基于“日盲”紫外脈沖的變電站絕緣子劣化程度檢測(cè)研究

程江洲，王卓遠(yuǎn)，黃景光，李曉敏，方烜，聶德宇

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002）

基于“日盲”紫外脈沖的變電站絕緣子劣化程度檢測(cè)研究

程江洲1，2，王卓遠(yuǎn)1，黃景光1，李曉敏1，方烜1，聶德宇1

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北宜昌 443002）

絕緣子是電力系統(tǒng)中十分重要的一類電氣設(shè)備，其性能的優(yōu)劣對(duì)輸電系統(tǒng)與變電站的安全運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用[1-2]。變電站絕緣子在搬運(yùn)過程中可能由于碰撞導(dǎo)致表面留下傷痕；在正常的運(yùn)行過程中，可能會(huì)因機(jī)械負(fù)荷過重，運(yùn)行環(huán)境惡劣導(dǎo)致?lián)舸╇妷翰粩嘞陆?，影響變電站設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。由于絕緣子的電暈放電強(qiáng)度可以反映其劣化程度，因此通過監(jiān)測(cè)絕緣子發(fā)出的紫外脈沖，可以了解絕緣子表面的劣化程度變化，以此降低閃絡(luò)發(fā)生的概率[1-3]。

“日盲”紫外線檢測(cè)作為非電檢測(cè)法中的一種在線監(jiān)測(cè)方法，具有不受天氣影響、檢測(cè)距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)絕緣子放出的“日盲”波段紫外光信號(hào)是近年來的研究熱點(diǎn)之一[1-4]?！叭彰ぁ辈ǘ巫贤夤庑盘?hào)監(jiān)測(cè)方法主要分為紫外成像法與紫外脈沖法2種，紫外成像法作為其中的一種監(jiān)測(cè)方法，其成像設(shè)備過于昂貴，且對(duì)短時(shí)間內(nèi)間隔較短的單個(gè)脈沖反應(yīng)不明顯；相對(duì)而言，紫外脈沖法價(jià)格便宜，易于攜帶和移動(dòng)，更適合變電站內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境[5-6]。

為了遠(yuǎn)距離在線判斷絕緣子的劣化狀態(tài)，本文通過制作基于“日盲”紫外脈沖檢測(cè)的變電站絕緣子劣化程度在線監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)絕緣子劣化程度監(jiān)測(cè)研究方法進(jìn)行研究。首先對(duì)絕緣子紫外脈沖劣化檢測(cè)原理進(jìn)行分析，制成絕緣子劣化程度在線監(jiān)測(cè)裝置樣機(jī)，并建立絕緣子劣化程度檢測(cè)模型。通過實(shí)驗(yàn)尋找絕緣子劣化程度與各個(gè)變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在考慮以上因素的基礎(chǔ)上，對(duì)影響絕緣子劣化程度檢測(cè)的相關(guān)變量進(jìn)行了深入研究，并運(yùn)用回歸分析得出的結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試了結(jié)果的正確性。

1 絕緣子紫外脈沖劣化檢測(cè)原理

正常工作的絕緣子表面電場(chǎng)可視為極不均勻電場(chǎng)，在絕緣子產(chǎn)生電離放電時(shí)，根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度的不同，可以分為電暈放電、火花放電和局部電弧放電3種類型。其中，火花放電和局部電弧放電放出包括可見光在內(nèi)的各波段光線，而電暈放電的光信號(hào)波長(zhǎng)分布于400 nm以下的紫外波段。由于太陽光中也含有較強(qiáng)的紫外輻射，直接監(jiān)測(cè)紫外光會(huì)受到太陽光的強(qiáng)烈干擾，但大氣層中的臭氧可以吸收240～280 nm的紫外光，監(jiān)測(cè)該波段的紫外光不存在陽光干擾的問題。這部分波段的紫外光被稱為UV-C波段，對(duì)這部分紫外光脈沖變化情況進(jìn)行檢測(cè)，去除噪聲等環(huán)境干擾后，將單位時(shí)間的有效脈沖信號(hào)數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，就是紫外脈沖法[7-8]。

由于絕緣子的劣化將導(dǎo)致局部電場(chǎng)畸變加劇，劣化絕緣子在相同情況下伴隨有放電增強(qiáng)的現(xiàn)象，放電光譜的紫外波段輻射強(qiáng)度也會(huì)明顯增強(qiáng)。交流線路的絕緣子起暈初始電場(chǎng)強(qiáng)度如下。

式中：δ為空氣相對(duì)密度；n為空氣密度指數(shù)；r為導(dǎo)線半徑；m為表面粗糙系數(shù)，小于1。

通過檢測(cè)絕緣子發(fā)出的紫外光脈沖，可以遠(yuǎn)距離在線區(qū)分正常絕緣子與劣化絕緣子。但絕緣子的放電強(qiáng)度與環(huán)境溫度、濕度密切相關(guān)，檢測(cè)距離也會(huì)影響測(cè)得紫外光脈沖的數(shù)目，因此需要設(shè)計(jì)基于“日盲”紫外脈沖檢測(cè)的變電站絕緣子劣化程度在線監(jiān)測(cè)裝置，綜合考慮影響絕緣子在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)變量，為絕緣子在線監(jiān)測(cè)提供判斷依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為紫外脈沖監(jiān)測(cè)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其主要功能是監(jiān)測(cè)絕緣子電暈放電時(shí)發(fā)出的紫外脈沖數(shù)目，以及將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，并上傳至上位機(jī)中。紫外檢測(cè)系統(tǒng)由高壓驅(qū)動(dòng)、電源模塊、電源管理、“日盲”紫外線檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、CPU、上位機(jī)、距離傳感器、溫濕度傳感器與顯示器組成。系統(tǒng)內(nèi)的“日盲”紫外傳感器對(duì)準(zhǔn)待測(cè)絕緣子，紫外光敏管作為探頭監(jiān)測(cè)絕緣子放電過程中的單位時(shí)間紫外脈沖數(shù)量，并通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)上傳給上位機(jī)。

圖1 紫外脈沖檢測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram of UV pulse detection device

紫外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分有2個(gè)：第一是絕緣子紫外監(jiān)測(cè)中紫外光信號(hào)的監(jiān)測(cè)，以及將光信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，因此硬件電路包含“日盲”紫外線監(jiān)測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊；第二是系統(tǒng)電源模塊的設(shè)計(jì)，整個(gè)硬件系統(tǒng)供電電源為5 V，但由于本部分選擇了紫外光敏管R9454作為“日盲”紫外線監(jiān)測(cè)單元的核心檢測(cè)模塊，紫外傳感器需要280 V脈沖電壓的高壓驅(qū)動(dòng)電源，因此需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換與穩(wěn)定電路，保障系統(tǒng)各部分的正常運(yùn)行，尤其是紫外傳感器部分的正常驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)和測(cè)試，最終選用紫外線傳感器驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)頻率為320 Hz，占空比為0.3的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電壓幅值為285 V，使紫外傳感器既能得到較高的靈敏度，干擾少，能得到最好的測(cè)試效果。

本系統(tǒng)采用SCH11數(shù)字傳感器作為溫濕度傳感器，該傳感器可以監(jiān)測(cè)絕緣子的溫度和濕度值，有利于進(jìn)一步確定絕緣子的測(cè)量準(zhǔn)確性。

裝配完成的紫外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。CPU接收的即時(shí)信息由上位機(jī)接收并存儲(chǔ)，統(tǒng)一在上位機(jī)中整理分析。

圖2 紫外脈沖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Real product of UV pulse detection system

3 絕緣子放電實(shí)驗(yàn)

在高壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行絕緣子劣化程度放電試驗(yàn)，控制環(huán)境溫度為20°，環(huán)境濕度為65%、75%、85%，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Experimental schematic

由于污穢程度高的絕緣子在工作時(shí)也會(huì)放出UV-C波段的紫外光[9]，為了完全屏蔽絕緣子污穢對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，用于實(shí)驗(yàn)的待測(cè)絕緣子均清洗干凈，并對(duì)清洗液進(jìn)行鹽密測(cè)試，確保絕緣子上的污穢全部洗凈；實(shí)驗(yàn)時(shí)加載電壓為27.5 kV（按照2 kV/cm的爬電比距計(jì)算），對(duì)不同劣化程度的絕緣子在不同距離下進(jìn)行紫外脈沖檢測(cè)。

3.1 絕緣子絕緣電阻與劣化程度劃分

測(cè)量絕緣子的絕緣電阻能夠發(fā)現(xiàn)其性能劣化或絕緣擊穿等缺陷，是絕緣子性能測(cè)試中的重要檢測(cè)項(xiàng)目之一。根據(jù)DL/T 626-2005劣化盤形懸式絕緣子檢測(cè)規(guī)程與電力系統(tǒng)一線職工的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，新絕緣子的絕緣電阻超過500 MΩ，運(yùn)行中的絕緣子不低于300MΩ。當(dāng)絕緣電阻低于300MΩ，但大于240 MΩ時(shí)，可以判定為低值絕緣子；絕緣電阻小于240 MΩ時(shí)可判定為零值絕緣子[1，10-13]。實(shí)際工作中一般采用5 kV兆歐表（搖表）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試精度較高，但出于安全考慮不能在濕度大于85%的情況下進(jìn)行測(cè)試。

本實(shí)驗(yàn)選取一批由宜昌供電公司提供的FC70PL/146型玻璃絕緣子，試品參數(shù)如表1所示。測(cè)試絕緣子中含有劣化與雷擊絕緣子，全部絕緣子已編號(hào)并由兆歐表測(cè)得絕緣電阻。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將絕緣子電阻大于500 MΩ的絕緣子認(rèn)定為正常絕緣子，依據(jù)絕緣電阻的阻值確定劣化程度，將該批絕緣子分為正常、低值、零值三類，每類分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。為了便于量化評(píng)估絕緣子的運(yùn)行狀況，本文以百分?jǐn)?shù)的形式對(duì)絕緣子劣化程度進(jìn)行劃分，劃分等級(jí)如表2所示。

表1 FC70PL/146絕緣子基本參數(shù)Tab.1 Parameters of FC70PL/146 insulators

表2 絕緣子劣化程度的劃分Tab.2 The division of the insulator degradation

對(duì)溫濕度的控制方面，實(shí)驗(yàn)通過斷續(xù)定量加濕的方法控制實(shí)驗(yàn)濕度，并確保該濕度維持2 h，以保證絕緣子完全濕潤(rùn)。相對(duì)濕度調(diào)節(jié)以10%為一檔，分別檢測(cè)待測(cè)絕緣子在65%、75%、85%濕度下不同距離的紫外脈沖。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)通過多次測(cè)量取平均值的方法確定絕緣子在某一距離內(nèi)1 min發(fā)出的紫外脈沖數(shù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在本文的研究中，測(cè)量參數(shù)為絕緣子與檢測(cè)系統(tǒng)間的相對(duì)距離、環(huán)境濕度、紫外脈沖數(shù)。輸出參數(shù)為劣化程度的百分?jǐn)?shù)數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在溫濕度相同的條件下，隨著劣化程度的增加，檢測(cè)設(shè)備在相同距離下測(cè)得的紫外脈沖呈上升趨勢(shì)；測(cè)得的紫外脈沖數(shù)的變化趨勢(shì)與環(huán)境濕度存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，環(huán)境濕度越高，同一絕緣子發(fā)出的紫外脈沖數(shù)越高；檢測(cè)到的紫外脈沖隨距離的增大而減小，本裝置的檢測(cè)距離可達(dá)10 m以上，滿足變電站絕緣子在線監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

圖4 不同劣化程度絕緣子在1 min內(nèi)監(jiān)測(cè)的紫外脈沖Fig.4 Insulators’UV pulse for different degradations in 1 min

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析與驗(yàn)證

長(zhǎng)期以來，對(duì)絕緣子的劣化程度模型建立往往停留于自變量與因變量的數(shù)據(jù)集合，不知道具體的模型關(guān)系形式。本項(xiàng)目運(yùn)用改進(jìn)的基于有理插值樣條的偏最小二乘回歸分析法進(jìn)行建模，以紫外光線、環(huán)境溫濕度、檢測(cè)距離為輸入變量，絕緣子的劣化程度百分?jǐn)?shù)為輸出變量，得出具體的絕緣子劣化程度百分?jǐn)?shù)關(guān)系式。

4.1 回歸分析步驟

回歸分析是一種確定多種變量間相互關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析方法[14]，在本文的研究中，輸入?yún)?shù)為絕緣子與檢測(cè)系統(tǒng)間的相對(duì)距離、環(huán)境濕度、紫外脈沖數(shù)，輸出參數(shù)為劣化程度的百分?jǐn)?shù)數(shù)值。本文采用多元非線性回歸分析的方法進(jìn)行分析，回歸分析的步驟流程圖如圖5所示。

圖5 回歸分析步驟流程圖Fig.5 Flow chart of regression analysis

具體來說，基于擬線性回歸的思想，可以將絕緣子劣化程度判斷模型設(shè)計(jì)為非線性加法模型式（2）來進(jìn)行求解。

設(shè)fj（xj）的樣條擬合函數(shù)為fj（xj）（j=1，2，…，p），則有

4.2 結(jié)果分析

分析結(jié)果表明，輸出變量與輸入變量的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)三元二次方程，即預(yù)測(cè)模型為

式中：y為絕緣子的劣化百分?jǐn)?shù)值；x1為距離變量；x2為濕度變量；x3為紫外脈沖變量；L為常數(shù)。對(duì)線性回歸進(jìn)行方差分析，F(xiàn)值為60.6，其顯著水平為0.000 07（p＜0.005），表明存在真實(shí)的非線性回歸方程，反映輸入變量與輸出變量之間的關(guān)系。

為評(píng)價(jià)回歸模型的可靠性，對(duì)關(guān)系式進(jìn)行方差分析與回歸系數(shù)檢驗(yàn)。表3為該三元二次方程的回歸系數(shù)檢驗(yàn)表。通過表3可得到絕緣子劣化程度與各變量的擬合關(guān)系。

由T值和顯著性檢驗(yàn)可知，此模型的擬合優(yōu)度比較高，擬合效果良好。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該擬合關(guān)系式的可靠性，選取對(duì)照組中的正常、低值、零值絕緣子各10例進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果代入關(guān)系式進(jìn)行劣化程度評(píng)價(jià)，輸出結(jié)果為劣化程度的百分?jǐn)?shù)，部分測(cè)試樣本和計(jì)算結(jié)果見表4。從劣化程度檢測(cè)結(jié)果上看，運(yùn)用該方法評(píng)估的絕緣子劣化等級(jí)與實(shí)際劣化等級(jí)基本一致，能夠作為絕緣子在線監(jiān)測(cè)的有效判據(jù)。

表3 三元二次方程的回歸系數(shù)檢驗(yàn)表Tab.3 Regression coefficient test table of ternary quadratic equation

表4 對(duì)照組絕緣子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Tab.4 Experiment on control group insulators

5 結(jié)論

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)絕緣子紫外脈沖的方法對(duì)其劣化程度進(jìn)行判斷，并制作了基于“日盲”紫外脈沖檢測(cè)的變電站絕緣子劣化程度在線監(jiān)測(cè)裝置。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以距離、紫外脈沖數(shù)、環(huán)境濕度為變量，以百分?jǐn)?shù)形式定量分析了絕緣子的劣化程度，運(yùn)用非線性回歸分析建立了劣化程度與以上變量的數(shù)學(xué)關(guān)系式。對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效在線定量判斷某一型號(hào)的變電站絕緣子劣化程度。由于不同型號(hào)的絕緣子存在材料與介電性能的差異，下一步的工作就是進(jìn)行大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步總結(jié)各特征量與劣化程度的相關(guān)關(guān)系，使該系統(tǒng)能分辨不同材料、不同信號(hào)的絕緣子的劣化程度，為絕緣子故障在線預(yù)警給出有效判據(jù)。

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Research on Faulty Insulators in Transformer Substation Detection Based on UV-C Pulse

CHENG Jiangzhou1，2，WANG Zhuoyuan1，HUANG Jingguang1，LI Xiaomin1，F(xiàn)ANG Xuan1，NIE Deyu1
（1.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorge University，Yichang 443002，Hubei，China;2.Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation&Control，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

Due to environmental factors，the performance of insulators under outdoor conditions deteriorates，and when the deterioration reaches to a certain point，the insulation performance will be degraded and then the operation status of insulators should be checked.In this paper，we design a faulty detecting device based on"Solar Blind"UV pulse detection for transformer substation insulators and put forward a multivariate nonlinear regression analysis method to find the mathematical expression between degree of faulty insulators and distance，UV pulse and environment humidity.Through establishment of the test model for faulty insulators，we rank the level of faulty insulators in the form of a percentage，which makes the test result clear and direct.Experiment results show that this mathematical expression can be a criterion for judgment of faulty insulators.The result can provide research methods and ideas for real-time condition monitoring of the transformer substation insulators.

transformer substation;insulator;deterioration degree;on-line monitoring;UV pulse;regression analysis

戶外工況下的絕緣子由于環(huán)境因素的作用導(dǎo)致性能劣化，當(dāng)劣化到一定程度時(shí)，絕緣性能就會(huì)降低，需要對(duì)絕緣子的運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)。設(shè)計(jì)一種基于“日盲”紫外脈沖檢測(cè)的變電站絕緣子劣化程度遠(yuǎn)距離檢測(cè)裝置，并提出運(yùn)用非線性回歸方法尋找絕緣子劣化程度與距離、紫外脈沖數(shù)、環(huán)境濕度間的關(guān)系式，將絕緣子劣化程度以百分?jǐn)?shù)的形式表示并劃分等級(jí)，使得檢測(cè)結(jié)果清晰直觀。測(cè)試結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠判斷絕緣子的劣化程度，推導(dǎo)的劣化程度數(shù)學(xué)關(guān)系式能作為絕緣子劣化程度判斷的準(zhǔn)確依據(jù)。此研究結(jié)果可為在線評(píng)估變電站絕緣子劣化程度提供方法和思路。

變電站；絕緣子；劣化程度；在線監(jiān)測(cè)；紫外脈沖；回歸分析

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51477090）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477090）.

1674-3814（2017）09-0021-05

TM83

A

2017-03-07。

程江洲（1979—），男，副教授，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)和力電子技術(shù)方向的研究。

（編輯 馮露）