绝缘子泄露电流在线监测研究现状

绝缘子泄漏电流在线监测的研究现状ResearchStatusofInsulatorLeakageCurrentOnlineMonitoringABSTRACT:Highvoltagetransmissionlineinsulatorshavethedualfunctionforbothofelectricalinsulationandmechanicalsupport.Toensurethatthetransmissionlinescannormallyoperateundertheconditionofallkindsofovervoltage.Insulatorsarenormalornot,tothesafetyandreliabilityofthepowersystemplaysadecisiverole.Relateddatahaveshownthatthehighvoltagetransmissionlineinsulatorpollutionflashoveraccidentdamagesandeconomiclossescausedbyfararemorethanthatofover-voltageandlightningovervoltage.Soanewtypeofinsulatorleakagecurrentonlinemonitoringsystemisofgreatsignificanceandhasanimportantpracticalvalueandtoimprovethesecurityandstabilityofpowersystem.Inthispaper,inordertoachievethepurposeofcatenaryinsulators'on-linemonitoring,summarizingthecharacteristicsofcontaminatedinsulators.Basedonsurfacedischargetheory,inviewofleakagecurrentflowingthroughtheinsulators'surfacecontamination,anon-linemonitoringschemeofcatenaryinsulators'contaminationisproposedandkeyissuesareanalyzed.KEYWORD:Insulator；On-linemonitoring；Leakagecurrent摘要：高压输电线路中绝缘子担负着电气绝缘和机械支撑的双重作用，要保证输电线路在过电压情下能正常运行，绝缘子的工作状态将对电力系统的安全可靠运行起着极为重要的作用。相关数据表明，高压输电线路绝缘子污闪事故的危害程度和造成的经济损失，己经远远超过了操作过电压和雷电冲击过电压对电力系统的影响。所以研究输电线路绝缘子泄漏电流在线监测系统具有重要的实用价值，对提高电力系统的安全可靠运行具有重大现实意义。本文以实现绝缘子污秽在线监测为目的，总结国内外污秽绝缘子运行状态表征参数的基础上，基于绝缘子的污秽沿面放电机理，针对流经污秽绝缘子表面的泄漏电流，提出了接触网绝缘子污秽在线监测的设计方案，并就其中的关键问题进行了详细分析。关键词：绝缘子；在线监测；泄漏电流1引言随着我国工农业的发展和人民生活水平的提高，电力工业也得到迅猛的发展，电力对人们生产生活来说已经不可或缺，那么提高电力系统运行的安全性和可靠性，也就成为了电力人所关注的重点。在电力系统中，高压电网运行的许多故障是由于绝缘不良所引起的，而高压绝缘子是高压电网绝缘的薄弱环节。绝缘子是将电位不同的导电体在机械上相互连接的重要部件，其性能的优劣对整个输电系统的安全起着非常重要的作用。尤其是对于输电线路中的绝缘子，除了应具有一的电气绝缘性能以外，还应具备耐受自然环境和污染等的侵袭，以保证安全供电的要求。据统计，由于污秽而引起的绝缘子闪络事故目前在电网总事故中已经占到第二位。为了防止污闪事故的发生，需要对绝缘子的染污状况做出及时准确的判断，以便在危险来临之前，采取必要的措施。电力部门通常采用增加绝缘子串中绝缘子的数目、采用耐污绝缘子、在绝缘子表面涂憎水涂料、采用有机合成绝缘子、对绝缘子进行定期清洗等几种防污闪措施。这些方法在绝缘子的实际运行中都起着积极的作用，但是不能实时、动态、全面的反映绝缘子的染污状态，无法做到提前预防污闪事故的发生。因此，研制适应于电力系统需求的绝缘子在线监测系统，全天候的监测高压电网绝缘子的运行状况，以便提前采取措施避免电网运行故障的发生，提高电网运行的安全性和可靠性，促进绝缘子从目前的计划检修向状态检修过渡具有重要的意义。基于上述背景，本文提出的输电线路绝缘子在线监测系统可以减少检测人员上杆塔带电检测的次数，缩短检测周期，及时消除由于绝缘子闪络造成的事故，还可以为运行部门制订合理的检修计划提供科学依据。2污秽和泄露电流的形成机理分析2.1绝缘子监测特征量的选择为了确定绝缘子的污秽程度，定量的划分污秽水平，需要表征污秽绝缘子运行状态的特征量。在进行了大量的研究后，人们提出了很多参数，主要有以下几种:（1）等值盐密法：等值附盐密度是指绝缘子表面每平方厘米的面积上附着的污秽中导电物质的含量相当于的NaCL含量(mg/cm2)，由于它只与绝缘子的污秽量、成分和性质有关，所以称为污秽的静态参数。它是表征绝缘子在自然环境下积污最普遍的特征量之一，直观的反映了绝缘子的污秽程度。但是，等值盐密法也存在着一些不足:一方面，测量时需对接触网进行停电，而且测量程序繁琐，不能作为实时在线监测参数;另外，污秽物成分复杂，包括强电解质成分和弱电解质成分，而强电解质和弱电解质会因为试验和实际中污秽物湿润程度的差异，导致测量结果有较大分散性，难以准确评价绝缘子的实际污秽状态。因此，等值盐密作为污秽度特征量较多在实验室作为静态参数使用。（2）表面污层电导率法表面污层电导率是指污秽绝缘子表面每平方厘米的电导。该参数是在污秽绝缘子受潮和施加比运行电压低的电压下测得的，从而把特征量与污秽及电压直接联系起来，比静态参数前进了一大步。但因测试电压低，而且受污层分布不均匀的断层带影响，并不能反映污秽层在高电压下的真实变化，故称为表征污秽绝缘子运行状态的半动态参数。（3）污闪梯度法绝缘子的污闪电压梯度是污闪电压与绝缘子串长的比值，是表征绝缘子污秽程度最直接理想的参数，一般以绝缘子的最短耐受串长或最大污闪电压梯度来表征。此法最接近于实际运行中绝缘子的工作状态，可直接表征当地自然环境下的污秽度以用于绝缘选择。但是该法也有较大缺点:一是悬挂串数要多，因为单串绝缘子的污闪概率不高，所得结果是否代表当地的最短耐受串长，或最大污闪电压梯度，也不易做出结论;二是悬挂时间要长，由于污秽已达临界状态而引起污闪的环境条件不足或者绝缘子表面的积污速度较慢等原因，要得出一个结论可能需要数年时间。（4）泄露电流法泄漏电流是指在作用电压下流过电气绝缘体表面的电流。这里所指的污秽绝缘子泄漏电流是指在运行电压下污层受潮时流过绝缘子表面的电流。显然，它是污秽程度、环境条件以及运行电压三个主要因素的综合反映和最终结果，称为反映污秽绝缘子表面污秽特性的动态参数。由于泄漏电流能较全面地反映绝缘子污秽状态，对泄漏电流的检测和分析作为污秽绝缘子在线监测的一种方法近年来引起大量关注。这主要是因为绝缘子泄漏电流和污秽沿面放电的发展过程密切相关，包含了丰富的信息，可以综合反映污秽程度、受潮程度、绝缘子耐受电压以及绝缘子形状等因素的影响，而且便于连续在线监测。同时绝缘子的泄漏电流变化也可以反映污秽的积累变化过程，所以对绝缘子泄漏电流估算方法的研究对于判断污秽绝缘子的运行状态具有重要意义。除了上面介绍的几种特征量外，还有其他的一些特征量也可以用来表征绝缘子污秽程度，但同泄漏电流相比，也都有各自的不足之处。另用污秽的日沉降密度、污液电导率和盐浓度这些特征量来表征绝缘子的污湿特征，但这些参数所能说明的程度都很有限，同测量泄漏电流相比科学性上要差的很多。2.2绝缘子表面污秽的形成绝缘子表面沉积的污秽，基本上来自于该地大气中环境的污染，也受大气条件的洗涤(例如，风吹和雨的冲洗)，还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密切的关系。大气环境中充满各种气态、液态污染物和固体微粒，固体微粒中直径较大者周围运动着在重作用下垂直降落绝缘子表面污秽的积聚直径较小的微粒呈悬浮状态，也在绝缘子一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。污秽微粒在绝缘子表面上的沉积，受风力、重力是最重要的。2.3绝缘子污闪过程目前有关染污绝缘子表面的放电机理还没有统一的认识，但许多学者都认为绝缘子的闪络现象不是一种单纯的空气击穿，而是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。当绝缘子表面存在污秽时，绝缘子串表面的污物会吸收水分，然后污秽层中的电解质在水的作用下溶解并且电离，使污层电导逐渐增大，则绝缘子表面的泄漏电流增加。由于绝缘子构造和绝缘子表面污秽分布差异以及和潮湿水平不同等因素的综合作用，使得绝缘子串各部分的电流密度存在差异，最后干燥带在电流密度较大的区域缓慢的形成了。干燥带的出现使得绝缘子串表面的分布电压相比以前更加不均，干燥带需要承担较高的电压。所以，当场强伸到某一特定值时，沿绝缘子串表面产生辉光放电、火花放电甚至是局部电弧。此时积污绝缘子表面的放电模型等同串联了污层电阻一串。局部电弧为间歇性的放电过程，这种状态有可能立即停止也有可能持续一段时间。如果这种电弧不断产生和发展，当其达到或者超过某一临界值时，电弧会沿绝缘子串面伸展，贯穿两极，并形成闪络。由此可见，输电线路绝缘子的污秽闪络，很大程度上取决于下面四个连续过程[4]的产生与发展。(1)绝缘子串表面的长期积污(2)积污绝缘子串的湿润(3)干燥带的产生与局部电弧的形成(4)局部电弧的延伸到贯穿绝缘子两极所以，其沿面闪络的基本条件[5]如下:（1）首先流通过染污绝缘子表面的泄漏电流应该有烘干潮湿的污秽层且形成一定的干燥区，当干燥区所承受的电压达到某一极限值的时刻，有局部小电弧的出现。（2）其次要符合单位长度的电弧电阻小于单位长度污层电阻的条件，使产生持续电弧通路的极限电流小于流过染污绝缘子表面的电流，局部电弧才有伸展延长的可能，并最终直到闪络的出现。2.4泄露电流与污秽沿面放点关系在交流电压下，考虑试验电源、电弧电阻的影响，并增加电弧重燃条件，Alston和Zoledziourki建立了泄漏电流、电弧长度与试验电压之间的关系。他们推导并计算出闪络不会发生的临界条件:泄漏电流最大值未超过233Ec-1.31，其中Ec为闪络临界场强。通过在自然污秽状态下对绝缘子施加85kV到231kV(即250V/cm到750V/cm的峰值场强)电压试验发现，试验结果与理论推导结果具有良好的一致性，这在理论上表明了通过测量泄漏电流预测污秽闪络成为可能。为了能更加深入研究污秽沿面放电机理，许多学者设计了大量的污秽试验来模拟自然环境下绝缘子的沿面放电过程。从他们的研究成果来看，研究泄漏电流对于理解绝缘子表面的放电现象和闪络过程是很有必要的。Verma指出，可以通过一个临闪前的最高峰值泄漏电流Imax预估绝缘子的闪络概率，即Verma的最大值法。事实上已经表明，污秽绝缘子临闪前的最高峰值泄漏电流Imax在很大程度上是与污秽类型无关的特征参数。根据记录的闪络过程全电流，Verma发现临闪前的最高峰值泄漏电流Imax(出现在完全闪络前大约10ms)指示了接近闪络的程度，即在任何环境条件下，泄漏电流如果达到Imax，则闪络已不可避免。一般来说，绝缘子柱体和钢帽附近较伞裙更易出现干燥带，干燥带的出现导致其场强急剧增大，而湿污层的场强随之减小。另外，干燥带数目越多，绝缘子沿面最大场强越小，即多条干带之间会削弱彼此的场强，而且伞裙下表面引起沿面场强的畸变程度比上表面严重。最近几年，科研人员