劉志學(xué)

（江蘇省電力公司檢修分公司蘇州檢修分部，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

絕緣子閃絡(luò)對(duì)電力系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行有較大的負(fù)面影響，覆冰、污穢、過(guò)電壓等多種因素可能造成絕緣子閃絡(luò)故障[1-4]。閃絡(luò)故障的切除需要一定時(shí)間：微機(jī)保護(hù)采樣數(shù)據(jù)窗使故障切除時(shí)間在斷路器開(kāi)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上有所增加[5-10]；對(duì)于某些特殊位置（如超高壓電網(wǎng)保護(hù)死區(qū)范圍）的絕緣子閃絡(luò)故障必須通過(guò)失靈保護(hù)切除，而現(xiàn)有失靈保護(hù)具有較長(zhǎng)延時(shí)[11-13]。切除閃絡(luò)故障所需的時(shí)間越長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響越大。在閃絡(luò)故障的事故處理中，由于閃絡(luò)點(diǎn)不明顯等因素的影響，會(huì)使得故障位置的查找存在困難。若能實(shí)現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)故障的快速監(jiān)測(cè)，并與相關(guān)二次設(shè)備配合使用，則可成功解決上述2 個(gè)問(wèn)題[14]。

文獻(xiàn)[14]提出的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于未充分考慮泄漏電流帶來(lái)的負(fù)面影響，使得該系統(tǒng)在絕緣子正常運(yùn)行時(shí)可能會(huì)誤動(dòng)作。本文提出了2種改進(jìn)方案，這2種方案均能消除泄漏電流帶來(lái)的影響，且如果參數(shù)選擇適當(dāng)，2種方案亦可實(shí)現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)預(yù)警功能。

1 文獻(xiàn)[14]所提絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 主要元件情況

文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見(jiàn)圖 1），其 Rogowski線圈輸出電壓[15]見(jiàn)式（1），2個(gè)或非門組成的基本RS觸發(fā)器的功能表[16]見(jiàn)表1。

其中，i1為Rogowski線圈所包絡(luò)的電流。

1.2 工作原理[14]

圖1 文獻(xiàn)[14]提出的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Insulator flashover rapid monitoring system proposed by reference[14]

表1 基本RS觸發(fā)器的功能表Tab.1 Functions of fundamental RS trigger

a.當(dāng)絕緣子無(wú)閃絡(luò)故障時(shí)，Rogowski線圈包絡(luò)電流為零，無(wú)限大增益運(yùn)放A的輸出電壓為0，2個(gè)光耦的發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器S端輸出始終為0，觸發(fā)器不動(dòng)作。

b.絕緣子閃絡(luò)瞬間，無(wú)限大增益運(yùn)放A的輸入電壓差u（t）≠0，其輸出電壓的絕對(duì)值瞬時(shí)突變?yōu)槠秒妷篣CC，光耦I(lǐng)C1或IC2內(nèi)的發(fā)光二極管發(fā)光，對(duì)應(yīng)光敏三極管導(dǎo)通，觸發(fā)器S端輸出突變?yōu)?，觸發(fā)器動(dòng)作，Q端瞬時(shí)置1并保持。

c.發(fā)生故障后Q端可與保護(hù)裝置配合，先于主保護(hù)作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來(lái)的延時(shí)。同時(shí)，Q端還可與測(cè)控裝置配合作用于后臺(tái)報(bào)警，告知運(yùn)行人員閃絡(luò)絕緣子位置，為事故處理提供參考。故障處理完畢后需手按FA按鈕（先合后分），恢復(fù)RS觸發(fā)器初始狀態(tài)。

d.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間僅由其內(nèi)部晶體管傳輸時(shí)間決定，一般可達(dá)ns級(jí)，總時(shí)間對(duì)于電力系統(tǒng)而言可忽略不計(jì)，即可認(rèn)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為瞬時(shí)響應(yīng)。

1.3 存在的問(wèn)題

雖然從定性層面上來(lái)看，由于實(shí)際的運(yùn)算放大器增益僅為一個(gè)相對(duì)較大的有限值，若此時(shí)選擇合適的Rogowki線圈互感，則可認(rèn)為絕緣子正常時(shí)泄漏電流的響應(yīng)電壓uA≈0，這個(gè)小電壓一般不會(huì)使光耦內(nèi)二極管動(dòng)作。但是文獻(xiàn)[14]未能從數(shù)學(xué)層面上充分考慮到正常運(yùn)行時(shí)絕緣子泄漏電流帶來(lái)的負(fù)面影響，由理論分析可知，若考慮泄漏電流，則圖1所示系統(tǒng)在絕緣子正常運(yùn)行時(shí)可能會(huì)誤動(dòng)作。

2 2種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文提出了2種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這2種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均能成功避免絕緣子泄漏電流帶來(lái)的負(fù)面影響，同時(shí)還增加了防信號(hào)過(guò)沖功能以及自動(dòng)復(fù)歸功能。

2.1 第1種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 基本情況

圖2為第1種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理示意圖，它和圖1系統(tǒng)相比有3點(diǎn)不同。

a.增加了雙向擊穿二極管VD。雙向擊穿二極管VD的作用是防止信號(hào)過(guò)沖，即避免Rogowski線圈輸出電壓過(guò)大而損壞電子元件。

b.將無(wú)限大增益運(yùn)放換成了增益調(diào)整電路。增益調(diào)整電路的作用是將Rogowski線圈輸出的電壓u成比例（比例系數(shù)為A）地轉(zhuǎn)換為光耦電路的輸入電壓 uout（即實(shí)現(xiàn) uout=Au），該電路可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)，本文給出了一種簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式，如圖3所示。

圖2 改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1Fig.2 Improved insulator flashover rapid monitoring system 1

圖3 一種增益調(diào)整電路Fig.3 A kind of gain adjustment circuit

c.增加了自動(dòng)／手動(dòng)復(fù)歸選擇開(kāi)關(guān)S1和時(shí)間繼電器J及其輔助觸點(diǎn)（延時(shí)閉合瞬時(shí)斷開(kāi)常開(kāi)觸點(diǎn)）。自動(dòng)／手動(dòng)復(fù)歸選擇開(kāi)關(guān)S1、時(shí)間繼電器J及其輔助觸點(diǎn)共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)復(fù)歸方式的控制：當(dāng)S1在位置2時(shí)為手動(dòng)復(fù)歸方式，時(shí)間繼電器J退出使用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作切除閃絡(luò)故障后需人工手動(dòng)復(fù)歸（使FA觸點(diǎn)先合后分），復(fù)歸后Q端輸出為0；當(dāng)S1在位置1時(shí)為自動(dòng)復(fù)歸方式，時(shí)間繼電器J投入使用，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)作（Q端置1）后經(jīng)過(guò)延時(shí)J會(huì)自動(dòng)復(fù)歸，即時(shí)間繼電器輔助觸點(diǎn)J會(huì)自動(dòng)先合，使Q端置0，然后時(shí)間繼電器J失電，觸點(diǎn)J斷開(kāi)，Q端保持為0。時(shí)間繼電器J的動(dòng)作時(shí)刻應(yīng)滯后于閃絡(luò)故障消失時(shí)刻并留有一定裕度，即延遲應(yīng)大于斷路器開(kāi)斷時(shí)間并留有一定裕度。

2.1.2 工作原理

絕緣子泄漏電流的有效值一般為mA級(jí)，而閃絡(luò)電流一般可達(dá)kA級(jí)，即可從電流大小明確區(qū)分泄漏電流和閃絡(luò)電流。若泄漏電流和閃絡(luò)電流的分界值Iset（有效值）、光耦內(nèi)發(fā)光二極管開(kāi)啟電壓Uth均已確定，且近似認(rèn)為泄漏電流和閃絡(luò)電流均為正弦波，則通過(guò)選擇合適的Rogowski線圈互感和增益調(diào)整電路的調(diào)整系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)圖2系統(tǒng)對(duì)絕緣子閃絡(luò)故障的快速監(jiān)測(cè)。

可以看出，當(dāng)Rogowski線圈互感M和增益調(diào)整系數(shù)A滿足式（2）、（3）時(shí)，圖2所示系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)的快速監(jiān)測(cè)功能。

當(dāng)絕緣子沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，絕緣子流過(guò)的電流為mA級(jí)的泄漏電流，此時(shí)I1＜Iset，即：

此時(shí)光耦I(lǐng)C1及IC2內(nèi)發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器不動(dòng)作，Q端輸出始終為0。

若t=0時(shí)刻絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障，作如下假設(shè)。

a.t=0-時(shí)刻絕緣子流過(guò)的泄漏電流瞬時(shí)值為B。

b.絕緣子上的電壓為：

c.閃絡(luò)時(shí)絕緣子等效電阻為Re。

不考慮雙向擊穿二極管VD對(duì)u的限制以及運(yùn)放實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整時(shí)運(yùn)放偏置電壓對(duì)uout的限制，則：

即閃絡(luò)時(shí)IC1或IC2內(nèi)發(fā)光二極管亮，相應(yīng)光敏三極管導(dǎo)通，S端瞬時(shí)置1，Q端輸出為1并且保持。

不難看出，若考慮雙向擊穿二極管VD對(duì)u的限制以及運(yùn)放實(shí)現(xiàn)增益調(diào)整時(shí)運(yùn)放偏置電壓對(duì)uout的限制，則uout的最大值會(huì)減小，但對(duì)其最小值沒(méi)有影響，即在發(fā)生閃絡(luò)故障瞬間uout還是大于Uth，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)作不變。

發(fā)生故障后Q端可與保護(hù)裝置配合，先于主保護(hù)作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來(lái)的延時(shí)。同時(shí)，Q端還可與測(cè)控裝置配合作用于后臺(tái)報(bào)警，向運(yùn)行人員告知閃絡(luò)絕緣子位置，為事故處理提供參考。

若自動(dòng)／手動(dòng)復(fù)歸選擇開(kāi)關(guān)S1在位置2，則在故障處理完畢后需手按FA按鈕，恢復(fù)基本RS觸發(fā)器至初始狀態(tài)，以便下一次閃絡(luò)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常使用。若開(kāi)關(guān)S1在位置1，則監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后會(huì)自動(dòng)復(fù)歸。

若Rogowski線圈互感M可調(diào)，則圖2系統(tǒng)中的增益調(diào)整電路可去除。此時(shí)M的整定值為：

2.2 第2種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2.1 基本情況

圖4為第2種改進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它和第1種改進(jìn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，在增益調(diào)整電路的前面增加了積分電路。積分電路的作用是將Rogowki線圈的輸出電壓進(jìn)行積分，即：

假設(shè)：t=0為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝時(shí)刻，此時(shí)絕緣子無(wú)閃絡(luò)故障，其中流過(guò)很小的泄漏電流；t=a為閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻，此時(shí)絕緣子流過(guò)很大的閃絡(luò)電流。則有：

即在絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，積分電路將Rogowki線圈的輸出電壓通過(guò)積分轉(zhuǎn)變成和絕緣子中流過(guò)電流成正比的電壓量。

2.2.2 工作過(guò)程

泄漏電流和閃絡(luò)電流的瞬時(shí)值的大小區(qū)別亦非常明顯，若泄漏電流和閃絡(luò)電流的最大值的分界值iset（瞬時(shí)值）、光耦的發(fā)光二極管開(kāi)啟電壓Uth均已確定，則通過(guò)選擇合適的Rogowski線圈互感M、增益調(diào)整電路調(diào)整系數(shù)A，即可實(shí)現(xiàn)圖4系統(tǒng)對(duì)絕緣子閃絡(luò)故障的快速監(jiān)測(cè)。

可見(jiàn)，當(dāng)M、A滿足下列關(guān)系就能實(shí)現(xiàn)上述功能：

當(dāng)絕緣子沒(méi)有發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，絕緣子流過(guò)的電流為mA級(jí)的泄漏電流，此時(shí)，即：

此時(shí)光耦I(lǐng)C1及IC2內(nèi)發(fā)光二極管均不發(fā)光，光敏三極管截止，觸發(fā)器不動(dòng)作，Q端輸出始終為0。

當(dāng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障時(shí)，絕緣子流過(guò)的電流為閃絡(luò)電流，此時(shí)，即：

此時(shí)光耦I(lǐng)C1或IC2內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)光，對(duì)應(yīng)光敏三極管導(dǎo)通，觸發(fā)器立即動(dòng)作，Q端輸出為1并保持。

圖4 絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2Fig.4 Improved insulator flashover rapid monitoring system 2

3 改進(jìn)的閃絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)電氣量波形圖

發(fā)生故障后圖2或圖4系統(tǒng)的Q端可與二次裝置配合，先于主設(shè)備保護(hù)作用于絕緣子相鄰斷路器跳閘，快速切除故障，避免由采樣數(shù)據(jù)窗帶來(lái)的延時(shí)。假設(shè)：絕緣子在t=a時(shí)發(fā)生閃絡(luò)故障，t=a-時(shí)絕緣子泄漏電流過(guò)零；絕緣子相鄰斷路器開(kāi)斷時(shí)間為40 ms；ωa+φ=-π／2+2kπ；開(kāi)關(guān) S1在位置 1；時(shí)間繼電器延時(shí)整定為60 ms。閃絡(luò)故障發(fā)生后，圖2及圖4所示系統(tǒng)相關(guān)電氣量的波形分別見(jiàn)圖5及圖6。

圖5 改進(jìn)的閃絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)1相關(guān)電氣量波形圖Fig.5 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 1

圖6 改進(jìn)的閃絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2相關(guān)電氣量波形圖Fig.6 Waveforms of relevant electrical parameters of improved rapid monitoring system 2

圖6中，若絕緣子閃絡(luò)電流有效值為D、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電流定值iset已確定，則可計(jì)算出閃絡(luò)發(fā)生時(shí)刻與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)刻的時(shí)間差Δt：

4 改進(jìn)閃絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在閃絡(luò)預(yù)警中的應(yīng)用

絕緣子絕緣異常發(fā)展成閃絡(luò)故障需要一定時(shí)間，泄漏電流的異常變大可作為絕緣閃絡(luò)預(yù)警的依據(jù)?？梢钥闯鰣D2和圖4系統(tǒng)中，若定值Iset或iset選擇為閃絡(luò)預(yù)警值（mA級(jí)），且輸出Q端不作用于跳閘時(shí)，這2個(gè)系統(tǒng)均可作為閃絡(luò)預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)泄漏電流超過(guò)定值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)多種方式作用于報(bào)警（如“聲”、“光”、“光字牌”），為設(shè)備狀態(tài)診斷提供參考。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了2種改進(jìn)的絕緣子閃絡(luò)快速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這2種系統(tǒng)均可避免泄漏電流帶來(lái)的負(fù)面影響。當(dāng)選擇合適的參數(shù)時(shí)，這2種系統(tǒng)亦可實(shí)現(xiàn)絕緣子閃絡(luò)預(yù)警功能，為絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的診斷提供參考。