污 穢環(huán)境下的絕緣子表面狀態(tài)進行了表征。 綜上所述，研究人員對泄漏電流脈沖幅值與脈沖個數(shù)進行了大量研究，建立 了這兩個脈沖特征量與絕緣子運行狀態(tài)以及閃絡過程的關系，推動了對絕緣子表 面放電、閃絡機理及其影響因素的理解，并且根據(jù)研究結(jié)果研制了絕緣子在線檢 測裝置，有助于提高絕緣子狀態(tài)檢測的及時性與準確性。 但是，由于影響泄漏電流的因素很多且相互之間聯(lián)系較為復雜，尚不能確定 絕緣子結(jié)構特征、大氣條件等許多因素對脈沖特征的影響，泄漏電流脈沖幅值也 因此存在較大的隨機性和分散性，導致當前的研究結(jié)果存在一定的差異。同時， 由于泄漏電流脈沖計數(shù)是在脈沖幅值劃分基礎上進行的，目前尚未形成統(tǒng)一的脈 沖定義及其幅值劃分標準，脈沖計數(shù)法的研究結(jié)果及其檢測裝置都是基于各自的 脈沖定義，限制了該檢測方法的數(shù)據(jù)對比及應用。 1 2 3 泄漏電流頻域檢測法 泄漏電流值檢測法與脈沖測量法均屬于對泄漏電流時域特征進行的分析，無 法有效反映泄漏電流波形各種畸變程度下所表征的絕緣子表面放電現(xiàn)象與放電 機理。因此，國內(nèi)外研究人員利用頻域分析方法對泄漏電流頻率特性進行分析， 建立了頻譜特征與絕緣子表面狀態(tài)以及閃絡過程之間的對應關系。 當前廣泛采用快速傅立葉變換( f f t ) 和小波變換的方法對泄漏電流進行頻 域分析，將泄漏電流中的頻率組分提取出來進行分析，建立這些分量與絕緣子運 行狀態(tài)的關系。g u b a n s k i 通過分析泄漏電流頻率特征將其分為容性電流、阻性電 流和非線性電流：容性電流表明絕緣子表面具有較好的憎水性；阻性電流表明絕 緣子表面憎水性逐漸喪失形成導電通路；非線性電流表明絕緣子表面形成干燥帶 進而引發(fā)了燥帶放電，此時泄漏電流中的3 次和5 次諧波分量顯著增加【4 5 】。因此， 泄漏電流的各個頻率組分與絕緣子表面動態(tài)特征存在著一定的聯(lián)系，并且能夠反 映各種因素對絕緣子的影響。 s u d a 分別在實驗室和現(xiàn)場運行條件下測量了不同污穢程度下流過絕緣子表 面的泄漏電流，采用加有漢寧窗的f f t 變換得到了泄漏電流的頻率分布，提取 其中的基波、3 次、5 次和7 次諧波分別進行分析，提出了預防絕緣子發(fā)生閃絡 事故的諧波預警值【l8 4 6 4 7 】。k u m a g a i 采用小波變換方法提取并計算了泄漏電流3 次諧波與基波分量的比值，在分析泄漏電流波形畸變程度的基礎上，將污穢絕緣 子表面泄漏電流分為正弦分量、局部電弧以及過渡分量，通過建立各個分量下累 積電量與污穢程度的關系，評估了絕緣子表面憎水性的變化特征【1 9 】。c h e r n e y 等 天津大學博士學位論文第一章緒論 研究人員指出泄漏電流峰值和脈沖等時域參數(shù)并不能有效反映絕緣子表面狀態(tài) 以及放電現(xiàn)象與特征，進而采集了不同污穢程度和電場強度下多種結(jié)構類型絕緣 子表面的泄漏電流，利用f f t 變換方法提取泄漏電流的基波、3 次和5 次諧波分 量，通過分析各個分量的變化特征揭示了絕緣子表面的動態(tài)變化及其參數(shù)的影 響，得出了泄漏電流基波和低頻諧波分量能夠有效評估絕緣子的表面狀態(tài) 4 8 - 5 1 】。 當前，國內(nèi)研究人員也開展了一系列基于泄漏電流低頻分量的絕緣子運行狀態(tài)檢 測研究，分析相對濕度與污穢度對絕緣子表面動態(tài)特征的影響【3 6 ，5 2 。5 4 】。 從當前泄漏電流頻率分布與特征的絕緣子運行狀態(tài)檢測研究可以看出，大多 數(shù)研究人員認為泄漏電流低頻組分含有較多的信息，也就將研究主要集中在泄漏 電流的低頻組分，即基波、3 次和5 次諧波分量，而忽略了對泄漏電流其它頻率 組分，特別是高頻組分的分析。因此，韓國的研究人員提出采用泄漏電流高頻分 量檢測絕緣子運行狀態(tài)，在分析絕緣子閃絡發(fā)展各個階段泄漏電流及其頻譜特征 典型變化的基礎上，建立了泄漏電流高頻( 1 2 5k h z 一2 5k h z ) 分量隨閃絡過程 的變化特征，進而預防閃絡事故【5 5 】。 綜上所述，當前采用泄漏電流頻率分布與特征檢測絕緣子運行狀態(tài)的研究主 要基于某一部分頻率分量，同時也尚需考慮更多的影響因素，從而能夠全面系統(tǒng) 地研究絕緣子泄漏電流頻率分布以及各個頻率分量之間的關系，進一步探討基于 泄漏電流頻率特征的絕緣子狀態(tài)檢測的可行性和可靠性。 1 2 4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡檢測法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡功能對各種領域進行 認知的智能系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡的每個結(jié)點相當于神經(jīng)元，可以記憶和處理一定的信 息并與其它結(jié)點并行工作，以達到處理信息的目的。當前，神經(jīng)網(wǎng)絡廣泛應用于 模式識別、預測、控制、聯(lián)想記憶等領域，實現(xiàn)了這些領域中從大量原始數(shù)據(jù)中 定量獲取內(nèi)在、有效的規(guī)律。因此，國內(nèi)外研究人員將人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用于絕緣 子狀態(tài)檢測，特別是預測泄漏電流值預防絕緣子發(fā)生閃絡事故。 c h a k r a v o r t i 等研究人員以平板污穢絕緣子為模型，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了 閃絡時間( t ) 與施加電壓( v ) 、模型長度( l ) 和污層電阻( ) 的函數(shù)關系， 通過大量試驗數(shù)據(jù)對該網(wǎng)絡進行擬合與訓練，得出人工神經(jīng)網(wǎng)絡能夠準確評估函 數(shù)t = f l ，r o ) ，有效揭示了各個參數(shù)之間的非線性關系，進而預測閃絡發(fā)生 的時間p 6 j 。同時，神經(jīng)網(wǎng)絡也逐漸應用于診斷絕緣子電痕現(xiàn)象以及評估絕緣子 表面污穢程度。u g u r 等人研究了絕緣子表面放電、泄漏電流、干燥區(qū)情況、破壞 程度以及起始電痕的關系，通過對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練能夠?qū)崟r監(jiān)測絕緣子表面狀 態(tài)，建立絕緣子表面破壞情形的預警機制【5 引。g u b a n s k i 等研究人員采用人工神經(jīng) 天津大學博士學位論文 第一章緒論 網(wǎng)絡對泄漏電流進行模式識別，分別采用三種神經(jīng)網(wǎng)絡對泄漏電流的3 次諧波、5 次諧波進行評估，以及從表明放電中識別正弦、非線性和轉(zhuǎn)換組分，建立了泄漏 電流幅值、波形畸變程度和絕緣子閃絡預測的關系【4 5 1 。文獻 5 9 】在絕緣子人工污 穢閃絡試驗基礎上，通過閃絡過程中超聲波與泄漏電流的測量數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進 行訓練，從而有效預測閃絡的發(fā)生。d i x i t 等研究人員在a y r t o n 方程表征電弧電壓 的基礎上，通過電流值和a y r t o n 常數(shù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，建立了電弧發(fā)展三個 階段的識別模型 6 0 】。加拿大研究人員利用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)輸入到輸出的映 射功能，通過學習帶正確答案的實例集自動提取合理的求解規(guī)則，預測人工鹽霧 環(huán)境下硅橡膠絕緣子的表面泄漏電流，同時比較了單層前饋式、兩層前饋式、串 并聯(lián)疊層b p 神經(jīng)網(wǎng)絡和兩層串許聯(lián)疊層b p 神經(jīng)網(wǎng)絡訓練方法的預測錯誤比例， 表明兩層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡收斂性最好【6 l ，6 2 。k o n t a r g y r i 等研究人員通過絕緣子結(jié) 構尺寸、泄漏距離、形狀因子以及e s d d 等參數(shù)訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，經(jīng)過訓練、評估 和測試，提供了各個神經(jīng)元、激勵函數(shù)、學習率等參數(shù)下的最優(yōu)訓練算法，從而 實現(xiàn)對污穢絕緣子閃絡電壓的預測t 6 3 , 6 4 。 目前，國內(nèi)研究人員也逐漸基于神經(jīng)網(wǎng)絡的絕緣子運行狀態(tài)監(jiān)測與預測的研 究工作。文獻【6 5 】采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡對絕緣子泄漏電流進行了預測，在綜合小波 變換與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)點的基礎上，選擇小波基函數(shù)通過伸縮、平移等運算功能 對泄漏電流信號進行多尺度細化，然后采用b p 算法對選取的三層神經(jīng)網(wǎng)絡進行 訓練確定各個參數(shù)，從而建立了小波神經(jīng)網(wǎng)絡的預測模型，該模型具有更為靈活 有效的函數(shù)逼近能力和較強的容錯能力。文獻【6 6 】建立了神經(jīng)網(wǎng)絡映射下的絕緣 子閃絡電壓與覆冰厚度、氣壓、溫度等環(huán)境條件的關系，利用實驗室條件下獲取 的絕緣子污閃數(shù)據(jù)對該模型進行了訓練和驗證，分析單個以及多個環(huán)境因素對絕 緣子閃絡電壓的影響，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的輸電線路外絕緣的選取方法。 文獻 6 7 】通過研究泄漏電流的b p 神經(jīng)網(wǎng)絡預測方法，指出b p 神經(jīng)網(wǎng)絡具有結(jié)構簡 單、可靠性強的優(yōu)點，能夠有效應用于復雜系統(tǒng)的建模。文獻 6 8 】采用b p 神經(jīng)網(wǎng) 絡建立了泄漏電流最大值與相對濕度的對應關系，通過人工污穢試驗下絕緣子泄 漏電流的試驗樣本對該網(wǎng)絡進行訓練和驗證，提出了神經(jīng)網(wǎng)絡可以有效預測不同 濕度下的泄漏電流最大值。文獻 6 9 】以泄漏電流最大值、泄漏電流脈沖、相對濕 度和環(huán)境溫度為輸入?yún)?shù)，采用b p 人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了絕緣子表面等值附鹽密 度的預測模型，有助于確定污穢等級和繪制電網(wǎng)污區(qū)分布圖。 綜上所述，針對絕緣子泄漏電流自身及其影響因素的復雜性，人工神經(jīng)網(wǎng)絡 在一定程度上能夠建立絕緣子狀態(tài)預測模型，有助于分析各種因素對絕緣子的影 響，預防閃絡事故的發(fā)生。然而，訓練和驗證神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型的數(shù)據(jù)大多來自 人工污穢試驗或者變電站和線路絕緣子泄漏電流的在線監(jiān)測裝置，所獲得數(shù)據(jù)不 天津大學博士學位論文 第一章緒論 僅包括泄漏電流特征量，還有大量的環(huán)境變量，如運行電壓、環(huán)境溫度、大氣濕 度、風力和降雨等。因此，這種高維數(shù)、大數(shù)量的數(shù)據(jù)必然導致預測模型是一個 復雜的系統(tǒng)，其歷史數(shù)據(jù)包含很多因素，進而容易導致數(shù)據(jù)提取規(guī)則長度變長， 計算緩慢。同時，如果將與預測值不相關的變量引入預測模型，還可能增加預測 誤差，給全面、準確引入模型變量帶來了困難。 1 2 5 基于回歸分析的檢測方法 泄漏電流回歸分析法是在絕緣子人工試驗或者現(xiàn)場監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)基礎上， 采用數(shù)理統(tǒng)計的方法建立泄漏電流特征值、閃絡電壓及其影響因素的函數(shù)表達 式，從而對絕緣子運行狀態(tài)進行預測。由于影響絕緣子運行的因素較多，回歸分 析常常涉及兩個及以上自變量，稱為多元回歸分析法。 g o r u r 等研究人員在實驗室研究了染污絕緣子的統(tǒng)計特性，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)采 用線性回歸方法建立了絕緣子閃絡概率與施加電壓的關系，并根據(jù)此模型對現(xiàn)場 運行的絕緣子進行了評估【7 0 1 。文獻【7 1 將多元回歸分析法應用于絕緣子泄漏電流 的預測，通過測量污穢試驗下絕緣子泄漏電流及其運行參數(shù)，如：相對濕度、降 雨量、太陽輻射、環(huán)境溫度、風向以及表面污穢程度，根據(jù)泄漏電流隨這些因素 的變化規(guī)律建立自變量與變量之間的回歸方程，從而實現(xiàn)對絕緣子運行狀態(tài)的預 測。文獻【7 2 】基于絕緣子人工污穢試驗數(shù)據(jù)建立了泄漏電流與試驗時間、相對濕 度和環(huán)境溫度的回歸方程，進而分析了泄漏電流的變化與各個因素的相關性，指 出相對濕度及其持續(xù)時間對泄漏電流的影響較為嚴重。文獻【7 3 采用人工試驗與 回歸分析相結(jié)合的方法，以絕緣子表面電阻、污穢等級和泄漏距離為主要參數(shù)的 絕緣子閃絡電壓回歸方程，一方面評估絕緣子污穢閃絡特征，另一方面有助于不 同系統(tǒng)電壓下選擇合適的絕緣子。 1 2 6 基于模糊理論的檢測方法 模糊理論是在1 9 6 5 年l a z a d e h 教授創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學基礎上發(fā) 展起來的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等內(nèi)容。為 了進一步分析和判斷絕緣子運行狀態(tài)及其污閃發(fā)展趨勢，研究人員將模糊理論引 入絕緣子狀態(tài)檢測與預警系統(tǒng)，根據(jù)測量的絕緣子泄漏電流幅值、脈沖個數(shù)、相 對濕度、環(huán)境溫度等參數(shù)，利用多級模糊綜合評判方法對絕緣子進行系統(tǒng)地評價， 從而做出科學的預測和判斷。 文獻【7 4