交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流在線監測裝置研究

趙 淼，高自偉，朱學成，張 晉，周 淵，張 健

(1．黑龍江省電力科學研究院，哈爾濱 150030;2．國網北京市電力公司，北京 100031)

高壓絕緣子是電力系統中使用量最大的器件，并聯運行在電網和地之間。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，會引起絕緣子泄漏電流急劇增加并導致電能損失。缺陷嚴重時在工作電壓及各種過電壓下引起表面電暈，對電力系統的安全可靠運行造成很大危害［1］。現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抑制絕緣子的電流泄漏和閃絡。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施周期均需要根據現場情況和維護人員巡視的結果來確定，而現場情況的變化以及人為因素導致絕緣子的實際狀態無法實時準確地掌握。因此，相關研究人員針對絕緣子泄漏和電暈電流的監測技術展開了很多的研究［2－14］，然而現使用的監測裝置仍存在一些不足。本文在分析這些不足的基礎上研究了新的測量方法，并據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測裝置。

1 系統整體硬件設計

絕緣子泄漏電流和電暈的監測裝置一般包括微電流傳感器、調理放大電路、采集電路、控制電路、上下位機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測系統框圖如圖1所示。

圖1 交流線路絕緣子泄漏及電暈脈沖電流監測系統框圖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;在集電環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，由于其磁導率很低，遠小于坡莫合金的磁導率，很難檢出低頻的微弱電流信號且相頻特性差。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采集裝置，為盡量減少對爬電距離的影響，在緊鄰鐵帽的傘裙外表面用導電膠粘接一個開口的金屬箔截流環，如圖2所示。

在截流環和鐵帽間并聯一個取樣電阻，該電阻遠小于截流環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的從傘裙表面流向地電位的鐵帽，改為從截流環經過取樣電阻流向鐵帽。截流環開口避免了截流環感應絕緣子內流過的位移電流和體電流在截流環上形成可致集電環電氣狀態變化的環流。這種取樣方式保證了獲取信號的頻率特性。

1.2 調理放大電路

將互感器檢出的泄漏電流信號轉換為電壓信號(也稱阻抗網絡匹配)后，一般經放大調理送至模

圖2 檢測絕緣子泄漏電流的截流環結構示意圖

Fig.2 Closure ring structure schematic checking insulator leakage current數轉換電路。而文獻［3－4］在增益放大后經過硬件積分觸發數字觸發器來快速示警絕緣子電暈。

本方中由截流環獲取的泄漏及電暈脈沖電流通過帶緩沖器的超級伺服電路調理放大，該電路的優越性在于消除可引起輸出飽和的直流失調電壓，如圖3所示。它包括放大單元和積分單元兩部分。負反饋電流輸入前置放大器和單位增益的緩沖器構成放大單元。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，這時反相輸入端阻值很小的等效輸入電阻即是截流環和鐵帽之間的取樣電阻。緩沖器是單位增益的電流負反饋放大器，使測量的動態范圍為0～1 A。一般電流負反饋放大器都具有很寬的頻帶。

積分單元使用反轉積分器，將緩沖器輸出信號進行充分積分即檢出直流失調信號，送至前置放大器正相輸入端以消除直流失調電壓。此外，調理放大電路反相輸入端并聯有瞬態抑制器作為保護電路。

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變換電路模塊的低功耗單片機。

由于絕緣子脈沖電流信號的頻譜很寬，可達數兆赫茲，一般單片機內置的模數變換電路達不到如此高的采樣頻率，因此選擇現場可編程門陣列(FPGA)作為控制單元，高速、低速模數轉換電路選擇一片獨立芯片。高速模數轉換電路用來采集泄漏和脈沖電流經調理放大后的電壓信號，多通道低速模數轉換電路用來采集濕度、溫度等傳感信號。

FPGA控制模數轉換電路，將轉換出的數字信號存入靜態隨機存儲器SRAM，并控制移動通信模塊將數據發送至上位機。上位機計算泄漏及電暈脈沖電流等數據，并判斷絕緣子串的狀態。

1.4 通信方式

除就地處理泄漏電流信息外，可使用有線或無線通信方式和上位機聯系。有線通信方式如CAN現場總線［5］、RS －485 總線［6］和 PSTN 公用電話網［7］。無線通信方式如使用公用移動通信網GPRS/(GSM 或 CDMA)和3G［8－9］、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)技術［10］及其它無線通信方式［11］。

考慮測量終端的安裝位置主要為遠離人口密集區的野外，這里絕緣子泄漏和脈沖電流的測量終端和上位機間采用公用移動通信網GPRS/GSM方式交換數據和收發指令。

1.5 測量終端的供電

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

1.6 微氣候的測量

絕緣子泄漏電流和所處微環境有關，包括監測系統所處的現場溫度、濕度、風速、風向和雨量等環境參數。

根據測量終端的使用地區，這里選擇溫度和濕度作為同時的監測量。

2 監測系統的消噪措施

泄漏電流信號通常為微安、毫安級，而在線監測系統工作在絕緣子周邊的強電磁場環境下，以及受器件本身的熱噪聲干擾影響，因而測得的泄漏電流信號含有噪聲并會給后續計算造成影響，所以監測系統會采用降噪技術。

對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測系統內的途徑進行抑制。如對供電電源，雖然采用鋰電池儲能，也要保證監測系統的電源連線布置在接地屏蔽殼內;對調理放大電路和數字電路的供電要分離;由于太陽能板暴露在屏蔽殼外，供電電源和電路系統之間加入了消除含工頻紋波的電路。

對器件熱噪聲等干擾，采取軟件濾波的措施。目前，對絕緣子泄漏電流噪聲的軟件消除主要有小波分析［11］、數學形態學［12］、總體經驗模態分解(EEMD)［13］等方法。由于本監測系統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消除這些白噪聲，即

采用軟硬件結合的方法去噪后的效果如圖4所示。

3 絕緣子狀態模糊邏輯診斷的實現

根據泄漏電流，尤其是結合微氣候參量，目前采用模糊數學［6］、小波模糊神經網絡［14］等技術分析判斷絕緣子狀態。

選用模糊邏輯方法實現對絕緣子狀態的診斷。根據模糊推導關系式，即Y=R×X，需要建立模糊數據輸入集X、模糊輸出集Y和模糊關系集R。

模糊輸出集是表征診斷結果的一種方式，將絕緣子分為正常(NL)、一般(CM)、較嚴重(MS)和嚴重(SR)等4個狀態等級的絕緣工況，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)等參量是能夠檢測到并反映絕緣子絕緣性能判定的主要電參數。因此，模糊輸入集為X={Fc，Fl，Fp，Ff}T。

在實驗研究的基礎上，通過絕緣失效過程及輸出狀態的劃分，并作歸一化處理后建立的模糊關系矩陣為

這樣，由(X，Y，R)構成了模糊綜合評估模型。

此外，還需要將絕緣子各參量進行模糊化處理，處理后數據為模糊輸入集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隨機過程，受環境溫度、濕度及其表面污穢的影響較大，近似滿足概率方程。選擇了一個具有平頂的模糊轉換函數來實現:

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

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重，因此，根據環境溫度、濕度校正后所得泄漏電流值，可用下式表達其模糊函數:

式中:a為常數，表征模糊函數的收斂速度，實際取1;b為門檻電流。

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個區間，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定義為:對在一定時間內各種不同幅值的泄漏電流峰值出現頻度次數ni，分別賦予不同的模糊數值，并通過模糊運算決定最終模糊隸屬度，即

其中

3.5 決策分析

運算結果Y是介于0和1之間的模糊數，它反映了被測絕緣子處于各種不同絕緣運行工況的可信程度。根據Y值的情況，可對線路絕緣子的運行狀況作一個概率性的評估，進而采取相應的措施。

當某種絕緣運行工況的輸出值大于0.5時，可認為絕緣子運行在該種絕緣條件下。當有多個Y值大于0.5時，絕緣狀況的診斷采用優先原則進行:當有多個模糊輸出數的值大于0.5時，按SR＞MS＞CM＞NL的優先原則判定當前被測絕緣子的絕緣狀況并采取相應的絕緣保護措施。

4 實驗驗證

為檢驗該在線監測裝置的適用性，在實驗室和現場對其進行了驗證。部分結果如表1所示。

由表1結果可看出，利用在線監測裝置綜合監測絕緣子的泄漏電流、放電脈沖電流及微氣候等參數，并根據模糊診斷方法能很好地實現對絕緣子狀態的判斷。

表1 絕緣子泄漏電流監測裝置的試驗結果Tab.1 Test results of insulator leakage current monitoring device

［1］關志成，王紹武，梁曦東，等．我國電力系統絕緣子污閃事故及其對策［J］．高電壓技術.2000，26(6):37 39．GUAN Zhicheng，WANG Shaowu，LIANG Xidong，et al．Application and prospect of polymeric outdoor insulation in China［J］．High Voltage Technology，2000，26(6):37 39．

［2］陳攀，孫才新，米彥，等．一種用于絕緣子泄漏電流在線監測的寬頻帶微電流傳感器的特性研究［J］．中國電機工程學報，2005，25(24):144 148．CHNE Pan，SUN Caixin，MI Yan，et al．Research of broad bandwidth micro-current sensor character for insulator leakage current monitoring system ［J］．Proceedings of CSEE，2005，25(24):144 148．

［3］劉志學，李詩華，單鴻旭，等．基于Rogowski線圈原理的變電站絕緣子電暈快速監測方法［J］．電力系統保護與控制，2011，39(13):126 133．LIU Zhixue，LI Shihua，SHAN Hongxu，et al．Method based on Rogowski coil theory for rapid monitoring insulator corona in substation ［J］． Power System Protection and Control，2011，39(13):126 133．

［4］劉志學．改進的絕緣子電暈快速監測系統［J］．電力自動化設備，2013，33(7):167 171．LIU Zhixue．Improved insulator corona rapid monitoring system［J］．Electric Power Automation Equipment，2013，33(7):167 171．

［5］趙漢表，林輝，廖勝藍，等．基于CAN總線的絕緣子污穢在線監測系統［J］．高電壓技術，2012，38(5):1207 1216．ZHAO Hanbiao，LIN Hui，LIAO Shenglan，et al．Insulator contamination degree onlinemonitoringsystem based on CAN bus［J］．High Voltage Engineering，2012，38(5):1207 1216．

［6］李波，劉念，李瑞葉．變電站絕緣子污穢在線監測技術［J］．高電壓技術，2008，34(6):1288 1291．LI Bo，LIU Nian，LI Ruiye．Contamination of substation insulators online monitoring technology［J］．High Voltage Engineering，2008，34(6):1288 1291．

［7］張亞萍，張偉，張軍，等．變電站絕緣子污穢信息的監測與管理系統［J］．高電壓技術，2001，27(5):27 31．ZHANG Yaping，ZHANG Wei，ZHANG Jun，et al．Insulator contamination data monitor and management system in substation［J］．High Voltage Engineering，2001，27(5):27 31．

［8］張朋，王龍華．基于C8051F020的高壓絕緣子泄漏電流在線監測［J］．高電壓技術，2012，38(5):1207 1216．ZHANG Peng，WANG Longhua．Online monitoring of leakage current of the insulators based on C8051F020［J］．High Voltage Engineering，2012，38(5):1207 1216．

［9］王黎明，李博，黃海鯤，等．自然積污試驗用19路泄漏電流在線監測系統的研制［J］．高電壓技術，2010，36(3):559 564．WANG Liming，LI Bo，HUANG Haikun，et al．Development of a 19-channel leakage current online monitoring system for natural pollution deposit test［J］．High Voltage Engineering，2010，36(3):559 564．

［10］李麗芬，朱永利，黃建才，等．基于無線傳感器網絡的絕緣子泄漏電流在線監測系統［J］．電力系統保護與控制，2011，39(10):74 79．LI Lifen，ZHU Yongli，HUANG Jiancai，et al．Wireless sensor networks based insulator leakage current online monitoring system［J］．Power System Protection and Control，2011，39(10):74 79．

［11］趙漢表，林輝，謝利理，等．基于高壓側測量的輸電線絕緣子泄漏電流在線監測系統［J］．電力系統自動化，2004，28(22):78 82．ZHAO Hanbiao，LIN Hui，XIE Lili，et al．Online monitoring system on measuring leakage current near hv side for electrical transmission line insulators［J］．Automation of Electric Power System，2011，39(10):74 79．

［12］楊文字，楊俊杰，楊旭英，等．基于數學形態學的絕緣子在線監測［J］．高電壓技術，2008，34(11):2317 2321．YANG Wenzi，YANG Junjie，YANG Xuying，et al．New method for online monitoring of insulators based on mathematical morphology［J］．High Voltage Engineering，2008，34(11):2317 2321．

［13］魏利民，孫金寶，朱永利．基于EEMD的絕緣子泄漏電流消噪方法［J］．華北電力大學學報，2012，39(2):17 22．WEI Limin，SUN Jinbao，ZHU Yongli．A de-noising method based on EEMD for insulator leakage current［J］．Journal of NCEPU，2012，39(2):17 22．

［14］岳良順，劉念，梁杉，等．小波模糊神經網絡在絕緣子污穢在線監測中的應用［J］．高電壓技術，2010，36(10):2483 2487．YUE Liangshun，LIU Nian，LIANG Shan，et al．Application of wavelet fuzzy neural network to contamination online monitoring of insulators［J］．High Voltage Engineering，2010，36(10):2483 2487．