胡元輝，林吉，康小平，鄭振華

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315000)

1 引言

20世紀(jì)90年代以來電網(wǎng)大面積污閃事故在全國大范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運行。輸電線路污閃事故的根本原因是由于絕緣子表面沉積了污穢物質(zhì)，當(dāng)它吸收了潮濕空氣中的水分后，使絕緣強度急劇下降，承受不住工作電壓而發(fā)生閃絡(luò)。污閃是個區(qū)域性的問題，同時多點跳閘的幾率高，容易引發(fā)大面積、長時間的惡性停電事故［1，2］。

各種防污措施對于污閃的預(yù)防都不十分理想，原因之一在于電力維護人員不能及時準(zhǔn)確地掌握絕緣子污穢狀況。因此，絕緣子污穢程度的可靠檢測以及在線監(jiān)測是防污閃工作中非常重要的一環(huán)?？煽康奈鄯x程度檢測可以確保污區(qū)劃分準(zhǔn)確，從而為輸變電設(shè)備外絕緣設(shè)計和絕緣子選型提供科學(xué)依據(jù)，是防止大面積污閃事故的基本保證。在線監(jiān)測能有效跟蹤絕緣子污穢的變化過程，使之在污穢程度達(dá)到臨界狀態(tài)時能先期預(yù)警，便于電力工作人員及早采取應(yīng)對措施，防止污閃事故的發(fā)生。為有效開展防污工作，預(yù)防污閃事故的發(fā)生，運行經(jīng)驗表明急需一種簡單、經(jīng)濟、安全、準(zhǔn)確的絕緣子污穢在線檢測方法，提高數(shù)據(jù)分析和處理能力，為防污工作提供最為重要的技術(shù)保障要檢測運行中絕緣子的污穢狀況，首先必須選取有效的特征量來表征絕緣子表面的污穢狀況，并通過恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行測量。由于至今還沒有找到一個統(tǒng)一的、能夠確切地表征污穢絕緣子運行狀態(tài)的特征量，目前常用的污穢參數(shù)包括［2］:等值附鹽密度(Equivalent salt deposit density，ESDD)、表面污層電導(dǎo)率、泄漏電流脈沖計數(shù)、最高泄漏電流、閃絡(luò)場強。針對某個污穢參數(shù)或其衍生參數(shù)，結(jié)合相關(guān)的運行條件，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對絕緣子污穢在線檢測做了大量卓有成效的工作并開發(fā)了少量的在線檢測裝置。本文主要介紹了國內(nèi)外現(xiàn)場使用和實驗室研究中用于絕緣子污穢在線檢測的方法。

2 泄漏電流法

泄漏電流法是污穢監(jiān)測研究的熱點，廣大研究人員和學(xué)者作了大量研究。泄漏電流是運行電壓、污穢程度、氣候條件三要素綜合作用的結(jié)果，是動態(tài)參數(shù)，適宜在線監(jiān)測。目前，研制開發(fā)泄漏電流傳感器已經(jīng)很多［3－5］，測量的準(zhǔn)確度比較高。針對泄漏電流的測取過程中存在著大量的干擾，采用自適應(yīng)噪聲對消技術(shù)和小波去噪方法等進行抗干擾。通過泄漏電流傳感器實時獲取流過絕緣子表面的泄漏電流，形成了大量的輸電線路絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng)。典型的泄露電流法絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 泄露電流法絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng)

泄漏電流的大小不僅和污穢程度有關(guān)，而且和絕緣子的受潮程度有關(guān)，此外還和絕緣子的串長、幾何形狀等因素有關(guān)。如何根據(jù)測得的泄漏電流值評價絕緣子的污穢程度，如何確定泄漏電流報警的門檻值等問題仍沒有一個明確的結(jié)論。另外，只有在潮濕的氣象條件下才能測到泄漏電流，它僅適用于潮濕多雨的地區(qū)，在干旱少雨地區(qū)測泄漏電流的方法是不適用的。此外，由于測量系統(tǒng)沒有針對戶外輸電線路附近環(huán)境進行專門設(shè)計，存在易受電磁干擾，老化速度快等缺點。

3 光譜法

光傳感器監(jiān)測ESDD的理論基礎(chǔ)是介質(zhì)光波導(dǎo)中的光場分布理論和光能損耗機理。置于大氣中的低損耗石英棒是一個以棒為芯、大氣為包層的多模介質(zhì)光波導(dǎo)。在石英棒上無污染時，由光波導(dǎo)中的基模和高次模共同傳輸光的能量，其中絕大部分光能在光波導(dǎo)的芯中傳輸，只有少部分光能沿芯包界面的包層傳輸，光波傳輸過程中光的損耗很小。當(dāng)石英玻璃棒上有污染時，由于污染物改變了高次模及基模的傳輸條件，同時，污染粒子對光能的吸收和散射等會產(chǎn)生光能損耗，通過檢測光能參數(shù)可計算出傳感器表面鹽分的多少。將光傳感器與絕緣子串置于相同環(huán)境，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立光通量、濕度、塵埃比率與 ESDD的關(guān)系，實現(xiàn)ESDD的在線監(jiān)測。光通量衰減與濕度、塵埃比率和ESDD之間相互關(guān)系非常復(fù)雜，光衰減量的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述有難度。光學(xué)元器件的不穩(wěn)定因素對測量結(jié)果有較大影響。該方法在應(yīng)用方面還沒有取得實質(zhì)性進展。

4 微波輻射法

微波輻射法利用絕緣子在微波段的輻射特性差異來檢測污穢程度。任何高于絕對零度的物體都在不斷輻射能量，輻射的頻率范圍非常寬，當(dāng)物體表面有污穢物時，發(fā)射率會隨著污穢量和污穢性質(zhì)發(fā)生變化，污層濕潤時變化更明顯，而物體所輻射的電磁波可以通過普朗克定律來測量。微波輻射計能實現(xiàn)高靈敏度的物體熱電磁輻射測量，微波輻射計天線接受的總功率與溫度有一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可采用天線溫度來度量物體的輻射強度。輻射計原理圖如圖2所示，根據(jù)以上原理，先在實驗室中根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)選取ESDD來與發(fā)射率對應(yīng)得到與一定量的污穢對應(yīng)著的特定天線溫度，進而在現(xiàn)場通過測量絕緣子的天線溫度來判斷絕緣子的運行狀況。但絕緣子材料一般由多種物質(zhì)組成，且非金屬材料的表面特性變化非常復(fù)雜，很難用固定的數(shù)學(xué)解析式表述輻射。該方法有待進一步實驗室研究和現(xiàn)場對比試驗。

圖2 輻射計原理圖

5 紫外脈沖法

絕緣子放電時伴有光現(xiàn)象，其中含有一定的紫外光，清潔絕緣子的放電非常少，而污穢絕緣子則經(jīng)常在濕度較大時伴有放電現(xiàn)象。絕緣子污穢過程中伴有放電情況的變化，可以利用絕緣子的放電差異來檢測污穢程度。采用日盲型紫外探頭監(jiān)測絕緣子放電時產(chǎn)生的紫外光，建議可以通過紫外光脈沖強度和次數(shù)，結(jié)合環(huán)境溫度和濕度情況判斷絕緣子污穢程度。其他研究人員利用紫外成像監(jiān)測污穢絕緣子的沿面放電，通過觀測的紫外光子數(shù)確定沿面放電階段，實現(xiàn)對絕緣子污穢放電的預(yù)警。目前還沒有具體的污穢程度評價方法，而且測量過程中受導(dǎo)線和均壓環(huán)產(chǎn)生電暈、線路運行電壓、探頭安裝角度、氣候條件等影響較大。

6 聲發(fā)射法

當(dāng)絕緣子沒有放電時，無聲波發(fā)射信號。隨著絕緣子污穢放電程度的發(fā)展，放電逐步增強，聲波發(fā)射信號從無到有，由弱變強。該聲波信號可視為點聲源，在空氣介質(zhì)中以球面波的形式周圍外傳播。由于該聲波信號的能量是污穢放電所釋放能量的一部分，因此，聲波信號能量與放電能量之間必然存在定量關(guān)系。聲波信號的幅值與放電能量的平方根成正比。通過檢測絕緣子污穢放電所產(chǎn)生的聲波信號的幅值，就可以監(jiān)測污穢放電的強弱并判斷對絕緣性能的危害。

研究人員將聲傳感器安裝在桿塔上捕捉放電產(chǎn)生的聲信號，提取聲波信號的最大幅值、最大工頻半周期面積和一段固定時間長度內(nèi)工頻半周期面積超過給定閾值的聲波信號的個數(shù)作為特征量，利用模糊推理方法建立聲信號特征量與絕緣子表面的污穢放電強弱的映射關(guān)系，實現(xiàn)對絕緣子污穢放電的監(jiān)測和預(yù)警。由于需將傳感器靠近或接觸運行中的絕緣子，測量較麻煩，受環(huán)境背景噪聲影響也很大。該方法目前尚處于試驗階段，監(jiān)測裝置的性能指標(biāo)和功能還有待進一步改善，有些實際的調(diào)試和安裝問題還需進一步研究。

7 紅外成像法

當(dāng)污穢絕緣子干燥時，絕緣子表面的泄漏電流很小，當(dāng)污層不斷濕潤時，泄漏電流不斷增大，電流流過污層產(chǎn)生焦耳熱，引起絕緣子表面溫升。泄漏電流越大，其電流熱效應(yīng)越明顯，溫度變化也越明顯，可以利用絕緣子表面熱場的變化來檢測污穢程度。任何物體溫度高于絕對零度都會向外輻射紅外能量，不同溫度的物體向外輻射的紅外能量不同，紅外熱像儀能夠探測物體輻射的紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為紅外熱像圖(如圖3所示)。

圖3 瓷絕緣子表面污穢紅外圖像

有研究結(jié)果證實通過絕緣子熱像圖處理，提取污穢特征參數(shù)，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機建立污穢特征、環(huán)境濕度與絕緣子污穢等級之間的映射關(guān)系，可以實現(xiàn)絕緣子污穢等級的紅外熱像檢測。采用紅外熱像檢測絕緣子污穢等級，具有非接觸、實時、快速、安全的特點，為絕緣子污穢檢測提供了一種很好的解決途徑。但該方法需要將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱像儀安裝在桿塔上，可靠性、適用性還有待進一步深入研究。

8 總結(jié)

通過調(diào)研可得以下結(jié)論:

(1)輸電線路污穢在線監(jiān)測是輸電線路監(jiān)測的一個重點和難點問題。學(xué)者和技術(shù)人員開發(fā)了多種設(shè)備試圖解決這一問題。

(2)泄露電流法:該方法是目前在現(xiàn)場應(yīng)用最多的方法，但該方法存在固有缺點，測量結(jié)果不能代表絕緣子實際污穢情況，且存在供電、老化以及可靠性的問題。

(3)光譜法、微波輻射法和環(huán)境監(jiān)測法:污穢成分復(fù)雜，導(dǎo)致測量結(jié)果難以與污穢成分對應(yīng)。

(4)紫外法和紅外法:輸電線路附近存在電暈，以及設(shè)備昂貴等原因影響紫外、紅外等光學(xué)測量設(shè)備的實際應(yīng)用。

(5)聲發(fā)射法:輸電附近電磁環(huán)境惡劣，噪聲較大，淹沒聲發(fā)射法接收信號。

綜上所述，新開發(fā)傳感器進行污穢測量的過程中需要解決供電、電磁干擾、可靠性、污穢成分識別等問題，同時應(yīng)確保污穢不會造成傳感器損壞，不能因污穢覆蓋傳感器導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。

［1］ 關(guān)志成，劉瑛巖，周遠(yuǎn)翔，等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006，182 －258.

［2］ 宿志一，張開賢.我國電網(wǎng)污閃事故的時空分布［J］.中國電力，1997，30(5):3 －5，9.

［3］ 張重遠(yuǎn)，張建興，律方成，等.基于Rogowski線圈的高壓設(shè)備工頻泄漏電流傳感器的研制［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2006，33(2):5－7.

［4］ Fontana E，Oliveira S C，Cavalcanti F，et al.Novel sensor system for leakage current detection on insulator strings of overhead transmission lines［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2006，21(4):2064 － 2070.

［5］ Chen W G，Yao C G，Chen P，et al.A new broadband micro current transducer for insulator leakage current monitoring system［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23(1):355 －360.