电气学科综述论文

污秽绝缘子泄漏电流监测研究综述摘要：随着国民经济和电力工业的迅速发展，环境污染加重，输电线路电压等级升高，绝缘子污闪事故已成为电力系统安全稳定运行的重大威胁。尤其是近年来，国家大力发展特高压交直流输电及加强智能电网的建设，给绝缘子的绝缘水平提出了更高的要求。通过实时监测污秽绝缘子表面的泄漏电流，预测绝缘子表面的污秽程度和污闪水平，对预防污闪事故的发生具有重要的学术意义和实用价值。文章总结了污秽绝缘子监测的研究现状以及常用的监测方法，重点介绍通过泄漏电流来监测绝缘子的方法；深入分析了绝缘子污闪的形成机理以及绝缘子污闪现象与其表面泄漏电流的关系，为绝缘子污秽度预测模型和绝缘子污闪预测模型的建立及预测绝缘子的污秽程度和污闪水平提供了理论依据。关键词：绝缘子；污闪；泄漏电流；在线监测Abstract：Withtherapiddevelopmentofnationaleconomyandpowerindustry,environmentalpollutionincreaseandthevoltagelevelsoftransmissionlinerise.Insulatorpollutionflashoverhasbecomeamajorthreatofthepowersystemsecurityandstability.Especiallyinrecentyears,todevelopUHV(ultra-highvoltage)ACandDCtransmissioninthecountryandthesmartgrid,higherrequirementsareputforwardtotheinsulationleveloftheinsulator.Thesurfacepollutiondegreeandthepollutionflashoverleveloftheinsulatorarepredictedbyreal-timemonitoringthesurfaceleakagecurrentofthepollutioninsulator,whichisimportantfortheacademicandpracticalvaluetopreventtheoccurrenceofpollutionflashover.Thispapersummarizestheresearchsituationofpollutedinsulatorsmonitoringandcommonmonitoringmethods,introducestheleakagecurrentmonitoringinsulatormethod;in-depthanalysisofinsulatorpollutionflashovermechanismofpollutedinsulatorflashoverphenomenonanditssurfaceleakagecurrentrelationship,forinsulatorcontaminationdegreepredictionmodelandtheinsulatorflashoverforecastmodel,insulatorcontaminationdegreeandpredictingflashoverlevelandprovidethetheoreticalbasis.Keywords:insulator;pollutionflashover;leakagecurrent;RBFneuralnetwork;on-linemonitoring引言近年来随着经济的迅速发展，我国的电力工业也得到了跨越式的迅猛发展。据统计，2005~2008年间，我国发电装机总容量保持在100GW的净增长速度，到2008年为止，全国发电总装机容量达到了792GW。但我国的用电负荷中心和能源地域分布极不平衡，据统计，2004~2005年期间，全国缺电的省份达到20多个，尤其是东南沿海经济发达的省份尤为严重。而发电所需的常规能源，如煤炭和水能资源，90%以上集中在我国中西部地区。为了适应国民经济的发展，满足社会电力的需求，我国提出要在“十一五”期间加快建设1000kV交流试验示范工程和±800kV特高压直流示范工程，全面建成特高压交流试验示范工程，初步形成“华北—华中—华东”特高压同步电网，基本建成西北750kV主网架；“十二五”和“十三五”期间，将全面发展特高压电网，并建成以华北、华中和华东为核心，覆盖主要负荷中心和各大电源基地的特高压骨干网，有效地引导大煤电、大水电、大核电集约化开发利用，充分实现资源在全国范围内的优化配置[1]。特高压电网在我国首次投建，世界上尚无运行经验可循，建成后将是世界上最复杂、最庞大的远距离大容量输电系统，系统一旦出现安全问题，将会导致区域性甚至全国性的致命灾难。因此，特高压电网的建设对系统的安全性和稳定性提出了更高的要求[2]。随着输电线路电压等级的大幅提升，在高压输电的重点技术问题中，线路外绝缘问题将成为高压输电建设的关键性控制因素之一。目前超特高压运行经验表明，污闪是高压输电线路外绝缘的主要问题，对输电线路的安全运行构成了严重威胁。电压等级越高，线路外绝缘的污闪放电问题越突出，不仅是污闪频率增加，还伴随着受损面积不断扩大、严重性不断增加的问题[3]。在输电系统中，绝缘子是连接不同电位导电体的重要部件，其性能的好坏直接影响着电力系统的安全与稳定。特别是在户外运行的绝缘子，除了要具有一定的电气绝缘性之外，还要具有耐污的性能。由于环境污染的加剧，大气环境中飘浮的污秽颗粒被吸附在绝缘子表面，造成绝缘子表面的污秽程度增加，此时如果绝缘子污秽受潮以后，将使绝缘子的绝缘性能急剧恶化，从而使绝缘子串发生污闪，造成污闪跳闸，引发大面积停电事故。如果是高压线路停电，将会给国家带来巨大的损失。虽然世界上关于线路污闪的文献报道历史已有一个多世纪，但是目前我国的污闪事故依然频频发生，表1列出了我国各地近年来所发生的部分污闪事故概况[4]。表1我国污闪事故统计表（2000~2006）时间污闪区域污闪情况2000年12月陕西渭南多条220kV线路、2条330kV线路及秦岭电厂引发污闪停电2001年2月辽中中部电网、京津唐电网、河南北部电网、河北南部电网引发大面积污闪停电事故：35~500kV线路200多条，变电站140多座发生污闪2002年1月湖南电网220kV及以上线路引发连续污闪2003年11月浙江电网瓶乔、秦王500kV线路发生污闪2004年2月上海电网、江苏电网、华东电网、浙江电网500kV线路引发多次污闪跳闸、瓷绝缘子由于污闪而导致断串3次2004年12月南方电网500kV线路引发多次污闪2005年1月广东电网广东7条220kV线路、15条500kV线路共引发85次污闪事故2006年1、2月华北电网朔黄铁路电气化段接触网棒式绝缘子引发大面积污闪事故2006年4月内蒙古电网220kV线路发生15次污闪污闪事故的频频发生及其严重性引起了电力部门的高度重视，为了确保电力系统的安全运行，根据不同地区的污闪特点和污秽特征，我国提出了一系列有效的污闪预防方法，绘制了全国范围内的电网污区分布图，对于减少输电线路重大污闪事故的发生具有巨大的指导意义。此外，电力部门还采取了一系列的防污闪措施，例如加大爬电距离、使用耐污绝缘子、定期清扫、涂防尘涂料等，取得了明显的效果[5,6]。上述污闪防护措施虽然在一定程度上减少了污闪事故的发生，但并不能实现对绝缘子污秽程度的实时监测，不能从根本上杜绝污闪事故的发生。人们通过对绝缘子污闪的原因、产生机理以及发展过程的进一步更深入的系统研究，发现绝缘子泄漏电流与其污闪有密切的关系。通过对绝缘子泄漏电流的综合分析，能够对绝缘子的污秽状态做出准确判断，以便在污闪事故来临之前，就采取必要的防护措施，对于保障电力系统的安全稳定具有十分重要的意义。1绝缘子污秽监测的方法及应用现状监测绝缘子表面的污秽度的方法总结起来可以分为非电量监测法和电量监测法两大类，激光多普勒振动法、红外热象仪法和等值盐密法等都属于非电量监测法，但是都因监测效果差、不方便、不适合在线监测等缺点使其应用范围受到了限制。与此相反，电量监测法的应用较为广泛。下面将列举近年来一些常见绝缘子污秽监测方法的应用现状[7,8,9]。（1）等值盐密(ESDD)法等值盐密法是将绝缘子表面的污秽物质折合为每平方厘米含多少毫克NaCl的表示方法，在数量上等价于NaCl的密度。等值盐密为静态参数，只定义了污秽中能够导电的部分，而没有计污秽中的非导电部分。因此，在很多情况下，等值盐密法测量的污秽度和真实污秽度之间有很大的差异，而且还无法反映污层的受潮程度，体现不出由于污秽分布不均对污闪电压造成的影响。另外，因为到目前为止，用于测量固体化学物质成分的传感器极少，所以无法利用该方法对绝缘子的盐密变化进行实时在线监测。（2）污层电导率(SPLC)法污层电导率法是将绝缘子表面的污秽层等效于具有电阻或电导率的导电薄膜，测得绝缘子表面的污秽每平方厘米的电导。测量的时候，先使污层受潮直至达到饱和状态，然后将工频电压U加在绝缘子的两极上，同时测量流过绝缘子表面污层的泄漏电流I，则绝缘子污层的电导为/GIU。由于该方法把污秽和电压与污层电导率联系了起来，比静态参数更先进一步。但是利用污层电导率法测量的结果具有较大的分散性，温度变化和受污秽分布不均匀的影响大，测量过程比较繁琐，一般比较适用于在实验室里的科学研究。（3）电压分布法电压分布法是一种绝缘子污秽在线监测的传统方法。近年来，由于传感器技术的快速发展，这种方法在原来的基础上有了新的应用。利用泡克尔斯效应原理研制而成的光纤电压传感器大大推动了电压分布监测法的应用，该方法可以比较准确地测量出绝缘子串各个绝缘子的电压分布情况，而且基本上不会对绝缘子串的电场强度分布情况产生影响，克服了火花间隙法、短路叉法测量结果分散性大、准确度低的缺点，同时也弥补了采用静电电压表的方法测量时会影响绝缘子串电压分布的不足。电压分布法的优点是能够比较准确、直观地判断出绝缘子绝缘性能的好坏。然而，利用电压分布法测量时必须登杆，操作依然不是特别方便。（4）绝缘子污闪梯度法绝缘子污闪梯度法是在高压电源和人工雾室的条件下进行试验，测量抽取绝缘子样本的污闪电压，用污闪电压除以绝缘子的串长所得的值即为绝缘子污闪梯度。这种方法直接利用绝缘子的最大污闪电压梯度或最短耐受串长来反映绝缘子当前的污秽程度，可应用于选择污秽的绝缘上。绝缘子污闪梯度法可以在绝缘子串正常运行的情况下就能够测定其实际的耐污能力，得出绝缘子串的绝缘水平。但是该方法一般适用于实验室研究，要求具有较高的试验条件，测试周期长、试验费用高。（5）泄漏电流法泄漏电流法是指在绝缘子运行电压下，测得其表面污层受潮时所流过的电流情况。很明显，它是电压、污秽、气象等多种因素的综合反映，是一个动态参数。泄漏电流法包括对泄漏电流值和泄漏电流脉冲两种类型参数的监测，它们会随着电压大小、污秽程度、气象条件的变化而变化，能够实时地反映出绝缘子的运行状态，而且这种方法监测方便、经济，因此非常适合用于实际中绝缘子的在线监测，成为了相关科研工作者的关注焦点。但是，由于影响绝缘子泄漏电流的因素很多，而且其自身的特征量也比较多，因此目前尚未真正搞清绝缘子污秽状态与泄漏电流的关系，该方法还处在绝缘子运行状态监测的热点时期，需要进一步作深层研究。2绝缘子污闪的机理与监测特征量的选取2.1污闪过程长期在户外高压状态下运行的绝缘子，随着环境污染的加剧，其表面不可避免会吸附大气中的污秽微粒，逐渐沉淀一层污秽物层。在雨、露、雪、霜、雾等潮湿天气下，污层受潮后电阻率下降成为覆盖在绝缘子表面的导电层，最后产生局部电弧并发展成污闪。污闪的形成过程大致可以分为四个阶段[10,11]：a)绝缘子表面污秽的沉积在电场力、风力、重力等因素的作用下，空气中的氮氧化物、二氧化硫以及灰尘等污秽物质会被靠近并逐渐粘附在绝缘子表面。绝缘子的形状会对绝缘子周围