絕緣在線監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)課論文第五組——高壓絕緣子在線監(jiān)測(cè)

1、高壓絕緣子在線檢測(cè)技術(shù)摘要：高壓絕緣子是電力系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)組成部分，其性能、工作環(huán)境、絕緣狀況等這些要素對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性的作用。本文就高壓絕緣子的工作環(huán)境、常見(jiàn)故障和檢測(cè)方法進(jìn)行了論述，對(duì)一些常用的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了具體的分析。關(guān)鍵詞：高壓絕緣子 在線監(jiān)測(cè) 電壓分布 泄露電流1高壓絕緣子概述高壓絕緣子、高壓套管的基本用途是在電力系統(tǒng)中或電氣設(shè)備中將不同電位的導(dǎo)體在機(jī)械上固定起來(lái)。架空線路的導(dǎo)線、變電所的母線和各種電氣設(shè)備的帶電體，都需要用絕緣子或套管支撐，使之與大地或接地物絕緣，以保證安全可靠的輸送電能。1.1 絕緣子分類按結(jié)構(gòu)形式可分為針式絕緣子、棒式絕緣子和懸式絕緣子。

2、按功能可分為普通型絕緣子和防污型絕緣子。 按使用材料可分為瓷質(zhì)絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和有機(jī)硅人工合成絕緣子等。1.2 絕緣子的工作環(huán)境高壓絕緣子暴露于大氣中并長(zhǎng)期工作在強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力、驟冷驟熱、風(fēng)吹雨打等惡劣環(huán)境中, 因此絕緣子出現(xiàn)故障的機(jī)率很大, 嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)110kV 線路發(fā)生不明原因閃絡(luò)所占的比例為故障率的22% , 造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。1.3 絕緣子常見(jiàn)的問(wèn)題一般來(lái)說(shuō)絕緣子故障主要有以下幾個(gè)方面: 絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)裂隙、絕緣子表面破損、絕緣阻抗降低、污閃等, 絕緣子種類不同, 出現(xiàn)故障時(shí)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象也不同。如: 絕緣子串中存在不良絕緣子時(shí),不良半導(dǎo)體釉絕緣子

3、溫度變化可能較大, 而玻璃絕緣子和普通釉絕緣子的溫度變化較小。相應(yīng)的高壓絕緣子在線檢測(cè)方法也多種多樣, 絕緣子分布的廣泛性和安裝點(diǎn)的特殊性更增加了絕緣子檢測(cè)的難度。因此，實(shí)現(xiàn)絕緣子在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于整個(gè)電網(wǎng)以至于整個(gè)電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都是一件非常有價(jià)值的事情。2 絕緣子的測(cè)量方法高壓絕緣子在線檢測(cè)的主要方法一般分為兩類: 一類是非接觸式檢測(cè)法, 另一類是接觸式檢測(cè)法。2.1 非接觸式檢測(cè)法主要包括超聲波檢測(cè)法、激光多普勒振動(dòng)法、紅外測(cè)溫法、電暈攝像機(jī)法、聲波檢測(cè)及無(wú)線電波檢測(cè)法等。其檢測(cè)原理、主要設(shè)備及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。2.2 接觸式檢測(cè)法接觸式檢測(cè)法按工作原理主要有電壓分布法、泄漏電流檢測(cè)法及脈沖電流檢測(cè)

4、法等。表1非接觸式絕緣子在線檢測(cè)方法比較檢測(cè)方法檢測(cè)原理主要設(shè)備優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)超聲波檢測(cè)法當(dāng)絕緣子存在裂隙, 超聲波進(jìn)入或穿過(guò)絕緣子時(shí), 會(huì)在裂隙處發(fā)生反、折射和模式變換。通過(guò)對(duì)接收到的超聲波進(jìn)行處理可檢測(cè)出劣質(zhì)絕緣子超聲波發(fā)射及接收裝置可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)出開(kāi)裂的絕緣子對(duì)未開(kāi)裂絕緣子不起作用;超聲波本身存在耦合和衰減;需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè)激光多普勒振動(dòng)法開(kāi)裂絕緣子的振動(dòng)中心頻率與正常絕緣子不同激光多普勒振動(dòng)儀對(duì)開(kāi)裂絕緣子的檢測(cè)效果明顯對(duì)未開(kāi)裂絕緣子不起作用;設(shè)備造價(jià)很高, 體積龐大, 笨重, 操作及維修復(fù)雜, 不適于野外作業(yè);需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè)紅外測(cè)溫法利用絕緣子表面電流引起的熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量紅外熱象儀對(duì)半導(dǎo)

5、體釉絕緣子的檢測(cè)效果明顯設(shè)備造價(jià)高; 對(duì)玻璃絕緣子及普通釉的瓷絕緣子檢測(cè)效果不明顯;環(huán)境對(duì)檢測(cè)效果影響大;需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè)聲波檢測(cè)法不良絕緣子放電發(fā)出聲波, 根據(jù)聲波的強(qiáng)弱、有無(wú), 可判斷是否存在劣質(zhì)絕緣子聲波接收裝置設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便受環(huán)境背景噪聲影響很大;需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè), 且有時(shí)需登桿登塔無(wú)線電波檢測(cè)法不良絕緣子放電發(fā)出電磁波, 根據(jù)接收電磁波天線的方向及電磁波的強(qiáng)度來(lái)判斷是否存在劣質(zhì)絕緣子電磁波接收裝置設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便抗干擾能力差、靈敏度低;需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè)電暈攝像機(jī)法不良絕緣子的存在使其他正常絕緣子上的電暈現(xiàn)象增強(qiáng)電暈攝像機(jī)可以清晰地測(cè)到電暈放電而不受陽(yáng)光輻射的影響對(duì)內(nèi)部放電觀察不到;

6、設(shè)備造價(jià)較高;需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)檢測(cè)2.3 幾種常見(jiàn)的在線監(jiān)測(cè)方法的分析2.3.1 絕緣子電壓分布在線監(jiān)測(cè)目前很多實(shí)驗(yàn)和理論研究已經(jīng)證明, 正常絕緣子串的電壓分布為不完全馬鞍型, 即靠近導(dǎo)線處絕緣子所承受的電壓最高, 約為接地端絕緣子所承受電壓的1.7 3.0 倍2 , 而絕緣子串中間部分所承受的電壓最低。當(dāng)出現(xiàn)不良絕緣子時(shí), 絕緣子串上的電壓將重新分布, 如把實(shí)際測(cè)得電壓分布與正常時(shí)絕緣子串上的電壓分布作比較, 有利于判斷不良絕緣子是否存在。目前國(guó)內(nèi)利用電壓分布原理進(jìn)行絕緣子檢測(cè)的方法較多，主要有短路叉法、火花間隙法、光電式檢測(cè)桿法、聲脈沖檢測(cè)法等。短路叉法及火花間隙法3 是早期絕緣子檢測(cè)的主要方

7、法。短路叉法是依靠單片絕緣子短路時(shí)所發(fā)出的火花及放電聲音來(lái)檢測(cè)不良絕緣子的。測(cè)試結(jié)果受周圍環(huán)境背景噪聲影響很大, 且因測(cè)試人員的判斷不同而異?；鸹ㄩg隙法是用可調(diào)間隙來(lái)測(cè)量每片絕緣子上的電壓, 主要缺點(diǎn)是讀數(shù)分散性大。兩種方法最主要的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備原理簡(jiǎn)單、操作方便; 最大的缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度低, 且都要登桿登塔, 因而勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高。2.3.2光電檢測(cè)桿法光電檢測(cè)桿法是隨著纖技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。主要原理是將高壓探頭上的感應(yīng)電壓經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成光信號(hào), 經(jīng)絕緣桿內(nèi)部的光纖傳到低壓側(cè), 經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量危險(xiǎn)性小、絕緣子串電壓分布能夠直觀地測(cè)量出來(lái), 不足之處仍需到現(xiàn)場(chǎng)逐個(gè)進(jìn)行

8、測(cè)量,且需登桿登塔。2.3.3 聲脈沖檢測(cè)法聲脈沖檢測(cè)法的主要原理是某片絕緣子上電壓通過(guò)兩個(gè)探頭組成的回路對(duì)電容器充電, 然后經(jīng)放電管和揚(yáng)聲器放電, 揚(yáng)聲器發(fā)出聲波的頻率及發(fā)聲間隔隨兩個(gè)探頭之間電壓變化而變化, 因此根據(jù)測(cè)量揚(yáng)聲器所發(fā)出的聲脈沖周期及頻率來(lái)檢測(cè)沿絕緣子的電壓分布。2.3.4 電暈脈沖式檢測(cè)器在輸電線路運(yùn)行中，絕緣子串的連接金具處會(huì)產(chǎn)生電暈，并形成電暈脈沖電流通過(guò)鐵塔流入地中。電暈電流與各相電壓相對(duì)應(yīng)，只發(fā)生一定的相位范圍內(nèi)。若把正負(fù)極性的電流分開(kāi)，則同極性各相的脈沖電流相位范圍的寬度比各相電壓間的相位差還小。采用適當(dāng)?shù)南辔贿x擇方法便可以分別觀測(cè)各相脈沖電流。對(duì)各相電暈脈沖分別進(jìn)

9、行計(jì)數(shù)，并選出最大最小的計(jì)數(shù)值，取兩者的比值(最大最小)作為差別依據(jù)。當(dāng)同一桿塔的三相絕緣子串無(wú)不良絕緣子時(shí)，各相電暈脈沖處于平衡狀態(tài)，此時(shí)比值接近于1；當(dāng)有不良絕緣子時(shí)，則各相電暈脈沖處于不平衡狀態(tài)，該比值將與1有較大偏差。電暈脈沖式檢測(cè)器就是根據(jù)此原理研制的。2.3.5 紅外熱像儀檢測(cè)法不良絕緣子與良好絕緣子的表面溫度存在差異，盡管這種差異很小，但應(yīng)用紅外熱像儀可以將絕緣子表面的溫度分布直觀、形象的熱像圖顯示出來(lái)。正常運(yùn)行中，不良絕緣子由于電壓低于正常絕緣子，導(dǎo)致不良不良絕緣子的表面溫度低于正常絕緣子，利用紅外熱像儀可以測(cè)量出這種溫度差異。被測(cè)物體輻射能量高低(溫度大小)通過(guò)先進(jìn)的紅外探測(cè)

10、器在儀器內(nèi)部感應(yīng)而形成熱分布圖像,能量輻射(溫度)高的部分圖像就亮,反之則稍暗。紅外圖像即是對(duì)溫度靈敏的圖像,紅外圖像的亮暗直接反應(yīng)出物體溫度的高低,兩者成遞增比例關(guān)系。憑借成像的明亮并配以兩者遞增比例關(guān)系公式計(jì)算,就能診斷出物體溫度的高低,從而判斷電力運(yùn)行設(shè)備是否有缺陷問(wèn)題。紅外熱像儀工作原理見(jiàn)圖1。圖1紅外熱像儀工作原理圖2.3.6 激光震動(dòng)檢測(cè)法激光多普勒振動(dòng)法是利用已開(kāi)裂的絕緣子的振動(dòng)中心頻率與正常時(shí)不同的特點(diǎn), 通過(guò)外力如敲擊鐵塔或?qū)⒊暡òl(fā)生器所產(chǎn)生的超聲波用拋物型反射鏡對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子,或用激光源對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子, 以激起絕緣子的微小振動(dòng), 然后將激光多普勒儀發(fā)出的激光對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子

11、, 根據(jù)對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)的頻譜的分析, 從而獲得該絕緣子的振動(dòng)中心頻率值, 據(jù)此判定該絕緣子的好壞。目前已有可能在現(xiàn)場(chǎng)用此法對(duì)50m以內(nèi)的絕緣子實(shí)現(xiàn)遙測(cè)。由于該儀器對(duì)未開(kāi)裂的絕緣子檢測(cè)無(wú)效以及操作復(fù)雜、體積龐大、笨重、使用維修復(fù)雜、造價(jià)高等缺點(diǎn), 沒(méi)有廣泛使用。3 高壓絕緣子污穢度的在線監(jiān)測(cè)近年來(lái), 我國(guó)大氣污染加劇, 變電站和輸電線路污閃問(wèn)題日趨嚴(yán)重。污閃事故所造成的損失卻是雷擊事故的10倍。全國(guó)六大電網(wǎng)幾乎都發(fā)生過(guò)大面積污閃,造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。特別是2003年8月發(fā)生的美、加停電事件, 又為中國(guó)電網(wǎng)安全敲響警鐘。3.1 目前常用的絕緣子污穢測(cè)量方法：絕緣子等值鹽密法( ESDD ) 是

12、用一定量的蒸餾水將一定面積瓷表面上的污穢物全部清洗掉,用適當(dāng)?shù)膬x器測(cè)量污穢溶液的鹽密值, 通過(guò)計(jì)算等值鹽密可直觀衡量污穢程度。但由于目前尚無(wú)測(cè)量固體化學(xué)成分的傳感器, 因此無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其成分變化和絕緣子的電氣狀況。污層電導(dǎo)率定義為絕緣單位表面污層的電導(dǎo)值, 實(shí)際上是由加在污層上的電流與電壓之比求出的電導(dǎo)與絕緣子的形狀系數(shù)相乘求得。為測(cè)量污層表面電導(dǎo), 應(yīng)在污層飽和受潮條件下, 在絕緣子上加適當(dāng)高的工頻電壓, 測(cè)其泄漏電流, 從而求得電導(dǎo)。但上述測(cè)量分散性較大, 受污穢分布不均勻和溫度變化的影響大, 測(cè)量比較麻煩。污閃電壓及污閃梯度是表征絕緣子性能的理想的污穢參數(shù), 現(xiàn)場(chǎng)污穢試驗(yàn)還能真實(shí)地測(cè)

13、得絕緣子污閃性能。但由于自然污穢和積污水平達(dá)到臨界狀態(tài)與引起污閃的氣象條件的產(chǎn)生不一定同時(shí)存在, 往往是污穢已經(jīng)達(dá)到臨界水平但沒(méi)有出現(xiàn)充分的潮濕條件而測(cè)量不到臨界污閃電壓, 因而進(jìn)行閃絡(luò)電壓的測(cè)量還應(yīng)結(jié)合其他污穢度參數(shù)的測(cè)量。因其試驗(yàn)設(shè)備容量大, 試驗(yàn)不方便, 現(xiàn)場(chǎng)桿塔一般不具備試驗(yàn)條件。3.2 泄露電流在線監(jiān)測(cè)技術(shù)3.2.1 信號(hào)采集前臺(tái)系統(tǒng)采集絕緣子泄漏和脈沖電流(檢測(cè)重點(diǎn))及環(huán)境大氣狀態(tài)(溫度、濕度、壓力，可由溫濕傳感器及氣壓傳感器測(cè)得)等數(shù)據(jù)。診斷控制現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)一般僅用一個(gè)傳感器檢測(cè)，除記錄泄漏電流幅值外，有的還提取疊加在測(cè)得的電流波形上面的脈沖個(gè)數(shù)，這種方法顯然不能保證完全采集到脈

14、沖電流。在本系統(tǒng)中采用兩個(gè)不同特性的傳感器分別采集處理泄漏電流和脈沖電流，以提高故障判斷的準(zhǔn)確性。本文則用如下方法：在一片絕緣子表面加裝一個(gè)金屬環(huán)，并將此絕緣子安裝在絕緣子串靠近桿塔的一側(cè)，金屬環(huán)收集電流信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜后經(jīng)桿塔入地。泄漏電流和脈沖電流傳感器均采用穿芯式結(jié)構(gòu)，套在屏蔽電纜的芯線上，安裝于現(xiàn)場(chǎng)單元的屏蔽箱中(見(jiàn)圖2)。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的前臺(tái)部分均置于屏蔽箱中。固定在輸電線路的桿塔上。圖2 泄露電流和脈沖電流傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖泄露電流在線監(jiān)測(cè)的基本步驟由于絕緣子的泄漏和脈沖電流分開(kāi)采集，不需要從泄漏電流中分離出高頻的脈沖電流，因此對(duì)泄漏電流傳感器在頻率方面無(wú)太高要求，而脈沖電流傳感

15、器工作在高頻段，其性能基本上由磁芯高頻特性決定，應(yīng)損耗小、頻帶寬。超微晶體磁芯材料適于這種微小高頻電流的測(cè)量：積分電阻100 歐、匝數(shù)約10匝的傳感器靈敏度可達(dá)10 VA，頻率范圍7 kHz25 MHz，可用于測(cè)量絕緣子脈沖電流。由于電流傳感器輸出信號(hào)十分微弱，在確?？垢蓴_措施的前提下須行調(diào)理，如放大和濾波(其電路要求頻帶寬、輸入阻抗高、足夠的放大倍數(shù))等，再經(jīng)高速AD單元轉(zhuǎn)換，然后送數(shù)據(jù)處理中心處理。3.2.2 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理中心由TMS320F206型的DSP芯片構(gòu)成，芯片單周期指令執(zhí)行時(shí)間50 ns，即速度達(dá)2010。條s，在此參數(shù)下消耗功率可低到005 mW。數(shù)據(jù)處理分以下幾部：3.

16、2.2.1 信號(hào)去噪電流傳感器輸出的微弱信號(hào)極易被周圍的強(qiáng)電信號(hào)及高頻噪聲干擾，故除傳感器引線采用屏蔽電纜外，還采取自適應(yīng)噪聲對(duì)消法去干擾”原理(見(jiàn)圖3)是將一個(gè)或幾個(gè)傳感器放在絕緣子周圍的噪聲場(chǎng)中，保存采集的噪聲信號(hào)，然后將從測(cè)得的帶噪聲的電流信號(hào)減去噪聲信號(hào)。3.2.2.2 泄漏電流信號(hào)的處理處理泄漏電流需要記錄它平均值及最大值，據(jù)其隨時(shí)間的變化可看出該地區(qū)絕緣子污穢程度隨時(shí)間的變化，并為確定其絕緣子污穢水平和及時(shí)清掃提供依據(jù)。測(cè)得的數(shù)據(jù)放入DSP的存儲(chǔ)區(qū)等待元線發(fā)送。3.2.2.3 脈沖電流信號(hào)的處理及其仿真據(jù)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，局部放電脈沖、電暈脈沖和泄漏電流脈沖群3種脈沖電流的幅值

17、分別在pA級(jí)、pAmA級(jí)和幾十幾百mA級(jí)。采集到的電流脈沖可按幅值大小設(shè)定多個(gè)闊值并記錄各閾值范圍內(nèi)的電流脈沖數(shù)，根據(jù)指定周期內(nèi)出現(xiàn)的脈沖數(shù)量即可判斷絕緣子是否出現(xiàn)故障以及故障的類型。所測(cè)數(shù)據(jù)同樣放入DSP的儲(chǔ)存區(qū)，等待無(wú)線發(fā)送。脈沖電流信號(hào)的處理仿真過(guò)程如下： 真高壓絕緣子各種故障對(duì)應(yīng)的脈沖電流(見(jiàn)圖4)。設(shè)定5個(gè)閥值(即“。I；t?！埃何嚒?，且且的脈沖數(shù)。根據(jù)各閾值范圍內(nèi)脈沖數(shù)的變化判斷絕緣子是否出現(xiàn)故障以及故障類型，信號(hào)處理結(jié)果見(jiàn)表1(h為電流脈沖幅值)?？偨Y(jié)：高壓絕緣子作為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其性能的好壞以及運(yùn)行中的絕緣子工作態(tài)是否良好，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大影響。傳統(tǒng)的絕緣

18、監(jiān)測(cè)是在離線的狀態(tài)下進(jìn)行的，但有時(shí)候不能正確的反映絕緣子的好壞及工作狀態(tài)。而對(duì)其是我在線檢測(cè)技術(shù)就能實(shí)時(shí)的反應(yīng)絕緣子的工作狀況及是否已經(jīng)損壞等。所以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓絕緣子的在線監(jiān)測(cè)對(duì)檢測(cè)絕緣子的工作狀態(tài)，及提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性都有很大的意義。本文就高壓絕緣子在線監(jiān)測(cè)的幾種常用的方法進(jìn)行了論述。主要包括有關(guān)絕緣子的接觸式在線監(jiān)測(cè)方法和非接觸式的在線檢測(cè)方法，其中主要介紹了利用紅衛(wèi)熱像儀實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子的在線檢測(cè)方法。編者認(rèn)為利用紅衛(wèi)熱像儀檢測(cè)絕緣子地方法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，且紅衛(wèi)熱像儀技術(shù)已經(jīng)成熟。絕緣子的工作環(huán)境對(duì)其壽命及工作狀態(tài)的影響也非常大，出對(duì)絕緣子的在線監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行論述外還需就其工作環(huán)境對(duì)其性能的影響方面進(jìn)行論述，筆者詳細(xì)介紹了幾種常用的絕緣子污穢本度的檢測(cè)方法。其中重點(diǎn)介紹了利用檢測(cè)絕緣子的泄露電流來(lái)反映絕緣子還壞的方法及原理。 在此，非常感謝張飛老師在此過(guò)程中的指導(dǎo)和幫助！參考文獻(xiàn)：【1】 嚴(yán)璋1 電力絕緣在線檢測(cè)技術(shù)M 1 北京: 中國(guó)電力出版社, 1995.【2】 王雪, 張冠軍, 嚴(yán)璋 國(guó)內(nèi)高壓絕緣子在線檢測(cè)方法綜述B(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西西安).【3】 張冠軍1，2，王雪1，莫娟1，嚴(yán)璋1 高壓絕緣子遠(yuǎn)程在線檢測(cè)診斷系統(tǒng)