1、湖南大學高 電 壓 絕 緣姓 名： 學 號： 專業班級： 指導老師： 完成日期： 高壓絕緣子在線檢測技術摘要：隨著經濟的發展，國民用電量不斷上升，輸電距離不斷增加，因而電力系統工作電壓也不斷提高，有關電力系統高電壓絕緣的問題就越來越突出。然而，絕緣目前仍是電氣設備可靠性的薄弱環節，而高壓絕緣子作為電力系統中非常重要的一個組成部分，其性能、工作環境、絕緣狀況等這些要素對電力系統穩定運行起著決定性的作用。本文就高壓絕緣子的工作環境、常見故障和檢測方法進行了論述，對一些常用的在線監測方法進行了具體的分析。關鍵詞：高壓絕緣子 在線監測 電壓分布 泄露電流一高壓絕緣子概述高壓絕緣子、高壓套管的基本用途是

2、在電力系統中或電氣設備中將不同電位的導體在機械上固定起來。架空線路的導線、變電所的母線和各種電氣設備的帶電體，都需要用絕緣子或套管支撐，使之與大地或接地物絕緣，以保證安全可靠的輸送電能。1.1 絕緣子分類按結構形式可分為針式絕緣子、棒式絕緣子和懸式絕緣子。 按功能可分為普通型絕緣子和防污型絕緣子。 按使用材料可分為瓷質絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和有機硅人工合成絕緣子等。下圖給出了幾種絕緣子的分類：（a）支柱絕緣子 （b）開關瓷套 （c）針式絕緣子 （d）玻璃絕緣子圖1 不同種類的絕緣子1.2 絕緣子的工作環境高壓絕緣子暴露于大氣中并長期工作在強電場、強機械應力、驟冷驟熱、風吹雨打等惡劣環境中, 因

3、此絕緣子出現故障的機率很大, 嚴重威脅電力系統的安全運行。據統計國內110kV 線路發生不明原因閃絡所占的比例為故障率的22% , 造成很大的經濟損失。1.3 絕緣子常見的問題一般來說絕緣子故障主要有以下幾個方面: 絕緣子內部出現裂隙、絕緣子表面破損、絕緣阻抗降低、污閃等, 絕緣子種類不同, 出現故障時所呈現的現象也不同。如: 絕緣子串中存在不良絕緣子時,不良半導體釉絕緣子溫度變化可能較大, 而玻璃絕緣子和普通釉絕緣子的溫度變化較小。相應的高壓絕緣子在線檢測方法也多種多樣, 絕緣子分布的廣泛性和安裝點的特殊性更增加了絕緣子檢測的難度。因此，實現絕緣子在線監測，對于整個電網以至于整個電力系統來說

4、都是一件非常有價值的事情。二絕緣子的測量方法高壓絕緣子在線檢測的主要方法一般分為兩類: 一類是非接觸式檢測法, 另一類是接觸式檢測法。2.1 非接觸式檢測法主要包括超聲波檢測法、激光多普勒振動法、紅外測溫法、電暈攝像機法、聲波檢測及無線電波檢測法等。其檢測原理、主要設備及優缺點見表1。2.2 接觸式檢測法接觸式檢測法按工作原理主要有電壓分布法、泄漏電流檢測法及脈沖電流檢測法等。表1非接觸式絕緣子在線檢測方法比較檢測方法檢測原理主要設備優點缺點超聲波檢測法當絕緣子存在裂隙, 超聲波進入或穿過絕緣子時, 會在裂隙處發生反、折射和模式變換。通過對接收到的超聲波進行處理可檢測出劣質絕緣子超聲波發射及接

5、收裝置可以較準確地檢測出開裂的絕緣子對未開裂絕緣子不起作用;超聲波本身存在耦合和衰減;需到現場逐個檢測激光多普勒振動法開裂絕緣子的振動中心頻率與正常絕緣子不同激光多普勒振動儀對開裂絕緣子的檢測效果明顯對未開裂絕緣子不起作用;設備造價很高, 體積龐大, 笨重, 操作及維修復雜, 不適于野外作業;需到現場逐個檢測紅外測溫法利用絕緣子表面電流引起的熱效應進行測量紅外熱象儀對半導體釉絕緣子的檢測效果明顯設備造價高; 對玻璃絕緣子及普通釉的瓷絕緣子檢測效果不明顯;環境對檢測效果影響大;需到現場逐個檢測聲波檢測法不良絕緣子放電發出聲波, 根據聲波的強弱、有無, 可判斷是否存在劣質絕緣子聲波接收裝置設備簡單

6、操作方便受環境背景噪聲影響很大;需到現場逐個檢測, 且有時需登桿登塔無線電波檢測法不良絕緣子放電發出電磁波, 根據接收電磁波天線的方向及電磁波的強度來判斷是否存在劣質絕緣子電磁波接收裝置設備簡單操作方便抗干擾能力差、靈敏度低;需到現場逐個檢測電暈攝像機法不良絕緣子的存在使其他正常絕緣子上的電暈現象增強電暈攝像機可以清晰地測到電暈放電而不受陽光輻射的影響對內部放電觀察不到;設備造價較高;需到現場逐個檢測2.3 幾種常見的在線監測方法的分析1.絕緣子電壓分布在線監測目前很多實驗和理論研究已經證明, 正常絕緣子串的電壓分布為不完全馬鞍型, 即靠近導線處絕緣子所承受的電壓最高, 約為接地端絕緣子所承受

7、電壓的1.7 3.0 倍2 , 而絕緣子串中間部分所承受的電壓最低。當出現不良絕緣子時, 絕緣子串上的電壓將重新分布, 如把實際測得電壓分布與正常時絕緣子串上的電壓分布作比較, 有利于判斷不良絕緣子是否存在。目前國內利用電壓分布原理進行絕緣子檢測的方法較多，主要有短路叉法、火花間隙法、光電式檢測桿法、聲脈沖檢測法等。短路叉法及火花間隙法3 是早期絕緣子檢測的主要方法。短路叉法是依靠單片絕緣子短路時所發出的火花及放電聲音來檢測不良絕緣子的。測試結果受周圍環境背景噪聲影響很大, 且因測試人員的判斷不同而異?；鸹ㄩg隙法是用可調間隙來測量每片絕緣子上的電壓, 主要缺點是讀數分散性大。兩種方法最主要的優

8、點是測試設備原理簡單、操作方便; 最大的缺點是準確度低, 且都要登桿登塔, 因而勞動強度大、危險性高。2.光電檢測桿法光電檢測桿法是隨著纖技術的發展而產生的。主要原理是將高壓探頭上的感應電壓經光電轉換變成光信號, 經絕緣桿內部的光纖傳到低壓側, 經處理后以數字形式顯示出來。其優點是測量危險性小、絕緣子串電壓分布能夠直觀地測量出來, 不足之處仍需到現場逐個進行測量,且需登桿登塔。3. 聲脈沖檢測法聲脈沖檢測法的主要原理是某片絕緣子上電壓通過兩個探頭組成的回路對電容器充電, 然后經放電管和揚聲器放電, 揚聲器發出聲波的頻率及發聲間隔隨兩個探頭之間電壓變化而變化, 因此根據測量揚聲器所發出的聲脈沖周

9、期及頻率來檢測沿絕緣子的電壓分布。4 .電暈脈沖式檢測器在輸電線路運行中，絕緣子串的連接金具處會產生電暈，并形成電暈脈沖電流通過鐵塔流入地中。電暈電流與各相電壓相對應，只發生一定的相位范圍內。若把正負極性的電流分開，則同極性各相的脈沖電流相位范圍的寬度比各相電壓間的相位差還小。采用適當的相位選擇方法便可以分別觀測各相脈沖電流。對各相電暈脈沖分別進行計數，并選出最大最小的計數值，取兩者的比值(最大最小)作為差別依據。當同一桿塔的三相絕緣子串無不良絕緣子時，各相電暈脈沖處于平衡狀態，此時比值接近于1；當有不良絕緣子時，則各相電暈脈沖處于不平衡狀態，該比值將與1有較大偏差。電暈脈沖式檢測器就是根據此

10、原理研制的。5. 紅外熱像儀檢測法不良絕緣子與良好絕緣子的表面溫度存在差異，盡管這種差異很小，但應用紅外熱像儀可以將絕緣子表面的溫度分布直觀、形象的熱像圖顯示出來。正常運行中，不良絕緣子由于電壓低于正常絕緣子，導致不良不良絕緣子的表面溫度低于正常絕緣子，利用紅外熱像儀可以測量出這種溫度差異。被測物體輻射能量高低(溫度大小)通過先進的紅外探測器在儀器內部感應而形成熱分布圖像,能量輻射(溫度)高的部分圖像就亮,反之則稍暗。紅外圖像即是對溫度靈敏的圖像,紅外圖像的亮暗直接反應出物體溫度的高低,兩者成遞增比例關系。憑借成像的明亮并配以兩者遞增比例關系公式計算,就能診斷出物體溫度的高低,從而判斷電力運行

11、設備是否有缺陷問題。紅外熱像儀工作原理見圖1。圖2紅外熱像儀工作原理圖6 .激光震動檢測法激光多普勒振動法是利用已開裂的絕緣子的振動中心頻率與正常時不同的特點, 通過外力如敲擊鐵塔或將超聲波發生器所產生的超聲波用拋物型反射鏡對準被測絕緣子,或用激光源對準被測絕緣子, 以激起絕緣子的微小振動, 然后將激光多普勒儀發出的激光對準被測絕緣子, 根據對反射回來的信號的頻譜的分析, 從而獲得該絕緣子的振動中心頻率值, 據此判定該絕緣子的好壞。目前已有可能在現場用此法對50m以內的絕緣子實現遙測。由于該儀器對未開裂的絕緣子檢測無效以及操作復雜、體積龐大、笨重、使用維修復雜、造價高等缺點, 沒有廣泛使用。三

12、高壓絕緣子污穢度的在線監測近年來, 我國大氣污染加劇, 變電站和輸電線路污閃問題日趨嚴重。污閃事故所造成的損失卻是雷擊事故的10倍。全國六大電網幾乎都發生過大面積污閃,造成了很大的經濟損失。特別是2003年8月發生的美、加停電事件, 又為中國電網安全敲響警鐘。3.1 目前常用的絕緣子污穢測量方法絕緣子等值鹽密法( ESDD ) 是用一定量的蒸餾水將一定面積瓷表面上的污穢物全部清洗掉,用適當的儀器測量污穢溶液的鹽密值, 通過計算等值鹽密可直觀衡量污穢程度。但由于目前尚無測量固體化學成分的傳感器, 因此無法進行實時監測其成分變化和絕緣子的電氣狀況。污層電導率定義為絕緣單位表面污層的電導值, 實際上

13、是由加在污層上的電流與電壓之比求出的電導與絕緣子的形狀系數相乘求得。為測量污層表面電導, 應在污層飽和受潮條件下, 在絕緣子上加適當高的工頻電壓, 測其泄漏電流, 從而求得電導。但上述測量分散性較大, 受污穢分布不均勻和溫度變化的影響大, 測量比較麻煩。污閃電壓及污閃梯度是表征絕緣子性能的理想的污穢參數, 現場污穢試驗還能真實地測得絕緣子污閃性能。但由于自然污穢和積污水平達到臨界狀態與引起污閃的氣象條件的產生不一定同時存在, 往往是污穢已經達到臨界水平但沒有出現充分的潮濕條件而測量不到臨界污閃電壓, 因而進行閃絡電壓的測量還應結合其他污穢度參數的測量。因其試驗設備容量大, 試驗不方便, 現場桿

14、塔一般不具備試驗條件。3.2 泄露電流在線監測技術1. 信號采集前臺系統采集絕緣子泄漏和脈沖電流(檢測重點)及環境大氣狀態(溫度、濕度、壓力，可由溫濕傳感器及氣壓傳感器測得)等數據。診斷控制現有測量系統一般僅用一個傳感器檢測，除記錄泄漏電流幅值外，有的還提取疊加在測得的電流波形上面的脈沖個數，這種方法顯然不能保證完全采集到脈沖電流。在本系統中采用兩個不同特性的傳感器分別采集處理泄漏電流和脈沖電流，以提高故障判斷的準確性。本文則用如下方法：在一片絕緣子表面加裝一個金屬環，并將此絕緣子安裝在絕緣子串靠近桿塔的一側，金屬環收集電流信號通過屏蔽電纜后經桿塔入地。泄漏電流和脈沖電流傳感器均采用穿芯式結構

15、，套在屏蔽電纜的芯線上，安裝于現場單元的屏蔽箱中(見圖2)。整個檢測系統的前臺部分均置于屏蔽箱中。固定在輸電線路的桿塔上。圖3 泄露電流和脈沖電流傳感器的現場安裝示意圖圖4 泄露電流在線監測的基本步驟由于絕緣子的泄漏和脈沖電流分開采集，不需要從泄漏電流中分離出高頻的脈沖電流，因此對泄漏電流傳感器在頻率方面無太高要求，而脈沖電流傳感器工作在高頻段，其性能基本上由磁芯高頻特性決定，應損耗小、頻帶寬。超微晶體磁芯材料適于這種微小高頻電流的測量：積分電阻100 歐、匝數約10匝的傳感器靈敏度可達10 VA，頻率范圍7 kHz25 MHz，可用于測量絕緣子脈沖電流。由于電流傳感器輸出信號十分微弱，在確保

16、抗干擾措施的前提下須行調理，如放大和濾波(其電路要求頻帶寬、輸入阻抗高、足夠的放大倍數)等，再經高速AD單元轉換，然后送數據處理中心處理。2. 數據處理數據處理中心由TMS320F206型的DSP芯片構成，芯片單周期指令執行時間50 ns，即速度達20×10條s，在此參數下消耗功率可低到005 mW。數據處理分以下幾部：(1)信號去噪電流傳感器輸出的微弱信號極易被周圍的強電信號及高頻噪聲干擾，故除傳感器引線采用屏蔽電纜外，還采取自適應噪聲對消法去干擾原理(見圖3)是將一個或幾個傳感器放在絕緣子周圍的噪聲場中，保存采集的噪聲信號，然后將從測得的帶噪聲的電流信號減去噪聲信號。圖5 自適應

17、噪聲對消的原理圖(2) 泄漏電流信號的處理處理泄漏電流需要記錄它平均值及最大值，據其隨時間的變化可看出該地區絕緣子污穢程度隨時間的變化，并為確定其絕緣子污穢水平和及時清掃提供依據。測得的數據放入DSP的存儲區等待元線發送。(3) 脈沖電流信號的處理及其仿真據試驗及現場測得的數據，局部放電脈沖、電暈脈沖和泄漏電流脈沖群3種脈沖電流的幅值分別在pA級、pAmA級和幾十幾百mA級。采集到的電流脈沖可按幅值大小設定多個闊值并記錄各閾值范圍內的電流脈沖數，根據指定周期內出現的脈沖數量即可判斷絕緣子是否出現故障以及故障的類型。所測數據同樣放入DSP的儲存區，等待無線發送。脈沖電流信號的處理仿真過程如下：

18、真高壓絕緣子各種故障對應的脈沖電流(見圖4); 設定5個閥值來處理各種類型的脈沖電流，分別記錄脈沖數; 根據各閾值范圍內脈沖數的變化判斷絕緣子是否出現故障以及故障類型，信號處理結果見表1(h為電流脈沖幅值)。圖6 信號處理結果圖表2 仿真處理結果（不同幅值脈沖數及判斷）總結高壓絕緣子作為電力系統的一個重要組成部分，其性能的好壞以及運行中的絕緣子工作態是否良好，對電力系統的穩定性有很大影響。傳統的絕緣監測是在離線的狀態下進行的，但有時候不能正確的反映絕緣子的好壞及工作狀態。而對其是我在線檢測技術就能實時的反應絕緣子的工作狀況及是否已經損壞等。所以實現對高壓絕緣子的在線監測對檢測絕緣子的工作狀態，及提高電力系統穩定性都有很大的意義。本文就高壓絕緣子在線監測的幾種常用的方法進行了論述。主要包括有關絕緣子的接觸式在線監測方法和非接觸式的在線檢測方法，其中主要介紹了利用紅衛熱像儀實現對絕緣子的在線檢測方法。編者認為利用紅衛熱像儀檢測絕緣子地方法是未來的發展趨勢，且紅衛熱像儀技術已經成熟。絕緣子的工作環境對其壽命及工作狀態的影響也非常大，出對絕緣子的在線監測方法進行論述外還需