摘要：介绍了目前绝缘子污秽闪络预警所使用的方法及其不足，并提出了在线监测绝缘子泄漏电流三次谐波含量的方法。设计了一套泄漏电流监测系统，以ARM处理器为处理核心，使用截流环截取绝缘子表面电流。本系统现场运行结果表明，环境变量特别是湿度情况对绝缘子泄漏电流有很大的影响，泄漏电流三次谐波含量变化曲线能直观明显地反映出绝缘子污秽情况，泄漏电流三次谐波含量可作为绝缘子泄漏电流报警的重要特征参量。
关键词：绝缘子；泄漏电流；三次谐波；污闪；在线监测
0 引言
绝缘子污秽闪络是绝缘子表面沉积的污秽物质在潮湿条件（雾、毛毛雨、小雨、融雪、凝露等）下吸潮引起。绝缘子表面的污秽物在干燥的状态下，不会降低绝缘子的绝缘耐受水平。而在绝缘子表面污秽受潮湿润后，污秽物中的可溶物质会逐渐溶于水中，在绝缘子表面形成一层导电水膜，污秽物中不溶物质会起吸附水分的作用。这些导电水膜和吸附的水分使绝缘子表面电阻下降，并构成沿绝缘子表面的导电通路，使泄漏电流沿绝缘子表面渡过。泄漏电流的大小不仅取决于绝缘子表面脏污的程度及污秽物的成分，而且与污秽的受潮湿润程度有关。当泄漏电流增大，局部放电产生、发展，最终将导致闪络的发生[1-3]。
输变电设备发生大面积污秽闪络停电事故会严重危及电力生产的安全，对电力企业造成损失，国民经济带来重大危害。为保障各行各业和社会的稳定，国民经济健康发展，降低输变电设备污秽闪络停电事故是电力安全生产的当务之急[2,3]。考虑到绝缘子污秽闪络前泄漏电流的谐波会逐渐增长，本文提出了通过在线监测泄漏电流中三次谐波含量（即谐波基波比）的方法来对污秽闪络进行预警的方法并开发了相关的监测装置。
1基于三次谐波含量监测的绝缘子污秽闪络预警原理
1.1 污秽闪络与泄漏电流特征
泄漏电流是指运行电压作用下绝缘子受污表面受潮后流过其表面的电流。泄漏电流是一个变化范围很大的信号。泄漏电流在正常运行时通常只有十几个微安到几个毫安（依输电电压和绝缘子形状的不同而有差异）。但是当环境发生变化（如湿度增加）、绝缘子表面发生局部闪络时泄漏电流高达几百毫安，表面电弧的增强也会使波形发生畸变，产生较大的低次谐波，在这种情况下污闪就很有可能发生。泄漏电流是运行电压、气候、污秽三要素综合作用的结果，其特征能客观反映运行绝缘子表面积污、直至闪络的全过程。
1.2 湿度及污秽度对泄漏电流三次谐波的影响
湿度度对泄漏电流有很大的影响。在绝缘子的实际运行中，引起污闪的主要原因不是运行电压的升高，而是由于空气湿度的增加使绝缘子表面电导率增大，绝缘子表面电阻降低所致。图1所示正常情况下(RH<80%)泄漏电流的波形。此时泄漏电流很小，且以基波为主。而图2显示了在较高湿度情况下(RH>90%)泄漏电流各次谐波幅值急剧增大，而且可以看到三次谐波的增长远远超过了基波和其它各次谐波的增长，三次谐波的含量超过一定数值时发生污秽闪络的可能性会逐步增大。
图1 低湿度情况下泄漏电流波形及其频谱 图2 高湿度情况下泄漏电流波形及其频谱
1.3 基于三次谐波电流含量的污秽闪络监测
绝缘子局部放电从发生到发展直至闪络的全过程，都伴随着泄漏电流幅值和波形的变化，低频谐波的幅值随着表面电弧的增强而增大，尤其是三次谐波、五次谐波幅值增加明显，而基波的幅值没有明显增加。低频的三次谐波的变化趋势，能更好表征绝缘子的运行状态。本文研制的污秽闪络报警系统依据泄漏电流中三次谐波的含量，结合环境变量、泄漏电流最大值、脉冲数等因素实现，从而弥补了仅仅从泄漏电流平均值、最大值等单一数值大小来判断污秽状况和闪络预警的不足之处，提高了污秽闪络预警的准确性和可靠性。
2 污秽闪络预警系统设计与实现
2.1总体设计
污秽闪络预警系统主要由前端系统和后台预警系统组成。前端系统包括采集泄漏电流的截流环、信号处理电路、微气候数据采集电路、太阳能供电系统、运行µC/OS-Ⅱ操作系统的ARM处理器系统以及GPRS通信模块。
2.2泄漏电流的采集
实际应用中获取泄露电流的方法有两种：一是采用电流互感器，即将绝缘子穿过电流互感器的原边，从副边获取信号，经放大，滤波后采样，该方法的优点是不影响原来绝缘子的运行状态和分布参数，信号与大地隔离可以避免对后端测量回路的干扰，缺点是由于绝缘子表面的泄漏电流变化范围大，从十几微安到几十毫安，普通的电流互感器难以保证精度，对小电流不灵敏，且难以对泄漏电流的高频分量和低频分量同时有较好的响应。灵敏度高，动态范围宽的电流互感器设计复杂，制造困难。另一种方法是本文所采用的基于泄漏电流沿面流动的原理的截流环法。截流环通过导电银胶和附属固定装置与绝缘子紧密接触，将绝缘子表面电流截取，经电阻采样，通过测量电压可以计算出泄漏电流的大小，采用此方法设备简单，灵敏度高且不会造成波形失真。
2.3 泄漏电流信号的调理
由泄漏电流截流环采集到的电流信号要经过阻抗匹配、滤波、放大等电路环节，最终由ARM处理器A/D采样端口进行采样。将泄漏电流信号转换为数字数据，再经由ARM对数据进行整理、存储，在适当的时候经由GSM/GPRS网络发送到后台专家系统进行处理分析。从而对绝缘子状况作出评估和预警。
由于线路运行时泄漏电流的变化范围较大，在截流环端采集泄漏电流时采用了两个阻值分别为240Ω和18Ω的采样电阻分别对大小电流进行采样。同时，由于泄漏电流幅值一般较小。因此需要对采样所得电流进行提升处理。
2.4 泄漏电流采集任务程序流程图
污秽闪络预警系统运行µC/OSⅡ嵌入式操作系统，泄漏电流的采集作为一个子任务，其流程图如图3所示。
图3泄漏电流采集任务程序流程图
3 现场运行结果
污秽闪络预警系统被现场安装于某220kV线路杆塔之上。选取连续两年同一时期的泄漏电流三次谐波含量变化曲线进行比较。两年10月至11月泄漏电流三次谐波含量变化曲线分别如图4和图5所示。
图4第一年7月至9月泄漏电流三次谐波含量变化曲线 图5第二年9月—11月泄漏电流三次谐波含量变化曲线
由图4可以观察到，在第一年9月25日到10月1日期间三次谐波含量曲线有明显的突变，三次谐波含量增加了20%以上。此时的温度保持在20摄氏度左右，而在这段持续的时间内湿度接近为100%。同时由图12还可以观察到，在一般情况下三次谐波含量很低，接近于0%。运行结果与前文所提到的湿度对绝缘子泄漏电流有很大的影响相吻合。因此，实际运用中可以监测泄漏电流三次谐波含量变化曲线，当三次谐波含量有明显的增加时需要密切关注绝缘子的状况，防止污闪的发生。
由图5可以看出，第二年9月至11月间泄漏电流三次谐波含量比第一年年同一时期的含量要大而且更加频繁，也表明了绝缘子串污秽有加大的趋势，需预防发生闪络。与仅仅监测泄漏电流趋势曲线相比，使用本文所提出的监测泄漏电流三次谐波含量变化曲线的方法更加准确可靠。
4 结语
绝缘子污秽闪络的发生会严重影响输电线路的正常运行，会给企业造成重大的损失，影响人民的正常生活和企业的运行。可以根据在线监测到的绝缘子表面泄漏电流的平均值和泄漏电流中三次谐波所占的含量，并结合现场运行气候条件，从而实现对绝缘子污秽闪络情况进行预警。现场监测的数据表明，泄漏电流特征量同时间、温度、湿度以及绝缘子污秽度有很大的关系；三次谐波含量可作为绝缘子泄漏电流报警的重要特征参量；实际运用中可以采取分级阀值的方式对绝缘子污秽闪络进行预警。
参考文献：
[1] 喻华玉，徐文登，沈刚. 高压电气设备防污闪及带电清扫技术[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2] 陶元忠，包建强. 输电线路绝缘子运行技术手册[M] .北京：中国电力出版社，2002.
[3] 关志成,王绍武,梁曦东等.我国电力系统绝缘子污闪事故及其对策[J].高电压技术,2000,26(6)：37-39.
论文作者:张卫东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
标签：电流论文; 绝缘子论文; 谐波论文; 污秽论文; 含量论文; 表面论文; 湿度论文; 《电力设备》2018年第29期论文;