絕緣子霧霾天氣下泄漏電流特性的研究

許允之， 葛起予， 李國欣

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.國網(wǎng)浙江余姚市供電公司，浙江 余姚 315400)

絕緣子霧霾天氣下泄漏電流特性的研究

許允之1， 葛起予2， 李國欣1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.國網(wǎng)浙江余姚市供電公司，浙江 余姚 315400)

霧霾； 絕緣子； 泄漏電流

0 引 言

絕緣子在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，是各類各級(jí)輸變電系統(tǒng)中不可缺少的組成部分[1]。至2009年末，我國66 kV及以上交流系統(tǒng)和±500 kV及以上直流系統(tǒng)中，共使用22 960萬片絕緣子[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)絕緣子可靠運(yùn)行造成危害的事故有雷擊閃絡(luò)、污閃、雨閃、鳥糞閃絡(luò)、冰閃、操作沖擊閃絡(luò)等，其中雷擊閃絡(luò)次數(shù)占事故總數(shù)的50%、污閃占40%、其他各種事故占10%。雷擊閃絡(luò)雖然造成的事故次數(shù)比污閃多，然而雷擊閃絡(luò)重合閘成功率高達(dá)90%，污閃重合閘成功率僅10%。因此,污閃造成的損失是雷擊閃絡(luò)的近10倍[3-5]。近些年來，在我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平不斷提高的同時(shí)，環(huán)境污染問題逐漸凸顯，嚴(yán)重的大氣污染問題不僅嚴(yán)重影響到了人們的日常生活和身體健康，也對(duì)絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)更為惡劣，污閃事故發(fā)生的可能性大為增加。因此，研究霧霾天氣對(duì)絕緣子的研究是極為必要的。本文在實(shí)驗(yàn)室模擬了霧霾天氣下絕緣子的運(yùn)行情況，并利用TLS-ESPRIT法對(duì)采集到的絕緣子泄漏電流進(jìn)行分析。

1 霧霾對(duì)絕緣子的影響

1.1 霧霾的成因

霧霾是一種氣象現(xiàn)象，在我國常見于秋冬兩季。雖然其都對(duì)人們的視覺有阻礙作用，但是霾和霧是有區(qū)別的。霧是一種自然界中的正?，F(xiàn)象，而霧霾是人為地向大氣中排放污染物和利于霾出現(xiàn)的氣象條件共同作用下出現(xiàn)的。氣象學(xué)界一般以濕度作為霧和霧霾兩者的區(qū)別依據(jù)，當(dāng)相對(duì)濕度大于90%時(shí)稱之為霧；而相對(duì)濕度小于80%時(shí)稱之為霾[6]。

霧通常出現(xiàn)在靠近地面的大氣中，當(dāng)大氣氣溫較低時(shí)，空氣的汽水飽和量下降，多余的水汽會(huì)凝結(jié)成小水滴，這就被稱為霧。霧大多發(fā)生在低空大氣風(fēng)速較小，氣流流動(dòng)較為平穩(wěn)的時(shí)候，在這種情況下，水汽不容易擴(kuò)散，更利于霧的形成。

霾的形成與大氣中氣溶膠濃度較高有密切的關(guān)系。氣溶膠是大氣中固體與液體顆粒的總稱，主要包括各類鹽分、碳粒、沙塵等。一定氣象條件下，氣溶膠在低空大氣中不斷積累，形成霧霾。

1.2 霧霾的成分

由于各地區(qū)大氣環(huán)境的不同，霧霾的組成極為復(fù)雜，霧霾的模擬也很難說能與實(shí)際情況完全相同?？偟膩碚f，霧霾是一個(gè)固體和液體的混合物。固體成分主要是直徑為μm級(jí)的固體顆粒，而液體成分就是霧水。固體成分包含的范圍比較廣，有沙塵、煤灰、鐵粉、石灰等；液體成分即霧水，并不是純凈的清潔霧水，而是含有大量的離子，并且其酸堿性并不一定是中性的，很有可能受到大氣污染的影響呈酸性[7]。

1.3 霧霾對(duì)絕緣子的影響

霧霾中含有大量的固態(tài)顆粒，在霧霾持續(xù)的時(shí)間段內(nèi)，固態(tài)顆粒會(huì)在絕緣子表面沉積，絕緣子表面鹽密度和灰密度均會(huì)有一定程度的上升。霧霾中的霧水與潔凈的清潔霧不同，含有大量離子并且可能呈酸性。在這種酸性的、含有大量離子的霧霾霧水的作用下，絕緣子表面污穢層在受潮時(shí)，溶解的污穢物會(huì)更多，濕潤污層的導(dǎo)電性會(huì)增加，泄漏電流更大污閃發(fā)生的可能性更大，污閃電壓也會(huì)大幅降低[8]。

1.4 霧霾的模擬方法

2 絕緣子污閃的仿真分析

潔凈干燥狀態(tài)下絕緣子等效回路如圖1所示。

圖1 潔凈干燥狀態(tài)下絕緣子等效回路

由于絕緣子金具與接地桿塔和高壓導(dǎo)線之間存在雜散電容，絕緣子串的電壓分布是不均勻的。通常情況下，每片絕緣子本身的電容C約30～50 pF，而絕緣子金具對(duì)接地桿塔的雜散電容Cg約4～5 pF，絕緣子金具對(duì)高壓導(dǎo)線的雜散電容Cc約0.5～1 pF。

利用Matlab軟件對(duì)正常狀態(tài)下的絕緣子進(jìn)行仿真。仿真中，絕緣子串共有絕緣子8片，絕緣子本身電容C1～C8取40 pF，絕緣子金具對(duì)接地桿塔的雜散電容Cg1～Cg8取4.5 pF，絕緣子金具對(duì)高壓導(dǎo)線的雜散電容Cc1～Cc7取1 pF。施加電壓的有效值為110 kV，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 潔凈干燥狀態(tài)下絕緣子串各絕緣子承受的電壓

從仿真結(jié)果可以看出，潔凈干燥的絕緣子串電壓分布呈現(xiàn)出“兩頭高、中間低”的特點(diǎn)，從靠近高壓導(dǎo)線的1號(hào)絕緣子開始，絕緣子上承受的電壓逐漸減小，直到7號(hào)絕緣子，承受的電壓才開始回升。

積污并濕潤后的絕緣子的等效回路如圖3所示，與圖1相比，絕緣子本身電容兩端并聯(lián)了污穢的等效電阻Rg。也用Matlab對(duì)積污并濕潤后的絕緣子進(jìn)行仿真，并聯(lián)Rg取1 MΩ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖3 積污并濕潤后絕緣子等效回路

圖4 積污并濕潤的絕緣子串各絕緣子承受的電壓

從仿真結(jié)果中可以看出，在污穢層濕潤的條件下，各個(gè)絕緣子承受的電壓幾乎是相等的，絕緣子串的電壓分布是均勻的。

當(dāng)絕緣子出現(xiàn)干燥帶時(shí)，濕潤的污層被烘干與之并聯(lián)的等效電阻無窮大，可視為斷路?，F(xiàn)假設(shè)第2、第7兩片絕緣子出現(xiàn)干燥帶，用Matlab進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 出現(xiàn)干燥帶的絕緣子承受的電壓

從仿真結(jié)果可以看出，出現(xiàn)干燥帶的2號(hào)、7號(hào)絕緣子承受的電壓遠(yuǎn)超其他絕緣子，是正常運(yùn)行時(shí)承受電壓最高的1號(hào)絕緣子所承受電壓的2倍多，如此高的電壓很可能超過沿面放電的臨界電壓，導(dǎo)致局部放電的發(fā)生。

3 模擬絕緣子霧霾天氣下的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)接線圖如圖6所示。試驗(yàn)電源符合《IEC 60507-1991交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》中對(duì)試驗(yàn)電源的要求[9]。

A-調(diào)壓器，B-試驗(yàn)變壓器，C-保護(hù)水阻，D-電容分壓器，E-霧霾模擬裝置，F(xiàn)-取樣電阻，G-保護(hù)間隙

圖6 實(shí)驗(yàn)接線圖

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1) 在試驗(yàn)進(jìn)行前，先對(duì)試品絕緣子串進(jìn)行預(yù)處理。仔細(xì)、徹底地清洗絕緣子表面，去除表面沾染的污物和油脂。清洗干凈后懸掛起來，待其自然干燥后用于試驗(yàn)。

(2) 采用定量涂刷法將氯化鈉和硅藻土的混合物涂刷在潔凈絕緣子表面，設(shè)定絕緣子表面污穢程度為重度污穢，等值鹽密度和等值灰密度分別為:

(3) 實(shí)驗(yàn)分為4組，每組實(shí)驗(yàn)用于濕潤涂污絕緣子表面污穢層的霧水成分不同，每組的組分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)各組霧水成分

(4) 按圖6接線。

(5) 加壓方法為恒壓法，對(duì)絕緣子施加恒定電壓40 kV。

(6) 測量各組的泄漏電流。

4 泄漏電流去噪

小波變換具有低熵性、多分辨率性、去相關(guān)性和取基靈活性等特性，能夠根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)靈活選取各個(gè)參數(shù)，能克服其他去噪方法的缺點(diǎn)，因此小波變換在去噪領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。

一般來說，一維信號(hào)的小波閾值去噪過程有3個(gè)步驟：

(1) 選擇合適的小波基函數(shù)和分解層數(shù)N，對(duì)含有噪聲的原始信號(hào)進(jìn)行小波分解，將信號(hào)分解成第N層的低頻部分和N層高頻部分；

(2) 選擇合適的閾值對(duì)小波分解得到的N層高頻部分的小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理；

(3) 根據(jù)小波分解得到的第N層低頻部分的小波系數(shù)和閾值量化處理后的N層高頻部分的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)得到去噪的信號(hào)。

一維信號(hào)小波閾值去噪閾值選取的方法主要有默認(rèn)閾值去噪、強(qiáng)制去噪和給定閾值去噪。

下面利用Matlab軟件對(duì)泄漏電流信號(hào)進(jìn)行去噪處理，選擇多種閾值計(jì)算方法對(duì)去噪結(jié)果進(jìn)行比較。

原始信號(hào)見圖7，為絕緣子人工污穢試驗(yàn)測得的泄漏電流信號(hào)，濕潤成分為硝酸鹽為主的溶液，采樣時(shí)間26 ms，采樣頻率5 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)13 000。

圖7 原始信號(hào)

表2列出了選用不同閾值選擇方法的去噪效果比較。從表2可以看出，強(qiáng)制去噪法的去噪結(jié)果均方誤差最小，但這個(gè)方法在計(jì)算過程中去除了很多有用的信息，因此不采用這種方法。綜合來看，默認(rèn)閾值去噪法并用軟閾值函數(shù)得到的去噪效果最好，去噪結(jié)果見圖8。

表2 各種閾值去噪法去噪效果比較

5 TLS-ESPRIT算法分析泄漏電流特性

ESPRIT算法是空間譜估計(jì)中子空間不變類算法的一種，在1986年由Roy等[10]提出，算法計(jì)算量小，無須進(jìn)行譜峰搜索，在電力工程中得到了廣泛應(yīng)用。聶永輝等[11]將該算法應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波檢測，黃文輝等[12]在輸電線路暫態(tài)保護(hù)頻率分析中應(yīng)用了這個(gè)算法，白旭等[13]將算法應(yīng)用于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子斷條故障檢測。本文將該算法應(yīng)用于絕緣子人工污穢試驗(yàn)泄漏電流特性的研究。

圖8 默認(rèn)閾值去噪法并采用軟閾值函數(shù)的去噪結(jié)果

算法步驟如下[14-16]：將接收器接收到的信號(hào)表示為觀測向量X(t)，定義觀測向量的平移向量為Y(t)，Y(t)=X(t+1)。

(1) 利用X(t)平移求得Y(t)；

(2) 求自相關(guān)矩陣RXX和互相關(guān)矩陣RXY；

(3) 對(duì)RXX進(jìn)行特征值分解，求得最小特征值σ2；

(4) 利用σ2計(jì)算矩陣CXX和CXY；

(5) 對(duì)CXX做奇異值分解，儲(chǔ)存Σ1、U1和V1；

(8) 確定X(t)的各個(gè)分量頻率

(9) 計(jì)算矩陣:

(10) 計(jì)算矩陣a=(λHλ)-1λHX；

本文利用總體最小二乘旋轉(zhuǎn)不變子空間算法對(duì)去噪后的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行處理，提取出泄漏電流的特征參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9、10分別為各組泄漏電流的幅頻曲線和相頻曲線,從中可以得到以下結(jié)論：

(1) 與清潔絕緣子相比，污穢絕緣子泄漏電流的幅值更大，能量更強(qiáng)。

(2) 與清潔霧相比，當(dāng)濕潤成分為鹽溶液時(shí)，泄漏電流的幅值明顯增加。由此可見,鹽溶液作為濕潤成分，使絕緣子表面的可溶鹽成分增多，絕緣子表面污層的導(dǎo)電率變大，使得泄漏電流的幅值增加，更有可能發(fā)生污閃。

圖9 泄漏電流的幅頻特性

圖10 泄漏電流的相頻特性

(4) 以硝酸鹽為主的鹽溶液作為濕潤成分的絕緣子泄漏電流的能量分布較為集中，主要處于0～300 Hz內(nèi)，在500 Hz處也相對(duì)較大；而以硫酸鹽為主的鹽溶液作為濕潤成分的絕緣子泄漏電流的能量則分布地較為分散，在各個(gè)頻段均有分布。從相頻曲線可以看出，隨著頻率的變大，泄漏電流分量的相位呈減小的趨勢。

(5) 對(duì)比不同泄漏電流1 kHz分量的相位，清潔絕緣子泄漏電流的相位大概在-110°;清潔霧濕潤的污穢絕緣子泄漏電流的相位為-100°;硝酸鹽為主的鹽溶液濕潤的污穢絕緣子的泄漏電流的相位為-85°;

硫酸鹽為主的鹽溶液濕潤的污穢絕緣子的泄漏電流的相位為-15°。與各個(gè)泄漏電流的幅值相對(duì)照，可以看出，泄漏電流幅值越大，相位也越小。

6 結(jié) 語

本文模擬了霧霾天氣下絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，比較了無污穢絕緣子、清潔霧濕潤的污穢絕緣子、硫酸鹽為主的污霧濕潤的污穢絕緣子和硝酸鹽為主的污霧濕潤的污穢絕緣子的泄漏電流特性。發(fā)現(xiàn)在濃度相同的條件下,硫酸鹽為主的污霧對(duì)絕緣子的影響比硝酸鹽為主的污霧大。

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Research on Leakage Current Characteristics of Insulator under Fog and Haze

XUYunzhi1,GEQiyu2,LIGuoxin1

(1. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China; 2. State Grid Yuyao Zhejiang Power Supply Company, Yuyao 315400, Zhejing, China)

In recent years, serious air pollution causes that fog-haze occurs frequently in our country. In fog-haze, the insulator is under extremely unfavorable operating state, the possibility of flash over accident is greatly increased. In order to research the influence of insulator caused by the haze weather, the pollutions caused by coal and automobile exhaust were simulated, the insulator leakage currents resulted by the different haze components were measured. The leakage current signals were collected and denoised by using wavelet threshold denoising method. Different selection method might lead to different threshold values. The pros and cons for these values were compared and the optimal threshold selection method was obtained. Characteristic parameters of leakage currents were extracted by TLS-ESPRIT algorithm and these characteristic parameters were researched. Experimental results show that the fog-haze containing leads to bigger insulator leakage current than that contains.

haze; insulators; leakage current

2016-06-13

許允之(1961-)，男，北京人，學(xué)士，高級(jí)工程師,從事高電壓技術(shù)與電機(jī)故障診斷的教學(xué)與研究工作。

Tel.:15150018338;E-mail：xyzh1962@163.com

TM 855

A

1006-7167(2017)03-0036-05