绝缘子雾霾天气下泄漏电流特性的研究

许允之， 葛起予， 李国欣

(1.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116； 2.国网浙江余姚市供电公司，浙江 余姚 315400)

绝缘子雾霾天气下泄漏电流特性的研究

许允之1， 葛起予2， 李国欣1

(1.中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116； 2.国网浙江余姚市供电公司，浙江 余姚 315400)

雾霾； 绝缘子； 泄漏电流

0 引 言

绝缘子在电力系统中得到了广泛应用，是各类各级输变电系统中不可缺少的组成部分[1]。至2009年末，我国66 kV及以上交流系统和±500 kV及以上直流系统中，共使用22 960万片绝缘子[2]。据统计，对绝缘子可靠运行造成危害的事故有雷击闪络、污闪、雨闪、鸟粪闪络、冰闪、操作冲击闪络等，其中雷击闪络次数占事故总数的50%、污闪占40%、其他各种事故占10%。雷击闪络虽然造成的事故次数比污闪多，然而雷击闪络重合闸成功率高达90%，污闪重合闸成功率仅10%。因此,污闪造成的损失是雷击闪络的近10倍[3-5]。近些年来，在我国工农业生产力水平不断提高的同时，环境污染问题逐渐凸显，严重的大气污染问题不仅严重影响到了人们的日常生活和身体健康，也对绝缘子的运行状态更为恶劣，污闪事故发生的可能性大为增加。因此，研究雾霾天气对绝缘子的研究是极为必要的。本文在实验室模拟了雾霾天气下绝缘子的运行情况，并利用TLS-ESPRIT法对采集到的绝缘子泄漏电流进行分析。

1 雾霾对绝缘子的影响

1.1 雾霾的成因

雾霾是一种气象现象，在我国常见于秋冬两季。虽然其都对人们的视觉有阻碍作用，但是霾和雾是有区别的。雾是一种自然界中的正常现象，而雾霾是人为地向大气中排放污染物和利于霾出现的气象条件共同作用下出现的。气象学界一般以湿度作为雾和雾霾两者的区别依据，当相对湿度大于90%时称之为雾；而相对湿度小于80%时称之为霾[6]。

雾通常出现在靠近地面的大气中，当大气气温较低时，空气的汽水饱和量下降，多余的水汽会凝结成小水滴，这就被称为雾。雾大多发生在低空大气风速较小，气流流动较为平稳的时候，在这种情况下，水汽不容易扩散，更利于雾的形成。

霾的形成与大气中气溶胶浓度较高有密切的关系。气溶胶是大气中固体与液体颗粒的总称，主要包括各类盐分、碳粒、沙尘等。一定气象条件下，气溶胶在低空大气中不断积累，形成雾霾。

1.2 雾霾的成分

由于各地区大气环境的不同，雾霾的组成极为复杂，雾霾的模拟也很难说能与实际情况完全相同。总的来说，雾霾是一个固体和液体的混合物。固体成分主要是直径为μm级的固体颗粒，而液体成分就是雾水。固体成分包含的范围比较广，有沙尘、煤灰、铁粉、石灰等；液体成分即雾水，并不是纯净的清洁雾水，而是含有大量的离子，并且其酸碱性并不一定是中性的，很有可能受到大气污染的影响呈酸性[7]。

1.3 雾霾对绝缘子的影响

雾霾中含有大量的固态颗粒，在雾霾持续的时间段内，固态颗粒会在绝缘子表面沉积，绝缘子表面盐密度和灰密度均会有一定程度的上升。雾霾中的雾水与洁净的清洁雾不同，含有大量离子并且可能呈酸性。在这种酸性的、含有大量离子的雾霾雾水的作用下，绝缘子表面污秽层在受潮时，溶解的污秽物会更多，湿润污层的导电性会增加，泄漏电流更大污闪发生的可能性更大，污闪电压也会大幅降低[8]。

1.4 雾霾的模拟方法

2 绝缘子污闪的仿真分析

洁净干燥状态下绝缘子等效回路如图1所示。

图1 洁净干燥状态下绝缘子等效回路

由于绝缘子金具与接地杆塔和高压导线之间存在杂散电容，绝缘子串的电压分布是不均匀的。通常情况下，每片绝缘子本身的电容C约30～50 pF，而绝缘子金具对接地杆塔的杂散电容Cg约4～5 pF，绝缘子金具对高压导线的杂散电容Cc约0.5～1 pF。

利用Matlab软件对正常状态下的绝缘子进行仿真。仿真中，绝缘子串共有绝缘子8片，绝缘子本身电容C1～C8取40 pF，绝缘子金具对接地杆塔的杂散电容Cg1～Cg8取4.5 pF，绝缘子金具对高压导线的杂散电容Cc1～Cc7取1 pF。施加电压的有效值为110 kV，实验结果见图2。

图2 洁净干燥状态下绝缘子串各绝缘子承受的电压

从仿真结果可以看出，洁净干燥的绝缘子串电压分布呈现出“两头高、中间低”的特点，从靠近高压导线的1号绝缘子开始，绝缘子上承受的电压逐渐减小，直到7号绝缘子，承受的电压才开始回升。

积污并湿润后的绝缘子的等效回路如图3所示，与图1相比，绝缘子本身电容两端并联了污秽的等效电阻Rg。也用Matlab对积污并湿润后的绝缘子进行仿真，并联Rg取1 MΩ，实验结果见图4。

图3 积污并湿润后绝缘子等效回路

图4 积污并湿润的绝缘子串各绝缘子承受的电压

从仿真结果中可以看出，在污秽层湿润的条件下，各个绝缘子承受的电压几乎是相等的，绝缘子串的电压分布是均匀的。

当绝缘子出现干燥带时，湿润的污层被烘干与之并联的等效电阻无穷大，可视为断路。现假设第2、第7两片绝缘子出现干燥带，用Matlab进行仿真，仿真结果如图5所示。

图5 出现干燥带的绝缘子承受的电压

从仿真结果可以看出，出现干燥带的2号、7号绝缘子承受的电压远超其他绝缘子，是正常运行时承受电压最高的1号绝缘子所承受电压的2倍多，如此高的电压很可能超过沿面放电的临界电压，导致局部放电的发生。

3 模拟绝缘子雾霾天气下的运行实验

实验接线图如图6所示。试验电源符合《IEC 60507-1991交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》中对试验电源的要求[9]。

A-调压器，B-试验变压器，C-保护水阻，D-电容分压器，E-雾霾模拟装置，F-取样电阻，G-保护间隙

图6 实验接线图

实验步骤如下：

(1) 在试验进行前，先对试品绝缘子串进行预处理。仔细、彻底地清洗绝缘子表面，去除表面沾染的污物和油脂。清洗干净后悬挂起来，待其自然干燥后用于试验。

(2) 采用定量涂刷法将氯化钠和硅藻土的混合物涂刷在洁净绝缘子表面，设定绝缘子表面污秽程度为重度污秽，等值盐密度和等值灰密度分别为:

(3) 实验分为4组，每组实验用于湿润涂污绝缘子表面污秽层的雾水成分不同，每组的组分见表1。

表1 实验各组雾水成分

(4) 按图6接线。

(5) 加压方法为恒压法，对绝缘子施加恒定电压40 kV。

(6) 测量各组的泄漏电流。

4 泄漏电流去噪

小波变换具有低熵性、多分辨率性、去相关性和取基灵活性等特性，能够根据信号的特点灵活选取各个参数，能克服其他去噪方法的缺点，因此小波变换在去噪领域得到了极为广泛的应用。

一般来说，一维信号的小波阈值去噪过程有3个步骤：

(1) 选择合适的小波基函数和分解层数N，对含有噪声的原始信号进行小波分解，将信号分解成第N层的低频部分和N层高频部分；

(2) 选择合适的阈值对小波分解得到的N层高频部分的小波系数进行阈值量化处理；

(3) 根据小波分解得到的第N层低频部分的小波系数和阈值量化处理后的N层高频部分的小波系数进行小波重构得到去噪的信号。

一维信号小波阈值去噪阈值选取的方法主要有默认阈值去噪、强制去噪和给定阈值去噪。

下面利用Matlab软件对泄漏电流信号进行去噪处理，选择多种阈值计算方法对去噪结果进行比较。

原始信号见图7，为绝缘子人工污秽试验测得的泄漏电流信号，湿润成分为硝酸盐为主的溶液，采样时间26 ms，采样频率5 MHz，采样点数13 000。

图7 原始信号

表2列出了选用不同阈值选择方法的去噪效果比较。从表2可以看出，强制去噪法的去噪结果均方误差最小，但这个方法在计算过程中去除了很多有用的信息，因此不采用这种方法。综合来看，默认阈值去噪法并用软阈值函数得到的去噪效果最好，去噪结果见图8。

表2 各种阈值去噪法去噪效果比较

5 TLS-ESPRIT算法分析泄漏电流特性

ESPRIT算法是空间谱估计中子空间不变类算法的一种，在1986年由Roy等[10]提出，算法计算量小，无须进行谱峰搜索，在电力工程中得到了广泛应用。聂永辉等[11]将该算法应用于电力系统谐波检测，黄文辉等[12]在输电线路暂态保护频率分析中应用了这个算法，白旭等[13]将算法应用于异步电机转子断条故障检测。本文将该算法应用于绝缘子人工污秽试验泄漏电流特性的研究。

图8 默认阈值去噪法并采用软阈值函数的去噪结果

算法步骤如下[14-16]：将接收器接收到的信号表示为观测向量X(t)，定义观测向量的平移向量为Y(t)，Y(t)=X(t+1)。

(1) 利用X(t)平移求得Y(t)；

(2) 求自相关矩阵RXX和互相关矩阵RXY；

(3) 对RXX进行特征值分解，求得最小特征值σ2；

(4) 利用σ2计算矩阵CXX和CXY；

(5) 对CXX做奇异值分解，储存Σ1、U1和V1；

(8) 确定X(t)的各个分量频率

(9) 计算矩阵:

(10) 计算矩阵a=(λHλ)-1λHX；

本文利用总体最小二乘旋转不变子空间算法对去噪后的泄漏电流信号进行处理，提取出泄漏电流的特征参数，并进行对比分析。

图9、10分别为各组泄漏电流的幅频曲线和相频曲线,从中可以得到以下结论：

(1) 与清洁绝缘子相比，污秽绝缘子泄漏电流的幅值更大，能量更强。

(2) 与清洁雾相比，当湿润成分为盐溶液时，泄漏电流的幅值明显增加。由此可见,盐溶液作为湿润成分，使绝缘子表面的可溶盐成分增多，绝缘子表面污层的导电率变大，使得泄漏电流的幅值增加，更有可能发生污闪。

图9 泄漏电流的幅频特性

图10 泄漏电流的相频特性

(4) 以硝酸盐为主的盐溶液作为湿润成分的绝缘子泄漏电流的能量分布较为集中，主要处于0～300 Hz内，在500 Hz处也相对较大；而以硫酸盐为主的盐溶液作为湿润成分的绝缘子泄漏电流的能量则分布地较为分散，在各个频段均有分布。从相频曲线可以看出，随着频率的变大，泄漏电流分量的相位呈减小的趋势。

(5) 对比不同泄漏电流1 kHz分量的相位，清洁绝缘子泄漏电流的相位大概在-110°;清洁雾湿润的污秽绝缘子泄漏电流的相位为-100°;硝酸盐为主的盐溶液湿润的污秽绝缘子的泄漏电流的相位为-85°;

硫酸盐为主的盐溶液湿润的污秽绝缘子的泄漏电流的相位为-15°。与各个泄漏电流的幅值相对照，可以看出，泄漏电流幅值越大，相位也越小。

6 结 语

本文模拟了雾霾天气下绝缘子的运行状态，比较了无污秽绝缘子、清洁雾湿润的污秽绝缘子、硫酸盐为主的污雾湿润的污秽绝缘子和硝酸盐为主的污雾湿润的污秽绝缘子的泄漏电流特性。发现在浓度相同的条件下,硫酸盐为主的污雾对绝缘子的影响比硝酸盐为主的污雾大。

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Research on Leakage Current Characteristics of Insulator under Fog and Haze

XUYunzhi1,GEQiyu2,LIGuoxin1

(1. School of Electrical and Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu, China; 2. State Grid Yuyao Zhejiang Power Supply Company, Yuyao 315400, Zhejing, China)

In recent years, serious air pollution causes that fog-haze occurs frequently in our country. In fog-haze, the insulator is under extremely unfavorable operating state, the possibility of flash over accident is greatly increased. In order to research the influence of insulator caused by the haze weather, the pollutions caused by coal and automobile exhaust were simulated, the insulator leakage currents resulted by the different haze components were measured. The leakage current signals were collected and denoised by using wavelet threshold denoising method. Different selection method might lead to different threshold values. The pros and cons for these values were compared and the optimal threshold selection method was obtained. Characteristic parameters of leakage currents were extracted by TLS-ESPRIT algorithm and these characteristic parameters were researched. Experimental results show that the fog-haze containing leads to bigger insulator leakage current than that contains.

haze; insulators; leakage current

2016-06-13

许允之(1961-)，男，北京人，学士，高级工程师,从事高电压技术与电机故障诊断的教学与研究工作。

Tel.:15150018338;E-mail：xyzh1962@163.com

TM 855

A

1006-7167(2017)03-0036-05