基于遠程耦合法的絕緣子泄漏電流監測及局部放電識別

項恩新，王科

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明650217）

0前言

初期泄漏電流主要是容性正弦電流，當污穢層濕潤之后，泄漏電流的幅值上升、負載阻性也上升[1-2]。泄漏電流的存在會蒸發掉濕潤污穢層中的水分，從而在電纜終端絕緣子表面形成干帶，此時絕緣子表面的溫度也會有輕微的上升[4]。當干帶形成時，泄漏電流波形開始變為非正弦型[5]。由于干帶承受了絕緣子上的電壓，因此容易發生放電，此時放電電流疊加在原先的正弦泄漏電流上時就產生了非正弦波，并產生高頻電流尖峰。干帶放電的加劇最終將導致閃絡，因此監測干帶放電的出現可用于電纜終端絕緣子閃絡預警[6]。

本文的主要工作是提出了一種通過遠程檢測泄漏電流來偵測干帶放電的方法，通過簡單的信號處理之后對電纜終端絕緣子的狀態進行了分析和預測。首先本文利用螺線圈作為探測泄漏電流的傳感器進行了泄漏電流初步測量以研究螺線圈探測的可行性。之后本文在現場和實驗室，利用遠程測量和直接測量的方式測量了電纜終端絕緣子泄漏電流。遠程耦合得到的測量信號通過時域峰態分析進行研究。通過將遠程耦合測得的結果與直接檢測得到的結果進行比較，本文驗證了遠程耦合檢測泄漏電流和偵測絕緣子放電狀態的有效性。

1泄漏電流傳感器模型

1.1遠程耦合傳感器

泄漏電流遠程耦合傳感器的基本原理是捕捉泄漏電流釋放額電磁場[7]。螺線圈纏繞在鐵氧永磁體上，螺線圈平面與磁場方向垂直，并在線圈的兩端感應出電壓。線圈匝數為50匝，長度為80mm，直徑為8mm。

如果泄漏路徑的長度為d；絕緣子到線圈距離為l；傳感器匝數為N，線圈截面積為A，泄漏電流峰值為I，從而傳感器的感應電壓ε為：

1.2信號偵測方法

信號分析主要是基于分開偵測泄漏電流的三個分量：正弦分量、非正弦分量、放電。在直接檢測泄漏電流時分量識別主要是基于時域信號的觀測。而遠程耦合信號的偵測識別則是基于魯棒性信號處理技術。

泄漏電流的偵測技術應當具有普適性，能適用于各式各樣的樣品；計算方法應當足夠簡單從而能應用于在線監測，進行分類時應當只在一個“短”窗口進行觀察。

圖1泄漏電流試驗平臺示意圖

初步測量結果表明遠程測量得到的泄漏電流時域結果包含著典型信號噪聲：正弦泄漏電流中包含著高頻尖峰。即使信號波形出現了些許畸變，非正弦分量信號的直接檢測結果中，也沒有包含有另外兩種信號的時域特征的信號分量。

從時域波形的角度來分析，三種泄漏電流波形具有可見差異，因此可以據此對三種泄漏電流波形分別命名，從而可以針對信號進行深入的時域分析。在時域圖像中，可以直接觀察到泄漏電流波形上的尖峰以及振幅的水平偏差，本文通過從時域波形中提取代表不同振幅水平的直方圖進行進一步分析。不同電壓等級下，所得的信號直方圖具有明顯差異，這種差異與絕緣子不同的放電狀態可以一一對應。

信號直方圖的變化與不同泄漏電流信號幅值的變化相關，當絕緣子出現放電時直方圖將出現較高振幅的尖峰，與其他信號差距明顯。當進行遠程泄漏電流測量時，也出現了有噪聲造成的零星尖峰，這使得直方圖的分布更為分散，同時低振幅水平的存在凸出了直方圖的中間部分，使其呈現“尖”的外觀，從而打破了直方圖的高斯分布特征，使其形狀更為非-高斯化。當出現放電行為時，遠程測量得到的直方圖就會出現波峰、波谷形狀。就正弦相來說，其波峰幅值較大，震蕩較為規律，從而波形分布的分散性較小，與放電時的分布相比其高斯形態更為明顯。非正弦相的直方圖分布介于正弦和放電之間，具有點狀放電波形、波形同時具有較高振幅和較低振幅區域。分析直方圖的形態是一種較為穩健的分析方法，因為在遠程耦合信號的分析過程中不管絕對信號幅值如何，對應直方圖形態都是不變的，相比于時域信號閾值分析技術直方圖分析更為可靠。采用信號分布直方圖可以避免信號幅值的影響，從而使得直方圖分析受到廣泛應用，也可以應用于絕緣子狀態監測。

對直方圖分布進行分類是可以采用直方圖“相對點”對其進行量化，評估直方圖的“平坦度”或者“點程度”則可以使用“峰度”參數作為量化參數來描述直方圖的非高斯性。峰度計算方法如下所示：

其 中Xi,i=1,2,…,n是測量的次 數，

按如上定義，當分布直方圖為正態分布時峰度將等于3，當分布直方圖比正態分布更為平坦時峰度將比3低；當分布直方圖比正態分布更瘦更高時峰度將大于3，同時分布圖尖峰凸出越明顯峰度值越大。當峰度值較高時將會打破原高斯分布，造成超高斯分布。當正弦信號被噪聲信號覆蓋時，其分布圖接近于低峰度條件下的高斯分布，此時一旦發生閃絡事故，原信號分布圖將會出現較大峰度，是的分布變為超高斯分布。因此本文使用峰度作為衡量和區分不同泄漏電流的特征參數。

通過觀察分布圖形即可計算峰度，同時利用峰度參數只需要處理單一標量數值，比使用矢量參數方便許多，從而在泄漏電流分類時可以直接進行分類而避免其他更加復雜的步驟。

2測量方法比較研究

2.1直接測量與遠程測量比較

如圖2所示是正弦、非正弦、放電三種狀態下泄漏電流的直接、遠程測量的結果比較。這三種泄漏電流取自一直施加了標稱電壓50%、100%、200%的10 kV 陶瓷絕緣子，并在此三種電壓等級下觀察三種泄漏電流波形。圖中標出了遠程測量信號直方圖以及對應的峰度參數k。由圖中波形可以看出直接測量法得到的泄漏電流模式與遠程測量得到的泄漏電流模式相關性好。

圖2遠程耦合法與直接測量法的泄漏電流模式識別比較

例如如圖2所示當泄漏電流為正弦型時，遠程測量得到的泄漏電流信號淹沒在時域信號的噪聲內。當泄漏電流發生畸變并且波形中包含有放電痕跡時，遠程耦合法測得的波形中泄漏電流波形將會從噪聲中凸顯出來，如圖2c所示。除了非正弦放電情況下出現的放電尖峰以外，前向諧波的形變也會導致噪聲波形上出現的紋波，如圖2b所示。如圖2a 至圖2c所示，高斯分布圖形逐漸由集中向零星分布轉變，其k值也由正弦電壓向放電狀態逐漸增加。其中不同類型絕緣子的泄漏電流波形變化特性都較為相似，因此可以使用遠程泄漏電流測量法來監測絕緣子表面的放電活動。

2.2遠程測量傳感器位置對測量結果的影響

為了選取遠程傳感器最適宜的放置位置本文進行了傳感器放置位置的試驗，考慮到絕緣子安裝方式以及緊固金具（球帽、球頭）和絕緣子上泄漏電流的流向，將傳感器放置在與絕緣子平行的位置進行測試。由于絕緣子幾何結構呈軸對稱，因此在以一個常數為半徑的范圍內傳感器可以放置在任意位置。測試時以絕緣子為中心，傳感器放置位置依次距離絕緣子0.5 m 至2.5 m，并且在每種試驗電壓下測量潮濕清潔條件下的泄漏電流。試驗結果與公式1所示的計算結果相同，探測信號的幅值僅僅與距離相關，當傳感器與絕緣子相距2.5 m 時，其信號幅值比相距0.5 m 時大8倍，考慮到信號幅值以及絕緣子可能發生的不同放電狀態，將傳感器安裝在距離絕緣子1米的位置處。實際工程中傳感器的安裝位置需要考慮桿塔的幾何形狀以及線圈的設計方式。

2.3傳感器附近干擾電流對測量結果的影響

由于遠程測量泄漏電流的方式是基于泄漏電流的電磁感應探測，因此絕緣子表面其他電流產生的電磁場同樣會被傳感器探測并影響測量結果，因此需要研究絕緣子表面其他電流對泄漏電流測量結果的貢獻。實際中絕緣子表面主要存在兩種電流源：工頻電流、電暈放電電流。為了量化上述兩種電流源的貢獻，本文在以下幾種情況中測量了10 kV 玻璃絕緣子的泄漏電流：（1）傳感器附近無任何干擾電流源；（2）在傳感器1米處放置通400 A 電流的導線作為線電流源；（3）在距離傳感器1米的位置放置長度為1 cm，面積為10 cm*10 cm 的電暈平板，平板上安裝有100根電暈針，平板加壓與絕緣子加壓相同，共用一套電源。

如圖3所示是使用直接測量、遠程耦合測量得到的三種情況下的泄漏電流波形，其中當加壓為標稱電壓50%且泄漏電流模式為正弦型時，直接測量得到的泄漏電流波形與附近干擾電流源無關，這種現象在上述三種情況中都有體現。

圖3附近干擾電流對泄漏電流測量結果的影響

三種不同情況下的測量中測量結果存在些許較小差異，但分布直方圖和峰度值并沒有受到外部電流源的影響。其他泄漏電流模式下也觀察到了相似的現象。因此，即使存在導線電流和電暈放電的影響，泄漏電流的探測也可以正常進行。

3泄漏電流測量試驗

3.1試驗絕緣子

試驗使用的6支絕緣子，如表1所示是這6支絕緣子的參數。

表1試驗絕緣子參數

3.2試驗環境條件

3.2.1絕緣子清潔霧試驗

清潔霧由空氣壓縮機對清潔水加以720 kPa壓力，搭配噴頭實現對絕緣子噴霧。典型霧的粒徑為0.5 mm3，霧流量為0.5 dm3/m in。噴槍以90度背離傳感器以避免有噴淋對傳感器帶來的任何損壞，五支絕緣子在50%、100%、150%、200%、250%、300%標稱運行電壓下對絕緣子加壓。

3.2.2絕緣子鹽霧試驗

制備鹽水用于絕緣子噴霧試驗，鹽水濃度分別為10 g/L 和40 g/L，用以表征染污程度的輕和重。噴灑鹽水之后在50%、100%、150%、200%、250%、300%幾種標稱電壓加壓下測試五支不同絕緣子。

3.2.3運行現場積污絕緣子的清潔霧試驗

本文在實驗艙中（長1.2 米、寬1.3 米、高1.9米）進行染污絕緣子的清潔霧試驗，水蒸氣有加熱水至93攝氏度進行制備，高壓通過套管引入實驗艙。試驗過程中保持相對濕度為95%。五支現場積污的絕緣子加以50%、100%、150%、200%、250%、300%幾種標稱電壓，并記錄直接測量和遠程耦合測量得到的泄漏電流信號。

4結果與討論

4.1基于峰度值的泄漏電流模式判別

本文計算了五支現場積污絕緣子以及五支實驗室染污絕緣子的峰度值k，計算結果如圖4和圖5所示，泄漏電流模式則根據直接檢測法測得以及由遠程信號耦合計算得到的峰度值k共同進行識別。如圖5所示是五支現場積污絕緣子在不同施加電壓下的峰度值以及模式識別結果。如圖5所示是實驗室染污絕緣子的結果。

圖4直接測量法測量不同電壓下五支現場積污絕緣子（#6～#10）的峰度值變化

圖5直接測量法得到的不同電壓下實驗室積污絕緣子泄漏電流典型峰度值

由圖可知，現場積污絕緣子泄漏電流識別結果中，模式1的峰度值介于3～5之間，模式2峰度值介于8～12之間，模式3峰度值介于30～35之間。對于實驗室染污絕緣子，模式1峰度值介于2～4之間，模式2峰度值介于7～10之間，模式3峰度值介于15～18之間。

由圖中可以清晰的看出現場積污絕緣子和實驗室積染污絕緣子的三種模式峰度值k 計算和識別結果與預期結果相同。正弦泄漏電流模式下峰度值k 小于5，與觀測結果一致，k 值趨近于3表明分布圖接近于高斯分布，與泄漏電流時域信號測量中信號被噪聲掩蓋時較為趨近于高斯分布相對應。由于信號非線性以及信號采集誤差的存在，部分情況下峰度值也會達到5。當存在有放電時泄漏電流峰度值明顯高于12，非正弦泄漏電流的峰度值則介于5至12之間，此時較高的k 值是由非正弦和放電兩種狀態下的諧波脈沖和放電活動構成的。放電活動打破了分布圖的正態分布鐘型，與實際物理現象吻合。因此可以得出結論：k 值可用于三種泄漏電流的識別和測量。

4.2泄漏電流模式識別

如表2所示是通過直接測量和遠程耦合測量得到的泄漏電流模式識別結果，該結果對應標稱加壓為50%、100%、150%和200%四種加壓下的結果比較。在清潔絕緣子的20個識別案例中，準確識別18次；在較低實驗室染污級別下，遠程耦合法準確識別19次；在高染污程度下，遠程耦合法準確識別17次。實驗室染污絕緣子的識別準確率總計為90%。現場染污絕緣子的識別結果顯示遠程耦合法的識別準確率可達100%。

表2泄漏電流模式識別

4.3絕緣子材料對泄漏電流模式識別的影響

如圖6所示是五支實驗室染污絕緣子的泄漏電流直接測量結果（輕染污級別）以及一支現場染污絕緣子測量結果。加壓為標稱電壓200%時，對于現場染污絕緣子，雖然爬距更高，但陶瓷和玻璃兩種材質的絕緣子（#4和#5）泄漏電流等級比硅橡膠絕緣子大。研究發現暴露在較高場強（最短爬距）的#1號絕緣子的泄漏電流等級反而最低（0.05 m A）。硅橡膠絕緣子泄漏電流較低是因為硅橡膠具有較高防污性能。總體來說五支絕緣子雖然傘型、材料都有所不同但它們的泄漏電流模式都較為相似。其中現場積污絕緣子的泄漏電流比實驗室積污絕緣子更高，而較高的k 值表明其處于非正弦放電狀態。

4.4絕緣子污穢等級對泄漏電流模式識別的影響

如圖7所示是玻璃絕緣子（#4號絕緣子）分別在清潔霧、低電導率鹽霧和高電導率鹽霧噴淋條件下的試驗結果，加壓為10 kV 標稱電壓的300%。

圖6絕緣子泄漏電流測量(a)#1(b)#2(c)#3(d)#4(e)#5在輕污穢度下(f)標稱電壓200%加壓

當清潔絕緣子噴淋清潔霧時，泄漏電流波形為正弦型，噴淋不同鹽污等級的鹽霧后發現泄漏電流隨鹽污等級的上升而上升，由于電導率的上升，泄漏電流由1.5 m A 上升至5 m A。在加壓為300%時兩種鹽污等級下都出現了放電現象，隨著鹽污等級的上升泄漏電流的幅值同樣上升。

與遠程耦合法測得的電流相比，清潔、低污穢度、高污穢度三種條件下的峰度值分別為3、12、22。這種變化規律同樣與直接測量法測得的結果相符合，分布直方圖同樣顯示了類似趨勢，其中k 值較低時分布圖更接近于鐘型。

4.5電壓等級對泄漏電流模式識別的影響

如圖8所示是#1號絕緣子在低電導率鹽霧等級下加標稱電壓100%和300%時的結果示意圖。由圖中結果可以看出標稱加壓從100%上升至300%時泄漏電流等級從0.2 m A 上升至5m A。當加壓級別為100%和200%時，k 值為3，當加壓為300%時k 值上升至9.281。

圖8#1號絕緣子在較輕污穢度下不同加壓時的泄漏電流測量值(a)100%(b)200%(c)300%

5結束語

沿污穢絕緣子流動的泄漏電流一開始是正弦型，之后由于干帶的出現畸變為非正弦波形，干帶電弧的出現會反映在泄漏電流波形上，因此泄漏電流可以用正弦型、非正弦型、放電活動三種泄漏電流的模式識別。

研究發現不同材料、不同傘形的電纜終端絕緣子具有相似的泄漏電流波形，泄漏電流隨著電壓等級、鹽污等級的上升而上升，正弦、非正弦、放電三種狀態下波形也隨之發生改變。同時峰度值也隨之改變。

研究發現遠程耦合測得的泄漏電流模式與直接測量法測得的相似。當出現放電活動時測得的波形上都有直接的反應。

根據泄漏電流直方圖的峰度值可以將泄漏電流分為三類：（1）正弦放電狀態下峰度值低于5；（2）放電時峰度值高于12；（3）非正弦狀態下峰度值介于5至12之間。實驗室染污和現場染污絕緣子之間峰度值有明顯差異。識別結果顯示遠程耦合法的識別準確率為實驗室條件下90%、現場積污條件下100%。

遠程耦合法測得的泄漏電流分布峰度值可用于識別閃絡之前的染污絕緣子放電狀態，同時峰度值不受傳感器附近電暈放電和工頻電流的影響。