輸電線路污穢狀態(tài)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

胡元輝，林吉，康小平，鄭振華

(浙江寧波電業(yè)局，浙江 寧波 315000)

1 引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)電網(wǎng)大面積污閃事故在全國(guó)大范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。輸電線路污閃事故的根本原因是由于絕緣子表面沉積了污穢物質(zhì)，當(dāng)它吸收了潮濕空氣中的水分后，使絕緣強(qiáng)度急劇下降，承受不住工作電壓而發(fā)生閃絡(luò)。污閃是個(gè)區(qū)域性的問(wèn)題，同時(shí)多點(diǎn)跳閘的幾率高，容易引發(fā)大面積、長(zhǎng)時(shí)間的惡性停電事故［1，2］。

各種防污措施對(duì)于污閃的預(yù)防都不十分理想，原因之一在于電力維護(hù)人員不能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握絕緣子污穢狀況。因此，絕緣子污穢程度的可靠檢測(cè)以及在線監(jiān)測(cè)是防污閃工作中非常重要的一環(huán)?？煽康奈鄯x程度檢測(cè)可以確保污區(qū)劃分準(zhǔn)確，從而為輸變電設(shè)備外絕緣設(shè)計(jì)和絕緣子選型提供科學(xué)依據(jù)，是防止大面積污閃事故的基本保證。在線監(jiān)測(cè)能有效跟蹤絕緣子污穢的變化過(guò)程，使之在污穢程度達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)能先期預(yù)警，便于電力工作人員及早采取應(yīng)對(duì)措施，防止污閃事故的發(fā)生。為有效開展防污工作，預(yù)防污閃事故的發(fā)生，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明急需一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全、準(zhǔn)確的絕緣子污穢在線檢測(cè)方法，提高數(shù)據(jù)分析和處理能力，為防污工作提供最為重要的技術(shù)保障要檢測(cè)運(yùn)行中絕緣子的污穢狀況，首先必須選取有效的特征量來(lái)表征絕緣子表面的污穢狀況，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行測(cè)量。由于至今還沒(méi)有找到一個(gè)統(tǒng)一的、能夠確切地表征污穢絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的特征量，目前常用的污穢參數(shù)包括［2］:等值附鹽密度(Equivalent salt deposit density，ESDD)、表面污層電導(dǎo)率、泄漏電流脈沖計(jì)數(shù)、最高泄漏電流、閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)。針對(duì)某個(gè)污穢參數(shù)或其衍生參數(shù)，結(jié)合相關(guān)的運(yùn)行條件，許多學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)絕緣子污穢在線檢測(cè)做了大量卓有成效的工作并開發(fā)了少量的在線檢測(cè)裝置。本文主要介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)使用和實(shí)驗(yàn)室研究中用于絕緣子污穢在線檢測(cè)的方法。

2 泄漏電流法

泄漏電流法是污穢監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)，廣大研究人員和學(xué)者作了大量研究。泄漏電流是運(yùn)行電壓、污穢程度、氣候條件三要素綜合作用的結(jié)果，是動(dòng)態(tài)參數(shù)，適宜在線監(jiān)測(cè)。目前，研制開發(fā)泄漏電流傳感器已經(jīng)很多［3－5］，測(cè)量的準(zhǔn)確度比較高。針對(duì)泄漏電流的測(cè)取過(guò)程中存在著大量的干擾，采用自適應(yīng)噪聲對(duì)消技術(shù)和小波去噪方法等進(jìn)行抗干擾。通過(guò)泄漏電流傳感器實(shí)時(shí)獲取流過(guò)絕緣子表面的泄漏電流，形成了大量的輸電線路絕緣子污穢在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。典型的泄露電流法絕緣子污穢在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 泄露電流法絕緣子污穢在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

泄漏電流的大小不僅和污穢程度有關(guān)，而且和絕緣子的受潮程度有關(guān)，此外還和絕緣子的串長(zhǎng)、幾何形狀等因素有關(guān)。如何根據(jù)測(cè)得的泄漏電流值評(píng)價(jià)絕緣子的污穢程度，如何確定泄漏電流報(bào)警的門檻值等問(wèn)題仍沒(méi)有一個(gè)明確的結(jié)論。另外，只有在潮濕的氣象條件下才能測(cè)到泄漏電流，它僅適用于潮濕多雨的地區(qū)，在干旱少雨地區(qū)測(cè)泄漏電流的方法是不適用的。此外，由于測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有針對(duì)戶外輸電線路附近環(huán)境進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，存在易受電磁干擾，老化速度快等缺點(diǎn)。

3 光譜法

光傳感器監(jiān)測(cè)ESDD的理論基礎(chǔ)是介質(zhì)光波導(dǎo)中的光場(chǎng)分布理論和光能損耗機(jī)理。置于大氣中的低損耗石英棒是一個(gè)以棒為芯、大氣為包層的多模介質(zhì)光波導(dǎo)。在石英棒上無(wú)污染時(shí)，由光波導(dǎo)中的基模和高次模共同傳輸光的能量，其中絕大部分光能在光波導(dǎo)的芯中傳輸，只有少部分光能沿芯包界面的包層傳輸，光波傳輸過(guò)程中光的損耗很小。當(dāng)石英玻璃棒上有污染時(shí)，由于污染物改變了高次模及基模的傳輸條件，同時(shí)，污染粒子對(duì)光能的吸收和散射等會(huì)產(chǎn)生光能損耗，通過(guò)檢測(cè)光能參數(shù)可計(jì)算出傳感器表面鹽分的多少。將光傳感器與絕緣子串置于相同環(huán)境，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立光通量、濕度、塵埃比率與 ESDD的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)ESDD的在線監(jiān)測(cè)。光通量衰減與濕度、塵埃比率和ESDD之間相互關(guān)系非常復(fù)雜，光衰減量的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)描述有難度。光學(xué)元器件的不穩(wěn)定因素對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。該方法在應(yīng)用方面還沒(méi)有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

4 微波輻射法

微波輻射法利用絕緣子在微波段的輻射特性差異來(lái)檢測(cè)污穢程度。任何高于絕對(duì)零度的物體都在不斷輻射能量，輻射的頻率范圍非常寬，當(dāng)物體表面有污穢物時(shí)，發(fā)射率會(huì)隨著污穢量和污穢性質(zhì)發(fā)生變化，污層濕潤(rùn)時(shí)變化更明顯，而物體所輻射的電磁波可以通過(guò)普朗克定律來(lái)測(cè)量。微波輻射計(jì)能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的物體熱電磁輻射測(cè)量，微波輻射計(jì)天線接受的總功率與溫度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此可采用天線溫度來(lái)度量物體的輻射強(qiáng)度。輻射計(jì)原理圖如圖2所示，根據(jù)以上原理，先在實(shí)驗(yàn)室中根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取ESDD來(lái)與發(fā)射率對(duì)應(yīng)得到與一定量的污穢對(duì)應(yīng)著的特定天線溫度，進(jìn)而在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)測(cè)量絕緣子的天線溫度來(lái)判斷絕緣子的運(yùn)行狀況。但絕緣子材料一般由多種物質(zhì)組成，且非金屬材料的表面特性變化非常復(fù)雜，很難用固定的數(shù)學(xué)解析式表述輻射。該方法有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。

圖2 輻射計(jì)原理圖

5 紫外脈沖法

絕緣子放電時(shí)伴有光現(xiàn)象，其中含有一定的紫外光，清潔絕緣子的放電非常少，而污穢絕緣子則經(jīng)常在濕度較大時(shí)伴有放電現(xiàn)象。絕緣子污穢過(guò)程中伴有放電情況的變化，可以利用絕緣子的放電差異來(lái)檢測(cè)污穢程度。采用日盲型紫外探頭監(jiān)測(cè)絕緣子放電時(shí)產(chǎn)生的紫外光，建議可以通過(guò)紫外光脈沖強(qiáng)度和次數(shù)，結(jié)合環(huán)境溫度和濕度情況判斷絕緣子污穢程度。其他研究人員利用紫外成像監(jiān)測(cè)污穢絕緣子的沿面放電，通過(guò)觀測(cè)的紫外光子數(shù)確定沿面放電階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子污穢放電的預(yù)警。目前還沒(méi)有具體的污穢程度評(píng)價(jià)方法，而且測(cè)量過(guò)程中受導(dǎo)線和均壓環(huán)產(chǎn)生電暈、線路運(yùn)行電壓、探頭安裝角度、氣候條件等影響較大。

6 聲發(fā)射法

當(dāng)絕緣子沒(méi)有放電時(shí)，無(wú)聲波發(fā)射信號(hào)。隨著絕緣子污穢放電程度的發(fā)展，放電逐步增強(qiáng)，聲波發(fā)射信號(hào)從無(wú)到有，由弱變強(qiáng)。該聲波信號(hào)可視為點(diǎn)聲源，在空氣介質(zhì)中以球面波的形式周圍外傳播。由于該聲波信號(hào)的能量是污穢放電所釋放能量的一部分，因此，聲波信號(hào)能量與放電能量之間必然存在定量關(guān)系。聲波信號(hào)的幅值與放電能量的平方根成正比。通過(guò)檢測(cè)絕緣子污穢放電所產(chǎn)生的聲波信號(hào)的幅值，就可以監(jiān)測(cè)污穢放電的強(qiáng)弱并判斷對(duì)絕緣性能的危害。

研究人員將聲傳感器安裝在桿塔上捕捉放電產(chǎn)生的聲信號(hào)，提取聲波信號(hào)的最大幅值、最大工頻半周期面積和一段固定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)工頻半周期面積超過(guò)給定閾值的聲波信號(hào)的個(gè)數(shù)作為特征量，利用模糊推理方法建立聲信號(hào)特征量與絕緣子表面的污穢放電強(qiáng)弱的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子污穢放電的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。由于需將傳感器靠近或接觸運(yùn)行中的絕緣子，測(cè)量較麻煩，受環(huán)境背景噪聲影響也很大。該方法目前尚處于試驗(yàn)階段，監(jiān)測(cè)裝置的性能指標(biāo)和功能還有待進(jìn)一步改善，有些實(shí)際的調(diào)試和安裝問(wèn)題還需進(jìn)一步研究。

7 紅外成像法

當(dāng)污穢絕緣子干燥時(shí)，絕緣子表面的泄漏電流很小，當(dāng)污層不斷濕潤(rùn)時(shí)，泄漏電流不斷增大，電流流過(guò)污層產(chǎn)生焦耳熱，引起絕緣子表面溫升。泄漏電流越大，其電流熱效應(yīng)越明顯，溫度變化也越明顯，可以利用絕緣子表面熱場(chǎng)的變化來(lái)檢測(cè)污穢程度。任何物體溫度高于絕對(duì)零度都會(huì)向外輻射紅外能量，不同溫度的物體向外輻射的紅外能量不同，紅外熱像儀能夠探測(cè)物體輻射的紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為紅外熱像圖(如圖3所示)。

圖3 瓷絕緣子表面污穢紅外圖像

有研究結(jié)果證實(shí)通過(guò)絕緣子熱像圖處理，提取污穢特征參數(shù)，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或支持向量機(jī)建立污穢特征、環(huán)境濕度與絕緣子污穢等級(jí)之間的映射關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)絕緣子污穢等級(jí)的紅外熱像檢測(cè)。采用紅外熱像檢測(cè)絕緣子污穢等級(jí)，具有非接觸、實(shí)時(shí)、快速、安全的特點(diǎn)，為絕緣子污穢檢測(cè)提供了一種很好的解決途徑。但該方法需要將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的熱像儀安裝在桿塔上，可靠性、適用性還有待進(jìn)一步深入研究。

8 總結(jié)

通過(guò)調(diào)研可得以下結(jié)論:

(1)輸電線路污穢在線監(jiān)測(cè)是輸電線路監(jiān)測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。學(xué)者和技術(shù)人員開發(fā)了多種設(shè)備試圖解決這一問(wèn)題。

(2)泄露電流法:該方法是目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的方法，但該方法存在固有缺點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果不能代表絕緣子實(shí)際污穢情況，且存在供電、老化以及可靠性的問(wèn)題。

(3)光譜法、微波輻射法和環(huán)境監(jiān)測(cè)法:污穢成分復(fù)雜，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果難以與污穢成分對(duì)應(yīng)。

(4)紫外法和紅外法:輸電線路附近存在電暈，以及設(shè)備昂貴等原因影響紫外、紅外等光學(xué)測(cè)量設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用。

(5)聲發(fā)射法:輸電附近電磁環(huán)境惡劣，噪聲較大，淹沒(méi)聲發(fā)射法接收信號(hào)。

綜上所述，新開發(fā)傳感器進(jìn)行污穢測(cè)量的過(guò)程中需要解決供電、電磁干擾、可靠性、污穢成分識(shí)別等問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)確保污穢不會(huì)造成傳感器損壞，不能因污穢覆蓋傳感器導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

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