李 濤，李 牧，項 濤，程 遠(yuǎn)，陳 冉

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2.國網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司，武漢430013）

基于OPGW光傳感的高壓絕緣子故障閃絡(luò)特性分析

李 濤1，李 牧1，項 濤2，程 遠(yuǎn)1，陳 冉1

（1.南京南瑞集團(tuán)公司，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；2.國網(wǎng)湖北省電力公司武漢供電公司，武漢430013）

隨著霧霾、沙塵暴等自然環(huán)境的不斷惡化侵襲，絕緣子污閃成為僅次于雷擊的威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要原因。通過OPGW光傳感分布式閃絡(luò)監(jiān)測技術(shù)設(shè)備采集到的絕緣子污閃案例數(shù)據(jù)，對高壓絕緣子污閃信號進(jìn)行了時頻特性分析。結(jié)果表明：絕緣子污閃信號持續(xù)時間一般為50～60ms，閃絡(luò)信號頻率主要分布在低頻段50～1 500 Hz之間，其中工頻諧波信號十分突出。驗證了OPGW光傳感技術(shù)可以實現(xiàn)全線路的分布式絕緣子污穢閃絡(luò)預(yù)警監(jiān)測與故障定位，為絕緣子污閃預(yù)警提供了新思路。

污閃；絕緣子；OPGW；閃絡(luò)信號分析

0 引言

近年來，隨著我國電力行業(yè)的大力發(fā)展，逐漸形成了大聯(lián)網(wǎng)、大容量、高電壓、廣覆蓋的電網(wǎng)體系，輸電容量越來越大，電壓等級越來越高，覆蓋區(qū)域越來越廣，因此，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行十分重要，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著自然環(huán)境的惡化，極端天氣越來越頻繁，諸如霧霾、沙塵暴等天氣給電網(wǎng)的安全運行帶來嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)事故中，絕緣子污閃成為僅次于雷擊事故的重要原因，而且絕緣子污閃自動重合閘成功率較低，其導(dǎo)致的損失也更大[1－2]。因此，希望在絕緣子污閃前能做到預(yù)警，在絕緣子污閃后能做到快速定位，找到故障位置，從而保障電網(wǎng)的安全。

國內(nèi)外學(xué)者對輸電線路絕緣子污閃預(yù)測的方法做了大量研究，其中最主要的方法是測量絕緣子泄漏電流[3-5]，但該方法需要專用的測量工具，成本太高，不利于大規(guī)模推廣。隨著先進(jìn)檢測技術(shù)的發(fā)展，也有學(xué)者提出采用超聲波、紅外、紫外、激光等檢測方法[6-8]，但該方法不能實現(xiàn)全天候、分布式、全覆蓋的監(jiān)測，而且檢測起來費時費力。絕緣子污閃放電過程必然產(chǎn)生放電電流，其周圍的磁場也會改變，根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，光纖復(fù)合架空地線（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）內(nèi)光纖信號亦會同時產(chǎn)生感應(yīng)信號[9-11]，根據(jù)OPGW光傳感分布式閃絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)對絕緣子污閃信號進(jìn)行監(jiān)測，分析污閃前后信號的特征，進(jìn)一步實現(xiàn)污閃的預(yù)警和定位。

1 絕緣子污閃監(jiān)測原理

當(dāng)絕緣子發(fā)生閃絡(luò)瞬間會產(chǎn)生大量泄漏電流，電流會途徑桿塔和桿塔頂端的地線流入大地，絕緣子閃絡(luò)示意圖見圖1。

圖1 絕緣子閃絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of insulator flashover

OPGW光傳感分布式閃絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理主要是利用絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時產(chǎn)生的泄漏電流流經(jīng)OPGW地線時會在OPGW絞線表面形成螺旋電流，而螺旋電流會在OPGW內(nèi)形成磁場，根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)原理[12]，一束平面偏振光在介質(zhì)中傳播時，若在平行于光的傳播方向上加一強(qiáng)磁場時，則其偏振面會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度與與磁場強(qiáng)度和光穿過介質(zhì)的長度之積成正比，比例系數(shù)與介質(zhì)性質(zhì)和光波頻率有關(guān)稱為verdet常數(shù)，旋轉(zhuǎn)角度稱之為法拉第旋轉(zhuǎn)角。OPGW法拉第磁光效應(yīng)示意圖見圖2。

圖2 OPGW法拉第效應(yīng)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of OPGW Faraday effect principle

閃絡(luò)電流流經(jīng)OPGW時，沿OPGW表面絞絲方向的螺旋電流會產(chǎn)生順線方向的磁場；由于法拉第磁光效應(yīng)，內(nèi)部光的偏振態(tài)就會發(fā)生改變，通過檢測偏振光的旋轉(zhuǎn)角，可對OPGW表面電流變化情況進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)絕緣子污閃電流信號的監(jiān)測與預(yù)警。

2 絕緣子污閃信號特性分析

2.1 污閃案例

案例1：2015年11月02日10點26分，山東某500 kV單回輸電線路發(fā)生閃絡(luò)跳閘事故，OPGW光傳感分布式閃絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)顯示閃絡(luò)位置為180號—181號桿塔處，巡線班組立即趕往事發(fā)區(qū)域進(jìn)行緊急巡線，經(jīng)查，發(fā)現(xiàn)181號塔C相絕緣子有放電痕跡，當(dāng)日天氣多云，經(jīng)過現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)線路右側(cè)700m范圍有采石場三處、碎石場一處，現(xiàn)場浮塵較多，污穢十分嚴(yán)重，判定此次事故為絕緣子污閃事件。圖3為181號桿塔污閃現(xiàn)場圖。

圖3 污閃現(xiàn)場圖Fig.3 Pollution flashover site

案例2： 2016年11月21日武漢某110 kV輸電線路發(fā)生閃絡(luò)跳閘事故，現(xiàn)場巡線人員結(jié)合天氣和現(xiàn)場情況，根據(jù)經(jīng)驗判斷為絕緣子污閃事件，事后檢修換下絕緣子，圖4為實物圖，課題組對絕緣子進(jìn)行了清洗，并對電導(dǎo)率、鹽密、灰密等進(jìn)行了測量計算，見表1。

圖4 污穢絕緣子實物Fig.4 Pollution insulator

2.2 污閃信號閃絡(luò)特性分析

在案例1中，OPGW光傳感閃絡(luò)監(jiān)測設(shè)備在此次污閃事件過程中共監(jiān)測采集到兩組數(shù)據(jù)，一組為閃絡(luò)信號，另一組為采集到的閃絡(luò)前1.2 s的信號，可認(rèn)為是閃絡(luò)臨界點時，絕緣子產(chǎn)生的少量泄漏電流引起的預(yù)警信號見圖5。

表1 絕緣子污穢參數(shù)Table 1 Insulator contam ination parameters

圖5 污閃前原始信號Fig.5 Original signal before flashover

該污閃前預(yù)警信號幅度較小，信號持續(xù)時間約3ms，峰值出現(xiàn)在信號中部，為了對該預(yù)警信號進(jìn)一步深入分析，經(jīng)傅里葉變換得到頻譜圖見圖6，通過對頻譜的分析，該預(yù)警信號頻率主要集中于1~15 kHz，其中1.282 kHz處頻率最強(qiáng)。真正的閃絡(luò)原始信號、閃絡(luò)信號波頭、閃絡(luò)信號頻譜見圖7-圖9。

圖6 污閃前原始信號頻譜Fig.6 Signal spectrum before pollution flashover

圖7為閃絡(luò)原始信號，可以看到污閃閃絡(luò)信號幅度較大、信號持續(xù)時間大約50ms，信號波頭一開始起來的較為緩慢，可以理解為絕緣子由于污穢出現(xiàn)泄漏電流，電流逐漸增大形成工頻閃絡(luò)，約50 ms繼電保護(hù)開關(guān)動作，泄漏電流也因此被切斷了，之后迅速衰減。從污閃信號頻譜圖中可以看到閃絡(luò)，信號頻率主要集中在100~1 500 Hz，其中工頻諧波信號分布十分突出。

圖7 案例1污閃原始信號Fig.7 Pollution flashover signal of case 1

圖8 案例1閃絡(luò)信號波頭Fig.8 Signalwave head of case 1

圖9 案例1污閃信號頻譜圖Fig.9 Pollution flashover signal spectrum of case 1

在案例2中，OPGW光傳感閃絡(luò)監(jiān)測設(shè)備在閃絡(luò)故障時刻同樣采集到了數(shù)據(jù)，圖10為案例2污閃信號原始波形。可以看到，污閃閃絡(luò)信號幅度較大、信號持續(xù)時間大約60 ms。圖11為信號波頭，信號波頭一開始起來的較為緩慢，與案例1相似，可以理解為絕緣子由于污穢出現(xiàn)泄漏電流，電流逐漸增大形成工頻閃絡(luò)，約50 ms繼電保護(hù)開關(guān)動作，泄漏電流也因此被切斷了，之后迅速衰減，而且從閃絡(luò)信號原始圖中可以明顯看到10ms周期的工頻諧波震蕩規(guī)律。從圖12中可以看到閃絡(luò)信號頻率主要集中在50～2 000 Hz，其中工頻諧波信號分布十分突出。

圖10 案例2污閃信號原始圖Fig.10 Pollution flashover signal of case 2

圖11 案例2污閃信號波頭Fig.11 Signalwave head of case 2

圖12 案例2污閃信號頻譜圖Fig.12 Pollution flashover signal spectrum of case 2

3 結(jié)論

通過OPGW光傳感分布式閃絡(luò)監(jiān)測設(shè)備采集到的絕緣子污閃案例數(shù)據(jù)，對絕緣子污穢情況鹽密等參數(shù)進(jìn)行了測量，對污閃閃絡(luò)信號進(jìn)行了時域與頻域的特性分析。通過以上分析可以得出如下結(jié)論：

1）絕緣子污穢閃絡(luò)信號持續(xù)時間一般為50～60ms，閃絡(luò)信號波頭起來的較為緩慢，閃絡(luò)信號頻率主要分布在低頻段50～1500 Hz之間。

2）閃絡(luò)原始信號可以看到明顯的10 ms工頻諧波周期震蕩波形信號，其頻譜中工頻諧波信號分布十分突出。

3）閃絡(luò)前預(yù)警信號持續(xù)時間很短，頻率主要集中于1～15 kHz頻段。

4）OPGW光傳感技術(shù)可以實現(xiàn)全線路的分布式絕緣子污穢閃絡(luò)預(yù)警監(jiān)測與故障定位。

[1]王洪坤，聶晶．基于小波包的絕緣子污閃放電聲信號特征檢測[J]．電測與儀表，2016，53（8）：102－107．WANG Hongkun,NIE Jing.Characteristic detection of acoustic signal of insulator pollution flashover based on wavelet packet[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2016，53（8）：102－107.

[2]黃成才，李永剛．基于復(fù)合絕緣子污閃模型的閃絡(luò)特性分析[J]．電瓷避雷器，2014（4）：31－36．HUANG Chengcai,LI Yonggang.Analysis on flashover characteristic based on pollution flashover model of composite insulator[J].Insulatorsand Surge Arresters,2014（4）：31－36.

[3]司馬文霞，李瓂延，孫才新．染污絕緣子污閃全過程泄漏電流波形及諧波特性分析[J]．高電壓技術(shù)，2010，36（5）：1101－1106．SIMA Wenxia,LI Jingyan,SUN Caixin.Development on the frequency domain of leakage currents during discharge detection for contamination insulators[J].High Voltage Engineering,2010，36（5）：1101－1106.

[4]SUDA T.Frequency characteristics of leakage current waveforms of an artificially polluted suspension insulator[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2001，8（4）：705－709.

[5]徐天勇，覃紹先，梅鋼，等．基于泄露電流和環(huán)境條件的超高壓復(fù)合絕緣子在線監(jiān)測與評估 [J]．電瓷避雷器，2014（1）：6－15．XU Tianyong,QIN Shaoxian,MEI Gang,et al.On－line monitoring and evaluating of EHV composite insulators based on leakage currents and environmental conditions[J].Insulators and Surge Arresters,2014（1）：6－15.

[6]方春華，黃立，廖一帆，等．污穢復(fù)合絕緣子泄漏電流波形頻譜特征[J]．高壓電器，2016，52（5）：27－33．FANG Chunhua,HUANG Li,LIAO Yifan,et al.Research on leakage current waveform spectrum characteristics of artificial pollution composite insulator[J].High Voltage Apparatus,2016，52（5）：27－33.

[7]蔣興良，肖代波，胡建林，等．試驗方法對復(fù)合絕緣子污穢閃絡(luò)特性的影響[J]．高壓電器，2010，46（2）：8－11．JIANG Xingliang，XIAO Daibo，HU Jianlin,et al.Influence of testmethods on pollution flashover performance of composite insulators[J].High Voltage Apparatus,2010，46（2）：8－11.

[8]周煥銀，劉金生，魏雄．RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電路故障診斷中的應(yīng)用研究[J]．東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009,32（1）：97－100．ZHOU Huanyin,LIU Jinsheng,WEI Xiong.Research on the fault diagnosis of circuit based on RBF neural network[J].Journal of East China Institute of Technology（Natural Science Edition）,2009，32（1）：97－100.

[9]胡毅，劉凱．輸電線路OPGW接地方式的分析研究[J]．高電壓技術(shù)，2008，34（9）：1885－1888．HU Yi,LIU Kai.Analysis and research of grounding modes of optical fiber ground composite wire[J].High Voltage Engineering,2008，34（9）：1885－1888.

[10]范強(qiáng)，張哲民，陳文，等．基于OPGW的輸電線路落雷檢測與定位研究[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30（11）：68－71．FAN Qiang,ZHANG Zhemin,CHENWen,et al.Research on lightning detection and location in power grid based on OPGW[J].Advances of Power System&Hydroelectric Engineering,2014，30（11）：68－71.

[11]汪志成，周書民，吳仲郎，等．故障性質(zhì)對高速鐵路牽引網(wǎng)行波測距的影響 [J]．東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，37（1）：91－95．WANG Zhicheng,ZHOU Shumin,WU Zhonglang,et al.Fault Nature effect on traveling waveform of high－speed railway fault location[J].Journal of East China Institute of Technology(Natural Science Edition),2014，37（1）：91－95.

[12]劉剛，肖穩(wěn)安，尹波，等．基于磁光效應(yīng)對雷電流參數(shù)測量系統(tǒng)的研究[J]．電瓷避雷器，2016（2）：151－161．LIU Gang,XIAOWenan,YIN Bo,et al.Study on measuring system for lightning current parameters based on Magneto－Optical effect[J].Insulators and Surge Arresters,2016（2）：151－161.

Analysis of High Voltage Insulator Flashover Characteristics Based on OPGW Optical Sensor

LITao1， LIM u1， XIANG Tao2， CHENG Yuan1,CHEN Ran1
（1.Wuhan NARILimited Company of State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing NARIGroup Corporation， Wuhan 430074,China;2.Wuhan Power Supply Company,State Grid Hubei Electic Power Company,Wuhan 430013,China）

With the deterioration of the natural environment,such as fog and haze,the pollution flashover of insulators is second most important reason to threat the safe and stable operation of the power grid after the lightning strike.The time frequency characteristic analysis of high voltage insulator pollution flashover signal is carried out by using the insulator polluted data collected by OPGW optical sensor distributed flashover monitoring equipment.The results show that the duration of insulator pollution flashover signal is 50ms～60ms,and the frequency of flashover signal ismainly distributed in the low frequency range 50 Hz～1500 Hz,where the power frequency harmonic signal is very prominent.It is verified that the OPGW optical sensing technology can realize the distributed pollution flashover monitoring and fault location of all lines,and provide a new way for the early warning of insulator pollution flashover.

pollution flashover；insulator；OPGW；flashover signal analysis

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.027

2017－05－03

李 濤 （1987—），男，工程師，主要研究方向為電力主設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測。

2015年國家電網(wǎng)總部科技項目資助 (編號：WNJ151－0059)。