高压绝缘子沿面放电过程泄漏电流的信号特征

薛朝晖,张爱军,贺 博

(1.海军指挥自动化工作站,北京 100841;2.西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049)

高压绝缘子沿面放电过程泄漏电流的信号特征

薛朝晖1,张爱军1,贺 博2

(1.海军指挥自动化工作站,北京 100841;2.西安交通大学 电力设备与电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049)

针对目前高压污秽绝缘子闪络风险评估中虚警率高,结果不够准确的现状,本文重点考察了泄漏电流包络线信号的均值,方差,偏度,峰度四项指标和沿面放电状态之间的关系,通过利用求积法实现多个指标信息的综合后发现:综合指标较之各单一指标,在实现闪络风险评估时,可以有效降低虚警误报的风险,因而更加适合去实现闪络风险的综合评判。

污秽闪络;泄漏电流;特征信号;沿面放电

高压绝缘子污秽闪络具有事发突然,机理复杂,危害性大的特点,严重影响着高压电网的可靠性。就危害性而言,污秽闪络已经远超越了雷电冲击和操作过电压,成为对电网最具威胁的因素。随着电网容量的增加和电压等级的不断提升,加上我国环境的持续恶化,污闪危害呈不断加剧趋势[1]。

目前普遍采用的防污闪措施如:选用新型绝缘子,调爬增距,使用RTV涂料,定期清扫等均属于被动防污措施,在实施过程中,由于缺乏对于现场绝缘子表面积污及放电状态的准确了解,而普遍具有一定的盲目性,在特殊情况下,也不能完全杜绝污闪事故的发生[2-4]。如果能通过特征信号,来实现绝缘子绝缘强度的监测和闪络风险的科学评判,进而将评判结果和人工防污相结合,则可以弥补被动防污的盲目性,大大提升防污闪功效。关于污秽闪络在线监测和风险预警,国内外研究机构都投入了研究力量,并有相应科研成果公布[5-7],但总体上,存在的问题是预测结果不精确,突出表现在虚警率较高[8]。

本文以人工污秽试验为基础,选取试验过程中泄漏电流信号作为分析处理对象,重点讨论了沿面放电至闪络击穿全过程中泄漏电流的变化特征,旨在找寻和电弧放电状态密切相关,可以用于绝缘强度评估和闪络预测,又能有效降低虚警风险的特征数据。为后继实现在线监测提供依据。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

采用固体层法预积污,恒压、清洁雾试验。雾室尺寸4 m×4 m×5 m;试验电源125 kVA/250 kV 无游离变压器。额定容量 125 kVA,额定电压0.4/250 kV,额定电流312.5/0.5 A。试品为XP-210 型普通悬式瓷绝缘子。利用超声波加湿器产生冷雾,最大产雾量为500 mL/h。

信号采集部分由自行研制的泄漏电流传感器、信号调理电路、湿度传感器、数据采集卡和工控机构成。电流测量范围为0.1～500 mA,相对湿度范围为10%～99%。

1.2 试验安排

试品耐受试验结果表明,对于单片XP-210绝缘子而言,当试品盐密分别为0.07 mg/cm2、0.105 mg/cm2和0.14 mg/cm2,灰密为1.40 mg/cm2时,耐受电压分别为26 kV,23 kV,和21 kV。本文试验设计为:对不同盐密试品施加相应的耐受电压进行人工污秽试验,各试验均重复三组,挑选出最能凸显沿面放电到闪络击穿全过程的一次作为分析对象。同时以单通道1 000 Hz的速度连续采集电流和湿度数据。

文中试品ESDD为0.07 mg/cm2,试验电压为26 kV。

2 试验结果及分析

2.1 数据预处理

图1为试验过程中测量得到的泄漏电流波形图,由图1可知,随着试验的进行,绝缘子泄漏电流越来越大,电绝缘强度总体上呈下降的趋势。由于本文试验为交流试验,电弧在一个工频周波内可能存在熄弧现象,所以图1的电流其实包含了两种物理现象,一种为电弧和剩余污层导电的电流,忽略寄生电容的影响,则该电流等于电弧放电的电流,还有一种为无电弧存在时的电流,该电流为剩余污层电流,不反应电弧状态。而作为污闪风险的评判,主要需要电弧放电的信息。本文考虑的是泄漏电流的包络线,该包络线覆盖了电弧放电电流的信息,而剔除了数据中大量的过零熄弧点。

图1 实测泄漏电流波形图

首先对泄漏电流数据进行数字滤波,滤波器设计为低通滤波器,通频为165 Hz,增益为0 dB,截至频率为180 Hz,增益为-200 dB,滤除高频干扰信号。选用的滤波器频响特征如图2所示。

图2 数字滤波器幅频特性

选用Hilbert变换来处理滤波后电流数据,实现电流包络线的提取[9]。由于泄漏电流偏离了正弦波,所以Hilbert变换提取包络线将受相移影响,可以通过补偿的方法消除。图3为包络线提取过程的局部放大图。可见包络线的提取是正确的。图4为提取出的泄漏电流的包络线。

图3 包络线提取波形局部放大

图4 泄漏电流的包络线波形

2.2 数据分析

研究结果表明,随着沿面电弧的发展和闪络的临近,泄漏电流呈不断增加的趋势,所以有理由认为泄漏电流均值中包含了电弧放电的状态信息,但是单纯利用泄漏电流,还不足以实现放电状态的判别,因为较大的持续放电(200 mA以上,连续50个周波或更长)才可能预示着闪络将至,短时大电流(200 mA以上,连续约10个周波)并不代表闪络的来临,所以单纯利用电流幅值监测污闪很容易造成不必要的虚警。

(1)

式(1)为电流均值的表示式,其中N为电流样本个数,Xi为电流数据序列,单位为A。

泄漏电流的方差可以用来衡量电流冲击起伏的程度,但单纯考虑方差同样不能实现闪络风险的评估,因为在试验之初,电流变化很小,方差也很小,但在临闪状态,电弧以很大的电流维持燃烧,方差同样比较小,而在具有较大冲击起伏的中间阶段,方差往往会表现出较大的值,因为此时,受外界加湿作用和电弧高温反作用的共同影响,干带处于消失和形成的过渡时期,沿面电弧强弱交替,导致电流冲击起伏较大[10-11]。

式(2)为电流标准方差的表示式,单位为A。

(2)

偏度和峰度是统计学里面两个常用的指标,主要用来评判数据样本的分布特征,偏度大于0,说明样本分布呈现右侧拖尾,反之,说明样本左侧拖尾。偏度主要用来刻画样本在分布上是左偏还是右偏。而峰度则主要用来刻画样本分布密度的陡缓程度,峰度越大,密度函数越陡峭,反之则密度函数波形平缓[12-14]。本文认为,随着放电强度的变化,大电流放电的强度和持续放电时间均发生了变化,从而导致了泄漏电流包络线样本峰度和偏度的改变。

式(3)和式(4)为偏度和峰度的定义式,无量纲。

(3)

(4)

选择泄漏电流的均值,标准方差,峰度,偏度的时变特征为分析对象[15],具体为将包络线数据按照秒为单位分段,然后对其间的1 000个样本求取均值、标准方差、峰度和偏度。得到各指标随着时间的变化,图5～图8分别为包络线均值、标准差、偏度、峰度的时变曲线。

图5 电流包络线均值波形

图6 电流包络线方差波形

图7 电流包络线偏度波形

图8 电流包络线峰度波形

由图5～图8可知,电流均值、标准方差、偏度、峰度随着沿面放电的发展而变化,但是各指标在量值上相差非常大,峰度和均值、方差相差达4个数量级。本文本着综合利用各4项指标的思想,所以需要对各指标作预处理,否则,量级大的指标暗含着大的权值,这显然有悖于综合评判的思想。本文利用各指标数据除自身数据变化范围的方法使得各数值在量值上均处于(-1 1)范围内,从而具有量值的可比性。

利用式(5)和式(6)实现均值,方差,偏度,峰度中所涵盖放电信息的综合,得到两个综合指标Index1和Index2,Index1和Index2可以看作是被均值和方差乘积因子修正后的偏度和峰度值。如下式所示

(5)

(6)

图9、图10为Index1、Index2的波形,对比图9、图10和图1、图5～图8可知,对于幅值较大的放电,图9和图10均表现出了明显的冲击,而对于电流幅值比较小的放电,图9和图10则表现的不明显。即指标1、2综合了均值、方差、偏度、峰度的特征,一方面加强了强的放电信号,同时抑制了较弱的或者持续时间短的信号。因此,对于闪络风险的综合评判来讲,利用Index1、Index2,可以降低虚警误报的风险。图9结果表明,在临闪前,修正偏度出现了明显小于0的情况,这预示着,该阶段电流包络线样本出现右偏,即样本大部分以大值出现,这和电弧持续燃烧的物理现象是吻合的。也说明了,偏度一旦出现明显小于零,则意味着很大的污闪风险[16]。

比较图9、图10可知,较之图9和图10对长时大幅放电信号的加强作用和短时大幅放电信号的抑制作用更加明显,预示着对于实现污秽闪络风险评估而言,选择Index2将具有更低的虚警风险。但指标1闪前小于0的特点更有利于捕捉临闪状态。

图9 指标1波形

图10 指标2波形

3 结束语

本文以人工污秽试验为基础,以泄漏电流数据为分析对象,提取了泄漏电流的包络线,并在此基础上讨论了包络线的均值、方差、峰度和偏度的时变波形以及和沿面放电状态的关系。在利用求积法实现各指标数据信息综合的基础上,求取了两类综合指标,并对其变化特征进行了分析。结果表明,Index1、Index2具有加强强放电特征和抑制较弱放电的特征,用其实现闪络风险的评判,可以有效减少虚警和误报。相比较而言,利用Index2实现监测,其结果具有更低的虚警风险,而Index1闪络前小于零的特征更加有利于及时发现临闪状态。这对于后继污秽闪络预报和预警的建立,具有积极的意义。

[1] 邱毓昌,施围,张文远.高电压工程[M].西安:西安交通大学出版社,1995.

[2] 胡毅.“2122电网大面积污闪”原因分析及防污闪对策探讨[J].电磁避雷器,2001,182(4):3-6.

[3] 贺博,林辉.绝缘子污秽闪络的研究现状及思索[J].电磁避雷器,2006,44(2):7-11.

[4] 关志成,王绍武,梁曦东.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.

[5] Claverie P.Predetermination of behaviour of polluted insulator[J].IEEE Transactions,1971,PAS-90(4):1902-1908.

[6] George G.Karady,Felix Amarh,Raji Sundararajan.Dynamic modeling of AC insulator flashover characteristics[C].London,UK:11th International Symposium on High-Voltage Engineering(ISH 99),1999.

[7] Felix Amarh.Electric transmission line flashover prediction system[D].Arizona,U.S.:Arizona State University,2007.

[8] George Karady,Felix Amarh.Signature analysis for leakage current wave-forms of pololuted insulators[C].New Orleans:IEEE Transmission and Distribution Conference,1999.

[9] 郑南宁.数字信号处理[M].西安:西安交通大学出版社,1995.

[10]楼顺天,李博菡.基于Matlab 的系统分析与设计——信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1998.

[11]Holtzhausen J P.AC pollution flashover models:accuracy in predicting insulator flashover[C].Montreal,Canada:10th International Symposium on High Voltage Engineering,1997.

[12]Carcia R W S,Santiago N H C,Portela C M M.A mathematical model to study the influence of source parameters in polluted insulators tests[C].Tokyo,Japan:Proceedings of the 3th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials,1991.

[13]秦超英,赵选民,师义民,等.数理统计[M].西安:西北工业大学出版社,1999.

[14]张文彤.SPSS11 统计分析教程高级篇[M].北京:北京希望电子出版社,2002.

[15]贺博,林辉.人工污秽试验中绝缘子泄漏电流的统计特性[J].高电压技术,2006,32(8):4-6.

[16]贺博,林辉.基于泄漏电流的污秽绝缘子闪络风险预测方法[J].高电压技术,2006,32(11):22-25.

Characteristic of HV Insulators’ Leakage Current on Surface Discharge

XUE Zhaohui1,ZHANG Aijun1,HE Bo2

(1.Navy Command Automation Workstation,Beijing 100841,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

The defects limiting the application of the technology and need solving instantly are that the results are always inexact and have higher false alarm rate in HV contaminated insulators flashover prediction at present.In this paper,the relationship between the surface discharge state and four indexes of leakage current envelope as mean,std,skewness,kurtosis are studied.Through synthesizing the four indexes,the new indexes were developed,which are more suitable for evaluating the flashover risk with lower false alarm rate.

pollution flashover;leakage current;characteristic signal;surface discharge

2014- 04- 07

薛朝晖(1975—),男,硕士。研究方向:电力设备的在线监测与状态评估。E-mail:xzh_75@sina.com。张爱军(1966—),女,本科。研究方向:电磁场仿真与计算及优化设计。贺博(1976—),男,博士。研究方向:污秽闪络在线检测和闪络风险预警方法,大气中沿面闪络机理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.027

TM216.1

A

1007-7820(2015)05-094-04