交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流在線監(jiān)測(cè)裝置研究

趙 淼，高自偉，朱學(xué)成，張 晉，周 淵，張 健

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2．國(guó)網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031)

高壓絕緣子是電力系統(tǒng)中使用量最大的器件，并聯(lián)運(yùn)行在電網(wǎng)和地之間。水分、冰雪和污穢在絕緣子表面沉積，以及絕緣子劣化和老化，會(huì)引起絕緣子泄漏電流急劇增加并導(dǎo)致電能損失。缺陷嚴(yán)重時(shí)在工作電壓及各種過(guò)電壓下引起表面電暈，對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行造成很大危害［1］?，F(xiàn)在一般采取增加爬電比距、采用耐污絕緣子、絕緣子表面涂憎水性防污涂料、定期清掃或沖洗等措施來(lái)抑制絕緣子的電流泄漏和閃絡(luò)。這些措施有一定的積極作用，但減少電暈的效果仍不理想。究其原因，主要是上述措施的實(shí)施周期均需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和維護(hù)人員巡視的結(jié)果來(lái)確定，而現(xiàn)場(chǎng)情況的變化以及人為因素導(dǎo)致絕緣子的實(shí)際狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握。因此，相關(guān)研究人員針對(duì)絕緣子泄漏和電暈電流的監(jiān)測(cè)技術(shù)展開(kāi)了很多的研究［2－14］，然而現(xiàn)使用的監(jiān)測(cè)裝置仍存在一些不足。本文在分析這些不足的基礎(chǔ)上研究了新的測(cè)量方法，并據(jù)此研制了一種交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流在線監(jiān)測(cè)裝置。

1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

絕緣子泄漏電流和電暈的監(jiān)測(cè)裝置一般包括微電流傳感器、調(diào)理放大電路、采集電路、控制電路、上下位機(jī)通信電路和供電電路等。

本文研制的交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Monitoring system diagram of AC transmission line insulator leakage current and corona pulse

1.1 微電流傳感器

檢測(cè)絕緣子泄漏電流及電暈脈沖電流有以下幾種取樣方法:在絕緣子串的接地端串入穿芯式電流互感器引出［2－3］;在末端絕緣子傘裙下部卡入集電環(huán);在集電環(huán)和接地端的引線中串入穿芯式電流互感器引出。

穿芯式電流互感器鐵芯材料有坡莫合金和鐵氧體材料等。由于鐵芯材料磁性能的局限性，電流互感器的精度并不能覆蓋全頻帶。若采用坡莫合金的鐵芯材料則只能在低頻段保證精度;若采用鐵氧體材料，由于其磁導(dǎo)率很低，遠(yuǎn)小于坡莫合金的磁導(dǎo)率，很難檢出低頻的微弱電流信號(hào)且相頻特性差。綜合考慮這些材料特性后，本文選取接地端第一片的絕緣子安裝信號(hào)采集裝置，為盡量減少對(duì)爬電距離的影響，在緊鄰鐵帽的傘裙外表面用導(dǎo)電膠粘接一個(gè)開(kāi)口的金屬箔截流環(huán)，如圖2所示。

在截流環(huán)和鐵帽間并聯(lián)一個(gè)取樣電阻，該電阻遠(yuǎn)小于截流環(huán)和鐵帽之間傘裙的表面電阻或體電阻，泄漏及電暈脈沖電流由原來(lái)的從傘裙表面流向地電位的鐵帽，改為從截流環(huán)經(jīng)過(guò)取樣電阻流向鐵帽。截流環(huán)開(kāi)口避免了截流環(huán)感應(yīng)絕緣子內(nèi)流過(guò)的位移電流和體電流在截流環(huán)上形成可致集電環(huán)電氣狀態(tài)變化的環(huán)流。這種取樣方式保證了獲取信號(hào)的頻率特性。

1.2 調(diào)理放大電路

將互感器檢出的泄漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(也稱阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配)后，一般經(jīng)放大調(diào)理送至模

圖2 檢測(cè)絕緣子泄漏電流的截流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Closure ring structure schematic checking insulator leakage current數(shù)轉(zhuǎn)換電路。而文獻(xiàn)［3－4］在增益放大后經(jīng)過(guò)硬件積分觸發(fā)數(shù)字觸發(fā)器來(lái)快速示警絕緣子電暈。

本方中由截流環(huán)獲取的泄漏及電暈脈沖電流通過(guò)帶緩沖器的超級(jí)伺服電路調(diào)理放大，該電路的優(yōu)越性在于消除可引起輸出飽和的直流失調(diào)電壓，如圖3所示。它包括放大單元和積分單元兩部分。負(fù)反饋電流輸入前置放大器和單位增益的緩沖器構(gòu)成放大單元。前置反相放大器的反相輸入端電阻即取樣電阻，也可取消該電阻，這時(shí)反相輸入端阻值很小的等效輸入電阻即是截流環(huán)和鐵帽之間的取樣電阻。緩沖器是單位增益的電流負(fù)反饋放大器，使測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍為0～1 A。一般電流負(fù)反饋放大器都具有很寬的頻帶。

積分單元使用反轉(zhuǎn)積分器，將緩沖器輸出信號(hào)進(jìn)行充分積分即檢出直流失調(diào)信號(hào)，送至前置放大器正相輸入端以消除直流失調(diào)電壓。此外，調(diào)理放大電路反相輸入端并聯(lián)有瞬態(tài)抑制器作為保護(hù)電路。

1.3 采集和控制電路

采集電路和控制電路目前主要采用帶模數(shù)變換電路模塊的低功耗單片機(jī)。

由于絕緣子脈沖電流信號(hào)的頻譜很寬，可達(dá)數(shù)兆赫茲，一般單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)變換電路達(dá)不到如此高的采樣頻率，因此選擇現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為控制單元，高速、低速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路選擇一片獨(dú)立芯片。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用來(lái)采集泄漏和脈沖電流經(jīng)調(diào)理放大后的電壓信號(hào)，多通道低速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用來(lái)采集濕度、溫度等傳感信號(hào)。

FPGA控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號(hào)存入靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM，并控制移動(dòng)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)計(jì)算泄漏及電暈脈沖電流等數(shù)據(jù)，并判斷絕緣子串的狀態(tài)。

1.4 通信方式

除就地處理泄漏電流信息外，可使用有線或無(wú)線通信方式和上位機(jī)聯(lián)系。有線通信方式如CAN現(xiàn)場(chǎng)總線［5］、RS －485 總線［6］和 PSTN 公用電話網(wǎng)［7］。無(wú)線通信方式如使用公用移動(dòng)通信網(wǎng)GPRS/(GSM 或 CDMA)和3G［8－9］、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)［10］及其它無(wú)線通信方式［11］。

考慮測(cè)量終端的安裝位置主要為遠(yuǎn)離人口密集區(qū)的野外，這里絕緣子泄漏和脈沖電流的測(cè)量終端和上位機(jī)間采用公用移動(dòng)通信網(wǎng)GPRS/GSM方式交換數(shù)據(jù)和收發(fā)指令。

1.5 測(cè)量終端的供電

測(cè)量終端供電方式有采用交流220 V電源、鋰電池［5］、太陽(yáng)能［8］和經(jīng)電流互感器直接從高壓線電流中獲取電能［11］等方式。測(cè)量終端采用交流220 V可充電、太陽(yáng)能供電相結(jié)合的供電方式。

1.6 微氣候的測(cè)量

絕緣子泄漏電流和所處微環(huán)境有關(guān)，包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所處的現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向和雨量等環(huán)境參數(shù)。

根據(jù)測(cè)量終端的使用地區(qū)，這里選擇溫度和濕度作為同時(shí)的監(jiān)測(cè)量。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的消噪措施

泄漏電流信號(hào)通常為微安、毫安級(jí)，而在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在絕緣子周邊的強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下，以及受器件本身的熱噪聲干擾影響，因而測(cè)得的泄漏電流信號(hào)含有噪聲并會(huì)給后續(xù)計(jì)算造成影響，所以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)采用降噪技術(shù)。

對(duì)工頻及其附近的干擾和噪聲，主要采取切斷周邊工頻為主的電磁波傳播和耦合至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的途徑進(jìn)行抑制。如對(duì)供電電源，雖然采用鋰電池儲(chǔ)能，也要保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源連線布置在接地屏蔽殼內(nèi);對(duì)調(diào)理放大電路和數(shù)字電路的供電要分離;由于太陽(yáng)能板暴露在屏蔽殼外，供電電源和電路系統(tǒng)之間加入了消除含工頻紋波的電路。

對(duì)器件熱噪聲等干擾，采取軟件濾波的措施。目前，對(duì)絕緣子泄漏電流噪聲的軟件消除主要有小波分析［11］、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)［12］、總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)［13］等方法。由于本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件已抑制了工頻干擾，這里軟件采用平滑濾波的方法來(lái)消除這些白噪聲，即

采用軟硬件結(jié)合的方法去噪后的效果如圖4所示。

3 絕緣子狀態(tài)模糊邏輯診斷的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)泄漏電流，尤其是結(jié)合微氣候參量，目前采用模糊數(shù)學(xué)［6］、小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［14］等技術(shù)分析判斷絕緣子狀態(tài)。

選用模糊邏輯方法實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子狀態(tài)的診斷。根據(jù)模糊推導(dǎo)關(guān)系式，即Y=R×X，需要建立模糊數(shù)據(jù)輸入集X、模糊輸出集Y和模糊關(guān)系集R。

模糊輸出集是表征診斷結(jié)果的一種方式，將絕緣子分為正常(NL)、一般(CM)、較嚴(yán)重(MS)和嚴(yán)重(SR)等4個(gè)狀態(tài)等級(jí)的絕緣工況，模糊輸出集為Y={NL，CM，MS，SR}T。

模糊輸入集是表征影響絕緣子狀態(tài)的各種外界因素的集合，這里絕緣子的電暈電流概率(Fc)、泄漏電流有效值(Fl)、泄漏電流峰值(Fp)及泄漏電流脈沖頻度(Ff)等參量是能夠檢測(cè)到并反映絕緣子絕緣性能判定的主要電參數(shù)。因此，模糊輸入集為X={Fc，F(xiàn)l，F(xiàn)p，F(xiàn)f}T。

在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)絕緣失效過(guò)程及輸出狀態(tài)的劃分，并作歸一化處理后建立的模糊關(guān)系矩陣為

這樣，由(X，Y，R)構(gòu)成了模糊綜合評(píng)估模型。

此外，還需要將絕緣子各參量進(jìn)行模糊化處理，處理后數(shù)據(jù)為模糊輸入集X。

3.1 電暈電流的模糊化處理

線路絕緣子電暈放電是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，受環(huán)境溫度、濕度及其表面污穢的影響較大，近似滿足概率方程。選擇了一個(gè)具有平頂?shù)哪：D(zhuǎn)換函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn):

式中:α1取0.95;α2取1.3;β為比率，考慮了環(huán)境溫度、濕度及其表面污穢等級(jí)的影響;f(β)選用單邊截止型模糊正態(tài)分布函數(shù)。

3.2 泄漏電流的模糊化處理

泄漏電流值越大，表示絕緣子的絕緣劣化越嚴(yán)重，因此，根據(jù)環(huán)境溫度、濕度校正后所得泄漏電流值，可用下式表達(dá)其模糊函數(shù):

式中:a為常數(shù)，表征模糊函數(shù)的收斂速度，實(shí)際取1;b為門(mén)檻電流。

3.3 泄漏電流峰值的模糊化處理

泄漏電流峰值的模糊隸屬度分為6個(gè)區(qū)間，即

式中Ip表示泄漏電流峰值。

3.4 泄漏電流脈沖頻度的模糊化處理

泄漏電流脈沖頻度的模糊隸屬度函數(shù)定義為:對(duì)在一定時(shí)間內(nèi)各種不同幅值的泄漏電流峰值出現(xiàn)頻度次數(shù)ni，分別賦予不同的模糊數(shù)值，并通過(guò)模糊運(yùn)算決定最終模糊隸屬度，即

其中

3.5 決策分析

運(yùn)算結(jié)果Y是介于0和1之間的模糊數(shù)，它反映了被測(cè)絕緣子處于各種不同絕緣運(yùn)行工況的可信程度。根據(jù)Y值的情況，可對(duì)線路絕緣子的運(yùn)行狀況作一個(gè)概率性的評(píng)估，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。

當(dāng)某種絕緣運(yùn)行工況的輸出值大于0.5時(shí)，可認(rèn)為絕緣子運(yùn)行在該種絕緣條件下。當(dāng)有多個(gè)Y值大于0.5時(shí)，絕緣狀況的診斷采用優(yōu)先原則進(jìn)行:當(dāng)有多個(gè)模糊輸出數(shù)的值大于0.5時(shí)，按SR＞MS＞CM＞NL的優(yōu)先原則判定當(dāng)前被測(cè)絕緣子的絕緣狀況并采取相應(yīng)的絕緣保護(hù)措施。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)該在線監(jiān)測(cè)裝置的適用性，在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。部分結(jié)果如表1所示。

由表1結(jié)果可看出，利用在線監(jiān)測(cè)裝置綜合監(jiān)測(cè)絕緣子的泄漏電流、放電脈沖電流及微氣候等參數(shù)，并根據(jù)模糊診斷方法能很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子狀態(tài)的判斷。

表1 絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)裝置的試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of insulator leakage current monitoring device

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