基于OPGW光传感的高压绝缘子故障闪络特性分析

李 涛，李 牧，项 涛，程 远，陈 冉

（1.南京南瑞集团公司，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.国网湖北省电力公司武汉供电公司，武汉430013）

基于OPGW光传感的高压绝缘子故障闪络特性分析

李 涛1，李 牧1，项 涛2，程 远1，陈 冉1

（1.南京南瑞集团公司，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；2.国网湖北省电力公司武汉供电公司，武汉430013）

随着雾霾、沙尘暴等自然环境的不断恶化侵袭，绝缘子污闪成为仅次于雷击的威胁电网安全稳定运行的重要原因。通过OPGW光传感分布式闪络监测技术设备采集到的绝缘子污闪案例数据，对高压绝缘子污闪信号进行了时频特性分析。结果表明：绝缘子污闪信号持续时间一般为50～60ms，闪络信号频率主要分布在低频段50～1 500 Hz之间，其中工频谐波信号十分突出。验证了OPGW光传感技术可以实现全线路的分布式绝缘子污秽闪络预警监测与故障定位，为绝缘子污闪预警提供了新思路。

污闪；绝缘子；OPGW；闪络信号分析

0 引言

近年来，随着我国电力行业的大力发展，逐渐形成了大联网、大容量、高电压、广覆盖的电网体系，输电容量越来越大，电压等级越来越高，覆盖区域越来越广，因此，电网的安全稳定运行十分重要，一旦电力系统出现故障，将会造成巨大的经济损失。随着自然环境的恶化，极端天气越来越频繁，诸如雾霾、沙尘暴等天气给电网的安全运行带来严重的威胁。据统计，在电力系统事故中，绝缘子污闪成为仅次于雷击事故的重要原因，而且绝缘子污闪自动重合闸成功率较低，其导致的损失也更大[1－2]。因此，希望在绝缘子污闪前能做到预警，在绝缘子污闪后能做到快速定位，找到故障位置，从而保障电网的安全。

国内外学者对输电线路绝缘子污闪预测的方法做了大量研究，其中最主要的方法是测量绝缘子泄漏电流[3-5]，但该方法需要专用的测量工具，成本太高，不利于大规模推广。随着先进检测技术的发展，也有学者提出采用超声波、红外、紫外、激光等检测方法[6-8]，但该方法不能实现全天候、分布式、全覆盖的监测，而且检测起来费时费力。绝缘子污闪放电过程必然产生放电电流，其周围的磁场也会改变，根据法拉第磁光效应，光纤复合架空地线（optical fiber composite overhead ground wire，OPGW）内光纤信号亦会同时产生感应信号[9-11]，根据OPGW光传感分布式闪络监测系统对绝缘子污闪信号进行监测，分析污闪前后信号的特征，进一步实现污闪的预警和定位。

1 绝缘子污闪监测原理

当绝缘子发生闪络瞬间会产生大量泄漏电流，电流会途径杆塔和杆塔顶端的地线流入大地，绝缘子闪络示意图见图1。

图1 绝缘子闪络示意图Fig.1 Schematic diagram of insulator flashover

OPGW光传感分布式闪络监测系统监测原理主要是利用绝缘子发生闪络时产生的泄漏电流流经OPGW地线时会在OPGW绞线表面形成螺旋电流，而螺旋电流会在OPGW内形成磁场，根据法拉第磁光效应原理[12]，一束平面偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场时，则其偏振面会发生偏转，旋转角度与与磁场强度和光穿过介质的长度之积成正比，比例系数与介质性质和光波频率有关称为verdet常数，旋转角度称之为法拉第旋转角。OPGW法拉第磁光效应示意图见图2。

图2 OPGW法拉第效应原理示意图Fig.2 Schematic diagram of OPGW Faraday effect principle

闪络电流流经OPGW时，沿OPGW表面绞丝方向的螺旋电流会产生顺线方向的磁场；由于法拉第磁光效应，内部光的偏振态就会发生改变，通过检测偏振光的旋转角，可对OPGW表面电流变化情况进行监测，从而实现绝缘子污闪电流信号的监测与预警。

2 绝缘子污闪信号特性分析

2.1 污闪案例

案例1：2015年11月02日10点26分，山东某500 kV单回输电线路发生闪络跳闸事故，OPGW光传感分布式闪络监测系统显示闪络位置为180号—181号杆塔处，巡线班组立即赶往事发区域进行紧急巡线，经查，发现181号塔C相绝缘子有放电痕迹，当日天气多云，经过现场勘察，发现线路右侧700m范围有采石场三处、碎石场一处，现场浮尘较多，污秽十分严重，判定此次事故为绝缘子污闪事件。图3为181号杆塔污闪现场图。

图3 污闪现场图Fig.3 Pollution flashover site

案例2： 2016年11月21日武汉某110 kV输电线路发生闪络跳闸事故，现场巡线人员结合天气和现场情况，根据经验判断为绝缘子污闪事件，事后检修换下绝缘子，图4为实物图，课题组对绝缘子进行了清洗，并对电导率、盐密、灰密等进行了测量计算，见表1。

图4 污秽绝缘子实物Fig.4 Pollution insulator

2.2 污闪信号闪络特性分析

在案例1中，OPGW光传感闪络监测设备在此次污闪事件过程中共监测采集到两组数据，一组为闪络信号，另一组为采集到的闪络前1.2 s的信号，可认为是闪络临界点时，绝缘子产生的少量泄漏电流引起的预警信号见图5。

表1 绝缘子污秽参数Table 1 Insulator contam ination parameters

图5 污闪前原始信号Fig.5 Original signal before flashover

该污闪前预警信号幅度较小，信号持续时间约3ms，峰值出现在信号中部，为了对该预警信号进一步深入分析，经傅里叶变换得到频谱图见图6，通过对频谱的分析，该预警信号频率主要集中于1~15 kHz，其中1.282 kHz处频率最强。真正的闪络原始信号、闪络信号波头、闪络信号频谱见图7-图9。

图6 污闪前原始信号频谱Fig.6 Signal spectrum before pollution flashover

图7为闪络原始信号，可以看到污闪闪络信号幅度较大、信号持续时间大约50ms，信号波头一开始起来的较为缓慢，可以理解为绝缘子由于污秽出现泄漏电流，电流逐渐增大形成工频闪络，约50 ms继电保护开关动作，泄漏电流也因此被切断了，之后迅速衰减。从污闪信号频谱图中可以看到闪络，信号频率主要集中在100~1 500 Hz，其中工频谐波信号分布十分突出。

图7 案例1污闪原始信号Fig.7 Pollution flashover signal of case 1

图8 案例1闪络信号波头Fig.8 Signalwave head of case 1

图9 案例1污闪信号频谱图Fig.9 Pollution flashover signal spectrum of case 1

在案例2中，OPGW光传感闪络监测设备在闪络故障时刻同样采集到了数据，图10为案例2污闪信号原始波形。可以看到，污闪闪络信号幅度较大、信号持续时间大约60 ms。图11为信号波头，信号波头一开始起来的较为缓慢，与案例1相似，可以理解为绝缘子由于污秽出现泄漏电流，电流逐渐增大形成工频闪络，约50 ms继电保护开关动作，泄漏电流也因此被切断了，之后迅速衰减，而且从闪络信号原始图中可以明显看到10ms周期的工频谐波震荡规律。从图12中可以看到闪络信号频率主要集中在50～2 000 Hz，其中工频谐波信号分布十分突出。

图10 案例2污闪信号原始图Fig.10 Pollution flashover signal of case 2

图11 案例2污闪信号波头Fig.11 Signalwave head of case 2

图12 案例2污闪信号频谱图Fig.12 Pollution flashover signal spectrum of case 2

3 结论

通过OPGW光传感分布式闪络监测设备采集到的绝缘子污闪案例数据，对绝缘子污秽情况盐密等参数进行了测量，对污闪闪络信号进行了时域与频域的特性分析。通过以上分析可以得出如下结论：

1）绝缘子污秽闪络信号持续时间一般为50～60ms，闪络信号波头起来的较为缓慢，闪络信号频率主要分布在低频段50～1500 Hz之间。

2）闪络原始信号可以看到明显的10 ms工频谐波周期震荡波形信号，其频谱中工频谐波信号分布十分突出。

3）闪络前预警信号持续时间很短，频率主要集中于1～15 kHz频段。

4）OPGW光传感技术可以实现全线路的分布式绝缘子污秽闪络预警监测与故障定位。

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Analysis of High Voltage Insulator Flashover Characteristics Based on OPGW Optical Sensor

LITao1， LIM u1， XIANG Tao2， CHENG Yuan1,CHEN Ran1
（1.Wuhan NARILimited Company of State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing NARIGroup Corporation， Wuhan 430074,China;2.Wuhan Power Supply Company,State Grid Hubei Electic Power Company,Wuhan 430013,China）

With the deterioration of the natural environment,such as fog and haze,the pollution flashover of insulators is second most important reason to threat the safe and stable operation of the power grid after the lightning strike.The time frequency characteristic analysis of high voltage insulator pollution flashover signal is carried out by using the insulator polluted data collected by OPGW optical sensor distributed flashover monitoring equipment.The results show that the duration of insulator pollution flashover signal is 50ms～60ms,and the frequency of flashover signal ismainly distributed in the low frequency range 50 Hz～1500 Hz,where the power frequency harmonic signal is very prominent.It is verified that the OPGW optical sensing technology can realize the distributed pollution flashover monitoring and fault location of all lines,and provide a new way for the early warning of insulator pollution flashover.

pollution flashover；insulator；OPGW；flashover signal analysis

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.027

2017－05－03

李 涛 （1987—），男，工程师，主要研究方向为电力主设备状态在线监测。

2015年国家电网总部科技项目资助 (编号：WNJ151－0059)。