高壓輸電線路絕緣子在線監測關鍵技術分析

屠凱樂

摘??要：在各類高新技術快速發展的形勢下，社會對電力能源的需求也隨之增大，有效推動了電力工業的發展進程。在近些年的發展中，無論是系統裝機容量還是輸電線路的電壓等級均有所提升，這同時也對電力系統的運行安全提出了更高的要求。而目前來看，因空氣污染問題較為嚴重，輸電線路經常發生絕緣子污閃事故，此類問題很可能造成大面積停電事故，對電力系統的運行可靠性帶來較大威脅，常規的污穢處理手段很難使絕緣子始終保持良好絕緣運行狀態。因此，圍繞高壓輸電線路絕緣子的在線監測關鍵技術展開研究。

關鍵詞：高壓輸電線路??絕緣子??在線監測技術??電壓等級

中圖分類號：TM62

Analysis?of?Key?Technologies?for?the?Online?Monitoring?of?Insulators?in?High-Voltage?Transmission?Lines

TU?Kaile

Nari?Electric?Power?Design?Co.，?Ltd.，?Nanjing，?Jiangsu?Province，?211100?China

Abstract：?With?the?rapid?development?of?various?high-tech?technologies，?the?demand?for?electric?energy?in?society?has?also?increased，?which?effectively?promotes?the?development?process?of?the?power?industry.?In?the?development?of?recent?years，?both?the?installed?capacity?of?the?system?and?the?voltage?level?of?transmission?lines?have?been?improved，?which?also?puts?forward?higher?requirements?for?the?operation?safety?of?the?power?system.?Currently，?due?to?severe?air?pollution?issues，?the?pollution?flashover?accidents?of?insulators?often?occur?in?transmission?lines，?which?are?likely?to?cause?large-scale?power?outages?and?bring?significant?threats?to?the?operational?reliability?of?the?power?system，?and?it?is?difficult?for?conventional?dirt?treatment?methods?to?maintain?the?good?insulation?operation?of?insulators?from?beginning?to?end.?Therefore，?this?paper?focuses?on?key?technologies?for?the?online?monitoring?of?insulators?in?high-voltage?transmission?lines.

Key?Words：?High-voltage?transmission?line;?Insulator;?Online?monitoring?technology;?Voltage?level

我國工業事業的高速發展，同時也帶來了較為嚴重的環境污染問題。由于近些年的空氣污染現象逐步加劇，使得高壓輸電線路的絕緣子污閃事故頻繁發生，嚴重影響電網運行安全。現階段，電力部門通常是采取定期清掃和強化外絕緣水平等措施來降低事故發生率。此種處理手段雖然能夠起到一定的事故控制作用，但難以實時了解絕緣子的運行狀態。因此，相關技術人員提出利用在線監測技術實時動態了解絕緣子的運行狀態，以此降低事故影響，該項研究的推進對于提升電網運行安全具有重要意義[1]。

1??輸電線路絕緣子污閃的危害及形成原理

1.1?絕緣子污閃事故的危害

高壓輸電線路絕緣子是確保其能夠在內部過電壓和大氣過電壓的影響下也可穩定運行的關鍵，一旦絕緣子自身的絕緣能力不足，便會對輸電線路的運行質量造成影響。現階段來看，絕緣子污閃事故較為常發，主要是由于絕緣子表面沉積了大量液態、固態污染物，當遇到惡劣氣象條件時，很可能由于污染物和惡劣氣候的同時作用，致使絕緣子的電氣強度降低，最終導致輸電線路乃至變電站的外絕緣可能在過電壓作用下發生閃絡事故，同時會由于長期運行電壓產生污穢閃絡，引發大范圍停電問題。在近幾年，由于空氣污染問題加劇，輸電電壓升高，絕緣子污閃事故頻繁發生，為電力行業帶來了大量的經濟損失。同時，部分污染事故很可能輻射多條輸電線路或者多個變電站，造成大面積停電問題，嚴重影響電網安全[2]。

1.2??絕緣子污閃形成原理

針對絕緣子污染的形成原理還未形成統一的體系，可以明確的是，絕緣子閃絡現象不是單純的空氣擊穿現象，而是在電、熱、化學因素的聯合作用下產生的一種局部電弧發展的熱動力平衡表現。當絕緣子表面處于濕潤狀態時，其導電性能也會隨之增加，這時漏電電流增大，出現導電發熱問題，當產生發熱現象后，會從兩個方面對絕緣子的導電性能產生影響，一方面是由于表面層被烘干，致使電導率減小；另一方面是由于受到溫度系數電解質影響，當溫度升高時，電導率會隨之增加。同時，絕緣子表面的污穢分布呈現不均勻狀態，絕緣子沿線路徑以及直徑存在較大差異。為此，絕緣子各區域的漏電電流并不相同[3]。

2??高壓輸電線路絕緣子在線監測關鍵技術

當前的電網安全問題受到社會各界的廣泛關注，尤其是在高壓輸電線路建設規模不斷增大的形勢下，以往的計劃檢修和定期維修方式已經難以保障電網安全運行，急需由傳統運維模式向狀態檢修層面的過渡。鑒于高壓輸電線路絕緣子污閃事故的頻繁發生已經成為威脅電網安全運行的關鍵性因素，需要積極探索在線監測技術的應用，致力于通過對絕緣子絕緣狀態的實時監測，提升高壓輸電線路的安全運行效果，盡可能降低因絕緣子泄漏或者污染問題對電網運行安全的威脅。在前期研究中發現，將前臺監測系統直接安裝于高壓輸電桿塔上，存在信號采集不良和可靠性較差的問題。因此，急需設計一個絕緣子泄漏電流監測系統，利用多種在線監測技術，提高輸配電線運行穩定性[4]。

2.1??在線監測系統組成

在本次研究的絕緣子泄漏電流在線監測系統中，共有后臺監控和前臺監測兩部分。其中的前臺監測系統會實時測量絕緣子的環境溫濕度以及泄漏電流等信息，并直接將所獲取的數據進行處理，利用通信模塊傳遞給后臺監控系統，在系統內部對于接收的信息進行分析后，便可判斷絕緣子的運行狀態。通常情況下，會將前臺監測系統直接裝設在戶外高壓輸電桿塔上，但由于外部運行環境相對復雜，尤其是在惡劣氣候的影響下，很容易對前臺監測系統的信號產生干擾影響，為提高系統監測的可靠性，需要借助較高性能的前端硬件電路來提升信號獲取的可靠性，確保其在長期處于惡劣環境下也能獲取精度較高的測量數據。

2.2??系統硬件技術

2.2.1??中央控制模塊的關鍵技術

（1）CPU技術。在選用CPU時，需要結合在線監測的處理速度需求，優先選擇處理速度較快和耗能較低的CPU，同時要保障CPU外部通道的數量滿足在線系統的監測要求，以保障數據吞吐量符合在線監測系統的數據采集需求。MSP430F149處理器不僅具備12個通道，還應用了較為簡單的指令集，指令系統存在執行速度快、數據處理效率高的特點，且其中設置了大容量存儲器，可用于對數據和程序的保存，有效簡化了電路結構，此類技術優勢均符合在線監測系統的高性能需求。

（2）時鐘芯片技術。本次研究的絕緣子在線監測系統存在數據信息實時采集和處理的應用需求，因此在對所采集的數據進行傳輸時，還需包含數據記錄的時間，在系統中應該設置一個時鐘單元，如果采取軟時鐘程序來保障數據記錄時間的及時同步，雖然無須增設外部構件，但程序添加的操作方式較為繁瑣，且不支持斷電。為能達成降低系統功耗的目標，還需在數據采集的間隔之內關閉CPU，為此可以優先選用功耗偏低的時鐘芯片技術來滿足此項功能要求[5]。

2.2.2??數據采集模塊的關鍵技術

（1）泄漏電流采集技術。目前較為常見的采集措施有侵入式分布電位導入法、電流互感器采集法以及急流環式屏蔽法，前兩種采集方式存在安裝難度大、數據采集準確性不強的弊端。因此，在本次研究中，是采用急流環式屏蔽措施對絕緣子表面的泄漏電流進行采集，主要應用方法為通過在絕緣子上部安裝金屬引流環來收集泄漏電流信號，再由屏蔽電纜將泄漏電流導入大地。集流環材料屬于橡膠材料的一種，其具備耐高溫和防污防水的特性，在實際應用中很少產生雜散電流，因此對泄漏電流信號的采集較為準確。實際應用中，只需將其裝設于電位端的首個絕緣子上即可，并不會對絕緣子串的運行產生直接影響。

（2）傳感器技術。根據絕緣子在線檢測系統的應用需求，這里需要同時應用溫濕度傳感器和泄漏電流傳感器，根據實際應用需求，在選用溫濕度傳感器時，需優先選用濕度測量范圍在0～100%，溫度測量范圍在-40～123℃的溫度的溫濕度傳感器，且考慮到傳感器設備的空間占用問題，還需選用接口電路較為簡單、體積偏小且響應速度較快、抗干擾能力強的傳感器。而在選用泄漏電流傳感器時，需要考慮到當絕緣子發生閃落事故時，其攝入電流的變化幅度偏大，可能達到幾百毫安以上。為此，要選擇采集范圍較為適宜的泄漏電流傳感器，以免由于采集范圍過大，對傳感器的靈敏性造成影響。

2.2.3?電源電路模塊的關鍵技術

（1）太陽能供電技術。電源系統的運行質量是保障在線監測系統穩定運行的重要前提。相關研究顯示，如果直接從導線上取電，需要面臨電壓變換頻繁的絕緣配合問題，且在高壓線運行時的負荷電流變化幅度偏大，很可能由于電壓失穩引發用電安全問題。為此，需要優先選用太陽能供電技術，其中的太陽能電池板是該項技術的核心單元，基于太陽能電池板可以將太陽輻射直接轉換為電能，而電能轉換率受到日照強度和環境溫度等因素的直接影響，在應用該系統進行供電時，需要優先考慮電壓匹配問題。這主要是由于當太陽能輸出電壓低于蓄電池電壓時，無法進行蓄電池充電；如果電壓超出蓄電池充電壓時，而充電電流也不會明顯增加，則可能造成電源損失現象。因此，只有當蓄電池電壓和太陽能電池的輸出電壓處于匹配狀態時，才能達到最佳的充電效果。鑒于此，可以利用太陽能控制器對太陽能電池板的輸出功率進行有效調控，確保太陽能輸出功率與蓄電池的充電功率處于匹配狀態，在太陽能控制器的調節作用下，還可實現對蓄電池的充電保護。

（2）蓄電池儲能技術。在應用太陽能供電技術為在線監測系統提供供電服務的基礎上，還需裝設蓄電池儲能裝置，目的是保障對在線監測系統的連續供電，以免當處于陰雨氣候，太陽能電池無法發揮供電作用時出現斷電問題。當太陽能電池的發電量不足時，則可直接啟動蓄電池進行電能補充，而當電能供應超出裝置現實需要時，則會將多余電量儲存起來，以備后期使用。目前，市面上較為常見的蓄電池類型包括鋰電池、鉛蓄電池和鎳鉻電池，其中的鉛蓄電池存在使用成本低的特點，但適用環境溫度范圍較小，且存在壽命短，自放電率偏大的缺點，不適合應用于該在線監測系統中。而鎳鉻電池的性能相對理想，但其自身存在記憶效應，不能實現靈活蓄電，也無法使用。鋰電池的成本偏高，但各項性能和功能均符合在線監測系統的供電需求。

2.2.4??通信模塊的關鍵技術

GSM技術是當前移動通信體制中相對成熟，應用范圍最廣的一類時分多址通信技術，其中的短信息服務，具備收費低、可靠性高的特點，與在線監測系統的通信服務需求相符，在實際應用中，網絡端可以了解被叫方是否收到信息，如出現傳送失敗問題，未能得到被叫方回答的情況所發送的信息會直接保留在網絡上，當網絡發現被叫方可以被呼叫時，便會試圖重新發送信息，確保被叫方能夠及時收到信息。與光纖通信、載播通信和無線通信技術相比，該種通信技術的優勢顯著，其通信可靠性僅次于光纖通信，但傳輸能力、維護經費和系統可擴充性是其他通信技術不可比擬的，因此可以將其應用于絕緣子的在線監測系統中。

2.3??系統軟件技術

絕緣子在線監測前端系統的軟件功能主要涉及對各模塊的有效控制和協調，是保障系統可靠運行的關鍵。因此，系統軟件技術的應用與硬件技術的應用同樣重要。尤其是對于軟件系統的靈活設計，能夠有效彌補在硬件設施方面的缺陷，使在線監測系統的應用功能更加優越。系統軟件主要負責對絕緣子狀態信息的采集、處理和傳輸，并且將所獲取的數據傳輸至后臺控制中心，并通過短信命令的方式進行應答與處理。為能提升數據處理的可靠性，在進行程序設計時可以優先選用匯編語言編寫，此舉能夠提升數據采集和傳輸的可靠性以及系統運行的穩定性。此外，考慮到軟件系統的維護、調試以及升級需求，可以遵循模塊化設計原則實現軟件設計目標。軟件系統程序主要包括初始化模塊、數據采集處理模塊以及通信模塊。當在線監測系統啟動后，先進行初始化設置，之后以短信形式向控制中心發送啟動消息，同時接收由傳感器獲取的數據信息，并就所采集到的數據信息進行處理，計算出泄漏電流的頻次和泄漏電流峰期，如超出預警值，則會以短信形式通知管理人員以及控制中心，如數據為正常狀態，則直接儲存于系統內部。

3??結語

電力系統中，絕緣問題已經成為威脅輸電線路運行穩定性的關鍵因素，尤其是在高壓輸電線路中，絕緣子屬于電網運行的薄弱環節。因其長期處于外部環境中，除了要具備較好的絕緣性能，還需具備較強的耐受能力和耐污染性能，才能保障供電系統的運行可靠。但目前來看，高壓輸電線路的絕緣子污閃事故十分常見，對電網運行質量具有直接影響，為能提升電網運行可靠性，需采取有效的絕緣子在線監測技術實現對絕緣子狀態的實時監測，確保能夠及時發現問題隱患，降低絕緣子污閃事故發生率，從源頭上控制高壓輸電線運行安全事故，提升供電質量和可靠性。

參考文獻

[1]陳星宇，楊劍，劉浩春，等.能源互聯網環境下的輸電線路絕緣子在線檢測方法綜述[J].通信電源技術，2021，38（3）：137-139.

[2]鄒平，彭子耀，梁科，等.輸電線路絕緣子泄漏電流在線監測裝置研究[J].電工技術，2018（13）：70-71，73.

[3]劉成立.特高壓輸電線路V型串設計中關鍵問題研究[J].低碳世界，2023，13（11）：82-84.

[4]梁進祥，徐偲達，張虎.高壓輸電線路復合絕緣子硅橡膠內部缺陷超聲檢測[J/OL].絕緣材料：1-6[2024-01-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/45.1287.TM.20231225.0850.002.html.

[5]張帆.?選相投切技術對特高壓系統絕緣水平影響的研究[D].大連：大連理工大學，2021.