關于高壓絕緣子在線檢測與故障診斷方法的研究

多向陽 肖澤海

摘 要：在長時間的高電壓和惡劣天氣的作用下，高壓絕緣子很可能破損，導致高壓輸配電線的絕緣水平減低，進而導致電力系統受損，影響居民的工作生活，甚至威脅到居民的生命安全。本文簡要分析了高壓絕緣子的故障原因，并介紹了高壓絕緣子在線檢測系統的原理和設計方法。

關鍵詞：高壓絕緣子 檢測系統 故障定位

中圖分類號：TM216 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）08（b）-0043-02

高壓絕緣子的損壞會嚴重威脅到電力系統的安全和居民的正常工作生活，目前檢測高壓絕緣子故障的方法都需要工作人員爬到高壓線塔中逐一檢測，工作量大且較危險，所以如何設計出一套高壓絕緣子在線檢測系統是電力系統需要研究的，本文從高壓絕緣子的故障原因入手，分析了監測系統的原理，并設計了一套監測系統。

1 高壓絕緣子故障機理及檢測方法

1.1 絕緣子阻值降低

由于長期在露天環境下工作，風雨雪以及暴曬等惡劣的天氣會或多或少地對絕緣子造成一定的影響，其中發生最廣泛的就是局部絕緣子失效，進而降低了整個絕緣子的等效組織，由于這種情況不會導致絕緣子停止運行，短時間內也不會發生其他后果，所以一般很少被發現，但隨著情況的不斷惡化，最終會導致絕緣子擊穿。根據絕緣子阻值降低前后的性質差別，可以得出幾個檢測絕緣子阻值降低的方法，絕緣子阻值降低后，發生的變化有局部電壓增大、電場分布改變、電暈脈沖電流明顯、熱場分布改變，所以，可以通過檢驗對比這幾項數據，即應用電壓分布法、電場測量法、脈沖電流法、紅外成像法檢測絕緣子阻值是否降低。

1.2 絕緣子電暈放電

絕緣子電暈放電是指絕緣子表面的電暈電流頻率過大導致絕緣子局部電壓過高的現象，其原因是絕緣子表面的實際E值超過了合理的E值的范圍，導致絕緣子周圍的氣體介質帶電，正負電子各自奔向負正二極，進而產生電流，即氣體介質放電，絕緣子電暈放電直接導致負流注放電現象，若不能及時發現而任由負流注放電至負極時，絕緣子發生火花放電，并迅速被擊穿。由于電暈放電氣體介質帶電，所以，可以利用紫外成像技術檢查絕緣子的氣體介質中是否存在定向移動的電荷，進而確定絕緣子是否有電暈放電現象。

1.3 絕緣子破損

絕緣子破損包括絕緣子原本的質量問題（如內部存在電阻差、有氣泡、有夾渣等）和運行后出現的裂紋、脫粘等，這些問題都會導致絕緣子的機械強度降低、絕緣子斷裂等，進而導致爬電距離減小，導致高壓輸配電網絡出現故障，檢查這一問題只能用觀察法和超聲波法，超聲波法的原理是利用脈沖在絕緣子中的運動軌跡，從其折射和反射現象中分析絕緣子內部是否存在質量問題。絕緣子被污染后形成的表面污層可以導電，污物的組成中大部分是硫酸鈣，其他成分則取決于絕緣子周圍的污染源，它的電導率代表了污層的實際的電氣性能，絕緣子污染有a、b、c、d、e這5個級別，污染級別越高，絕緣子表面的泄漏電流聚集的越多，絕緣子越有可能發生閃絡現象，及時檢查絕緣子表面是否存在污穢可避免絕緣子擊穿。

2 高壓絕緣子在線檢測系統的設計

2.1 在線檢測系統工作原理

絕緣子阻值降低、絕緣子電暈放電、絕緣子破損和污穢是導致絕緣子故障的原因，這3種故障的共同點是都存在表面泄漏電流，所以，在線檢測系統以表面泄漏電流作為基本參數，在高壓輸配電網絡中加入實時數據測量系統和GPRS系統，實時數據測量系統要測量絕緣子電壓、電流、電阻、爬電距離、溫度、濕度、表面電流、風力、天氣狀況等數據，將系統中的數據通過網絡傳輸到監控系統中，并在系統中定義電阻計算電阻的公式Rn =dRn，根據電流、電壓、電阻、爬電距離、絕緣子直徑、功率的基本關系，得到高壓絕緣子中電阻與爬電距離和直徑的關系，定義最低絕緣子阻值，當絕緣子阻值低于達到此界限時，監控系統報警，并通過GPRS系統對故障中心進行定位，監控中心中設置一個數據庫，數據庫中存儲絕緣子的各種故障的特征和發生故障時的各項數據，監控系統對比故障絕緣子與數據庫中的各項數據，判斷絕緣子故障類型。

2.2 在線檢測系統結構及功能

在線檢測系統由電塔；高壓絕緣子；電流傳感器（每個絕緣子連接一個電流傳感器），用于檢測絕緣子的電流將之轉為f；GPS模塊，用于數據處理中心接受數據；防雷擊系統；軟件UART；電源系統（主要用太陽能電池，蓄電池備用）；GPRS模塊，用于發送數據；C8051F010、RS485、數據采集系統，采集溫度、濕度、測量風速；主要可劃分為電塔、數據采集、數據傳輸、數據分析4個模塊。電流傳感器裝在電塔的接地線的探頭中，用于采集漏電脈沖或電暈脈沖，由于絕緣子剛發生故障時，漏電脈沖或電暈脈沖都很小，不僅不能接入電路，而且會被其他電流（如正常的電力載波和泄漏電流）所干擾，所以探頭中要安裝放大漏電脈沖或電暈脈沖信號的放大器，數據分析模塊中也要設置過濾脈沖信號的程序，為了采集到盡量多的漏電脈沖或電暈脈沖信號，放大器的頻率范圍要設置在20～40MHz，過濾脈沖信號的程序要設置512K空間，并選擇20MHz的頻率。數據傳輸部分，在線檢測系統采用的是GPS與GPRS系統，與其他的有線和無線傳輸系統相比，GPS與GPRS系統成本低廉、工作量小，由于野外信號不穩，所以系統采用了在線檢測系統采用了雙系統模式，根據網絡信號的覆蓋度和強度自動變換GPRS或SMS模式。除此之外，在線檢測系統還需要解決以下技術問題：在線監測系統與高壓輸配電網絡連接時，輸配電網絡中的高電壓瞬間加到監測系統上，很容易造成檢測設備損壞，為此，在設備接入之前，要對監測系統進行光電隔離處理，從介質方面減小瞬間電壓，同時采取限制電壓的措施，參考防雷擊方法，接入部分防雷擊的措施；對于數據采集中環境對數據采集的準確性、信號發射中的折損等問題，需要采用先進設備，盡量減小高壓環境的影響，測量時先模擬在測量，去除錯誤數據。

2.3 脈沖分析方法

脈沖分析是在線監測系統中的重要技術，是數據采集和數據分析的核心，絕緣子的漏電脈沖和電暈脈沖信號微小、波動幅度也小，不僅達不到數據傳輸的最小的信號值和波動值，還被同處于20MHz以下其他信號干擾，所以如何分析并篩選出盡量多的有效脈沖信號是研究脈沖分析方法的目的。首先，應選用20～40MHz的放大器放大所有信號，設置一個20MHz的過濾器，采集到的數據先傳輸到FFT軟件中與分析中心儲存的數據進行比對，將初步篩選出的信息以.MAT格式儲存，并在軟件內設工具箱中分析，最終分析結果就是脈沖分析結果，可直觀反映是否存在絕緣子故障。電暈脈沖相位比較法則是根據脈沖信號的一個周期的數據繪出相位分布圖，比較電暈脈沖信號的相位，若在接近工頻信號的正、負峰值處的相位差為180°，則說明有電暈現象發生，進而比對這些絕緣子的相關數據與數據庫中的數據。小波分析則是通過分析漏電脈沖信號的波形和頻譜，繪出時間—頻率變化圖，若存在漏電脈沖的特征，則證明絕緣子故障。

3 結語

本文通過對高壓絕緣子的故障分析，從絕緣子阻值降低、絕緣子電暈放電、絕緣子破損3個故障原因入手，分析對比國內外已投入應用的絕緣子在線監測系統的工作原理，先確定新檢測系統的工作原理，根據工作原理設計出研究方案，通過實驗檢測得出的數據證明，該高壓絕緣子在線監測系統可行。

參考文獻

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