絕緣子在線檢測方法的探討方法

1、絕緣子在線檢測方法的探討方法來源:時間:2007-01-23 字體: 大 中 小 投稿摘要 :評述絕緣子在線檢測的各種方法的測量原理、信號處理手段及判別方法的特點(diǎn) , 并提出幾種信號處理的方法及實(shí)際測量裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)想。關(guān)鍵詞 :絕緣子 ; 測量方法 ; 在線檢測分類號 :TM216文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1003-8337(200002-0003-061引言安裝在輸電線路上的絕緣子 , 在運(yùn)行過程中因長期經(jīng)受機(jī)電負(fù)荷、日曬雨淋、冷熱變化 等作用 , 可能出現(xiàn)絕緣電阻降低、開裂甚至擊穿等故障 , 對供電可靠性帶來潛在威脅 , 因此 , 絕緣子在線檢測意義重大。線路絕緣子的在線檢測 , 因其安

2、裝位置的特殊性及分布區(qū)域的廣泛性 , 向來是絕緣在線 監(jiān)測的一個難點(diǎn)。若干年來 , 國內(nèi)外一直在尋找有效的解決辦法12, 至今已有以超聲 波檢測法、激光多普勒振動法及紅外熱象儀法為代表的非電量測量法和以電壓分布檢測法、 絕緣電阻法及脈沖電流法為典型的電量測量法 , 被嘗試用于解決絕緣子在線檢測問題。 2非電量測量法激光多普勒振動法是利用已開裂的絕緣子的振動中心頻率與正常時不同的特點(diǎn) , 通過外 力如敲擊鐵塔或?qū)⒊暡òl(fā)生器所產(chǎn)生的超聲波用拋物型反射鏡對準(zhǔn)被測絕緣子 , 或用激光 源對準(zhǔn)被測絕緣子 , 以激起絕緣子的微小振動 , 然后將激光多普勒儀發(fā)出的激光對準(zhǔn)被測絕 緣子 , 根據(jù)對反射回來的

3、信號的頻譜的分析 , 從而獲得該絕緣子的振動中心頻率值 , 據(jù)此判定 該絕緣子的好壞。超聲波檢測法是基于當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)的傳播過程中 , 在兩介質(zhì)的 交界面發(fā)生反射、 折射和模式變換 (縱、 橫波轉(zhuǎn)換 的原理實(shí)現(xiàn)的。 通過接收超聲波發(fā)生器 (稱 為換能器 發(fā)出的脈沖超聲波在進(jìn)入絕緣子介質(zhì)和穿出絕緣子介質(zhì)時的反射波來限定絕緣子 的位置區(qū)間。當(dāng)絕緣子出現(xiàn)“開裂”時 , 則在接收到的反射波的時間軸上將出現(xiàn)該缺陷的反 射波 , 由時間軸上的該缺陷波的大小及位置 , 即可判斷出缺陷在絕緣子中的具體情況。超聲波檢測法和激光多普勒振動儀法可檢定出開裂絕緣子 , 對于具有“零值自爆”特性 的

4、玻璃絕緣子的在線檢測確有高效。日本在這一領(lǐng)域研究較多 , 也取得了一定的進(jìn)展3-6; 但超聲波檢測法存在的耦合和衰減及超聲波換能器的性能問題在遠(yuǎn)距離遙測上目前未 有大的突破 , 尚處于摸索階段 , 該類設(shè)備目前主要用于企業(yè)生產(chǎn)的在線檢測及實(shí)驗(yàn)室檢定。 激 光多普勒振動儀體積龐大、 笨重、 使用及維修復(fù)雜、 造價高等缺點(diǎn)及兩種檢測法對未開裂的 劣值絕緣子檢測無效的問題 , 限制了這兩種檢測法的適用范圍。利用絕緣子表面的熱效應(yīng)原理進(jìn)行在線檢測的紅外熱象儀法 7, 對于涂有半導(dǎo)體釉的 耐污絕緣子的遙測相當(dāng)有效。 因?yàn)榇祟惤^緣子在線帶電運(yùn)行時 , 正常絕緣子的表面電流較大、溫升較高 , 而劣值絕緣子的

5、表面溫度比正常絕緣子低好幾度 , 用紅外熱象儀易于識別 ; 但對于 玻璃絕緣子或普通釉的瓷絕緣子 , 其正常的表面溫度比劣值的表面溫度僅相差 1左右 , 在 復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境下 , 測量極其困難 , 而紅外熱象儀高昂的造價亦令眾多用戶對其性能價格比 難以接受。 基于此 , 下面我們將重點(diǎn)討論電量法絕緣子在線檢測技術(shù)。3電量檢測法3.1電壓分布檢測法電壓分布檢測法是一種傳統(tǒng)的絕緣在線檢測方法。近年來隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展 , 該法 也被賦予了新的內(nèi)容。基于泡克爾斯 (Pockels效應(yīng)的光纖電壓 (場強(qiáng) 傳感器能在基本上不 改變絕緣子串電場強(qiáng)度分布的情況下 , 準(zhǔn)確測定各絕緣子的電壓分布情況 , 克

6、服了短路叉法、 火花間隙法測量準(zhǔn)確度低、讀數(shù)分散性大的缺點(diǎn) , 同時也消除了靜電電壓表法測量改變絕緣 子串電壓分布的不足。在信號處理方面 , 目前普遍采用將測量結(jié)果經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后通過絕緣桿內(nèi)的光纖傳輸?shù)降?壓端 , 再轉(zhuǎn)換成電信號讀數(shù)89或直接將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成語音信號報(bào)出1011的方法。至于劣值絕緣子的判定 , 目前眾多的理論研究及實(shí)驗(yàn)均已證明12-14:正常絕緣 子串的電壓分布呈不完全馬鞍型 , 即在每串絕緣子中靠近導(dǎo)線側(cè)的絕緣子承受電壓最高 , 約 為靠近接地端絕緣子承受電壓的 1.7倍3.0倍 , 而以中間部分承受電壓最低 ; 但兩相鄰絕緣 子之間承受電壓之比則大致在 1.11.3之間 ,

7、 因此 , 用相鄰比較法即能較好地判斷出低劣值 絕緣子。國內(nèi)目前一般以相鄰絕緣子電壓比低于 50%作為劣值絕緣子的判斷標(biāo)準(zhǔn)15, 或 采用縱向比較法即與該絕緣子串上次所測電壓分布相比較的方法判別劣值絕緣子。電壓分布檢測法的特點(diǎn)在于直觀、 能準(zhǔn)確地判斷絕緣子性能的變化。 光學(xué)測量方法消除 了以前測量方法的準(zhǔn)確度不高、 讀數(shù)困難等缺點(diǎn) , 雖然已研制出自爬式絕緣子檢測儀 816, 相對減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強(qiáng)度 , 但每次測量必須登高才能完成 , 操作人員的勞動強(qiáng)度 依然較大、 工作安全性較差的缺點(diǎn)仍然令這種方法難以得到廣泛應(yīng)用。 如何解決好這一問題 將是該法今后應(yīng)用研究的主要課題。3.2絕緣電

8、阻法絕緣子在線檢測中 , 絕緣電阻的測量是通過泄漏電流的測量得以實(shí)現(xiàn)的。眾所周知 , 高壓輸電線路絕緣子一般都采用結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械強(qiáng)度高、老化率低的盤形懸 式絕緣子串接成串后 , 可在任意電壓等級的輸電線上使用 , 其等效電路可用 RC 串并聯(lián)電路表 示17, 如圖 1所示。圖 1絕緣子串等效電路圖正常時 , 泄漏電流為毫安級 , 當(dāng)絕緣子串中有零值或低值絕緣子時 , 其對地泄漏電流的值 將發(fā)生較大的變化。該變化值依絕緣子劣化的程度及個數(shù)而異 , 但通過檢測靈敏度及準(zhǔn)確度 較高的電流傳感器是完全可以準(zhǔn)確判斷的 , 文獻(xiàn)18在實(shí)驗(yàn)室證明了這一點(diǎn)。文獻(xiàn) 19介紹了一種輸電線路絕緣子在線監(jiān)測的方法。

9、它將測量到的泄漏電流值以無 線通訊的方式傳送到處理中心進(jìn)行信息處理 , 實(shí)現(xiàn)了對線路絕緣子的遙測 ; 但該法存在的一 個重大缺陷在于要在每個絕緣子串上安裝一套檢測裝置 , 成本過高 , 在實(shí)際應(yīng)用中推廣是用 戶難以承受的 , 且裝置的維護(hù)、檢修需停電才能進(jìn)行。目前已研制出多種適用于泄漏電流測量的實(shí)用的電流傳感器2021。它們在泄漏 電流的測量準(zhǔn)確度方面毫無問題 , 但絕緣電阻法存在的問題并非完全在于電流的準(zhǔn)確測量 , 它還取決于以下幾個因素 :輸電線路的電壓變化直接影響到泄漏電流的大小 , 且電壓的變化引起的電流改變值在 理論上足以與一至二個絕緣子劣化時的電流改變值相當(dāng)。絕緣子的泄漏電流與其表

10、面的污穢程度密切相關(guān)22-24。桿塔結(jié)構(gòu)25、 絕緣子老化程度26、絕緣子形狀27及天氣狀況2829如溫度、濕度甚至風(fēng)速 風(fēng)向?qū)^緣子泄漏電流的大小都有影響 , 因而泄漏電流值在正常情況下亦是一個隨時間變化 的量 , 存在一個如何正確判定絕緣子串是否存在劣值絕緣子 , 即如何確立判斷標(biāo)準(zhǔn) (判據(jù) 的 問題。通過橫向或縱向比較的方法判斷顯然不足以令人信服 , 用模糊理論的隸屬度函數(shù)的概念 賦予使用年限、氣候及污穢以不同的隸屬度 , 通過對氣象參數(shù)、污穢等量的綜合測試然后結(jié) 合各變電站電壓互感器的測量值 , 用離線校正的方法消除這些因素的影響 , 達(dá)到檢測絕緣子 的目的應(yīng)該是一個較好的解決問題的途

11、徑。 但隸屬度函數(shù)的建立需要大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)作參考 , 這將是一個長期、艱苦的工作 , 而絕緣電阻法勿需登高測量、原理簡單、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)使 該法仍值得人們?nèi)ヌ剿?。國外在這方面利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)已做了一些嘗試 , 取得了一 定程度的進(jìn)展3031。3.3脈沖電流法所謂脈沖電流法就是通過測量絕緣子電暈脈沖電流的方法來判斷絕緣子的絕緣狀況 , 其 原理是 :存在劣值絕緣子的絕緣子串中 , 由于劣化絕緣子的絕緣電阻很低 , 它在絕緣子串中承 擔(dān)的電壓也較小 , 于是其它正常絕緣子在絕緣子串上的承受電壓必然明顯大于正常情況時的 承受電壓 , 而因回路阻抗變孝絕緣子電暈現(xiàn)象的加劇 , 電暈脈沖電流必將變

12、大 ; 根據(jù)線路上存 在劣值絕緣子時電暈脈沖個數(shù)的增多、幅值的增大的現(xiàn)象 , 利用寬頻帶電暈脈沖電流傳感器 套入桿塔接地引線取出電暈脈沖電流信號 , 通過一定的信號處理手段 , 從而達(dá)到在低壓端檢 出不良絕緣子的目的。該法存在的主要問題在于傳感器的選擇、 信號的提取及辨識、 現(xiàn)場干擾的排除等。 由于 電暈脈沖電流在絕緣子正常時亦可能產(chǎn)生 , 且隨著輸電線路電壓的波動其值也在變化 , 故如 何消除這些因素的影響、 建立絕緣子劣化判斷標(biāo)準(zhǔn)也是該法能否成功的關(guān)鍵。 近來不少研究 者在這方面都做了很多有益的探索。文獻(xiàn)32在實(shí)驗(yàn)室通過對單相絕緣子脈沖電流的測量得出如下結(jié)論 :不良絕緣子的阻 值、 不良絕

13、緣子在串中的位置、 絕緣子串的長度及正常絕緣子的電暈起始電壓都對脈沖電流 法檢測不良絕緣子的分辨率產(chǎn)生影響。文獻(xiàn)33針對在實(shí)際檢測中現(xiàn)場外界干擾很大且信號錯綜復(fù)雜的特點(diǎn) , 提出了一種在 線檢測絕緣子電暈脈沖電流的數(shù)據(jù)處理方法 :通過濾波電路抑制工頻電磁場干擾 , 再采用適 當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理手段 , 即建立數(shù)學(xué)模型提取信號之特征量的方法實(shí)現(xiàn)對絕緣子劣化狀況的辨 識。文獻(xiàn) 34報(bào)道了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電暈放電分析法用于檢測故障絕緣子的設(shè)想。 在 實(shí)驗(yàn)室證明了通過對電暈電流沖擊次數(shù)、振幅、極性參數(shù)的檢測 , 對不同長度的絕緣子串采 用了不同層數(shù)、不同節(jié)點(diǎn)數(shù)的 BP 網(wǎng)絡(luò)可獲得在不同電壓等級下對故障絕緣

14、子的滿意的分辨 率。絕緣子的起暈電壓雖然與絕緣子的污穢程度無關(guān)22, 但電暈電流的大小與測量時的 氣候條件及氣候的歷史條件有關(guān) , 故在信號處理過程中亦應(yīng)注意消除這些因素對測量結(jié)果的 影響。4對絕緣子在線檢測的一些看法及構(gòu)想由于在線絕緣子的特殊性 , 其在線檢測極其困難。非電量檢測法雖然具有不與被測量直 接接觸、沒有高壓絕緣問題困擾的優(yōu)點(diǎn) , 但由于其測量受種種外在條件如造價、設(shè)備本身?xiàng)l 件、外在因素影響及設(shè)備操作復(fù)雜等的限制 , 在實(shí)際中廣泛使用困難重重。電量檢測法中 , 分布電壓法雖然具有直觀、 能準(zhǔn)確地判斷絕緣子性能變化的特點(diǎn) , 但其需 要登高測量、工作危險(xiǎn)程度高的弱點(diǎn)也使其應(yīng)用潛力受

15、到限制 ; 絕緣電阻法測量在低壓端進(jìn) 行 , 能準(zhǔn)確地測量出絕緣電阻的變化情況 , 但該值并非只反映絕緣子的劣化程度 , 而且與很多 其他因素密切相關(guān) , 故也難于準(zhǔn)確反映絕緣子的劣化狀況 , 且難于直接判斷出劣值絕緣子的 準(zhǔn)確位置 , 實(shí)際單獨(dú)廣泛應(yīng)用的可能性也不大 ; 脈沖電流法基于電暈放電的原理 , 受外在因素 的影響較小 , 隨著人工智能技術(shù)發(fā)展的日益完善 , 通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊辨識方法解決受損 絕緣子定位問題已成為可能 ; 其可在低壓端檢測的特點(diǎn)亦為其廣泛使用提供了條件。用脈沖電流法在線檢測絕緣子運(yùn)行狀況首先必須考慮傳感器的設(shè)計(jì)。 由于電暈電流本身 具有高頻、信號弱的特點(diǎn) , 測量

16、傳感器應(yīng)該滿足頻率范圍寬、信號放大倍數(shù)大的基本要求。 利用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)傳感器 , 則傳感器內(nèi)芯磁性材料必須具有頻率范圍寬、 相對磁導(dǎo)率高、 剩磁小的特點(diǎn) , 即必須從軟磁材料中選擇最佳 ; 而軟磁材料中 , 坡 -莫合金、 非晶態(tài)合金等金屬 型軟磁材料由于生產(chǎn)工藝的限制 , 目前在滿足高導(dǎo)磁率條件下其頻響范圍最高只能達(dá)到 20kHz 左右35, 但脈沖電暈電流的頻率可達(dá)到兆赫茲 ; 非金屬材料鐵氧體雖然滿足高頻響 的要求 , 但目前產(chǎn)品的最高磁導(dǎo)率也只能達(dá)到 104數(shù)量級 , 因此 , 如何選擇合適的材料做傳感 器磁芯是設(shè)計(jì)的第一個問題。綜合考慮 , 作者認(rèn)為以鐵氧體為佳。其次 , 外界干

17、擾的排除是信號處理必須考慮的重大問題。由于現(xiàn)場環(huán)境異常惡劣、各種 干擾情況迥異 , 電磁兼容問題必須妥善處理 ; 除了要注意高頻無線電干擾之外 , 中、低頻干擾 的影響也不容忽視。通過圖 2所示雙傳感器線路對于克服中、低頻干擾應(yīng)該大有幫助 :在測 量電暈電流的傳感器旁邊并聯(lián)一只不穿過被測電流支路的傳感器 , 以獲取外界雜散干擾信號 作為參考通路 , 通過必要的信號處理后能較好地實(shí)現(xiàn)對外界干擾的克服 ; 而高頻干擾則可通 過靜電屏蔽的方法加以消除。圖 2雙通道測量法示意圖第三 , 從傳感器獲得的信號包含了三相輸電線中各相電暈電流的總和 , 必須對其進(jìn)行分 解方能準(zhǔn)確地檢測出各相絕緣子的絕緣情況。 根據(jù)三相泄漏電流的相差情況給電暈脈沖檢測 器配以電子開關(guān) , 依傳輸線交流電壓的三相互差 120°電角度關(guān)系 , 用電子開關(guān)每隔 120°依 次記錄下瞬間內(nèi)的電暈脈沖信號 , 從而在低壓端分別采集到相應(yīng)于 A 、 B 、 C 三相的正峰值 (或 負(fù)峰值 脈沖的波形及幅值 , 進(jìn)而通過信號處理網(wǎng)絡(luò)對三相絕緣子串分別加以分析 , 以獲取絕 緣子串絕緣狀況的方法 , 顯然是一種可取的構(gòu)思。為進(jìn)一步提高檢測的可靠性 , 用泄漏電流值的大小對絕緣子串的絕緣狀況進(jìn)