1　引言

　　在高压输电线路上，绝缘子的老化直接威胁着电力系统的安全运行。老化绝缘子特别是零值绝缘子不但容易产生过热膨胀，导致绝缘子头部燥裂，造成断线事故，而且其闪络电压低，降低了高压线路的绝缘水平。为了实现在线检测不良绝缘子，人们采用了许多方法，其中常用的有火花叉法、光电法、静电探头法、自走式不良绝缘子电阻检测法等^［1～3］。但是,根据这些方法研制的装置在使用时都要求操作人员爬上杆塔,逐个检测塔上所有的绝缘子,其劳动强度很大。另外,火花叉在产生火花的瞬间相当于将所检测的绝缘子短路，有引起绝缘子串闪络的危险。因此，目前现场急需一种可以在地面进行检测的方法。
　　近些年来，出现了一些基于不良绝缘子产生局部放电、发出红外线、电磁波、超声波或产生异常机械振动的新方法，诸如超声波检测法^［2］、红外线检测法、多普勒效应法^［4］、脉冲电流法^［5］等。它们都是可以在地面进行检测的方法，但都还有其局限性，目前还不适用于野外使用。
　　由于基于脉冲电流法的检测手段成本低且简便易行，所以近几年来不少人在尝试着用脉冲电流法来实现对不良绝缘子的准确检测^［5～9］。从目前的研究现状来看，存在着两种不同的检测方案。第一种方案是研究一个工频周期内的电流波形，试图找出有不良绝缘子时电流波形与无不良绝缘子时电流波形之间的差异^［8，9］，但此方案还只停留在理论探讨方面。第二种方案是研究电晕脉冲的个数，通过测量多个工频周期内的脉冲个数，来识别含不良绝缘子的绝缘子串^［5，6］。但这种方案在检测方法上存在严重问题，其误判率较高。
　　利用电晕脉冲电流来检测不良绝缘子是日本人于80年代最先提出的^［5］。多年来，很多人努力研究，但结果不佳。在深入研究了绝缘子及绝缘子串电晕放电指纹(N－φ谱图)的基础上，我们提出了用绝缘子串电晕放电的指纹来检测不良绝缘子串的方法，并应用模式识别技术来判别不良绝缘子串。

2　电晕放电指纹检测不良绝缘子串的方法

2.1　用脉冲电流检测不良绝缘子串的原理

　　在正常工作情况下线路中每片绝缘子都承担一定的工作电压，当三相绝缘子串中的某串上含有不良绝缘子时，这一相绝缘子串上的电压分布会发生变化。不良绝缘子上的分担电压减小，良好绝缘子上的分担电压增加。当线路导线端某些良好绝缘子的分担电压增大时，其电晕放电的次数和强度也会有所增加，使得含有不良绝缘子的这一相所对应的电晕脉冲个数和分布与其它两相不同。因此，利用传感器从铁塔接地线中提取电流脉冲，根据这种三相电晕脉冲个数和分布不同，可以判断塔上是否存在不良绝缘子串^［5，6］。
　　在实验室中，我们对7片良好绝缘子组成的绝缘子串施加66.5 kV的电压(模拟110 kV线路单相情况)，采用罗可夫斯基高频电流传感器(1 kHz～15 MHz)从接地线上取信号, 没有测量到电晕脉冲信号。当串中含有1个零值绝缘子时，我们检测到了电晕脉冲信号；当其中含有2个零值绝缘子时，可以检测到较多的电晕脉冲。

2.2　三相不平衡法的缺点

　　在实验室条件下，110 kV良好绝缘子串及金具导线一般不发生可测的电晕放电。但是在实际的输电线路上，三相绝缘子串、金具和导线都有可能发生电晕，这时就不能仅凭电晕脉冲信号的有无来判断零值绝缘子串的存在。另外，不同生产厂家、不同生产时间、不同类型、不同线路、不同地理环境下的绝缘子的电晕情况可能各不相同，所以不能根据一段时间内所检测到的脉冲的绝对数来判断不良绝缘子串的存在。鉴于上述两方面的问题，以往的电晕电流法采用了比较三相电压相对应的三相电晕脉冲的方法^［5，6］，即采用三相不平衡方法，把对信号参数的绝对判断转化为相对判断，使脉冲电流检测法具有了一定的实用性。三相不平衡方法认为，一座铁塔上三相绝缘子串中同时含有不良绝缘子的概率很小，当某串上含有不良绝缘子时，这一相绝缘子串电晕放电的次数和强度会有所增加，因此含有不良绝缘子的这一相所对应的电晕脉冲信号就会与其他两相有所不同，因此通过判断三相脉冲个数的平衡即可得知杆塔上是否含有不良绝缘子串。
　　以往的三相不平衡方法是用现场耦合的某一信号作为基准信号，找出工频三相电压的一个零点，以这个零点为基准将工频360°相位上的脉冲等分为3段，令其代表一个周期内电晕脉冲(正或负)出现的三相相位，并进行三相脉冲个数的比较。但是，现场耦合的基准信号和工频电压零点之间存在一个相位差，此相位差不是固定的，它随线路结构、耦合方式等因素而变化。因此，在现场很难确定工频电压的零点。工频电压零点的偏差导致了分相的不准确，降低了检测的准确性和可靠性。此外，即使不存在不良绝缘子的铁塔，也会因各串上的绝缘子的电晕难易程度不同，而使三相电晕脉冲有所差异。因此，要想较准确地判断三相绝缘子串是否平衡，就不能简单的比较三相绝缘子串所对应的电晕脉冲的数目，而是要利用脉冲的个数、相位、幅值等多方面的信息和各种细微的差别，来判别不良绝缘子串。

2.3　电晕放电指纹的模式识别方法

　　根据我们的研究结果^［7］，单相绝缘子负极性电晕脉冲集中分布在外加电压210°～270°相位范围内，正极性电晕脉冲主要分布在外加电压30°～90°相位范围内。因此，在一个工频周期里，三相绝缘子串电晕脉冲信号(正或负)将形成相间120°的三组分布，它们分别代表三相绝缘子的电晕放电指纹。这个谱图一般含有三簇正脉冲和三簇负脉冲，每簇脉冲集中分布的相位宽约60°，而且两簇正脉冲或两簇负脉冲之间还有约几十度的空隙，如图1所示。图2是我们实验室中两相绝缘子串各含有一片低值绝缘子时一个周期里的电晕脉冲信号，图中两相脉冲能明显区分开来, 其中正弦波形表示所加的A相电压的相位。实验结果表明，三相绝缘子串电晕放电指纹具有不同的模式，正常三相绝缘子串的电晕放电指纹模式与含有零值绝缘子的绝缘子串模式不同。基于上述结果，在检测时可以不必寻找工频电压零点，不必再将360°相位等分为3份，也不必明确区分出三相电晕脉冲簇，而是把一个工频周期内电晕脉冲的统计分布(指纹)看作一种模式，提取此模式的特征向量，采用模式识别的方法来判断零值绝缘子串的存在。

图1　三相电晕脉冲相位分布示意图
Fig.1　Sketch of phase distribution of
three phases of corona pulses

图2　两相绝缘子串中各含有一片低值绝缘子时
一个周期里的电晕脉冲信号
Fig.2　The corona pulses in one periodic when two
strings have a low resistance insulator respectively

　　在实验室中，笔者对大于某一电平的三相绝缘子串电晕脉冲进行了大量统计(500个周期)，做出脉冲个数与相位的关系曲线(N－φ谱图)，并与某一窗函数进行卷积，得到了一种能够明确体现电晕模式的曲线。在无不良绝缘子时，没有统计到脉冲，此曲线是一条幅值为零的直线；在某相含有一片零值绝缘子时，此曲线有2个极大值，如图3所示。在某两相分别含有一片零值绝缘子和一片低值绝缘子时，此曲线有4个极大值，如图4所示。这些结果说明，用模式识别来区分电晕放电的指纹进而判断零值绝缘子串的存在是可行的。

图3　电晕模式之一
Fig.3　One kind of corona pattern

图4　电晕模式之二
Fig.4　Another kind of corona pattern

3　脉冲电流法灵敏度的研究

　　在实验中，笔者发现有5个因素对脉冲电流法的检测灵敏度产生影响：①是不良绝缘子的阻值。不良绝缘子的阻值越低，检测灵敏度越高。②是不良绝缘子在绝缘子串中的位置。不良绝缘子越靠近导线侧，加在正常绝缘子上的电压越高，绝缘子电晕越强烈，检测灵敏度越高。③是绝缘子串长度对检测灵敏度的影响。绝缘子串的片数越多，放电检测回路的阻抗越大，检测灵敏度越低。④是正常绝缘子电晕特性对检测灵敏度的影响。正常绝缘子的起晕电压越低，检测灵敏度越高。⑤是空气湿度的影响。我们的实验研究表明，空气湿度对正常绝缘子的电晕特性有一定影响，湿度增大时，绝缘子电晕脉冲个数减小，从而检测灵敏度将有所降低。

4　现场干扰的分析

4.1　现场干扰的来源及分析

　　一般来讲，现场干扰主要来源有：①流过铁塔接地线工频泄漏电流和谐波电流；②电力系统载波通讯电流、广播电台无线电波感应电流；③金具和导线的电晕；④来自邻近杆塔和变电所的脉冲干扰。
　　对于工频泄漏电流和谐波电流，因其频率很低，可以利用滤波器滤除。对于金具和导线的电晕，因金具和导线都是按晴朗天气下不电晕设计的，电晕脉冲较少，而且同一杆塔上的金具和导线一般具有同等的环境，即使发生电晕，也会基本保持平衡状态，并不影响检测结果。对于来自邻近杆塔和变电所的脉冲干扰，由于线路的衰减作用，其幅值很小，也不会对检测结果造成大的影响。唯有载波信号，其幅值很大，而且频率分散，是最大的干扰。

4.2　信号频带的选取

4.2.1　电晕脉冲的频谱
　　实验室所测到电晕脉冲波形的上升沿约为50 ns，宽度约为250～400 ns。有些脉冲波形显现非周期衰减，上升速度和衰减速度较慢，幅值较小；有些波形显现振荡衰减，上升速度和衰减速度较快，幅值较大。由测量的电晕脉冲信号的频谱可知，电晕脉冲的主要能量分布在20 MHz以内。
4.2.2　线路载波的频谱
　　我们用钳形电流传感器结合DL1540L型数字示波器(带宽150 MHz，最高采样频率200 MHz)对北京海淀区清河变电站附近的旺丰、清极和清沙旗支等线路的多个铁塔、水泥塔进行了测量，所测到的典型载波信号及其频谱如图5、图6所示。

图5　110kV水泥塔接地线载波信号
Fig.5　The carrier signal on the ground line
of a cement tower of 110 kV

图6　图5中载波信号的频谱
Fig.6　The frequency spectrum of the
carrier signal in Fig.5

　　从图中可以看出，载波信号由多个频率不同、幅值不同的正弦波迭加而成，它对电晕脉冲电流信号来说是巨大的干扰，而且其频带范围较广，各个频段的中心频率也随时间、线路、地区的不同而不同。现有的一些检测局部放电的装置多选用干扰频带以外的某个很窄频带来检测信号。由于载波频率的不确定性，这种方式难以应用于线路不良绝缘子的检测。为了尽量提取脉冲信号的成分，我们选用2 MHz以上的频带作为检测频带。

5　脉冲电流法在实际检测中的应用

5.1　不良绝缘子检测仪的构成及性能

　　根据上述对脉冲电流法的分析，我们研制了一台不良绝缘子检测仪，其原理框图如图7所示。流经铁塔接地线的绝缘子电晕脉冲电流信号被宽带传感器获取，经高通滤波器滤除载波干扰信号，并经过宽带放大器的放大，再由模数转换器转换成数字量，经统计分析，形成放电模式，再经过模式识别，得出结论，最后显示检测结果。

图7　检测仪原理框图
Fig.7　The sketch of the instrument

　　此检测仪体积小、重量轻，利用电池供电，完全适用野外寻线时便携使用。它利用钳形电流传感器从杆塔接地线上获取信号，不用登塔，在地面即可迅速完成对塔上所有绝缘子的检测，操作简便。

5.2　现场检测结果

　　1998年8月20日，利用笔者的检测仪对河南濮阳供电局岳范线(110 kV)65号水泥塔进行了检测，没有检测到不良绝缘子，电晕脉冲的个数与相位关系曲线是一直线。用火花叉登塔检测，也未发现不良绝缘子。然后用火花叉短路线路侧第一片绝缘子，再用检测仪进行检测，电晕的模式与图3所示的模式相似，表明有不良绝缘子存在。
　　1999年5月7日，利用笔者的检测仪对兰州供电局的一些线路进行了检测，发现开河二线的一些铁塔上含有不良绝缘子。例如，9号铁塔的电晕模式属于含不良绝缘子的电晕模式(见图8)，之后用火花叉登塔检测，发现此塔上存在一个零值绝缘子，初步证明了指纹检测方法的可行性。目前笔者的研究结果还只适用于110 kV的线路，今后的研究需针对更高电压等级的线路。

图8　9号铁塔的电晕模式
Fig.8　The corona pattern of tower No.9

6　结论

　　(1)通过研究绝缘子串电晕放电的特征，提出了用电晕脉冲的放电指纹(N－φ谱图)检测不良绝缘子串的方法。
　　(2)运用模式识别方法可消除不准确分相引起的误差，降低误判率。
　　(3)脉冲电流法的检测灵敏度与5种因素有关。
　　(4)通过对载波等现场干扰及抗干扰措施的分析，研制了1台智能化便携式检测样机，并在现场110 kV线路试用中取得了较好结果，证明了指纹检测方法的可行性，使脉冲电流法检测不良绝缘子串的研究得到了发展。
　

参考文献：

［1］　柏克寒. 带电作业［M］.北京：水利电力出版社，1988.
［2］　和田、昱二. 电气设备诊断技术及其自动化［M］.北京：机械工业出版社，1990.
［3］　毛凤麟. GYF系列光纤语音报数式分布电压测试器［J］. 高电压技术，1995，21(3)：75.
［4］　Takehiko. Development of a remote sensing system for faulty suspension insulators［J］. Proceedings of 1994 International Joint Conference： 26th Symposium on Electrical Insulating Material, JC2-8：467.
［5］　竹田正敏. 脉冲放电电流式输电线不良绝缘子检测器及其使用方法［J］. 电气计算，1980：64.
［6］　金洪章. 超高压线路用脉冲法检测不良绝缘子的研究［J］. 高电压技术，1984，10(4)：42.
［7］　施倩. 用脉冲电流法检测零值绝缘子的实验研究［D］. 北京：华北电力大学，1998.
［8］　李天云. 应用现代时间序列分析理论诊断绝缘子的新方法［J］. 高电压技术，1992，18(2)：33～35.
［9］　李卫东. 基于人工神经网络的故障绝缘子诊断新方法［J］. 高电压技术，1994，20(3)：24～27.