接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流特征研究

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(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

0 引言

隨著中國電氣化鐵路的迅猛發(fā)展，尤其是高速鐵路骨干網(wǎng)和主要區(qū)域網(wǎng)的建成運營，中國高速鐵路網(wǎng)運營里程已超過1.9萬公里,居世界第一位，如此規(guī)模龐大的高速鐵路網(wǎng)對牽引供電系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求，接觸網(wǎng)腕臂絕緣子污閃防治是提高牽引供電系統(tǒng)可靠性的重要措施，接觸網(wǎng)腕臂棒形絕緣子是電氣化鐵路特有的絕緣子形式，其積污規(guī)律復雜，由于中國特殊的氣象環(huán)境，近十年來，由于接觸網(wǎng)絕緣子污閃已頻繁造成供電中斷，破壞了高速旅客列車運行計劃，污閃甚至會引起牽引供電系統(tǒng)振蕩，造成更大面積停電，嚴重影響供電穩(wěn)定和設備的安全，破壞列車的運行秩序[1]。因此，研究如何防治接觸網(wǎng)腕臂絕緣子污閃意義重大。國內(nèi)外關于絕緣子污閃防治的研究主要集中在兩方面，即關于污閃機理的研究和關于絕緣子表面泄漏電流特征的研究。污閃機理與表面放電過程的研究將絕緣子表面局部放電又分為電暈放電、間歇性電弧放電和連續(xù)電弧放電，不同放電現(xiàn)象代表放電時絕緣子表面不同的絕緣狀態(tài)[2-3]。而絕緣子表面不同的放電現(xiàn)象與絕緣狀態(tài)會伴隨著不同的泄漏電流特征。國內(nèi)外針對絕緣子表面泄漏電流的分析方法通常有兩種，即時域分析法和頻域分析法。運行電壓下泄漏電流的最大峰值、超過設定幅值的泄漏電流脈沖計數(shù)、泄漏電流有效值、泄漏電流電荷量等是目前國內(nèi)外學者研究絕緣子表面泄漏電流過程中最廣泛使用的特征量[4-5]。頻域特征量分析泄漏電流的方法一般從頻率和能量的角度分析絕緣子污閃及污穢度與泄漏電流的關系，國內(nèi)外的研究主要包括快速傅里葉變化(FFT)法和功率譜分析方法，另外也有學者采用小波分析法研究了泄漏電流[5]。文獻[6]通過使用快速傅里葉變化(FFT)獲得絕緣子污閃過程不同階段泄漏電流的頻域特征；文獻[7]為了克服FFT分辨率不足的缺點，引入現(xiàn)代功率譜估計法來對不同階段泄漏電流的頻域特征進行分析，并提出了污閃預警的方法。日本學者T.Suda教授研究得出，當有強電弧產(chǎn)生泄漏電流時，泄漏電流波形基本對稱，50 Hz、150 Hz、250 Hz諧波分量所占比重較大，泄漏電流發(fā)展至閃絡可分為六個階段[8-12]。文獻[13]針對經(jīng)典功率譜頻率分辨率低，譜峰難以定位的缺點，利用現(xiàn)代功率譜對其進行了改進，采用高頻能量與總能量之比作為泄漏電流頻域特征量。上述國內(nèi)外文獻關于絕緣子泄漏電流特征的研究主要針對的是電力系統(tǒng)絕緣子，電壓等級和絕緣子型式均與電氣化鐵路絕緣子不同，無法反映電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面泄漏電流在污閃全過程中的時頻特征。本文以泄漏電流作為分析參量，以接觸網(wǎng)腕臂絕緣子作為試品進行了系統(tǒng)的試驗設計，嚴格的控制和改變試驗條件，在較短的時間內(nèi)獲得了大量的泄漏電流試驗數(shù)據(jù)，對泄漏電流進行了時域分析和頻域分析，得出了腕臂絕緣子在不同污穢度下的表面泄漏電流特征，為電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子表面泄漏電流監(jiān)測及污閃防治提供了理論依據(jù)。

1 腕臂絕緣子泄漏電流試驗設計

人工污穢試驗是人工模擬絕緣子的積污過程、受潮情況及作用電壓，測量絕緣子的泄漏電流。本論文中的試驗設計參考了GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗》標準中的部分規(guī)定。

1.1 試品

本文選取電氣化鐵路普遍使用的3種QB-25系列型號的絕緣子作為試驗樣品，包括QBJ-25/16電氣化鐵路接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子、QBG-25/16接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子、QBXJ-25/16接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子，試品絕緣子的主要參數(shù)見表1，外觀及尺寸見圖1。

表1 試品絕緣子主要參數(shù)Table 1 Parameters of test sample insulators

(a)QBJ-25/16接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子

(b)QBG-25/16接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子

(c)QBXJ-25/16接觸網(wǎng)棒形瓷絕緣子圖1 試品絕緣子外形尺寸圖Fig.1 Dimensional drawings for test sample insulators

1.2 試驗方法

1.2.1 染污方法

根據(jù)GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗》標準中規(guī)定的人工污穢試驗的染污方法，考慮試驗條件及試驗方法被廣泛采用的程度，本文選用固體涂層法作為污穢試驗絕緣子的染污方法。用NaCl模擬導電物質(zhì)，用硅藻土模擬不溶性物質(zhì)，染污方式采用定量涂刷法。

1.2.2 污穢配比

根據(jù)GB/T 16434《高壓架空線路和發(fā)電廠、變電所環(huán)境污區(qū)分級及外絕緣選擇標準》中的規(guī)定，在鹽密度范圍為0～0.35 mg/cm2之間，絕緣子污穢等級可劃分為0、I、II、III、IV個級別。考慮到電氣化鐵路接觸網(wǎng)用絕緣子比電力系統(tǒng)架空線路用絕緣子的應用環(huán)境更為惡劣，除受到自然環(huán)境與周圍工業(yè)的影響外，還有列車運行本身帶來的揚塵、金屬粉塵、煙霧等方面的影響，且試驗設計主要考慮研究接觸網(wǎng)絕緣子的臨閃特性，所以，污穢試驗選用的鹽密范圍主要為0.15～0.35 mg/cm2，該配比對應GB/T 16434中污穢等級的III、IV級，詳見表2。表中：ρESDD為鹽密度，ρNSDD代表用來進行污穢度配比的灰密度。

表2 試品污穢配比表Table 2 Contamination proportion for test sample insulators

1.2.3 電壓施加方式

GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗》標準中規(guī)定了的3種電壓施加方式，即恒定電壓法、突然加壓法和升壓法。恒定加壓法適合牽引供電系統(tǒng)的實際運行情況，突然加壓法僅與備用線路或新線路投入運行時的情況相近，升壓法不適合牽引供電系統(tǒng)的運行情況，只適用于各種研究性試驗和對比試驗。因此，本文試驗采用恒定電壓法，通過調(diào)壓器使試驗電壓快速升壓至27.5 kV并維持穩(wěn)定，然后用濕霧發(fā)生器使霧室起霧，逐漸濕潤固體污層，記錄霧室起霧到污層飽和直至絕緣子閃絡整個試驗過程的泄漏電流。

1.2.4 環(huán)境因素與試驗控制

本試驗未使用鹽霧，而是用純凈水通過人工濕霧發(fā)生器產(chǎn)生冷霧，通過控制濕霧發(fā)生器的加濕時間來調(diào)節(jié)試驗所需的濕度，使絕緣子涂層充分濕潤，模擬鹽霧環(huán)境中的絕緣子。該方法可以精確控制鹽密，在人工污穢試驗中更為常用。

在進行試驗時，先將染污的腕臂絕緣子試品懸掛于人工霧室的吊鉤上，然后采用恒定加壓法施加電壓，將試驗電壓迅速調(diào)至27.5 kV，待電壓穩(wěn)定后，使用人工濕霧發(fā)生器對霧室噴霧，使絕緣子受潮濕潤。加濕前使霧室密閉，然后打開濕霧發(fā)生器，加濕至相對濕度飽和后關閉濕霧發(fā)生器，完成每次試驗后均需打開霧室門窗及通風設備進行去濕，將霧室中的蒸汽全部排放干凈，使霧室內(nèi)濕度與室外濕度相同，試驗時，每串涂好污層的試品只使用一次，即閃絡或耐受后不再使用。試驗中如試品發(fā)生閃絡，則該次試驗結束；如不閃絡，則試驗持續(xù)至試品飽和受潮后30min(或起霧后45min)且泄漏電流明顯減小為止。每次試驗結束后，為霧室去濕后，再進行第2次試驗。每一污穢度下試驗重復3次。

2 接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流時域特性分析

2.1 泄漏電流有效值的3個特征量

(1)

(2)

Imax=max(I(i))

(3)

2.2 接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流有效值與污穢度量化分析

選擇附鹽密度分別為0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.25 mg/cm2、0.35 mg/cm24個污穢等級的接觸網(wǎng)系統(tǒng)常用的QBG-25/16棒形瓷絕緣子試驗數(shù)據(jù)，對不同附鹽密度下的試驗數(shù)據(jù)做泄漏電流有效值分布圖，見圖2(a)、2(b)、2(c)、2(d)。

圖2 不同鹽密下的泄漏電流有效值Fig.2 Leakage current effective value on the condition of different ESDD

在飽和濕度的條件下，4種不同污穢等級測得的泄漏電流有效值隨著腕臂絕緣子表面污穢度的加重而逐漸增大，且污穢越嚴重泄漏電流有效值中包含的尖峰越多，脈沖出現(xiàn)頻率也越高，污層表面的干帶形成與發(fā)展也越迅速。可見絕緣子泄漏電流幅值的增長，是預測絕緣子表面污穢程度的重要物理量。有效值均值、有效值的最大值、有效值相對于均值的標準偏差這3個有效值特征量與污穢度的量化關系經(jīng)統(tǒng)計計算后見圖3、圖4和圖5。

圖3 不同污穢度下的泄漏電流有效值均值Fig.3 Leakage current mean effective value on the condition of different ESDD

圖4 不同污穢度下的泄漏電流有效值最大值Fig.4 Leakage current maximum effective value on the condition of different ESDD

圖5 不同污穢度下的泄漏電流有效值標準差Fig.5 Standard deviation of leakage current effective value on the condition of different ESDD

3 接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流頻域特性分析

本節(jié)采用小波包和經(jīng)驗模態(tài)分解相結合的時頻分析方法分析了接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流試驗數(shù)據(jù)，采用Welch法對試驗數(shù)據(jù)進行了功率密度計算，最后對試驗數(shù)據(jù)進行了諧波分析，總結了接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流的頻域特性。

3.1 小波包和經(jīng)驗模態(tài)分解相結合的時頻分析方法

小波包分析的方法，可以實現(xiàn)分析任意頻段信號的時頻信號信息特征，而經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)方法又具有自適應濾波特性，所以結合兩者的優(yōu)良特性，本論文設計了小波包(wavelet packets，WP)和經(jīng)驗模態(tài)分解相結合的時頻分析算法，簡稱WP+EMD時頻分析算法，其基本流程如下：

1)將信號進行小波包分解，得到各頻段的小波包系數(shù)。

2)將各小波包系數(shù)進行回復變換，得到各系數(shù)的小波包回復信號。

3)對每一回復信號進行EMD分解，得到各本征模態(tài)分量(intrinsic mode function，IMF)。

4)將每一IMF分量做時頻變換，得到其時頻信息。

5)將各時頻信息疊加，得到信號的時頻信息。

該方法能夠更加精準的分析泄漏電流信號的時頻信息，更清晰直觀地發(fā)現(xiàn)泄漏電流的時頻特征。

3.2 腕臂絕緣子泄漏電流的時頻譜

泄漏電流波形見圖6，局部放大圖6中的信號見圖7。作為試驗樣品的腕臂絕緣子表面等值附鹽密度為0.25 mg/cm2，在相對濕度為飽和狀態(tài)時，開始采集試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)泄漏電流波形的特征，選取600～1 000 s之間這一段波形，觀察視頻錄像，這一時間段絕緣子表面出現(xiàn)了火花并很快發(fā)生燃弧，電阻增大，電流瞬間減小。針對局部超過500 mA的電流信號(832～833 s處)進行放大，采用3.1節(jié)中介紹的基于小波包的經(jīng)驗模態(tài)分解方法進行處理，見圖8。第一個信號為泄漏電流的原始信號，往下依次為分解之后的IMF分量(沿縱軸方向進行了平移)。

圖6 泄漏電流波形信號Fig.6 Signal waveform of leakage current

圖7 局部放大圖6中的信號Fig.7 Zoom in the sectional signal of the

(a)泄漏電流信號及其部分IMF分量

(b)泄漏電流信號剩余部分IMF分量圖8 泄漏電流信號及其IMF分量Fig.8 Leakage current signal waveform and IMF component

基于WP+EMD的時頻譜見圖9。觀察圖9時頻譜可見，經(jīng)過結合小波包和經(jīng)驗模態(tài)分解處理之后的泄漏電流信號包含50 Hz和150 Hz兩個主頻，能夠更加清晰的看出泄漏電流信號的時頻特性。

圖9 基于WP+EMD的時頻譜Fig.9 Time-frequency spectrum based on WP&EMD

采用Welch法進行功率密度計算，結構見圖10。

圖10 當ESDD=0.25 mg/cm2時的功率Fig.10 Power spectrum on condition of ESDD equals to 0.25 mg/cm2

通過小波包和經(jīng)驗模態(tài)分解相結合的時頻分析以及采用Welch法進行功率譜計算可見，接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流有兩個主頻，一個是50 Hz對應的基波，一個是150 Hz對應的諧波，另外還有少部分5次諧波。采用相同的方法分析附鹽密度分別為0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.35 mg/cm2的腕臂絕緣子所得結論與本節(jié)相同。

3.3 接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流諧波分析

根據(jù)3.2節(jié)泄漏電流的時頻譜分析，接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流有兩個主頻，一個是50 Hz對應的基波，一個是3次諧波，同時也含有少量的5次諧波等高次諧波成分。諧波的變化從頻域的角度反映了泄漏電流的特性，本節(jié)分析了腕臂絕緣子在0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.25 mg/cm2、0.35 mg/cm24種附鹽密度下的表面泄漏電流諧波含量及有效值。

當附鹽密度為0.05 mg/cm2時，泄漏電流的諧波分析見圖11。絕緣子處在安全區(qū)范圍，泄漏電流中的3次諧波含量和5次諧波含量非常小，經(jīng)計算，3次諧波含量為4.81%，5次諧波含量為2.56%。3次諧波的有效值很小。

圖11 ESDD=0.05 mg/cm2時泄漏電流的諧波分析Fig.11 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.05 mg/cm2

當附鹽密度為0.15 mg/cm2時，泄漏電流的諧波分析見圖12，可將該污穢度水平定義為第一預報區(qū)，即輕度污穢預警區(qū)，該污穢度水平下的腕臂絕緣子泄漏電流中的3次諧波含量為26.72%，5次諧波含量為5.65%，諧波含量顯著上升；3次諧波的有效值在0～100 mA之間波動。

圖12 ESDD=0.15 mg/cm2時泄漏電流的諧波分析Fig.12 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.15 mg/cm2

當附鹽密度為0.25 mg/cm2時，泄漏電流諧波分析見圖13?？蓪⒃撐鄯x度水平定義為第二預報區(qū)，即重度污穢預警區(qū)，該污穢度水平下的腕臂絕緣子泄漏電流中的3次諧波含量為30.06%，5次諧波含量為5.14%，相比附鹽密度為0.15 mg/cm2的污穢度水平，連續(xù)監(jiān)測的諧波含量仍然呈上升趨勢；3次諧波的有效值在0～200 mA之間波動。

圖13 ESDD=0.25 mg/cm2時泄漏電流諧波分析Fig.13 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.25 mg/cm2

當附鹽密度為0.35 mg/cm2時，泄漏電流的諧波分析見圖14?？蓪⒃撐鄯x度水平定義為危險區(qū)，即臨近閃絡預警區(qū)，該污穢度水平下的腕臂絕緣子泄漏電流中的3次諧波含量為25.12%，5次諧波的含量為3.76%，相比附鹽密度為0.25 mg/cm2和0.15 mg/cm2的污穢度水平，連續(xù)監(jiān)測的諧波含量出現(xiàn)下降趨勢。3次諧波的有效值在0～200 mA之間波動。

圖14 ESDD=0.35 mg/cm2時泄漏電流的諧波分析Fig.14 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.35 mg/cm2

基波與主要諧波百分含量見圖15。

泄漏電流諧波含量的變化規(guī)律與泄漏電流的時域特征量的變化規(guī)律相似，即在近似濕度飽和的環(huán)境條件下，當檢測到接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流諧波有效值在日益逐漸增大時，說明絕緣子表面污穢度在逐漸增大，此時應同時伴有泄漏電流諧波含量的逐漸增大。在電氣化鐵路接觸網(wǎng)腕臂絕緣子泄漏電流實時監(jiān)測過程中，如果監(jiān)測到絕緣子泄漏電流諧波有效值、諧波含量逐漸增大，但諧波含量增大到30%以上后出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，則說明該絕緣子以及該絕緣子所在區(qū)域的其他同類絕緣子已處于臨閃絡的高危險狀態(tài)，需及時安排天窗時間清洗。在接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面污穢度處于臨近閃絡的危險狀態(tài)時，連續(xù)監(jiān)測的泄漏電流諧波含量將會出現(xiàn)下降，這一特征在接觸網(wǎng)腕臂絕緣子污閃防治預警機制中具有重要的應用價值。

圖15 基波與主要諧波百分含量Fig.15 Percentage composition for fundamental wave and harmonic wave

4 結論

以QB-25系列接觸網(wǎng)腕臂絕緣子作為試品進行了人工污穢試驗設計，系統(tǒng)地采集了絕緣子不同表面污穢度下的泄漏電流試驗數(shù)據(jù)，從時域分析和頻域分析研究了絕緣子表面泄漏電流特性，為電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子表面泄漏電流監(jiān)測及污閃防治提供了理論依據(jù)。通過試驗和數(shù)據(jù)分析，主要結論如下：

1)接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面泄漏電流有效值均值、有效值最大值、有效值標準差的波動反映了絕緣子表面的污穢度狀況，且污穢度越大3個特征量數(shù)值越大。其中，泄漏電流有效值最大值的波動能夠最顯著地反映接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面污穢度，因此是對腕臂絕緣子表面污穢度預測結果影響權重最大的變量，其次是泄漏電流有效值標準差、有效值均值。

2)接觸網(wǎng)腕臂絕緣子表面泄漏電流諧波含量和諧波有效值的變化規(guī)律與泄漏電流的時域特征量的變化規(guī)律相似，即在近似飽和濕度的環(huán)境下，腕臂絕緣子泄漏電流諧波有效值、諧波含量變大，說明絕緣子表面污穢度在增加，隨著絕緣子表面污穢度的增大，絕緣子將逐漸接近臨近閃絡的危險狀態(tài)，臨近閃絡的狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測得到的泄漏電流諧波含量將會出現(xiàn)下降，這一特征在接觸網(wǎng)腕臂絕緣子污閃防治預警機制中具有重要的應用價值。