基于遠(yuǎn)程耦合法的絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)及局部放電識(shí)別

項(xiàng)恩新，王科

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

0前言

初期泄漏電流主要是容性正弦電流，當(dāng)污穢層濕潤之后，泄漏電流的幅值上升、負(fù)載阻性也上升[1-2]。泄漏電流的存在會(huì)蒸發(fā)掉濕潤污穢層中的水分，從而在電纜終端絕緣子表面形成干帶，此時(shí)絕緣子表面的溫度也會(huì)有輕微的上升[4]。當(dāng)干帶形成時(shí)，泄漏電流波形開始變?yōu)榉钦倚蚚5]。由于干帶承受了絕緣子上的電壓，因此容易發(fā)生放電，此時(shí)放電電流疊加在原先的正弦泄漏電流上時(shí)就產(chǎn)生了非正弦波，并產(chǎn)生高頻電流尖峰。干帶放電的加劇最終將導(dǎo)致閃絡(luò)，因此監(jiān)測(cè)干帶放電的出現(xiàn)可用于電纜終端絕緣子閃絡(luò)預(yù)警[6]。

本文的主要工作是提出了一種通過遠(yuǎn)程檢測(cè)泄漏電流來偵測(cè)干帶放電的方法，通過簡單的信號(hào)處理之后對(duì)電纜終端絕緣子的狀態(tài)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。首先本文利用螺線圈作為探測(cè)泄漏電流的傳感器進(jìn)行了泄漏電流初步測(cè)量以研究螺線圈探測(cè)的可行性。之后本文在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室，利用遠(yuǎn)程測(cè)量和直接測(cè)量的方式測(cè)量了電纜終端絕緣子泄漏電流。遠(yuǎn)程耦合得到的測(cè)量信號(hào)通過時(shí)域峰態(tài)分析進(jìn)行研究。通過將遠(yuǎn)程耦合測(cè)得的結(jié)果與直接檢測(cè)得到的結(jié)果進(jìn)行比較，本文驗(yàn)證了遠(yuǎn)程耦合檢測(cè)泄漏電流和偵測(cè)絕緣子放電狀態(tài)的有效性。

1泄漏電流傳感器模型

1.1遠(yuǎn)程耦合傳感器

泄漏電流遠(yuǎn)程耦合傳感器的基本原理是捕捉泄漏電流釋放額電磁場(chǎng)[7]。螺線圈纏繞在鐵氧永磁體上，螺線圈平面與磁場(chǎng)方向垂直，并在線圈的兩端感應(yīng)出電壓。線圈匝數(shù)為50匝，長度為80mm，直徑為8mm。

如果泄漏路徑的長度為d；絕緣子到線圈距離為l；傳感器匝數(shù)為N，線圈截面積為A，泄漏電流峰值為I，從而傳感器的感應(yīng)電壓ε為：

1.2信號(hào)偵測(cè)方法

信號(hào)分析主要是基于分開偵測(cè)泄漏電流的三個(gè)分量：正弦分量、非正弦分量、放電。在直接檢測(cè)泄漏電流時(shí)分量識(shí)別主要是基于時(shí)域信號(hào)的觀測(cè)。而遠(yuǎn)程耦合信號(hào)的偵測(cè)識(shí)別則是基于魯棒性信號(hào)處理技術(shù)。

泄漏電流的偵測(cè)技術(shù)應(yīng)當(dāng)具有普適性，能適用于各式各樣的樣品；計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)足夠簡單從而能應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)行分類時(shí)應(yīng)當(dāng)只在一個(gè)“短”窗口進(jìn)行觀察。

圖1泄漏電流試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

初步測(cè)量結(jié)果表明遠(yuǎn)程測(cè)量得到的泄漏電流時(shí)域結(jié)果包含著典型信號(hào)噪聲：正弦泄漏電流中包含著高頻尖峰。即使信號(hào)波形出現(xiàn)了些許畸變，非正弦分量信號(hào)的直接檢測(cè)結(jié)果中，也沒有包含有另外兩種信號(hào)的時(shí)域特征的信號(hào)分量。

從時(shí)域波形的角度來分析，三種泄漏電流波形具有可見差異，因此可以據(jù)此對(duì)三種泄漏電流波形分別命名，從而可以針對(duì)信號(hào)進(jìn)行深入的時(shí)域分析。在時(shí)域圖像中，可以直接觀察到泄漏電流波形上的尖峰以及振幅的水平偏差，本文通過從時(shí)域波形中提取代表不同振幅水平的直方圖進(jìn)行進(jìn)一步分析。不同電壓等級(jí)下，所得的信號(hào)直方圖具有明顯差異，這種差異與絕緣子不同的放電狀態(tài)可以一一對(duì)應(yīng)。

信號(hào)直方圖的變化與不同泄漏電流信號(hào)幅值的變化相關(guān)，當(dāng)絕緣子出現(xiàn)放電時(shí)直方圖將出現(xiàn)較高振幅的尖峰，與其他信號(hào)差距明顯。當(dāng)進(jìn)行遠(yuǎn)程泄漏電流測(cè)量時(shí)，也出現(xiàn)了有噪聲造成的零星尖峰，這使得直方圖的分布更為分散，同時(shí)低振幅水平的存在凸出了直方圖的中間部分，使其呈現(xiàn)“尖”的外觀，從而打破了直方圖的高斯分布特征，使其形狀更為非-高斯化。當(dāng)出現(xiàn)放電行為時(shí)，遠(yuǎn)程測(cè)量得到的直方圖就會(huì)出現(xiàn)波峰、波谷形狀。就正弦相來說，其波峰幅值較大，震蕩較為規(guī)律，從而波形分布的分散性較小，與放電時(shí)的分布相比其高斯形態(tài)更為明顯。非正弦相的直方圖分布介于正弦和放電之間，具有點(diǎn)狀放電波形、波形同時(shí)具有較高振幅和較低振幅區(qū)域。分析直方圖的形態(tài)是一種較為穩(wěn)健的分析方法，因?yàn)樵谶h(yuǎn)程耦合信號(hào)的分析過程中不管絕對(duì)信號(hào)幅值如何，對(duì)應(yīng)直方圖形態(tài)都是不變的，相比于時(shí)域信號(hào)閾值分析技術(shù)直方圖分析更為可靠。采用信號(hào)分布直方圖可以避免信號(hào)幅值的影響，從而使得直方圖分析受到廣泛應(yīng)用，也可以應(yīng)用于絕緣子狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

對(duì)直方圖分布進(jìn)行分類是可以采用直方圖“相對(duì)點(diǎn)”對(duì)其進(jìn)行量化，評(píng)估直方圖的“平坦度”或者“點(diǎn)程度”則可以使用“峰度”參數(shù)作為量化參數(shù)來描述直方圖的非高斯性。峰度計(jì)算方法如下所示：

其 中Xi,i=1,2,…,n是測(cè)量的次 數(shù)，

按如上定義，當(dāng)分布直方圖為正態(tài)分布時(shí)峰度將等于3，當(dāng)分布直方圖比正態(tài)分布更為平坦時(shí)峰度將比3低；當(dāng)分布直方圖比正態(tài)分布更瘦更高時(shí)峰度將大于3，同時(shí)分布圖尖峰凸出越明顯峰度值越大。當(dāng)峰度值較高時(shí)將會(huì)打破原高斯分布，造成超高斯分布。當(dāng)正弦信號(hào)被噪聲信號(hào)覆蓋時(shí)，其分布圖接近于低峰度條件下的高斯分布，此時(shí)一旦發(fā)生閃絡(luò)事故，原信號(hào)分布圖將會(huì)出現(xiàn)較大峰度，是的分布變?yōu)槌咚狗植肌Ｒ虼吮疚氖褂梅宥茸鳛楹饬亢蛥^(qū)分不同泄漏電流的特征參數(shù)。

通過觀察分布圖形即可計(jì)算峰度，同時(shí)利用峰度參數(shù)只需要處理單一標(biāo)量數(shù)值，比使用矢量參數(shù)方便許多，從而在泄漏電流分類時(shí)可以直接進(jìn)行分類而避免其他更加復(fù)雜的步驟。

2測(cè)量方法比較研究

2.1直接測(cè)量與遠(yuǎn)程測(cè)量比較

如圖2所示是正弦、非正弦、放電三種狀態(tài)下泄漏電流的直接、遠(yuǎn)程測(cè)量的結(jié)果比較。這三種泄漏電流取自一直施加了標(biāo)稱電壓50%、100%、200%的10 kV 陶瓷絕緣子，并在此三種電壓等級(jí)下觀察三種泄漏電流波形。圖中標(biāo)出了遠(yuǎn)程測(cè)量信號(hào)直方圖以及對(duì)應(yīng)的峰度參數(shù)k。由圖中波形可以看出直接測(cè)量法得到的泄漏電流模式與遠(yuǎn)程測(cè)量得到的泄漏電流模式相關(guān)性好。

圖2遠(yuǎn)程耦合法與直接測(cè)量法的泄漏電流模式識(shí)別比較

例如如圖2所示當(dāng)泄漏電流為正弦型時(shí)，遠(yuǎn)程測(cè)量得到的泄漏電流信號(hào)淹沒在時(shí)域信號(hào)的噪聲內(nèi)。當(dāng)泄漏電流發(fā)生畸變并且波形中包含有放電痕跡時(shí)，遠(yuǎn)程耦合法測(cè)得的波形中泄漏電流波形將會(huì)從噪聲中凸顯出來，如圖2c所示。除了非正弦放電情況下出現(xiàn)的放電尖峰以外，前向諧波的形變也會(huì)導(dǎo)致噪聲波形上出現(xiàn)的紋波，如圖2b所示。如圖2a 至圖2c所示，高斯分布圖形逐漸由集中向零星分布轉(zhuǎn)變，其k值也由正弦電壓向放電狀態(tài)逐漸增加。其中不同類型絕緣子的泄漏電流波形變化特性都較為相似，因此可以使用遠(yuǎn)程泄漏電流測(cè)量法來監(jiān)測(cè)絕緣子表面的放電活動(dòng)。

2.2遠(yuǎn)程測(cè)量傳感器位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

為了選取遠(yuǎn)程傳感器最適宜的放置位置本文進(jìn)行了傳感器放置位置的試驗(yàn)，考慮到絕緣子安裝方式以及緊固金具（球帽、球頭）和絕緣子上泄漏電流的流向，將傳感器放置在與絕緣子平行的位置進(jìn)行測(cè)試。由于絕緣子幾何結(jié)構(gòu)呈軸對(duì)稱，因此在以一個(gè)常數(shù)為半徑的范圍內(nèi)傳感器可以放置在任意位置。測(cè)試時(shí)以絕緣子為中心，傳感器放置位置依次距離絕緣子0.5 m 至2.5 m，并且在每種試驗(yàn)電壓下測(cè)量潮濕清潔條件下的泄漏電流。試驗(yàn)結(jié)果與公式1所示的計(jì)算結(jié)果相同，探測(cè)信號(hào)的幅值僅僅與距離相關(guān)，當(dāng)傳感器與絕緣子相距2.5 m 時(shí)，其信號(hào)幅值比相距0.5 m 時(shí)大8倍，考慮到信號(hào)幅值以及絕緣子可能發(fā)生的不同放電狀態(tài)，將傳感器安裝在距離絕緣子1米的位置處。實(shí)際工程中傳感器的安裝位置需要考慮桿塔的幾何形狀以及線圈的設(shè)計(jì)方式。

2.3傳感器附近干擾電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

由于遠(yuǎn)程測(cè)量泄漏電流的方式是基于泄漏電流的電磁感應(yīng)探測(cè)，因此絕緣子表面其他電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)同樣會(huì)被傳感器探測(cè)并影響測(cè)量結(jié)果，因此需要研究絕緣子表面其他電流對(duì)泄漏電流測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)。實(shí)際中絕緣子表面主要存在兩種電流源：工頻電流、電暈放電電流。為了量化上述兩種電流源的貢獻(xiàn)，本文在以下幾種情況中測(cè)量了10 kV 玻璃絕緣子的泄漏電流：（1）傳感器附近無任何干擾電流源；（2）在傳感器1米處放置通400 A 電流的導(dǎo)線作為線電流源；（3）在距離傳感器1米的位置放置長度為1 cm，面積為10 cm*10 cm 的電暈平板，平板上安裝有100根電暈針，平板加壓與絕緣子加壓相同，共用一套電源。

如圖3所示是使用直接測(cè)量、遠(yuǎn)程耦合測(cè)量得到的三種情況下的泄漏電流波形，其中當(dāng)加壓為標(biāo)稱電壓50%且泄漏電流模式為正弦型時(shí)，直接測(cè)量得到的泄漏電流波形與附近干擾電流源無關(guān)，這種現(xiàn)象在上述三種情況中都有體現(xiàn)。

圖3附近干擾電流對(duì)泄漏電流測(cè)量結(jié)果的影響

三種不同情況下的測(cè)量中測(cè)量結(jié)果存在些許較小差異，但分布直方圖和峰度值并沒有受到外部電流源的影響。其他泄漏電流模式下也觀察到了相似的現(xiàn)象。因此，即使存在導(dǎo)線電流和電暈放電的影響，泄漏電流的探測(cè)也可以正常進(jìn)行。

3泄漏電流測(cè)量試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)絕緣子

試驗(yàn)使用的6支絕緣子，如表1所示是這6支絕緣子的參數(shù)。

表1試驗(yàn)絕緣子參數(shù)

3.2試驗(yàn)環(huán)境條件

3.2.1絕緣子清潔霧試驗(yàn)

清潔霧由空氣壓縮機(jī)對(duì)清潔水加以720 kPa壓力，搭配噴頭實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子噴霧。典型霧的粒徑為0.5 mm3，霧流量為0.5 dm3/m in。噴槍以90度背離傳感器以避免有噴淋對(duì)傳感器帶來的任何損壞，五支絕緣子在50%、100%、150%、200%、250%、300%標(biāo)稱運(yùn)行電壓下對(duì)絕緣子加壓。

3.2.2絕緣子鹽霧試驗(yàn)

制備鹽水用于絕緣子噴霧試驗(yàn)，鹽水濃度分別為10 g/L 和40 g/L，用以表征染污程度的輕和重。噴灑鹽水之后在50%、100%、150%、200%、250%、300%幾種標(biāo)稱電壓加壓下測(cè)試五支不同絕緣子。

3.2.3運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子的清潔霧試驗(yàn)

本文在實(shí)驗(yàn)艙中（長1.2 米、寬1.3 米、高1.9米）進(jìn)行染污絕緣子的清潔霧試驗(yàn)，水蒸氣有加熱水至93攝氏度進(jìn)行制備，高壓通過套管引入實(shí)驗(yàn)艙。試驗(yàn)過程中保持相對(duì)濕度為95%。五支現(xiàn)場(chǎng)積污的絕緣子加以50%、100%、150%、200%、250%、300%幾種標(biāo)稱電壓，并記錄直接測(cè)量和遠(yuǎn)程耦合測(cè)量得到的泄漏電流信號(hào)。

4結(jié)果與討論

4.1基于峰度值的泄漏電流模式判別

本文計(jì)算了五支現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子以及五支實(shí)驗(yàn)室染污絕緣子的峰度值k，計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示，泄漏電流模式則根據(jù)直接檢測(cè)法測(cè)得以及由遠(yuǎn)程信號(hào)耦合計(jì)算得到的峰度值k共同進(jìn)行識(shí)別。如圖5所示是五支現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子在不同施加電壓下的峰度值以及模式識(shí)別結(jié)果。如圖5所示是實(shí)驗(yàn)室染污絕緣子的結(jié)果。

圖4直接測(cè)量法測(cè)量不同電壓下五支現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子（#6～#10）的峰度值變化

圖5直接測(cè)量法得到的不同電壓下實(shí)驗(yàn)室積污絕緣子泄漏電流典型峰度值

由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子泄漏電流識(shí)別結(jié)果中，模式1的峰度值介于3～5之間，模式2峰度值介于8～12之間，模式3峰度值介于30～35之間。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室染污絕緣子，模式1峰度值介于2～4之間，模式2峰度值介于7～10之間，模式3峰度值介于15～18之間。

由圖中可以清晰的看出現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子和實(shí)驗(yàn)室積染污絕緣子的三種模式峰度值k 計(jì)算和識(shí)別結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相同。正弦泄漏電流模式下峰度值k 小于5，與觀測(cè)結(jié)果一致，k 值趨近于3表明分布圖接近于高斯分布，與泄漏電流時(shí)域信號(hào)測(cè)量中信號(hào)被噪聲掩蓋時(shí)較為趨近于高斯分布相對(duì)應(yīng)。由于信號(hào)非線性以及信號(hào)采集誤差的存在，部分情況下峰度值也會(huì)達(dá)到5。當(dāng)存在有放電時(shí)泄漏電流峰度值明顯高于12，非正弦泄漏電流的峰度值則介于5至12之間，此時(shí)較高的k 值是由非正弦和放電兩種狀態(tài)下的諧波脈沖和放電活動(dòng)構(gòu)成的。放電活動(dòng)打破了分布圖的正態(tài)分布鐘型，與實(shí)際物理現(xiàn)象吻合。因此可以得出結(jié)論：k 值可用于三種泄漏電流的識(shí)別和測(cè)量。

4.2泄漏電流模式識(shí)別

如表2所示是通過直接測(cè)量和遠(yuǎn)程耦合測(cè)量得到的泄漏電流模式識(shí)別結(jié)果，該結(jié)果對(duì)應(yīng)標(biāo)稱加壓為50%、100%、150%和200%四種加壓下的結(jié)果比較。在清潔絕緣子的20個(gè)識(shí)別案例中，準(zhǔn)確識(shí)別18次；在較低實(shí)驗(yàn)室染污級(jí)別下，遠(yuǎn)程耦合法準(zhǔn)確識(shí)別19次；在高染污程度下，遠(yuǎn)程耦合法準(zhǔn)確識(shí)別17次。實(shí)驗(yàn)室染污絕緣子的識(shí)別準(zhǔn)確率總計(jì)為90%?，F(xiàn)場(chǎng)染污絕緣子的識(shí)別結(jié)果顯示遠(yuǎn)程耦合法的識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)100%。

表2泄漏電流模式識(shí)別

4.3絕緣子材料對(duì)泄漏電流模式識(shí)別的影響

如圖6所示是五支實(shí)驗(yàn)室染污絕緣子的泄漏電流直接測(cè)量結(jié)果（輕染污級(jí)別）以及一支現(xiàn)場(chǎng)染污絕緣子測(cè)量結(jié)果。加壓為標(biāo)稱電壓200%時(shí)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)染污絕緣子，雖然爬距更高，但陶瓷和玻璃兩種材質(zhì)的絕緣子（#4和#5）泄漏電流等級(jí)比硅橡膠絕緣子大。研究發(fā)現(xiàn)暴露在較高場(chǎng)強(qiáng)（最短爬距）的#1號(hào)絕緣子的泄漏電流等級(jí)反而最低（0.05 m A）。硅橡膠絕緣子泄漏電流較低是因?yàn)楣柘鹉z具有較高防污性能?？傮w來說五支絕緣子雖然傘型、材料都有所不同但它們的泄漏電流模式都較為相似。其中現(xiàn)場(chǎng)積污絕緣子的泄漏電流比實(shí)驗(yàn)室積污絕緣子更高，而較高的k 值表明其處于非正弦放電狀態(tài)。

4.4絕緣子污穢等級(jí)對(duì)泄漏電流模式識(shí)別的影響

如圖7所示是玻璃絕緣子（#4號(hào)絕緣子）分別在清潔霧、低電導(dǎo)率鹽霧和高電導(dǎo)率鹽霧噴淋條件下的試驗(yàn)結(jié)果，加壓為10 kV 標(biāo)稱電壓的300%。

圖6絕緣子泄漏電流測(cè)量(a)#1(b)#2(c)#3(d)#4(e)#5在輕污穢度下(f)標(biāo)稱電壓200%加壓

當(dāng)清潔絕緣子噴淋清潔霧時(shí)，泄漏電流波形為正弦型，噴淋不同鹽污等級(jí)的鹽霧后發(fā)現(xiàn)泄漏電流隨鹽污等級(jí)的上升而上升，由于電導(dǎo)率的上升，泄漏電流由1.5 m A 上升至5 m A。在加壓為300%時(shí)兩種鹽污等級(jí)下都出現(xiàn)了放電現(xiàn)象，隨著鹽污等級(jí)的上升泄漏電流的幅值同樣上升。

與遠(yuǎn)程耦合法測(cè)得的電流相比，清潔、低污穢度、高污穢度三種條件下的峰度值分別為3、12、22。這種變化規(guī)律同樣與直接測(cè)量法測(cè)得的結(jié)果相符合，分布直方圖同樣顯示了類似趨勢(shì)，其中k 值較低時(shí)分布圖更接近于鐘型。

4.5電壓等級(jí)對(duì)泄漏電流模式識(shí)別的影響

如圖8所示是#1號(hào)絕緣子在低電導(dǎo)率鹽霧等級(jí)下加標(biāo)稱電壓100%和300%時(shí)的結(jié)果示意圖。由圖中結(jié)果可以看出標(biāo)稱加壓從100%上升至300%時(shí)泄漏電流等級(jí)從0.2 m A 上升至5m A。當(dāng)加壓級(jí)別為100%和200%時(shí)，k 值為3，當(dāng)加壓為300%時(shí)k 值上升至9.281。

圖8#1號(hào)絕緣子在較輕污穢度下不同加壓時(shí)的泄漏電流測(cè)量值(a)100%(b)200%(c)300%

5結(jié)束語

沿污穢絕緣子流動(dòng)的泄漏電流一開始是正弦型，之后由于干帶的出現(xiàn)畸變?yōu)榉钦也ㄐ?，干帶電弧的出現(xiàn)會(huì)反映在泄漏電流波形上，因此泄漏電流可以用正弦型、非正弦型、放電活動(dòng)三種泄漏電流的模式識(shí)別。

研究發(fā)現(xiàn)不同材料、不同傘形的電纜終端絕緣子具有相似的泄漏電流波形，泄漏電流隨著電壓等級(jí)、鹽污等級(jí)的上升而上升，正弦、非正弦、放電三種狀態(tài)下波形也隨之發(fā)生改變。同時(shí)峰度值也隨之改變。

研究發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程耦合測(cè)得的泄漏電流模式與直接測(cè)量法測(cè)得的相似。當(dāng)出現(xiàn)放電活動(dòng)時(shí)測(cè)得的波形上都有直接的反應(yīng)。

根據(jù)泄漏電流直方圖的峰度值可以將泄漏電流分為三類：（1）正弦放電狀態(tài)下峰度值低于5；（2）放電時(shí)峰度值高于12；（3）非正弦狀態(tài)下峰度值介于5至12之間。實(shí)驗(yàn)室染污和現(xiàn)場(chǎng)染污絕緣子之間峰度值有明顯差異。識(shí)別結(jié)果顯示遠(yuǎn)程耦合法的識(shí)別準(zhǔn)確率為實(shí)驗(yàn)室條件下90%、現(xiàn)場(chǎng)積污條件下100%。

遠(yuǎn)程耦合法測(cè)得的泄漏電流分布峰度值可用于識(shí)別閃絡(luò)之前的染污絕緣子放電狀態(tài)，同時(shí)峰度值不受傳感器附近電暈放電和工頻電流的影響。