高壓輸電線路絕緣子在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

屠凱樂

摘??要：在各類高新技術(shù)快速發(fā)展的形勢下，社會對電力能源的需求也隨之增大，有效推動了電力工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。在近些年的發(fā)展中，無論是系統(tǒng)裝機(jī)容量還是輸電線路的電壓等級均有所提升，這同時也對電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全提出了更高的要求。而目前來看，因空氣污染問題較為嚴(yán)重，輸電線路經(jīng)常發(fā)生絕緣子污閃事故，此類問題很可能造成大面積停電事故，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性帶來較大威脅，常規(guī)的污穢處理手段很難使絕緣子始終保持良好絕緣運(yùn)行狀態(tài)。因此，圍繞高壓輸電線路絕緣子的在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路??絕緣子??在線監(jiān)測技術(shù)??電壓等級

中圖分類號：TM62

Analysis?of?Key?Technologies?for?the?Online?Monitoring?of?Insulators?in?High-Voltage?Transmission?Lines

TU?Kaile

Nari?Electric?Power?Design?Co.，?Ltd.，?Nanjing，?Jiangsu?Province，?211100?China

Abstract：?With?the?rapid?development?of?various?high-tech?technologies，?the?demand?for?electric?energy?in?society?has?also?increased，?which?effectively?promotes?the?development?process?of?the?power?industry.?In?the?development?of?recent?years，?both?the?installed?capacity?of?the?system?and?the?voltage?level?of?transmission?lines?have?been?improved，?which?also?puts?forward?higher?requirements?for?the?operation?safety?of?the?power?system.?Currently，?due?to?severe?air?pollution?issues，?the?pollution?flashover?accidents?of?insulators?often?occur?in?transmission?lines，?which?are?likely?to?cause?large-scale?power?outages?and?bring?significant?threats?to?the?operational?reliability?of?the?power?system，?and?it?is?difficult?for?conventional?dirt?treatment?methods?to?maintain?the?good?insulation?operation?of?insulators?from?beginning?to?end.?Therefore，?this?paper?focuses?on?key?technologies?for?the?online?monitoring?of?insulators?in?high-voltage?transmission?lines.

Key?Words：?High-voltage?transmission?line;?Insulator;?Online?monitoring?technology;?Voltage?level

我國工業(yè)事業(yè)的高速發(fā)展，同時也帶來了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。由于近些年的空氣污染現(xiàn)象逐步加劇，使得高壓輸電線路的絕緣子污閃事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。現(xiàn)階段，電力部門通常是采取定期清掃和強(qiáng)化外絕緣水平等措施來降低事故發(fā)生率。此種處理手段雖然能夠起到一定的事故控制作用，但難以實(shí)時了解絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。因此，相關(guān)技術(shù)人員提出利用在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)時動態(tài)了解絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，以此降低事故影響，該項(xiàng)研究的推進(jìn)對于提升電網(wǎng)運(yùn)行安全具有重要意義[1]。

1??輸電線路絕緣子污閃的危害及形成原理

1.1?絕緣子污閃事故的危害

高壓輸電線路絕緣子是確保其能夠在內(nèi)部過電壓和大氣過電壓的影響下也可穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，一旦絕緣子自身的絕緣能力不足，便會對輸電線路的運(yùn)行質(zhì)量造成影響?，F(xiàn)階段來看，絕緣子污閃事故較為常發(fā)，主要是由于絕緣子表面沉積了大量液態(tài)、固態(tài)污染物，當(dāng)遇到惡劣氣象條件時，很可能由于污染物和惡劣氣候的同時作用，致使絕緣子的電氣強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致輸電線路乃至變電站的外絕緣可能在過電壓作用下發(fā)生閃絡(luò)事故，同時會由于長期運(yùn)行電壓產(chǎn)生污穢閃絡(luò)，引發(fā)大范圍停電問題。在近幾年，由于空氣污染問題加劇，輸電電壓升高，絕緣子污閃事故頻繁發(fā)生，為電力行業(yè)帶來了大量的經(jīng)濟(jì)損失。同時，部分污染事故很可能輻射多條輸電線路或者多個變電站，造成大面積停電問題，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全[2]。

1.2??絕緣子污閃形成原理

針對絕緣子污染的形成原理還未形成統(tǒng)一的體系，可以明確的是，絕緣子閃絡(luò)現(xiàn)象不是單純的空氣擊穿現(xiàn)象，而是在電、熱、化學(xué)因素的聯(lián)合作用下產(chǎn)生的一種局部電弧發(fā)展的熱動力平衡表現(xiàn)。當(dāng)絕緣子表面處于濕潤狀態(tài)時，其導(dǎo)電性能也會隨之增加，這時漏電電流增大，出現(xiàn)導(dǎo)電發(fā)熱問題，當(dāng)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象后，會從兩個方面對絕緣子的導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響，一方面是由于表面層被烘干，致使電導(dǎo)率減?。涣硪环矫媸怯捎谑艿綔囟认禂?shù)電解質(zhì)影響，當(dāng)溫度升高時，電導(dǎo)率會隨之增加。同時，絕緣子表面的污穢分布呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，絕緣子沿線路徑以及直徑存在較大差異。為此，絕緣子各區(qū)域的漏電電流并不相同[3]。

2??高壓輸電線路絕緣子在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前的電網(wǎng)安全問題受到社會各界的廣泛關(guān)注，尤其是在高壓輸電線路建設(shè)規(guī)模不斷增大的形勢下，以往的計(jì)劃檢修和定期維修方式已經(jīng)難以保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，急需由傳統(tǒng)運(yùn)維模式向狀態(tài)檢修層面的過渡。鑒于高壓輸電線路絕緣子污閃事故的頻繁發(fā)生已經(jīng)成為威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵性因素，需要積極探索在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，致力于通過對絕緣子絕緣狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，提升高壓輸電線路的安全運(yùn)行效果，盡可能降低因絕緣子泄漏或者污染問題對電網(wǎng)運(yùn)行安全的威脅。在前期研究中發(fā)現(xiàn)，將前臺監(jiān)測系統(tǒng)直接安裝于高壓輸電桿塔上，存在信號采集不良和可靠性較差的問題。因此，急需設(shè)計(jì)一個絕緣子泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)，利用多種在線監(jiān)測技術(shù)，提高輸配電線運(yùn)行穩(wěn)定性[4]。

2.1??在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

在本次研究的絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測系統(tǒng)中，共有后臺監(jiān)控和前臺監(jiān)測兩部分。其中的前臺監(jiān)測系統(tǒng)會實(shí)時測量絕緣子的環(huán)境溫濕度以及泄漏電流等信息，并直接將所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用通信模塊傳遞給后臺監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)部對于接收的信息進(jìn)行分析后，便可判斷絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。通常情況下，會將前臺監(jiān)測系統(tǒng)直接裝設(shè)在戶外高壓輸電桿塔上，但由于外部運(yùn)行環(huán)境相對復(fù)雜，尤其是在惡劣氣候的影響下，很容易對前臺監(jiān)測系統(tǒng)的信號產(chǎn)生干擾影響，為提高系統(tǒng)監(jiān)測的可靠性，需要借助較高性能的前端硬件電路來提升信號獲取的可靠性，確保其在長期處于惡劣環(huán)境下也能獲取精度較高的測量數(shù)據(jù)。

2.2??系統(tǒng)硬件技術(shù)

2.2.1??中央控制模塊的關(guān)鍵技術(shù)

（1）CPU技術(shù)。在選用CPU時，需要結(jié)合在線監(jiān)測的處理速度需求，優(yōu)先選擇處理速度較快和耗能較低的CPU，同時要保障CPU外部通道的數(shù)量滿足在線系統(tǒng)的監(jiān)測要求，以保障數(shù)據(jù)吞吐量符合在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需求。MSP430F149處理器不僅具備12個通道，還應(yīng)用了較為簡單的指令集，指令系統(tǒng)存在執(zhí)行速度快、數(shù)據(jù)處理效率高的特點(diǎn)，且其中設(shè)置了大容量存儲器，可用于對數(shù)據(jù)和程序的保存，有效簡化了電路結(jié)構(gòu)，此類技術(shù)優(yōu)勢均符合在線監(jiān)測系統(tǒng)的高性能需求。

（2）時鐘芯片技術(shù)。本次研究的絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)信息實(shí)時采集和處理的應(yīng)用需求，因此在對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，還需包含數(shù)據(jù)記錄的時間，在系統(tǒng)中應(yīng)該設(shè)置一個時鐘單元，如果采取軟時鐘程序來保障數(shù)據(jù)記錄時間的及時同步，雖然無須增設(shè)外部構(gòu)件，但程序添加的操作方式較為繁瑣，且不支持?jǐn)嚯?。為能達(dá)成降低系統(tǒng)功耗的目標(biāo)，還需在數(shù)據(jù)采集的間隔之內(nèi)關(guān)閉CPU，為此可以優(yōu)先選用功耗偏低的時鐘芯片技術(shù)來滿足此項(xiàng)功能要求[5]。

2.2.2??數(shù)據(jù)采集模塊的關(guān)鍵技術(shù)

（1）泄漏電流采集技術(shù)。目前較為常見的采集措施有侵入式分布電位導(dǎo)入法、電流互感器采集法以及急流環(huán)式屏蔽法，前兩種采集方式存在安裝難度大、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性不強(qiáng)的弊端。因此，在本次研究中，是采用急流環(huán)式屏蔽措施對絕緣子表面的泄漏電流進(jìn)行采集，主要應(yīng)用方法為通過在絕緣子上部安裝金屬引流環(huán)來收集泄漏電流信號，再由屏蔽電纜將泄漏電流導(dǎo)入大地。集流環(huán)材料屬于橡膠材料的一種，其具備耐高溫和防污防水的特性，在實(shí)際應(yīng)用中很少產(chǎn)生雜散電流，因此對泄漏電流信號的采集較為準(zhǔn)確。實(shí)際應(yīng)用中，只需將其裝設(shè)于電位端的首個絕緣子上即可，并不會對絕緣子串的運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。

（2）傳感器技術(shù)。根據(jù)絕緣子在線檢測系統(tǒng)的應(yīng)用需求，這里需要同時應(yīng)用溫濕度傳感器和泄漏電流傳感器，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，在選用溫濕度傳感器時，需優(yōu)先選用濕度測量范圍在0～100%，溫度測量范圍在-40～123℃的溫度的溫濕度傳感器，且考慮到傳感器設(shè)備的空間占用問題，還需選用接口電路較為簡單、體積偏小且響應(yīng)速度較快、抗干擾能力強(qiáng)的傳感器。而在選用泄漏電流傳感器時，需要考慮到當(dāng)絕緣子發(fā)生閃落事故時，其攝入電流的變化幅度偏大，可能達(dá)到幾百毫安以上。為此，要選擇采集范圍較為適宜的泄漏電流傳感器，以免由于采集范圍過大，對傳感器的靈敏性造成影響。

2.2.3?電源電路模塊的關(guān)鍵技術(shù)

（1）太陽能供電技術(shù)。電源系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量是保障在線監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。相關(guān)研究顯示，如果直接從導(dǎo)線上取電，需要面臨電壓變換頻繁的絕緣配合問題，且在高壓線運(yùn)行時的負(fù)荷電流變化幅度偏大，很可能由于電壓失穩(wěn)引發(fā)用電安全問題。為此，需要優(yōu)先選用太陽能供電技術(shù)，其中的太陽能電池板是該項(xiàng)技術(shù)的核心單元，基于太陽能電池板可以將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為電能，而電能轉(zhuǎn)換率受到日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等因素的直接影響，在應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行供電時，需要優(yōu)先考慮電壓匹配問題。這主要是由于當(dāng)太陽能輸出電壓低于蓄電池電壓時，無法進(jìn)行蓄電池充電；如果電壓超出蓄電池充電壓時，而充電電流也不會明顯增加，則可能造成電源損失現(xiàn)象。因此，只有當(dāng)蓄電池電壓和太陽能電池的輸出電壓處于匹配狀態(tài)時，才能達(dá)到最佳的充電效果。鑒于此，可以利用太陽能控制器對太陽能電池板的輸出功率進(jìn)行有效調(diào)控，確保太陽能輸出功率與蓄電池的充電功率處于匹配狀態(tài)，在太陽能控制器的調(diào)節(jié)作用下，還可實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充電保護(hù)。

（2）蓄電池儲能技術(shù)。在應(yīng)用太陽能供電技術(shù)為在線監(jiān)測系統(tǒng)提供供電服務(wù)的基礎(chǔ)上，還需裝設(shè)蓄電池儲能裝置，目的是保障對在線監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)供電，以免當(dāng)處于陰雨氣候，太陽能電池?zé)o法發(fā)揮供電作用時出現(xiàn)斷電問題。當(dāng)太陽能電池的發(fā)電量不足時，則可直接啟動蓄電池進(jìn)行電能補(bǔ)充，而當(dāng)電能供應(yīng)超出裝置現(xiàn)實(shí)需要時，則會將多余電量儲存起來，以備后期使用。目前，市面上較為常見的蓄電池類型包括鋰電池、鉛蓄電池和鎳鉻電池，其中的鉛蓄電池存在使用成本低的特點(diǎn)，但適用環(huán)境溫度范圍較小，且存在壽命短，自放電率偏大的缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用于該在線監(jiān)測系統(tǒng)中。而鎳鉻電池的性能相對理想，但其自身存在記憶效應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)靈活蓄電，也無法使用。鋰電池的成本偏高，但各項(xiàng)性能和功能均符合在線監(jiān)測系統(tǒng)的供電需求。

2.2.4??通信模塊的關(guān)鍵技術(shù)

GSM技術(shù)是當(dāng)前移動通信體制中相對成熟，應(yīng)用范圍最廣的一類時分多址通信技術(shù)，其中的短信息服務(wù)，具備收費(fèi)低、可靠性高的特點(diǎn)，與在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信服務(wù)需求相符，在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)端可以了解被叫方是否收到信息，如出現(xiàn)傳送失敗問題，未能得到被叫方回答的情況所發(fā)送的信息會直接保留在網(wǎng)絡(luò)上，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)被叫方可以被呼叫時，便會試圖重新發(fā)送信息，確保被叫方能夠及時收到信息。與光纖通信、載播通信和無線通信技術(shù)相比，該種通信技術(shù)的優(yōu)勢顯著，其通信可靠性僅次于光纖通信，但傳輸能力、維護(hù)經(jīng)費(fèi)和系統(tǒng)可擴(kuò)充性是其他通信技術(shù)不可比擬的，因此可以將其應(yīng)用于絕緣子的在線監(jiān)測系統(tǒng)中。

2.3??系統(tǒng)軟件技術(shù)

絕緣子在線監(jiān)測前端系統(tǒng)的軟件功能主要涉及對各模塊的有效控制和協(xié)調(diào)，是保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，系統(tǒng)軟件技術(shù)的應(yīng)用與硬件技術(shù)的應(yīng)用同樣重要。尤其是對于軟件系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)，能夠有效彌補(bǔ)在硬件設(shè)施方面的缺陷，使在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用功能更加優(yōu)越。系統(tǒng)軟件主要負(fù)責(zé)對絕緣子狀態(tài)信息的采集、處理和傳輸，并且將所獲取的數(shù)據(jù)傳輸至后臺控制中心，并通過短信命令的方式進(jìn)行應(yīng)答與處理。為能提升數(shù)據(jù)處理的可靠性，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時可以優(yōu)先選用匯編語言編寫，此舉能夠提升數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃砸约跋到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，考慮到軟件系統(tǒng)的維護(hù)、調(diào)試以及升級需求，可以遵循模塊化設(shè)計(jì)原則實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)。軟件系統(tǒng)程序主要包括初始化模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊以及通信模塊。當(dāng)在線監(jiān)測系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行初始化設(shè)置，之后以短信形式向控制中心發(fā)送啟動消息，同時接收由傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息，并就所采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，計(jì)算出泄漏電流的頻次和泄漏電流峰期，如超出預(yù)警值，則會以短信形式通知管理人員以及控制中心，如數(shù)據(jù)為正常狀態(tài)，則直接儲存于系統(tǒng)內(nèi)部。

3??結(jié)語

電力系統(tǒng)中，絕緣問題已經(jīng)成為威脅輸電線路運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，尤其是在高壓輸電線路中，絕緣子屬于電網(wǎng)運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)。因其長期處于外部環(huán)境中，除了要具備較好的絕緣性能，還需具備較強(qiáng)的耐受能力和耐污染性能，才能保障供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠。但目前來看，高壓輸電線路的絕緣子污閃事故十分常見，對電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量具有直接影響，為能提升電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，需采取有效的絕緣子在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對絕緣子狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，確保能夠及時發(fā)現(xiàn)問題隱患，降低絕緣子污閃事故發(fā)生率，從源頭上控制高壓輸電線運(yùn)行安全事故，提升供電質(zhì)量和可靠性。

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