交流线路绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置研究

赵 淼，高自伟，朱学成，张 晋，周 渊，张 健

(1．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030;2．国网北京市电力公司，北京 100031)

高压绝缘子是电力系统中使用量最大的器件，并联运行在电网和地之间。水分、冰雪和污秽在绝缘子表面沉积，以及绝缘子劣化和老化，会引起绝缘子泄漏电流急剧增加并导致电能损失。缺陷严重时在工作电压及各种过电压下引起表面电晕，对电力系统的安全可靠运行造成很大危害［1］。现在一般采取增加爬电比距、采用耐污绝缘子、绝缘子表面涂憎水性防污涂料、定期清扫或冲洗等措施来抑制绝缘子的电流泄漏和闪络。这些措施有一定的积极作用，但减少电晕的效果仍不理想。究其原因，主要是上述措施的实施周期均需要根据现场情况和维护人员巡视的结果来确定，而现场情况的变化以及人为因素导致绝缘子的实际状态无法实时准确地掌握。因此，相关研究人员针对绝缘子泄漏和电晕电流的监测技术展开了很多的研究［2－14］，然而现使用的监测装置仍存在一些不足。本文在分析这些不足的基础上研究了新的测量方法，并据此研制了一种交流线路绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测装置。

1 系统整体硬件设计

绝缘子泄漏电流和电晕的监测装置一般包括微电流传感器、调理放大电路、采集电路、控制电路、上下位机通信电路和供电电路等。

本文研制的交流线路绝缘子泄漏及电晕脉冲电流在线监测系统框图如图1所示。

图1 交流线路绝缘子泄漏及电晕脉冲电流监测系统框图Fig.1 Monitoring system diagram of AC transmission line insulator leakage current and corona pulse

1.1 微电流传感器

检测绝缘子泄漏电流及电晕脉冲电流有以下几种取样方法:在绝缘子串的接地端串入穿芯式电流互感器引出［2－3］;在末端绝缘子伞裙下部卡入集电环;在集电环和接地端的引线中串入穿芯式电流互感器引出。

穿芯式电流互感器铁芯材料有坡莫合金和铁氧体材料等。由于铁芯材料磁性能的局限性，电流互感器的精度并不能覆盖全频带。若采用坡莫合金的铁芯材料则只能在低频段保证精度;若采用铁氧体材料，由于其磁导率很低，远小于坡莫合金的磁导率，很难检出低频的微弱电流信号且相频特性差。综合考虑这些材料特性后，本文选取接地端第一片的绝缘子安装信号采集装置，为尽量减少对爬电距离的影响，在紧邻铁帽的伞裙外表面用导电胶粘接一个开口的金属箔截流环，如图2所示。

在截流环和铁帽间并联一个取样电阻，该电阻远小于截流环和铁帽之间伞裙的表面电阻或体电阻，泄漏及电晕脉冲电流由原来的从伞裙表面流向地电位的铁帽，改为从截流环经过取样电阻流向铁帽。截流环开口避免了截流环感应绝缘子内流过的位移电流和体电流在截流环上形成可致集电环电气状态变化的环流。这种取样方式保证了获取信号的频率特性。

1.2 调理放大电路

将互感器检出的泄漏电流信号转换为电压信号(也称阻抗网络匹配)后，一般经放大调理送至模

图2 检测绝缘子泄漏电流的截流环结构示意图

Fig.2 Closure ring structure schematic checking insulator leakage current数转换电路。而文献［3－4］在增益放大后经过硬件积分触发数字触发器来快速示警绝缘子电晕。

本方中由截流环获取的泄漏及电晕脉冲电流通过带缓冲器的超级伺服电路调理放大，该电路的优越性在于消除可引起输出饱和的直流失调电压，如图3所示。它包括放大单元和积分单元两部分。负反馈电流输入前置放大器和单位增益的缓冲器构成放大单元。前置反相放大器的反相输入端电阻即取样电阻，也可取消该电阻，这时反相输入端阻值很小的等效输入电阻即是截流环和铁帽之间的取样电阻。缓冲器是单位增益的电流负反馈放大器，使测量的动态范围为0～1 A。一般电流负反馈放大器都具有很宽的频带。

积分单元使用反转积分器，将缓冲器输出信号进行充分积分即检出直流失调信号，送至前置放大器正相输入端以消除直流失调电压。此外，调理放大电路反相输入端并联有瞬态抑制器作为保护电路。

1.3 采集和控制电路

采集电路和控制电路目前主要采用带模数变换电路模块的低功耗单片机。

由于绝缘子脉冲电流信号的频谱很宽，可达数兆赫兹，一般单片机内置的模数变换电路达不到如此高的采样频率，因此选择现场可编程门阵列(FPGA)作为控制单元，高速、低速模数转换电路选择一片独立芯片。高速模数转换电路用来采集泄漏和脉冲电流经调理放大后的电压信号，多通道低速模数转换电路用来采集湿度、温度等传感信号。

FPGA控制模数转换电路，将转换出的数字信号存入静态随机存储器SRAM，并控制移动通信模块将数据发送至上位机。上位机计算泄漏及电晕脉冲电流等数据，并判断绝缘子串的状态。

1.4 通信方式

除就地处理泄漏电流信息外，可使用有线或无线通信方式和上位机联系。有线通信方式如CAN现场总线［5］、RS －485 总线［6］和 PSTN 公用电话网［7］。无线通信方式如使用公用移动通信网GPRS/(GSM 或 CDMA)和3G［8－9］、无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术［10］及其它无线通信方式［11］。

考虑测量终端的安装位置主要为远离人口密集区的野外，这里绝缘子泄漏和脉冲电流的测量终端和上位机间采用公用移动通信网GPRS/GSM方式交换数据和收发指令。

1.5 测量终端的供电

测量终端供电方式有采用交流220 V电源、锂电池［5］、太阳能［8］和经电流互感器直接从高压线电流中获取电能［11］等方式。测量终端采用交流220 V可充电、太阳能供电相结合的供电方式。

1.6 微气候的测量

绝缘子泄漏电流和所处微环境有关，包括监测系统所处的现场温度、湿度、风速、风向和雨量等环境参数。

根据测量终端的使用地区，这里选择温度和湿度作为同时的监测量。

2 监测系统的消噪措施

泄漏电流信号通常为微安、毫安级，而在线监测系统工作在绝缘子周边的强电磁场环境下，以及受器件本身的热噪声干扰影响，因而测得的泄漏电流信号含有噪声并会给后续计算造成影响，所以监测系统会采用降噪技术。

对工频及其附近的干扰和噪声，主要采取切断周边工频为主的电磁波传播和耦合至监测系统内的途径进行抑制。如对供电电源，虽然采用锂电池储能，也要保证监测系统的电源连线布置在接地屏蔽壳内;对调理放大电路和数字电路的供电要分离;由于太阳能板暴露在屏蔽壳外，供电电源和电路系统之间加入了消除含工频纹波的电路。

对器件热噪声等干扰，采取软件滤波的措施。目前，对绝缘子泄漏电流噪声的软件消除主要有小波分析［11］、数学形态学［12］、总体经验模态分解(EEMD)［13］等方法。由于本监测系统的硬件已抑制了工频干扰，这里软件采用平滑滤波的方法来消除这些白噪声，即

采用软硬件结合的方法去噪后的效果如图4所示。

3 绝缘子状态模糊逻辑诊断的实现

根据泄漏电流，尤其是结合微气候参量，目前采用模糊数学［6］、小波模糊神经网络［14］等技术分析判断绝缘子状态。

选用模糊逻辑方法实现对绝缘子状态的诊断。根据模糊推导关系式，即Y=R×X，需要建立模糊数据输入集X、模糊输出集Y和模糊关系集R。

模糊输出集是表征诊断结果的一种方式，将绝缘子分为正常(NL)、一般(CM)、较严重(MS)和严重(SR)等4个状态等级的绝缘工况，模糊输出集为Y={NL，CM，MS，SR}T。

模糊输入集是表征影响绝缘子状态的各种外界因素的集合，这里绝缘子的电晕电流概率(Fc)、泄漏电流有效值(Fl)、泄漏电流峰值(Fp)及泄漏电流脉冲频度(Ff)等参量是能够检测到并反映绝缘子绝缘性能判定的主要电参数。因此，模糊输入集为X={Fc，Fl，Fp，Ff}T。

在实验研究的基础上，通过绝缘失效过程及输出状态的划分，并作归一化处理后建立的模糊关系矩阵为

这样，由(X，Y，R)构成了模糊综合评估模型。

此外，还需要将绝缘子各参量进行模糊化处理，处理后数据为模糊输入集X。

3.1 电晕电流的模糊化处理

线路绝缘子电晕放电是一个随机过程，受环境温度、湿度及其表面污秽的影响较大，近似满足概率方程。选择了一个具有平顶的模糊转换函数来实现:

式中:α1取0.95;α2取1.3;β为比率，考虑了环境温度、湿度及其表面污秽等级的影响;f(β)选用单边截止型模糊正态分布函数。

3.2 泄漏电流的模糊化处理

泄漏电流值越大，表示绝缘子的绝缘劣化越严重，因此，根据环境温度、湿度校正后所得泄漏电流值，可用下式表达其模糊函数:

式中:a为常数，表征模糊函数的收敛速度，实际取1;b为门槛电流。

3.3 泄漏电流峰值的模糊化处理

泄漏电流峰值的模糊隶属度分为6个区间，即

式中Ip表示泄漏电流峰值。

3.4 泄漏电流脉冲频度的模糊化处理

泄漏电流脉冲频度的模糊隶属度函数定义为:对在一定时间内各种不同幅值的泄漏电流峰值出现频度次数ni，分别赋予不同的模糊数值，并通过模糊运算决定最终模糊隶属度，即

其中

3.5 决策分析

运算结果Y是介于0和1之间的模糊数，它反映了被测绝缘子处于各种不同绝缘运行工况的可信程度。根据Y值的情况，可对线路绝缘子的运行状况作一个概率性的评估，进而采取相应的措施。

当某种绝缘运行工况的输出值大于0.5时，可认为绝缘子运行在该种绝缘条件下。当有多个Y值大于0.5时，绝缘状况的诊断采用优先原则进行:当有多个模糊输出数的值大于0.5时，按SR＞MS＞CM＞NL的优先原则判定当前被测绝缘子的绝缘状况并采取相应的绝缘保护措施。

4 实验验证

为检验该在线监测装置的适用性，在实验室和现场对其进行了验证。部分结果如表1所示。

由表1结果可看出，利用在线监测装置综合监测绝缘子的泄漏电流、放电脉冲电流及微气候等参数，并根据模糊诊断方法能很好地实现对绝缘子状态的判断。

表1 绝缘子泄漏电流监测装置的试验结果Tab.1 Test results of insulator leakage current monitoring device

［1］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．GUAN Zhicheng，WANG Shaowu，LIANG Xidong，et al．Application and prospect of polymeric outdoor insulation in China［J］．High Voltage Technology，2000，26(6):37 39．

［2］陈攀，孙才新，米彦，等．一种用于绝缘子泄漏电流在线监测的宽频带微电流传感器的特性研究［J］．中国电机工程学报，2005，25(24):144 148．CHNE Pan，SUN Caixin，MI Yan，et al．Research of broad bandwidth micro-current sensor character for insulator leakage current monitoring system ［J］．Proceedings of CSEE，2005，25(24):144 148．

［3］刘志学，李诗华，单鸿旭，等．基于Rogowski线圈原理的变电站绝缘子电晕快速监测方法［J］．电力系统保护与控制，2011，39(13):126 133．LIU Zhixue，LI Shihua，SHAN Hongxu，et al．Method based on Rogowski coil theory for rapid monitoring insulator corona in substation ［J］． Power System Protection and Control，2011，39(13):126 133．

［4］刘志学．改进的绝缘子电晕快速监测系统［J］．电力自动化设备，2013，33(7):167 171．LIU Zhixue．Improved insulator corona rapid monitoring system［J］．Electric Power Automation Equipment，2013，33(7):167 171．

［5］赵汉表，林辉，廖胜蓝，等．基于CAN总线的绝缘子污秽在线监测系统［J］．高电压技术，2012，38(5):1207 1216．ZHAO Hanbiao，LIN Hui，LIAO Shenglan，et al．Insulator contamination degree onlinemonitoringsystem based on CAN bus［J］．High Voltage Engineering，2012，38(5):1207 1216．

［6］李波，刘念，李瑞叶．变电站绝缘子污秽在线监测技术［J］．高电压技术，2008，34(6):1288 1291．LI Bo，LIU Nian，LI Ruiye．Contamination of substation insulators online monitoring technology［J］．High Voltage Engineering，2008，34(6):1288 1291．

［7］张亚萍，张伟，张军，等．变电站绝缘子污秽信息的监测与管理系统［J］．高电压技术，2001，27(5):27 31．ZHANG Yaping，ZHANG Wei，ZHANG Jun，et al．Insulator contamination data monitor and management system in substation［J］．High Voltage Engineering，2001，27(5):27 31．

［8］张朋，王龙华．基于C8051F020的高压绝缘子泄漏电流在线监测［J］．高电压技术，2012，38(5):1207 1216．ZHANG Peng，WANG Longhua．Online monitoring of leakage current of the insulators based on C8051F020［J］．High Voltage Engineering，2012，38(5):1207 1216．

［9］王黎明，李博，黄海鲲，等．自然积污试验用19路泄漏电流在线监测系统的研制［J］．高电压技术，2010，36(3):559 564．WANG Liming，LI Bo，HUANG Haikun，et al．Development of a 19-channel leakage current online monitoring system for natural pollution deposit test［J］．High Voltage Engineering，2010，36(3):559 564．

［10］李丽芬，朱永利，黄建才，等．基于无线传感器网络的绝缘子泄漏电流在线监测系统［J］．电力系统保护与控制，2011，39(10):74 79．LI Lifen，ZHU Yongli，HUANG Jiancai，et al．Wireless sensor networks based insulator leakage current online monitoring system［J］．Power System Protection and Control，2011，39(10):74 79．

［11］赵汉表，林辉，谢利理，等．基于高压侧测量的输电线绝缘子泄漏电流在线监测系统［J］．电力系统自动化，2004，28(22):78 82．ZHAO Hanbiao，LIN Hui，XIE Lili，et al．Online monitoring system on measuring leakage current near hv side for electrical transmission line insulators［J］．Automation of Electric Power System，2011，39(10):74 79．

［12］杨文字，杨俊杰，杨旭英，等．基于数学形态学的绝缘子在线监测［J］．高电压技术，2008，34(11):2317 2321．YANG Wenzi，YANG Junjie，YANG Xuying，et al．New method for online monitoring of insulators based on mathematical morphology［J］．High Voltage Engineering，2008，34(11):2317 2321．

［13］魏利民，孙金宝，朱永利．基于EEMD的绝缘子泄漏电流消噪方法［J］．华北电力大学学报，2012，39(2):17 22．WEI Limin，SUN Jinbao，ZHU Yongli．A de-noising method based on EEMD for insulator leakage current［J］．Journal of NCEPU，2012，39(2):17 22．

［14］岳良顺，刘念，梁杉，等．小波模糊神经网络在绝缘子污秽在线监测中的应用［J］．高电压技术，2010，36(10):2483 2487．YUE Liangshun，LIU Nian，LIANG Shan，et al．Application of wavelet fuzzy neural network to contamination online monitoring of insulators［J］．High Voltage Engineering，2010，36(10):2483 2487．