绝缘子污秽度的在线监测

绝缘子污秽度的在线监测

电力设备外绝缘污闪，是阻碍电力系统安全运行的难题之一。合成绝缘子和玻璃绝缘子的应用，并未从根本上改变防止污闪课题在电力系统中的重要性。涂、擦、爬、仍然是运行设备防污闪的基本措施。及时掌握外绝缘污秽度，是适时采取防止污闪措施的科学基础。

（一）绝缘子表面污秽度参数量的选择与测量

绝缘子的污秽度，指的是绝缘子所处一定的地理区域的污秽程度。国际大电网会议第33学术委员会042工作组，推荐了五种常用的绝缘子污秽的测量方法，即

1）等值盐密法

2）表面电导法

3）污闪梯度法

4）最大泄漏电流法

5）电流脉冲计数法

盐密、电导、梯度和泄漏电流是4个表征污秽度的参量。

（1）等值盐密法

等值盐密法主要是测量外绝缘的单位表面积上等值附盐量。以每平方厘米多少克Nacl 来等值于绝缘子表面上的实际污密。此等值Nacl 量与实际污层分别溶于相同容积和相同温度的蒸馏水中具有相同的电导率。此盐量称为等值盐密。 等值盐密是国内人工污秽试验中常用的污秽度参量，被作为利用人工污秽试验来确定某处绝缘子行为的基础。

等值盐密的测量，应在实际运行的绝缘子上进行。可以测得绝缘子表面的污物分布。但这种方法只测量了污物有效分量的等值量，而没有考虑湿润、电弧发展过程等影响。同时，测量污秽等值盐量时，使用水量的多少，影响测定值的准确度，有时可以相差几倍。

此方法简单易行，对测量的技术要求不高，在我国电力系统已应用多年。现执行的污区划分标准就是根据等值盐密确定的，但此参量难于实现实时自动化监测。

盐密是一个平均的概念，时效性差。又因污物成分的不同。测量的结果可能会导致很大的差异。

（2）表面电导法

表面电导实际上是流经污秽绝缘子的工频电流与施加电压之比。绝缘子电导是决定绝缘子性能的表面综合状态（污层的污秽量和湿润度等），所以被认为是确定污秽度的合适方法。

此法反映污闪过程中积污和潮湿两个阶段。

为了测量污层表面电导，应在污层饱和受潮的条件下，在绝缘子上加适当高的工频交流电压U ，测其泄漏电流I ，表面电导

G ＝I / U

绝缘子的污层表面电导率

σ=fG (G =k /f , f =⎰dx /πD (X ) ) （1）

这样求得的是整体绝缘子的平均表面表面电导率。

表面电导法测量比较麻烦，测量的分散性也较大，同时还受污秽分布不均匀的影响。又由于绝缘子的结构形式，金属附件部位污层间断等因素对表面电导率测量值的影响（如脚、帽的存在），对测量电压和作用时间都有要求。即需要容量较大、内阻足够小的电源来完成。因此，此方法的应用受到一定的限制。

局部表面电导率的测量方法，可以克服整体平均与积分表面电导率存在的问题。但是由于测量方法不同，测量结果也不同。这两个参数有一定的联系，但并不等价。

（3）绝缘子闪络梯度法

绝缘子闪络梯度是单位泄漏距离污闪电压。即工频污闪电压除以绝缘子泄漏距离的总长度。此法反映污闪全部过程。

污闪电压梯度和污闪电压的本质是一样的。它们是表征绝缘子性能的最直接的污秽参量。测量现场闪络的方法如下。安装各种型式及不同长度的绝缘子串。采用自动重合型式断路器，操作接通或断开恒压电源：

1）采用不同长度的绝缘子串分别和熔丝串联与电源接连。最短绝缘子串闪络后，利用熔丝动作，使闪络串被辨别出来，并防止进一步的闪络，或者使绝缘子串完全隔离开来。

2）在不同长度的绝缘子串上增加它的长度，经过指定时间后，可找到最小的耐受长度。为了得到比较可靠的统计数据，试验可以重复多次。一种较快的和更满意的方法，是设置多个各种长度的绝缘子串试品，从每种长度的闪络百分率来估计闪络概率。

3）另一种方法是：在每串绝缘子链上装熔丝，每次闪络熔断一根熔丝，增加一片绝缘子，最终每串绝缘子将增长到耐受水平的有效长度。

绝缘子闪络梯度法的优点是试验真实绝缘子，并测量它们的污闪性能。但此方法费用较大，对电源设备及测量仪器的要求很高。同时，现场测量不容易捕捉到时机，由于自然污秽的积污水平达到临界状态，与引起污闪的气象条件不可能同时发生，往往是污秽度已经达到临界水平，但没有出现充分的潮湿的条件而测量不到临界的污闪电压。此法现场运用受设备和条件的限制，普遍使用有难度。

（4）最大泄漏电流法

最大泄漏电流（I h ）是指在指定的时间内，在运行电压作用下的绝缘子上，记录到的最大峰值脉冲电流。一般被认为是可用于测量地区污秽程度的合适参数。

假如，同一绝缘子在现场暴露于自然污秽中，并且在运行电压下受潮，可以记录到最大泄漏电流I h ，对此绝缘子的地区污秽，可以用此最大泄漏电流I h 来代表。在线监测最大泄漏电流I h 的方法与实验室测量方法基本一致。示意图如图1。

图1 泄漏电流测量示意图

专用环型电流传感器，安装于绝缘子的接地端，即套在最后一片绝缘子的挂环处。利用人工污秽试验方法，在指定的施加电压U 下，可以测量作为污秽度

S

函数的最大泄漏电流I h 。泄漏电流I h 的大小随着试品的湿润程度的增加而增加。在饱和受潮的条件下，I h 达到最大值。随着污液的流失，I h 也会减小。试验可得到I h －S 关系曲线，也可以对指定污秽度，得到I h 与施加电压的函数。因此，采用此法便于把现场和实验室测量进行比较，可以连续记录气象条件和施加电压对污秽绝缘子的联合影响。它可用作统计基础，确定地区污秽度。也可根据泄漏电流的测量，采用统计的方法决定污闪危险性。

当I h 增加到或超过临界电流I c 时，就可能会发生闪络。相应施加的电压值是临界电压U c ，临闪前半周期泄漏电流脉冲峰值的下限I max ，被认为非常接近于I c 的理论值。所以泄漏电流的临界值也能被试验决定。

目前，国内普遍采用此法作为绝缘子污秽在线监测与报警设备的基本工作原理。

（5）泄漏电流脉冲记数法

运行电压下，记录一定周期内流经绝缘子表面超过某一幅值的泄漏电流脉冲数，称为泄漏电流脉冲记数法。

电流脉冲频率和幅值增加到一定程度时，绝缘子发生污秽闪络。因此可将泄漏电流脉冲幅值和重复率的某一定值作为污秽绝缘子临界闪络的条件。

采用电子计算机技术，测量泄漏电流脉冲容易、准确和可靠。还可根据要求，通过测量全电流波形来完成。如图1，采用专用的污秽泄漏电流监测仪，来完成对泄漏电流脉冲的记录处理工作，分别对预先标定的多个不同幅值的泄漏电流脉冲进行计数。

此法同样综合反映了污闪的全部过程。根据经验，脉冲计数可被用于监测污秽绝缘子的状况和给出污闪报警信号。这对于监督绝缘子是否需要带电冲洗和喷涂RTV 涂料较适宜。此方法经济、可靠，并能在正常运行条件下，对大量绝缘子提供连续监督、分析比较以及评价的依据。因此在我国和一些其他国家地区都有应用。

（6）几个参量的综合评价

污闪全过程包括：积污、潮湿、干带和局部电弧发展四个阶段。

等值盐密法只反映了积污的一个阶段。

表面电导法反映了污闪过程中的积污和潮湿二个阶段。

泄漏电流脉冲记数法、最大电流法和绝缘子闪污梯度法都反映了闪污全过程。并能够在污闪发生之前测定出污秽严重程度并给予报警。

比较上述几种方法可知，采用泄漏电流最大幅值和泄漏电流脉冲数这两个泄漏电流特征量，来表示绝缘子污秽度的参数是较为理想的，不仅易接近绝缘子污秽实况，而且可实现在线监测与报警。

（二）污秽度的报警

（1）污秽绝缘子的泄漏电流预警参量

前面已经指出I h 、N 及I m 在表征污闪过程方面的作用；I h 增大表示绝缘子表面污秽加重；N 出现表示有干带电弧发生，同时也预示绝子表面污层的电阻降到引起干带和电弧的数值；高幅值电流脉冲增加预示闪络即将到来。I min 为确定高幅值电流脉冲计数门坎提供了一个参考值。

由此，对绝缘子的污秽报警应由绝缘子表面的污秽程度报警，和绝缘子的耐污能力报警这二部部分组成。

（2）污秽度报警

利用运行电压下的最大泄漏电流（I h ）带宽作为一个对污秽程度的报警区，设定带宽的下限为门坎，根据三种不同的ESDD 分为三个门坎，表示三个不同的污秽程度挡。

第一个门坎下的范围为安全区，带宽内为预警区，带宽上限的部分为严重区。以盐密为0.05时泄漏电流（I h ）值的下限为基点（0.05级区），泄漏电流（I h ）值达到和超过这一挡的上限值时，即进入了盐密为0.1的污秽程度区（0.1级区）。当泄漏电流（I h ）值达到和超过中挡的上限值时，即进入了盐密为0.2的污秽程度区（0.2级区）。若泄漏电流（I h ）值达到和超过高挡的上限值时，即进入了严重危险区。

一旦被监测的泄漏电流（I h ）幅值大于设定的几个门坎值时，即对绝缘子提出不同污秽状况的报警。

（3）绝缘子耐污能力的报警

绝缘子耐污能力的测试，主要表现泄漏电流脉冲是否足够大，和污层电阻是否足够低。也就是说假如污秽一定的情况下，周围及大气环境是否持续恶劣，即是否长时间的湿润。能否将泄漏电流脉冲放电转变成电弧，电弧维持然绕和逐步

发展的条件是否具备。

幅值超过一定值的脉冲数，可以作为指示绝缘子闪络与否的条件。由此可确定污秽绝缘子，污秽报警条件的判断标准。

影响绝缘子闪络的其他因素的任何改变，都会通过绝缘子泄漏电流特征量的变化清楚地反映出来。当泄漏电流脉冲数超过一定值，且重复率达到一定水平，即是污秽绝缘子临近闪络的条件。

过去，盐密的测量仅停留在对绝缘子污秽定型的分析上，现在对绝缘子污秽泄漏电流的测量，就可以对绝缘子的污秽进行量化分析。

因此，对于掌握地区污秽度的变化，只需在现场长期地监测运行中绝缘子表面的泄漏电流的特征量，同步跟踪周围环境参量，以及与泄漏电流相关的其他参量的变化。如所处地的环境温度、大气湿度、运行电压幅值、频率等。它们将帮助技术人员更好地分析获得I h 及N n 信息。建立起天然污秽绝缘子泄漏电流数据库，也就能及时掌握运行中绝缘子的污秽状况。

（三）绝缘子表面泄漏电流测量

（1）传感器现场安装

利用流经绝缘子表面的泄漏电流作为监测对象，采用全屏蔽式电流传感器取样。对于直流，用取样电阻获取泄漏电流信号。被监测的信号经隔离、滤波、放大后，送入A/D模－数转换至计算机同一分析、判断、归档处理。图4－71为传感器现场安装示意图。

图2 传感器现场安装示意图

（2）污秽泄漏电流的取样

1）交流污秽泄漏电流的取样。交流传感器是一个特制的环形线圈，它被安装在运行现场悬式绝缘子最后一片（接地端）的挂环处。也可以安装于柱式绝缘子的接地引下线上（见图2）。视被监测设备而定，它仅对沿绝缘串表面流过的泄漏电流敏感。

为了方便现场取样安装，取样传感器也可采用环形开口线圈，像钳形电流表取样端一样。但是采用这种开口传感器长期用于现场运行，抗干扰与密封问题还有待进一步解决。

2）直流污秽泄漏电流的取样。直流污秽泄漏电流的取样，也可以采用交流式电流传感器取样。但存在一定的问题。直流传感器原理较复杂，要进行补偿，且信号容易失真。优点是磁隔离、简单、比较安全。

另一种可行的取样方式是采用电阻取样。即采用一个具有过电压自动保护的取样箱获取信号。这个取样箱安装于设备横担上，或固定在水泥柱上。取样箱内的取样电阻要求功率足够大，后一级一定要采取隔离保护措施。取样时，一般情况下采取短路一片绝缘子比较方便。如条件不允许时，可在绝缘子表面上贴一圈金属环，或者在钢帽处增加绝缘来完成。直流取样箱安装接线示意图如图3所示。

监测柱式绝缘子时，用一软铜线箍在最后一片瓷裙下瓷柱的部分（不能与法兰相碰），其引出线与取样箱的一端相连。将取样箱安装于设备构架或固定在水泥柱上。

监测悬式绝缘子时，用一个铜环贴在瓷瓶上，污秽电流信号从环上引到取样

（3）信号的处理

污秽泄漏电流是一个过零的尖脉冲。为了不使信号失真，对传感器的频响和线性度是有要求的。A/D采用的频率，要保证每个通道信号波形不失真为宜。

（四）模糊报警模型的建立

在以往的在线监测系统中, 一般都采用恒值报警模型。所谓恒值报警, 是指系统设定一个泄漏电流限值，若现场测得的泄漏电流值超过该限值，系统发出污秽报警。可在实际中, 泄漏电流的大小除了与污秽程度有关外, 同时还受到其它因素的影响。为了防止漏报, 恒值报警中只能将监测系统报警门限电流值定义得较低, 采用较低的报警门限值导致了系统频繁误报警, 降低了系统的可靠性。

由上面分析可知, 恒值报警无法提高报警的可靠性, 究其原因是恒值报警采用了线性报警模型, 而实际的量并非线性关系, 因此要想可靠报警, 必须研究电参数(电晕脉冲电流和泄漏电流) 、环境温度、环境湿度与污秽度之间的非线性关系, 进行报警。如果我们能找到一种恰当的方式, 来描述污秽程度与电参数之间的非线性关系, 并通过这种关系实现系统的报警输出, 即提出一种非线性的报警模型, 那么系统报警的可靠性将得到有效地改善。

利用由现有专家经验以及根据实验数据得出的推理规则建立的规则库, 来描述非线性关系。模糊逻辑方法具有多因素综合分析的特点, 因而适合于对受多种因素影响的具有不确定性结论的事物或现象做出总的评价。反映高电压下运行的绝缘子污秽状况的参数如泄漏电流、电晕电流脉冲量等都是带有极大模糊特征的量, 运用模糊逻辑方法对其进行分析是一种非常有效的手段。

a 模糊推理环节:只考虑电参数对绝缘子污秽程度的反映, 即由电参数推理出处于不同污秽程度的隶属度, 暂不考虑环境因素的影响;

b 模糊评判环节:根据测得的绝缘子电参数推理得到目前绝缘子处于不同污秽程度的隶属度;

c 模糊校正环节:在某些情况下, 环境的影响不容忽视, 本环节就是对前面得出的绝缘子污秽程度进行校正。

采用模糊报警模型的实用性及优越性。可以实现恒值报警模型的功能。可以减小漏报几率, 防止了环境湿度突然增大时, 污闪事故的发生, 有效地降低漏报几

目前, 模糊报警模型仅仅处于验证阶段, 其中各输入量的模糊化过程、制定的合理性还有待进一步的改进。

(五). 基于遥测技术的输电线路绝缘子污秽在线监测系统

5.1泄漏电流监测原理

目前，测量绝缘子表面污秽程度的方法有等值附盐密度法、测量污层电导率法和测量污秽绝缘子表面泄漏电流法。其中，泄漏电流是指运行电压作用下受污表面受潮后流过绝缘子表面的电流，是运行电压、气候(大气压力、温度、湿度等) 、污秽三要素综合作用的结果，是动态参数，适宜于在线监测。因此，在本系统中采用测量泄漏电流来估计污秽绝缘子的运行状态。

图1所示曲线为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图(升压法) ，从运行中对污秽绝缘的监视和预报角度出发，可将其分成3部分。如果以闪络电压为基准的标么值表示，A 点和B 点的电压标么值分别为0.5和0.9，A 点之前称为非预报区，A 点与B 点之间称为预报区，B 点之后至闪络为危险区。

从图1可以看出，自然污秽绝缘子泄漏电流的特点是出现在预报区的泄漏电流呈不稳定状态，常以脉冲群出现，并伴有局部的电弧形成和熄灭，预报区的泄漏电流脉冲群幅值大多为几十毫安至几百毫安，其宽度常为几个周期至几十个周期。在闪络前，泄漏电流脉冲幅值迅速增加，且高幅值脉冲的密度也增高。正因为泄漏电流在闪络前具有上述特点，使得通过在线监测绝缘子的泄漏电流幅值和脉冲数及环境参数来估计绝缘子的污秽程度、并在污闪发生之前给出预警成为可

2. 1泄漏电流的提取

系统采用在绝缘子串铁塔侧最后一片绝缘子上方的球头挂环处安装一卡环，利用该卡环将集流环固定在绝缘子上表面，根据泄漏电流沿面形成原理，集流环将截取流过整串绝缘子表面的泄漏电流，将截取的电流信号通过双层屏蔽电缆引人泄漏电流传感器放大，从而实现了对泄漏电流信号的提取。

由于泄漏电流的变化通常从几十微安到几百毫安，且有高频放电脉冲，因此，电流传感器设计和选择时应遵循以下原则：线性度好、线性范围宽、灵敏度高、频带宽、稳定性好、抗电磁干扰能力强等。为了满足要求，我们采用新型高磁导材料敏摸合金，经多次试验，开发出了一种电流从50 mA 到500 mA, 频率从10 Hz 到150kHz 范围内变化时都具有足够线性度的电流传感器，当电流超过500mA 时它能快速饱和，满足检测泄漏电流和放电脉冲对电流传感器的要求。

采用12位A/D转换器，从而完成对泄漏电流的采样。由于装置采用了程控增益放大技术，使所采集的泄漏电流精度可以达到0.2级以上，从而泄漏电流分辨率可以达到2.5uA 。

2. 3系统功能设计

监测系统软件基于Windows 2000/98平台，采用Visual Basic面向对象语言编制而成。软件功能包括无线数据通信、参数设置、数据查询、自动巡测、人工点测、数据分析等。