高压架空输电线路绝缘子污秽监测新方法

高压架空输电线路绝缘子污秽监测新方法

技术领域

本发明属于架空输电线路绝缘子污秽监测领域。本发明提出了一种高压架空输电线路绝缘子污秽监测的新方法，该方法以运行中绝缘子剩余污层单位长度的电阻r_B为判据，监测绝缘子污秽程度；通过进一步计算临界污层电阻和临界弧长，进而预测绝缘子污闪临界电压和电流。确定污秽绝缘子沿面电弧参数是新方法的核心内容，本发明提出了以两个复合函数(Axi^-n和r_B(L-x))为整体变量确定沿面电弧参数的方程和准则，提出了由求出的沿面电弧参数确定绝缘子沿面电弧长度和剩余污层电阻的方法。本方法判据r_B综合了污秽程度、湿润条件与环境因素，具有较高的可靠性与实用价值。在判断过程中应用小波变换的降噪方法噪方法抑制数据中的大量干扰，大大提高了监测方法的预测精度。本发明中提出的监测方法以绝缘子两端电压和泄露电流为信号源，所需数据工程上容易获取，实用性和可操作性强。

技术背景

高压架空输电线路是电力系统的重要组成部分，随着电力系统规模的日益扩大，高压远距输电线路日益增多，高压输电线路故障对电力系统、工农业生产和人们日常生活的影响面也更广。绝缘子是架空输电线路重要的组成部分，它起到了机械支撑与电气隔离的作用。输电线路和变电站的外绝缘要求在大气过电压、内部过电压及长期运行电压下均能可靠运行。但沉积在绝缘子表面上的固体、液体和气体污秽微粒与雾、露、毛毛雨、融冰、融雪等恶劣气象条件的同时作用，将使绝缘子的电气强度大大降低，从而使得输电线路和变电站的外绝缘不仅可能在过电压的作用下发生闪络，更频繁的是在长期运行电压下发生污秽闪络，造成停电事故。随着工农业生产的迅速发展，污秽程度日益加剧，而输电电压等级的不断提高，电网的分布范围也愈来愈大。据统计，由于污秽而引起的绝缘闪络事故次数在目前的电网总事故次数中已占第二位，仅次于雷害事故，而污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍，例如：据不完全统计，我国1969-1979年10年中发生污闪事故1483次，1979-1987年的8年中发生污闪63次，而1986年-1987年的2年间竟发生了577次，电量损失达4667万度。显然，随着空气污染的加剧，污闪事故有所增加，因污闪所造成的损失也相应增大。从电压等级来看，我国500kV线路已发生多次污闪，其中东北、华北9条500kV线路投入运行以来，污闪事故占总事故次数的25％，华北、东北电网的500kV线路污闪跳闸率分别高达1.235次/百公里·年，1.0次/百公里·年。同时，污闪事故往往波及多条线路和多个变电站，造成大面积停电；如1986年兰州电网的“3.16”污闪，导致14条线路41处发生污闪，5条线路9处 架空地线全部停电，1个220kV变电站部分停电，兰州电网与西北主网解列，电厂与系统解列2次。2001年1-2月，华北大部地区和东北辽宁相继几次出现雪雨交加，大雾迷漫的天气。污闪再次由河南电网，经河北、京津唐移至辽宁电网，共有238条66～500kV线路、34座变电站发生污闪，沈阳70％以上区域停电，邯钢停产，京广电气化铁路中断，仅辽宁、河北和河南损失电量约达1600kWh。因此，污闪事故己成为电网安全运行的严重威胁。从2013年开始我国大范围地区都出现了雾霾天气。根据统计2013年全国平均雾霾天数创52年之最。2014年雾霾天气仍然困扰着我国的大部分地区，雾霾天气已经成为中国发展中所面对的一个严重问题。雾霾天气的形成原因是多方面的，主要是由于大气污染物的排放。目前我国工业处于高速发展期，大气污染问题会更加突出。虽然国家已出台相关环境保护的政策，但也有人指出在未来相当长的时间内，雾霾天气仍会频繁出现。绝缘子积污更加严重。绝缘子是电力系统中很重要的组成部分，其安全稳定运行对于电力系统至关重要。以上内容说明了，绝缘子污秽监测对电力系统具有重大的安全与经济意义。

目前绝缘子污秽的监测方法很多，主要方法有：超声波检测法、激光多普勒振动法、红外热象仪法、声波监测法、无线电波检测法、电压分布测量法、泄漏电流监测法和脉冲电流监测法。每种方法均有其优缺点，到目前为止没有一种方法可以很好的监测绝缘子的污秽状况。绝缘子泄露电流和脉冲电流监测法有着广泛的应用，当绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在不良绝缘子时，泄漏电流将增大。且不良绝缘子阻值降低使正常绝缘子上分得的电压变大，电晕脉冲电流增大。当绝缘子表面污秽物积累到一定程度或不良绝缘子劣化到一定程度时，在一定的外界环境下就可能造成绝缘子的闪络，因而可通过测量泄漏电流的大小变化(最大泄露电流法)、脉冲电流的峰值、发生的频度来判断绝缘子的状态。大致可以分类为：检测泄漏电流、检测脉冲电流和同时检测泄漏电流和脉冲电流三类方法。

虽然泄露电流法可以在一定程度上反映绝缘子的污秽状况，但这些脉冲个数、最大电流和临界参数不能反映绝缘子污秽和污闪的动态发展过程。在最大泄露电流法中，即使给定了某时刻泄露电流对应的电压，最大泄露电流也只能从整体上反映出绝缘子表面污秽情况。它包含的信息有限，不能定量地监测绝缘子污秽程度或预测绝缘子污闪的发生。脉冲计数是根据一定时间内泄露电流中出现的脉冲个数来判断绝缘子污秽情况。工程实际中架空输电线路上各种金具表面可能出现局部放电的情况，这些放电也会使泄露电流中出现脉冲，从而影响脉冲计数法的精确性。虽然脉冲的出现表明绝缘子表面出现了电弧，但是电弧的出现有很大的随机性，泄露电流脉冲并不能反映出表面电弧的严重程度或电弧的长度。与最大泄露电流法相同，脉冲计数法也只是从整体上反映绝缘子表面污秽的情况。不能定量的监测绝缘子污秽程度或预测绝缘子污闪的发生。事实上，脉冲个数、最大泄露电流、临界弧长、电压和电 流，都受到污秽程度、湿润条件、气压等因素的影响。有一定的不确定性。这些参数能大致反映绝缘子的污秽的总体情况，但不能准确的表征绝缘子的污秽程度和各种因素的影响，更无法预测在运行工况和现场条件下临界污闪弧长、电压和电流。绝缘子污闪受到很多因素的影响，本发明的方法综合考虑各种因素的影响又能直接的预测污秽绝缘子状态，与传统方法相比具有很大的优越性。本方法的本质是一种深度数据挖掘，不是一般仅依据统计学原理的数据挖掘，而是根据污秽绝缘子自身的特性和各种影响因素，构造了以复合函数Axi^-n和r_B(L-x)为变量的代数方程和依据不变量误差最小的收敛约束方程，求取r_B、x，这是一种高度的非线性映射，是一种更深层次的数据挖掘。这是本发明方法优于现有监测方法的科学依据。本发明方法是一种经济、有效、实用的绝缘子污秽监测方法，不仅对保证电网安全可靠运行具有重要的工程实际意义，而且具有重要的经济效益和社会效益。本发明利用方程计算出污层单位电阻，并预测出绝缘子污闪临界电压、电流，该方法的提出在国内外尚属首次。

发明内容

本发明提出了一种基于绝缘子泄露电流与两端所加电压的污秽判断方法。该方法利用现场采集到的泄露电流与电压作为原始数据。首先利用小波分析的方法抑制电压电流信号中的干扰。随后利用滤波数据计算出电压、电流的一次、二次导数。最后利用本发明推导的算法计算出绝缘子剩余污层的单位长度电阻r_B，并可以预测出临界闪络电压U_c和临界闪络电流I_c。剩余污层的单位长度电阻r_B可以作为判断绝缘子目前污秽状态的判据。临界闪络电压U_c和临界闪络电流I_c可以对绝缘子污闪提出预警。

本发明采用奥本诺斯(F.Obenaus)提出的绝缘子闪络物理模型，该模型以局部电弧和剩余污层电阻相串联，如附图1所示。

结合附图1，若外施电压为U，该模型认为电压由两部分承担：一部分是局部电弧的压降，另一部分是剩余污层电阻的压降，可以表示为下式：

U＝AxI^-n+r_B(L-x)I (1)

式中，x为电弧长度：r_B为单位长度的剩余污层电阻值A、n为电弧特性常数；L为绝缘子的泄露距离；U为加在绝缘子两端的电压；I为流过绝缘子表面的泄露电流。

公式中U_a＝AxI^-n为电弧电压的表达式。式中A、n取值一直存在比较大的争议。但通常认为n是与电弧电流和气压有关的常数，A是与气体性质有关的常数且与电弧冷却程度有关。

此模型是本发明计算方法的基础。计算r_B的公式就是基于此模型并经过大量的推导得出。 本发明计算方法的另一个重点是确定准确的A、n值。根据分析，认为A、n值并不是固定不变的常数，它们应与当时电弧出现的条件及周围环境有密切关系。故本发明给出一种算法可以准确地计算出A、x的值。以此为基础可以达到监测绝缘子污秽程度，并预测绝缘子闪络临界电压、电流的目的。

上文中的(1)式对t求导可得：

联立(1)、(2)两式：

对(2)式再求一次导数得：

d²u/dt²＝n(n+1)AxI^-n-2(dI/dt)²-nAxI^-n-1(d²I/dt²)+r_B(L-x)(d²I/dt²)

整理可得：

此式为沿面电弧常数n的约束方程。其主要特点是以复合函数Axi^-n和r_B(L-x)为整体变量，这样减少了解方程的计算量。同时复合函数Axi^-n和r_B(L-x)在后续计算中仍有重要的作用。利用(3)式与工程实际测量值可以求出Axi^-n和r_B(L-x)的值K₁、K₂。将A值设为定值，则将Axi^-n＝K₁和r_B(L-x)＝K₂代入(4)式可以求出n值。这样可以建立一种循环算法，并以不变量|[r_B(L-x)]^k+1-[r_B(L-x)]^k|＜ε为收敛准则，用于确定n值。具体迭代方法如下：

1、由现场测得的电压、电压数据i、u可以计算出di/dt、du/dt。出电流最大值i_max对应的时刻t_max。求出t_max时的电压、电流导数(di/dt)_max、(du/dt)_max及二阶导数(d²i/dt²)_max、(d²u/dt²)_max。

2、将1步中得到的数据代入方程组求出t_max时刻对应的K_1max、K_2max。

3、代入数据求得t_max时刻对应的n_max。以这个n值，代入到第1步，开始新一轮计算。以|[r_B(L-x)]^k+1-[r_B(L-x)]^k|＜ε为收敛准则。即可求出n值。

4、出次最大电流i_smax对应的时刻t_smax，利用1-3步方法求出n_s。n_s用于计算A值。

实际上A是气体性质、电弧冷却程度有关的参数。在某一电弧发展的过程中可将A值视为定值，由此假设在t_max、t_smax时刻A值不变。利用求得的n、n_s可以求得K_1max、K_2max、K_1smax、K_2smax。由下面的方程组可以求出A值：

由以上计算即可计算出对某段时间内比较精确的n、A值。将n、A值代入(1)式即可求出r_B、x。r_B代表剩余污层单位长度的电阻，此电阻值可以综合反映绝缘子表面污层的污秽严重程度及湿润程度。x为绝缘子运行过程中电弧最长的电弧长度。基于这个量可以对绝缘子表面污秽及湿润状态进行综合的判断，达到了对绝缘子污秽监测的目的。进一步可以计算出绝缘子污闪的临界电流值I_c和临界闪络电压值U_c，计算式如下；

以上两个公式可以直接计算出绝缘子污闪的临界电流值I_c和临界闪络电压值U_c。两个方程中R(x_c)是剩余污层的全部电阻值R(x_c)＝r_B(L-x_c)。x_c是临界绝缘子污闪时的临界弧长，其计算式为x_c＝L/(1+n)。绝缘子泄露电流或两端电压一旦达到I_c、U_c则绝缘子一定会发生闪络。I_c、U_c提供了预测绝缘子发生闪络的依据。

本发明提出的监测方法需要现场采集的绝缘子泄露电流及两端电压数据。现场采集的数据包含大量的干扰，严重影响后续判断的精度。为此本发明利用小波分析抑制电压、电流信号中的干扰。小波变换是近年来发展起来的多分辨分析的强大工具。小波变换的多尺度分解，可以把一个信号分解为一系列平滑信号和细节信号。不同尺度上的平滑信号是一种特殊形式的滤波信号，可以有效地抑制高频干扰和噪声。应用小波变换抑制干扰信号时，选取一个特征尺度的电压和泄露电流的平滑信号，作为电弧参数估计方程的输入信号，以减小因干扰和噪声信号对一、二次求导产生的误差，提高监测方法的的有效性和可靠性。设原始信号的时间离散序列为{f(n)}|_n∈N，其中N为有限正整数，表示非零样本值的个数，则离散小波变换在j尺度的计算式为

其中(8)、(9)式为分解公式，(10)式为重构公式；j＝1，2，…，M为尺度，A_j(n)、D_j(n)分别为平滑分量和细节分量；h(k)、g(k)，是由小波函数决定的离散滤波器，在信号的多尺度分析中，常采用具有紧支集的小波函数，因此滤波器序列k的取值是有限的。

把等时间间距的采样信号{f(n)}|_n∈N作为原始序列A₀(n)，根据已知的序列h(k)、g(k)，由式(17)、(18)可计算出A₁(n)，A₂(n)，...，A_M(n)及D₁(n)，D₂(n)，...，D_M(n)。本发明选取db3小波分解电压和泄露电流信号，取第3尺度为特征尺度，取特征尺度上的绝缘子电压和泄露电流的平滑分量为输入信号，生成方程(3)、(6)式，并根据阶跃序列的变换结果修正电压、电流平滑分量的幅值。直接应用小波分析，信号的幅值会产生衰减，这是由小波分析自身的性质决定的。为了抵消这种影响，提高本发明方法的精度，采用单位阶跃序列对小波分析后的幅值进行恢复。具体做法是对信号进行小波分析后，对单位阶跃序列进行相同的小波分析。以小波分析后的单位阶跃序列的幅值变化为修正参数对原信号的幅值进行修正。经过实际验证此方法很好的恢复由于小波分析而产生的信号幅值衰减。

具体实施方法

为了验证本发明提出方法的正确性，发明人在实验室进行了人工污秽试验。试验电路图和实际接线图如附图2、3所示。

绝缘子型号为FXBW-220/120-2，绝缘子涂污采用固体层法。利用示波器记录下泄露电流和绝缘子两端电压波形。在电压为200kV时电压、电流波形如附图4、5所示。由于实际采集到的信号中含有大量的噪声与干扰。采集到的数据中含有大量的高频干扰，利用小波分析的方法过滤掉高频干扰。小波分析后的电压、电流波形如附图6、7所示。

利用试验数据求出预测模型所需参数列于下表：

计算结果为：n＝0.6807、A＝33.57、r_B＝1931.26Ω/mm、x＝29.55cm、I_c＝0.0897A、U_C＝346.54kV。

在相同污秽度及湿润条件下，取三支相同的绝缘子加压至绝缘子闪络，每支绝缘子闪络5次、记录下闪络电压如下表所示：

计算上表中的闪络电压平均值为：359.55kV。根据本发明方法预测此种污秽度下绝缘子闪络电压为：U_c＝346.54kV。利用本发明预测的闪络电压与实际测量的闪络电压非常接近，误差为3.5％。由此验证了本方法的正确性。

在实际工程应用中，需利用现场设备采集绝缘子两端电压与泄露电流，之后利用本发明的算法可以预测绝缘子的污闪电压，计算出绝缘子表面的电弧长度、剩余污秽层的单位长度电阻等参数，达到绝缘子污秽在线监测的目的。

附图说明：

附图1 污闪的物理模型图；

附图2 试验电路图

附图3 试验电路照片

附图4 泄露电流波形；

附图5 电压波形；

附图6 小波分析后的电流波形；

附图7 小波分析后的电压波形。