绝缘子泄漏电流监测系统设计

温惠婷 刘文彬 温惠康 张建峰 张泽谦 周桂涛

收稿日期：2023-08-07

基金项目：南方电网公司科技项目（031400KK52220008（GDKJXM20220755））

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.032

摘  要：通过监测输电线路中绝缘子的泄漏电流来判断绝缘子的污秽程度，以避免绝缘子发生污闪的情况。设计了一种绝缘子泄漏电流实时监测系统，系统主要包括泄漏电流传感器、泄漏电流放大与滤波模块、泄漏电流ADC转换模块、主控模块、无线通信模块和终端等功能元件。系统能够实现对绝缘子泄漏电流信号的在线监测、处理、采集、显示与传输等功能。实验结果表明，系统具有高精度的数据采集能力，对泄漏电流信号监测相对误差小于2%，满足对绝缘子泄漏电流监测的要求。

关键词：绝缘子；泄漏电流；电流传感器

中图分类号：TP277    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）06-0149-06

Design of Insulator Leakage Current Monitoring System

WEN Huiting1， LIU Wenbin1， WEN Huikang2， ZHANG Jianfeng1， ZHANG Zeqian3， ZHOU Guitao3

（1.Meizhou Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Meizhou  514021， China;

2.Jiangmen Power Supply Bureau of Guangdong Grid Co.， Ltd.， Jiangmen  529050， China;

3.School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou  510006， China）

Abstract： By monitoring the leakage current of insulators in transmission lines， the degree of contamination of insulators can be determined to avoid contamination flashover. A real-time monitoring system for insulator leakage current has been designed， which mainly includes functional components such as leakage current sensor， leakage current amplification and filtering module， leakage current ADC conversion module， main control module， wireless communication module， and terminal. This system can achieve online monitoring， processing， collection， display， and transmission functions of insulator leakage current signals. The experimental results show that the system has high-precision data acquisition capability， and the relative error in monitoring leakage current signals is less than 2%， meeting the requirements for monitoring insulator leakage current.

Keywords： insulator; leakage current; current sensor

0  引  言

絕缘子是输电线路的重要组成部分，是电网中用量庞大、种类较多的零部件，对电气设备或导体既要起绝缘作用，又要起固定悬挂作用。绝缘子在各种天气条件下，长期置于户外运行会导致绝缘子表面附着各种污秽物质，导致绝缘子的绝缘性能降低而其导电能力提高。当绝缘子受到过电压影响时，可能发生闪络现象，如果长时间发生闪络，则可能引发事故性停电[1-3]。绝缘子的泄漏电流监测信号可以用于反映其污秽程度，监测绝缘子泄漏电流信号可以使线路维护人员了解绝缘子的运行状态，并在必要时进行清洗，以避免因过高污秽程度引发闪络停电事故，这对保障电力系统的安全至关重要[4]。

由于绝缘子安装在输电线路杆塔较高的位置，绝缘子数量庞大且线路复杂，线路维护人员很难逐一进行实测以了解线路绝缘子的工作状态，无法掌握绝缘子的实际运行情况，因此相关的维护策略也无法得到落实。为解决这一问题，本文设计了一种绝缘子泄漏电流的监测系统，可以实时监测绝缘子泄漏电流信号，以评估绝缘子的污秽程度。

1  系统总体方案设计

系统由电流传感器、泄漏电流放大与滤波模块、泄漏电流ADC转换模块、主控模块、无线通信模块、电源模块和终端等组成，系统的总体结构框如图1所示。

系统通过电流传感器获取绝缘子微弱泄漏电流信号，采用泄漏电流放大与滤波模块对上述微弱信号进行放大与滤波，使用ADC转换模块将处理完成的信号进行数模转换，由主控模块计算泄漏电流信号的相关特征值，数据通过无线通信模块发送到云服务器，并在终端存储与显示。为了适应户外工作环境，系统采用以太阳能充电的蓄电池供电方式，通过在杆塔上安装太阳能电池板为系统的蓄电池充电，再由电源管理模块将蓄电池提供的电能供给系统中的各个模块使用。

2  系统硬件设计

2.1  系统整体硬件设计

系统的硬件组成包括电流传感器、泄漏电流放大与滤波电路、ADC转换电路、主控电路。泄漏电流放大与滤波电路包括电流/电压转换电路、电压放大电路和滤波电路等，主控电路的MCU采用STM32单片机，硬件电路整体框如图2所示。

图2  系统硬件电路结构图

2.2  电流传感器

采集绝缘子的泄漏电流信号，需要选择具有宽频带、高靈敏度和高精度的电流传感器。由于泄漏电流信号微弱且幅值变化大，并且频率范围宽，所选传感器要能够准确地测量这些特征。此外，电流传感器还必须适应户外运行环境，具备防水和防尘的特性[5，6]。本文选用以罗氏线圈为基础改进的电流传感器，其具备宽频率响应范围和高灵敏度，能够准确捕捉细微的泄漏电流信号。此外，该传感器的测量线路与系统设备之间没有直接的电气联系，因此测量过程更加安全可靠，并且安装便捷。同时，该电流传感器采用高质量材料制成，具有出色的耐久性和防护性能。它可以在恶劣的室外环境下长时间稳定地运行，确保系统的可靠性。

2.3  泄漏电流放大与滤波电路

泄漏电流放大与滤波电路由电流/电压转换电路、电压放大电路和滤波电路组成，电路原理如图3所示。

电流/电压转换电路在放大与滤波电路中起着关键的作用，电流信号通常用于作为传感器输出[7]，通过使用电流/电压转换电路，系统可以将电流传感器监测到的绝缘子微弱泄漏电流信号转换为等效的电压信号，以适应后续放大电路和滤波电路的要求。电路中需要使用具有极低偏置电流和高输入阻抗的运算放大器。因为如果运算放大器的偏置电流比待转换的电流信号大，导致其被掩盖以致无法准确测量。另外，在采样电阻上并联一个小电容可以减小高频信号的失真并滤除高频噪声，提高电路的频率响应和信号质量。为了保证I / V转换电路转换电压的稳定性，需要选用高精度低温漂的采样电阻。

根据图3所示的电流/电压转换电路原理，可得该电路的转换电压公式为：

式中I为微弱泄漏电流，R1为采样电阻。

根据图3中元件参数计算，电压放大电路的放大倍数为：

在绝缘子泄漏电流信号的频率中，通常包含工频50 Hz的基波成分，在异常状态下可能还包括三次谐波和五次谐波[8，9]。而在实际应用中，由于环境的干扰影响，输入信号常常会受到高频干扰信号的影响，因此在将信号送入ADC转换电路之前，必须进行滤波处理，滤除干扰信号。系统需要保留的信号主要包括基波、三次谐波、五次谐波等低频信号[10，11]，因此设计低通滤波电路用于滤除高频干扰信号。本文系统采用有源二阶巴特沃斯滤波器，根据图3中元件参数，计算二阶低通滤波器的截止频率为：

因为运算放大器的输出电压通常会存在直流偏置，因此需要设计一个高通滤波器将直流偏置电压滤除。根据图3中元件参数，计算一阶高通滤波器的截止频率为：

2.4  ADC转换电路

ADC转换电路对泄漏电流放大与滤波电路输出的电压信号进行采样，将电压信号转换成主控芯片可以运算处理的数字信号，以便于进行测量、计算、存储和发送等操作。ADC转换电路的准确性和精度等性能指标直接影响到电压信号测量的准确度，即绝缘子泄漏电流的准确度，因此采用高性能的ADC芯片并设计合适的外围电路是设计的关键。

2.5  主控电路

主控电路是由MCU及其外围电路组成，其中MCU采用STM32F4芯片。该芯片以其出色的性能和低功耗特点而备受青睐，并具备丰富的外设资源，能够满足各种嵌入式开发需求。该MCU还配备了高达192 KB的SRAM内部存储器，提供充足的运行内存，以便处理由ADC芯片传输的大量数据，主控电路的原理如图4所示。MCU的外围电路主要包括晶振电路和复位电路。复位电路的设计旨在应对可能发生的MCU程序跑飞和死机等异常情况以便及时对系统进行复位，确保系统的稳定运行。

3  系统软件设计

3.1  软件总体设计

系统的软件设计包括泄漏电流信号采集单元、泄漏电流数据处理单元、数据存储单元、无线通信模块数据传输单元等，系统软件结构框如图5所示。

泄漏电流信号采集单元设置了ADC芯片的配置程序，控制ADC转换电路对处理完成的泄漏电流信号进行数模转换。数据处理单元是系统的核心部分，利用MCU对采集单元输出的数据进行计算，并提取相关的泄漏电流特征值。数据存储单元负责将MCU计算得出的泄漏电流数据存储在TF卡中，以便长期保存。无线通信单元负责MCU与无线通信模块之间的通信，以及无线通信模块与云服务和终端之间的通信，实现将MCU计算得出的泄漏电流数据发送到终端的功能。

图5  系统软件结构框图

3.2  无线通信单元

MCU与无线通信模块之间采用RS232协议进行通信。无线通信模块通过4G网络将数据发送到云服务器。终端设备通过MQTT协议与云服务器建立连接，实现数据传输，并将数据显示在终端界面上，无线通信单元的组成框如图6所示。

图6  无线通信单元组成框图

3.3  终端显示界面

终端显示界面采用了QT框架，如图7（a）所示。该界面用于监测某塔某回路的泄漏电流和其他指标，包括泄漏电流的有效值、三五次谐波分量、电流峰谷值以及超过特定电流阈值的脉冲数。当系统监测到异常数据时，通过无线通信单元将异常泄漏电流数据发送到终端界面，并在界面上显示出来。如图7（b）所示，运维人员可以回顾以往异常状态下的泄漏电流波形。同时，终端显示界面还提供了命令输入框，使运维人员可以输入命令来修改监测系统的工作参数或改变其工作状态。通过使用QT框架设计的监测界面，用户可以方便地进行直观、灵活的操作。

（a）泄漏电流参数监测界面

（b）泄漏电流异常数据显示界面

图7  终端显示界面

3.4  泄漏电流监测流程

在系统启动后，系统程序进行初始化，并判断是否下达了监测命令，如果下达了监测命令，则泄漏电流采集模块控制ADC电路对泄漏电流放大与滤波电路输出的电压信号进行采集，并通过每秒内的所有采集电压值计算出各种数据，如泄漏电流有效值、峰峰值、三五次谐波幅值等，最后通过无线通信模块将这些数据发送至终端，系统软件对泄漏电流的监测流程如图8所示。

图8  泄漏电流监测流程图

4  系统实验结果与分析

根据实际应用要求，本文设计了系统实验。实验为将泄漏电流信号输入系统，记录系统中ADC转换电路采集到的相应电压数据。将原始泄漏电流值与对应的电压值进行拟合，得到二者的一次拟合直线，如图9所示。

图9显示了实验结果中原始泄漏电流值与对应的电压数据的线性关系，两者的线性度较好，通过一次拟合得到的拟合直线公式为：

f （x） = 2.017 7×（-0.054 2）

其中自变量x代表原始泄漏电流值，因变量f （x）代表系统ADC转换电路采集到的电压值，根据该拟合公式，系统可以准确计算出泄漏电流值，并记录泄漏电流信号的波形，结果如图10所示。

图9  泄漏电流与电压数据拟合曲线

（a）泄漏电流信号原始波形

（b）示波器记录系统处理后的泄漏电流波形

（c）系统记录泄漏电流波形

图10  泄漏电流信号波形

通过对比图10（a）（b）（c）三张图中的泄漏电流信号波形，可以发现原始信号伴随着各种高频噪声，而经过系统对泄漏电流的处理后，在保留原始信号的幅值，周期等重要信息的同时，有效地滤除了高频噪声的干扰。同时，实验还记录了泄漏电流原始信号的有效值，并与系统计算出的有效值进行对比，如表1所示。通过对比表的中两项实验数据发现，系统中测得的泄漏电流有效值与实际值之间的相对误差小于2%。这说明系统在泄漏电流测量方面具有高度的准确性和稳定性。

表1  泄漏电流有效值汇总

原始泄漏电流有效值/ mA 系统测得泄漏电流有效值/ mA

2.702 2.710

3.598 3.601

4.493 4.530

5.845 5.780

6.295 6.310

6.745 6.670

通過上述实验分析得出结论，系统对泄漏电流信号进行处理后，能够有效地滤除高频噪声，同时保留了重要的信号信息。此外，系统测得的泄漏电流有效值与实际值之间的相对误差较小，表明系统具有准确且稳定的测量能力。

5  结  论

本文详细研究了泄漏电流信号采集处理、采集和传输等技术，并设计了泄漏电流监测系统的软硬件，其中包括泄漏电流放大与滤波模块、ADC转换模块、主控模块和无线通信模块等。通过实验验证，系统能够准确记录泄漏电流信号的波形并计算出有效值验证了系统监测泄漏电流数据的准确性。借助该系统，维护人员可以在终端界面上密切监测绝缘子泄漏电流的变化情况，从而判断绝缘子可能发生污闪的风险，可以有效预防潜在的故障和事故，保障电力系统的正常运行。

参考文献：

[1] 肖立.输电线路绝缘子泄漏电流在线监测的信号数据采集及分析方法研究 [D].重庆：重庆大学，2005.

[2] 胡毅.输电线路运行故障的分析与防治 [J].高电压技术，2007（3）：1-8.

[3] 杨建明.污秽绝缘子泄漏电流监测系统的设计 [D].北京：北京交通大学，2008.

[4] 任海鹏，刘丁，李琦，等.变电站绝缘子污秽闪络在线监测技术 [J].电工技术学报，2002（3）：77-81.

[5] CHEN W，YAO C，CHEN P，et al. A New Broadband Microcurrent Transducer for Insulator Leakage Current Monitoring System [J].IEEE Transactions on Power Delivery，2008，23（1）：355-360.

[6] 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（24）：144-148.

[7] 黄辉虎.输电线路绝缘子泄漏电流在线监测 [D].长沙：长沙理工大学，2013.

[8] 赵世华，蒋兴良，张志劲，等.染污玻璃绝缘子泄漏电流特性及其闪络电压预测 [J]. 电网技术，2014，38（2）：440-447.

[9] 高勇宽.绝缘子泄漏电流数据特征量提取算法的研究 [D].保定：华北电力大学，2013.

[10] 何慧雯，戴敏，张亚萍，等.污秽绝缘子泄漏电流在线监测及数据分析 [J].高电压技术，2010，36（12）：3007-3014.

[11] 韩艳丰.绝缘子泄漏电流在线监测技术研究 [D].秦皇岛：燕山大学，2017.

作者简介：温惠婷（1985—），女，汉族，广东惠州人，工程师，硕士，研究方向：新能源及需求侧管理、电力调度与地方电厂出力分析、错峰用电与负荷调整、非统调电厂购电管理、客户节能服务、售电业务对接等。