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摘 要:评述绝缘子在线检测的各种方法的测量原理、信号处理手 段及判别方法的特点,并提出几种信号处理的方法及实际测量装置的设计构想。
关键词:绝缘子;测量方法;在线检测
分类号:TM216 文献标识码:A
文章编号:1003-8337(2000)02-0003-06
1 引言
安装在输电线路上的绝缘子,在运行过程中因长期经受机电负荷、日晒雨淋、冷热变化等作 用,可能出现绝缘电阻降低、开裂甚至击穿等故障,对供电可靠性带来潜在威胁,因此,绝缘子 在线检测意义重大。
线路绝缘子的在线检测,因其安装位置的特殊性及分布区域的广泛性,向来是绝缘在线监测的 一 个难点。若干年来,国内外一直在寻找有效的解决办法［1］［2］,至今已有以超声 波检测法、激光多普勒振动法及红外热象仪法为代表的非电量测量法和以电压分布检测法、 绝缘电阻法及脉冲电流法为典型的电量测量法,被尝试用于解决绝缘子在线检测问题。
2 非电量测量法
激光多普勒振动法是利用已开裂的绝缘子的振动中心频率与正常时不同的特点,通过 外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘子,或用激 光源对准被测绝缘子,以激起绝缘子的微小振动,然后将激光多普勒仪发出的激光对准被测绝 缘子,根据对反射回来的信号的频谱的分析,从而获得该绝缘子的振动中心频率值,据此判定 该绝缘子的好坏。
超声波检测法是基于当超声波从一种介质进入到另一种介质的传播过程中,在两介质的交界 面发生反射、折射和模式变换(纵、横波转换)的原理实现的。通过接收超声波发生器(称为 换能器)发出的脉冲超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝缘子的 位置区间。当绝缘子出现“开裂”时,则在接收到的反射波的时间轴上将出现该缺陷的反射 波,由时间轴上的该缺陷波的大小及位置,即可判断出缺陷在绝缘子中的具体情况。
超声波检测法和激光多普勒振动仪法可检定出开裂绝缘子,对于具有“零值自爆”特性的玻 璃绝缘子的在线检测确有高效。日本在这一领域研究较多,也取得了一定的进展［3］-［6］;但超声波检测法存在的耦合和衰减及超声波换能器的性能问题在远距 离遥测上目前未有大的突破,尚处于摸索阶段,该类设备目前主要用于企业生产的在线检测及 实验室检定。激光多普勒振动仪体积庞大、笨重、使用及维修复杂、造价高等缺点及两种检 测法对未开裂的劣值绝缘子检测无效的问题,限制了这两种检测法的适用范围。
利用绝缘子表面的热效应原理进行在线检测的红外热象仪法［7］,对于涂有半 导体釉 的耐污绝缘子的遥测相当有效。因为此类绝缘子在线带电运行时,正常绝缘子的表面电流较 大、温升较高,而劣值绝缘子的表面温度比正常绝缘子低好几度,用红外热象仪易于识别;但 对于玻璃绝缘子或普通釉的瓷绝缘子,其正常的表面温度比劣值的表面温度仅相差1℃左右, 在复杂的现场环境下,测量极其困难,而红外热象仪高昂的造价亦令众多用户对其性能价格比 难以接受。基于此,下面我们将重点讨论电量法绝缘子在线检测技术。
3 电量检测法
3.1 电压分布检测法
电压分布检测法是一种传统的绝缘在线检测方法。近年来随着传感器技术的发 展,该法也被赋予了新的内容。基于泡克尔斯(Pockels)效应的光纤电压(场强)传感器能在基 本上不改变绝缘子串电场强度分布的情况下,准确测定各绝缘子的电压分布情况,克服了短路 叉法、火花间隙法测量准确度低、读数分散性大的缺点,同时也消除了静电电压表法测量改 变绝缘子串电压分布的不足。
在信号处理方面,目前普遍采用将测量结果经电光转换后通过绝缘杆内的光纤传输到低压端, 再转换成电信号读数［8］［9］或直接将测量结果转换成语音信号报出［10］［11］的方法。
至于劣值绝缘子的判定,目前众多的理论研究及实验均已证明［12］-［14］:正常绝 缘子串的电压分布呈不完全马鞍型,即在每串绝缘子中靠近导线侧的绝缘子承受电压最高,约 为靠近接地端绝缘子承受电压的1.7倍～3.0倍,而以中间部分承受电压最低;但两相邻绝缘 子之间承受电压之比则大致在1.1～1.3之间,因此,用相邻比较法即能较好地判断出低劣值 绝缘子。国内目前一般以相邻绝缘子电压比低于50%作为劣值绝缘子的判断标准［15］,或采用纵向比较法即与该绝缘子 串上次所测电压分布相比较的方法判别劣值绝缘子。
电压分布检测法的特点在于直观、能准确地判断绝缘子性能的变化。光学测量方法消除了以 前测量方法的准确度不高、读数困难等缺点,虽然已研制出自爬式绝缘子检测仪［8］［16］,相对减轻了现场操作人员的劳动强度,但每次测量必须登高才能完成,操 作人员的劳动强度依然较大、工作安全性较差的缺点仍然令这种方法难以得到广泛应用。如何解决好这一 问题将是该法今后应用研究的主要课题。
3.2 绝缘电阻法
绝缘子在线检测中,绝缘电阻的测量是通过泄漏电流的测量得以实现的。
众所周知,高压输电线路绝缘子一般都采用结构简单、机械强度高、老化率低的盘形悬式绝 缘子串接成串后,可在任意电压等级的输电线上使用,其等效电路可用RC串并联电路表示［17］,如图1所示。
图1 绝缘子串等效电路图
正常时,泄漏电流为毫安级,当绝缘子串中有零值或低值绝缘子时,其对地泄漏电流的 值将发生较大的变化。该变化值依绝缘子劣化的程度及个数而异,但通过检测灵敏度及准确 度较高的电流传感器是完全可以准确判断的,文献［18］在实验室证明了这一点。
文献［19］介绍了一种输电线路绝缘子在线监测的方法。它将测量到的泄漏电流值以无线通 讯的方式传送到处理中心进行信息处理,实现了对线路绝缘子的遥测;但该法存在的一个重大 缺陷在于要在每个绝缘子串上安装一套检测装置,成本过高,在实际应用中推广是用户难以承 受的,且装置的维护、检修需停电才能进行。
目前已研制出多种适用于泄漏电流测量的实用的电流传感器［20］［21］。它们在泄 漏电流的测量准确度方面毫无问题,但绝缘电阻法存在的问题并非完全在于电流的准确测量, 它还取决于以下几个因素:
①输电线路的电压变化直接影响到泄漏电流的大小,且电压的变化引起的电流改变值在理论 上足以与一至二个绝缘子劣化时的电流改变值相当。
②绝缘子的泄漏电流与其表面的污秽程度密切相关［22］-［24］。杆塔结构［25］、绝缘子老化程度［26］、绝缘子形状［27］及天气状况［28］［29］如温度、湿度甚至风速风向对绝缘子泄漏电流的大小都有影响,因而泄 漏电流值在正常情况下亦是一个随时间变化的量,存在一个如何正确判定绝缘子串是否存在 劣值绝缘子,即如何确立判断标准(判据)的问题。
通过横向或纵向比较的方法判断显然不足以令人信服,用模糊理论的隶属度函数的概念赋 予使用年限、气候及污秽以不同的隶属度,通过对气象参数、污秽等量的综合测试然后结合 各变电站电压互感器的测量值,用离线校正的方法消除这些因素的影响,达到检测绝缘子的目 的应该是一个较好的解决问题的途径。但隶属度函数的建立需要大量的运行经验作参考, 这将是一个长期、艰苦的工作,而绝缘电阻法勿需登高测量、原理简单、实用性强的优点 使该法仍值得人们去探索。国外在这方面利用人工神经网络的特点已做了一些尝试,取得了 一定程度的进展［30］［31］。
3.3 脉冲电流法
所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘 状况,其原理是:存在劣值绝缘子的绝缘子串中,由于劣化绝缘子的绝缘电阻很低,它在绝缘子 串中承担的电压也较小,于是其它正常绝缘子在绝缘子串上的承受电压必然明显大于正常情 况时的承受电压,而因回路阻抗变小、绝缘子电晕现象的加剧,电晕脉冲电流必将变大;根据 线路上存在劣值绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值的增大的现象,利用宽频带电晕脉冲电 流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号,通过一定的信号处理手段,从而达到在低 压端检出不良绝缘子的目的。
该法存在的主要问题在于传感器的选择、信号的提取及辨识、现场干扰的排除等。由于电晕 脉冲电流在绝缘子正常时亦可能产生,且随着输电线路电压的波动其值也在变化,故如何消除 这些因素的影响、建立绝缘子劣化判断标准也是该法能否成功的关键。近来不少研究者在这 方面都做了很多有益的探索。
文献［32］在实验室通过对单相绝缘子脉冲电流的测量得出如下结论:不良绝缘子的阻值、 不良绝缘子在串中的位置、绝缘子串的长度及正常绝缘子的电晕起始电压都对脉冲电流法检 测不良绝缘子的分辨率产生影响。
文献［33］针对在实际检测中现场外界干扰很大且信号错综复杂的特点,提出了一种在线检测绝缘子电晕脉冲电流 的数据处理方法:通过滤波电路抑制工频电磁场干扰,再采用适当的数据处理手段,即建立数 学模型提取信号之特征量的方法实现对绝缘子劣化状况的辨识。
文献［34］报道了基于人工神经网络的电晕放电分析法用于检测故障绝缘子的设想。在实验 室证明了通过对电晕电流冲击次数、振幅、极性参数的检测,对不同长度的绝缘子串采用了 不同层数、不同节点数的BP网络可获得在不同电压等级下对故障绝缘子的满意的分辨率。
绝缘子的起晕电压虽然与绝缘子的污秽程度无关［22］,但电晕电流的大小与测量时 的气候条件及气候的历史条件有关,故在信号处理过程中亦应注意消除这些因素对测量结果 的影响。
4 对绝缘子在线检测的一些看法及构想
由于在线绝缘子的特殊性,其在线检测极其困难。非电量检测法虽然具有不与被测量 直接接触、没有高压绝缘问题困扰的优点,但由于其测量受种种外在条件如造价、设备本身 条件、外在因素影响及设备操作复杂等的限制,在实际中广泛使用困难重重。
电量检测法中,分布电压法虽然具有直观、能准确地判断绝缘子性能变化的特点,但其需要登 高测量、工作危险程度高的弱点也使其应用潜力受到限制;绝缘电阻法测量在低压端进行,能 准确地测量出绝缘电阻的变化情况,但该值并非只反映绝缘子的劣化程度,而且与很多其他因 素密切相关,故也难于准确反映绝缘子的劣化状况,且难于直接判断出劣值绝缘子的准确位置 ,实际单独广泛应用的可能性也不大;脉冲电流法基于电晕放电的原理,受外在因素的影响较 小,随着人工智能技术发展的日益完善,通过人工神经网络模糊辨识方法解决受损绝缘子定位 问题已成为可能;其可在低压端检测的特点亦为其广泛使用提供了条件。
用脉冲电流法在线检测绝缘子运行状况首先必须考虑传感器的设计。由于电晕电流本身具有 高频 、信号弱的特点,测量传感器应该满足频率范围宽、信号放大倍数大的基本要求。利用电磁 感应原理设计传感器,则传感器内芯磁性材料必须具有频率范围宽、相对磁导率高、剩磁小 的特点,即必须从软磁材料中选择最佳;而软磁材料中,坡-莫合金、非晶态合金等金属型软 磁材料由于生产工艺的限制,目前在满足高导磁率条件下其频响范围最高只能达到20kHz左右［35］,但脉冲电晕电流的频率可达到兆赫兹;非金属材料铁氧体虽然满足高频 响的要求,但目前产品的最高磁导率也只能达到104数量级,因此,如何选择合适的材料做传 感器磁芯是设计的第一个问题。综合考虑,作者认为以铁氧体为佳。
其次,外界干扰的排除是信号处理必须考虑的重大问题。由于现场环境异常恶劣、各种干扰 情况迥异,电磁兼容问题必须妥善处理;除了要注意高频无线电干扰之外,中、低频干扰的影 响也不容忽视。通过图2所示双传感器线路对于克服中、低频干扰应该大有帮助:在测量电晕 电流的传感器旁边并联一只不穿过被测电流支路的传感器,以获取外界杂散干扰信号作为参 考通路,通过必要的信号处理后能较好地实现对外界干扰的克服;而高频干扰则可通过静电屏 蔽的方法加以消除。
图2 双通道测量法示意图
第三,从传感器获得的信号包含了三相输电线中各相电晕电流的总和,必须对其进行分 解方能准确地检测出各相绝缘子的绝缘情况。根据三相泄漏电流的相差情况给电晕脉冲检测 器配以电子开关,依传输线交流电压的三相互差120°电角度关系,用电子开关每隔120°依次 记录下瞬间内的电晕脉冲信号,从而在低压端分别采集到相应于A、B、C三相的正峰值(或负 峰值)脉冲的波形及幅值,进而通过信号处理网络对三相绝缘子串分别加以分析,以获取绝缘 子串绝缘状况的方法,显然是一种可取的构思。
为进一步提高检测的可靠性,用泄漏电流值的大小对绝缘子串的绝缘状况进行初步检测的设 计方案,亦可考虑同时设计在该套绝缘子在线检测系统中:在测量脉冲电晕电流的同时测量绝 缘子串的泄漏电流,并加入一些影响测量判断准确性的外界因素,利用模糊集合理论分别赋予 不同外界干扰因素以不同隶属度,以综合考虑绝缘子的绝缘状况。
5 结束语
绝缘子的在线检测是多年来一直困扰着高压在线检测领域研究者的一个难题,随着现 代材料技术、传感器技术及计算机应用技术的不断深入,相信这一难题会在不远的将来得到 圆满的解决。
聂一雄（华中理工大学电力工程系,湖北 武汉 430074）
尹项根（华中理工大学电力工程系,湖北 武汉 430074）
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