关于高压绝缘子在线检测与故障诊断方法的研究

多向阳 肖泽海

摘 要：在长时间的高电压和恶劣天气的作用下，高压绝缘子很可能破损，导致高压输配电线的绝缘水平减低，进而导致电力系统受损，影响居民的工作生活，甚至威胁到居民的生命安全。本文简要分析了高压绝缘子的故障原因，并介绍了高壓绝缘子在线检测系统的原理和设计方法。

关键词：高压绝缘子 检测系统 故障定位

中图分类号：TM216 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（b）-0043-02

高压绝缘子的损坏会严重威胁到电力系统的安全和居民的正常工作生活，目前检测高压绝缘子故障的方法都需要工作人员爬到高压线塔中逐一检测，工作量大且较危险，所以如何设计出一套高压绝缘子在线检测系统是电力系统需要研究的，本文从高压绝缘子的故障原因入手，分析了监测系统的原理，并设计了一套监测系统。

1 高压绝缘子故障机理及检测方法

1.1 绝缘子阻值降低

由于长期在露天环境下工作，风雨雪以及暴晒等恶劣的天气会或多或少地对绝缘子造成一定的影响，其中发生最广泛的就是局部绝缘子失效，进而降低了整个绝缘子的等效组织，由于这种情况不会导致绝缘子停止运行，短时间内也不会发生其他后果，所以一般很少被发现，但随着情况的不断恶化，最终会导致绝缘子击穿。根据绝缘子阻值降低前后的性质差别，可以得出几个检测绝缘子阻值降低的方法，绝缘子阻值降低后，发生的变化有局部电压增大、电场分布改变、电晕脉冲电流明显、热场分布改变，所以，可以通过检验对比这几项数据，即应用电压分布法、电场测量法、脉冲电流法、红外成像法检测绝缘子阻值是否降低。

1.2 绝缘子电晕放电

绝缘子电晕放电是指绝缘子表面的电晕电流频率过大导致绝缘子局部电压过高的现象，其原因是绝缘子表面的实际E值超过了合理的E值的范围，导致绝缘子周围的气体介质带电，正负电子各自奔向负正二极，进而产生电流，即气体介质放电，绝缘子电晕放电直接导致负流注放电现象，若不能及时发现而任由负流注放电至负极时，绝缘子发生火花放电，并迅速被击穿。由于电晕放电气体介质带电，所以，可以利用紫外成像技术检查绝缘子的气体介质中是否存在定向移动的电荷，进而确定绝缘子是否有电晕放电现象。

1.3 绝缘子破损

绝缘子破损包括绝缘子原本的质量问题（如内部存在电阻差、有气泡、有夹渣等）和运行后出现的裂纹、脱粘等，这些问题都会导致绝缘子的机械强度降低、绝缘子断裂等，进而导致爬电距离减小，导致高压输配电网络出现故障，检查这一问题只能用观察法和超声波法，超声波法的原理是利用脉冲在绝缘子中的运动轨迹，从其折射和反射现象中分析绝缘子内部是否存在质量问题。绝缘子被污染后形成的表面污层可以导电，污物的组成中大部分是硫酸钙，其他成分则取决于绝缘子周围的污染源，它的电导率代表了污层的实际的电气性能，绝缘子污染有a、b、c、d、e这5个级别，污染级别越高，绝缘子表面的泄漏电流聚集的越多，绝缘子越有可能发生闪络现象，及时检查绝缘子表面是否存在污秽可避免绝缘子击穿。

2 高压绝缘子在线检测系统的设计

2.1 在线检测系统工作原理

绝缘子阻值降低、绝缘子电晕放电、绝缘子破损和污秽是导致绝缘子故障的原因，这3种故障的共同点是都存在表面泄漏电流，所以，在线检测系统以表面泄漏电流作为基本参数，在高压输配电网络中加入实时数据测量系统和GPRS系统，实时数据测量系统要测量绝缘子电压、电流、电阻、爬电距离、温度、湿度、表面电流、风力、天气状况等数据，将系统中的数据通过网络传输到监控系统中，并在系统中定义电阻计算电阻的公式Rn =dRn，根据电流、电压、电阻、爬电距离、绝缘子直径、功率的基本关系，得到高压绝缘子中电阻与爬电距离和直径的关系，定义最低绝缘子阻值，当绝缘子阻值低于达到此界限时，监控系统报警，并通过GPRS系统对故障中心进行定位，监控中心中设置一个数据库，数据库中存储绝缘子的各种故障的特征和发生故障时的各项数据，监控系统对比故障绝缘子与数据库中的各项数据，判断绝缘子故障类型。

2.2 在线检测系统结构及功能

在线检测系统由电塔；高压绝缘子；电流传感器（每个绝缘子连接一个电流传感器），用于检测绝缘子的电流将之转为f；GPS模块，用于数据处理中心接受数据；防雷击系统；软件UART；电源系统（主要用太阳能电池，蓄电池备用）；GPRS模块，用于发送数据；C8051F010、RS485、数据采集系统，采集温度、湿度、测量风速；主要可划分为电塔、数据采集、数据传输、数据分析4个模块。电流传感器装在电塔的接地线的探头中，用于采集漏电脉冲或电晕脉冲，由于绝缘子刚发生故障时，漏电脉冲或电晕脉冲都很小，不仅不能接入电路，而且会被其他电流（如正常的电力载波和泄漏电流）所干扰，所以探头中要安装放大漏电脉冲或电晕脉冲信号的放大器，数据分析模块中也要设置过滤脉冲信号的程序，为了采集到尽量多的漏电脉冲或电晕脉冲信号，放大器的频率范围要设置在20～40MHz，过滤脉冲信号的程序要设置512K空间，并选择20MHz的频率。数据传输部分，在线检测系统采用的是GPS与GPRS系统，与其他的有线和无线传输系统相比，GPS与GPRS系统成本低廉、工作量小，由于野外信号不稳，所以系统采用了在线检测系统采用了双系统模式，根据网络信号的覆盖度和强度自动变换GPRS或SMS模式。除此之外，在线检测系统还需要解决以下技术问题：在线监测系统与高压输配电网络连接时，输配电网络中的高电压瞬间加到监测系统上，很容易造成检测设备损坏，为此，在设备接入之前，要对监测系统进行光电隔离处理，从介质方面减小瞬间电压，同时采取限制电压的措施，参考防雷击方法，接入部分防雷击的措施；对于数据采集中环境对数据采集的准确性、信号发射中的折损等问题，需要采用先进设备，尽量减小高压环境的影响，测量时先模拟在测量，去除错误数据。

2.3 脉冲分析方法

脉冲分析是在线监测系统中的重要技术，是数据采集和数据分析的核心，绝缘子的漏电脉冲和电晕脉冲信号微小、波动幅度也小，不仅达不到数据传输的最小的信号值和波动值，还被同处于20MHz以下其他信号干扰，所以如何分析并筛选出尽量多的有效脉冲信号是研究脉冲分析方法的目的。首先，应选用20～40MHz的放大器放大所有信号，设置一个20MHz的过滤器，采集到的数据先传输到FFT软件中与分析中心储存的数据进行比对，将初步筛选出的信息以.MAT格式储存，并在软件内设工具箱中分析，最终分析结果就是脉冲分析结果，可直观反映是否存在绝缘子故障。电晕脉冲相位比较法则是根据脉冲信号的一个周期的数据绘出相位分布图，比较电晕脉冲信号的相位，若在接近工频信号的正、负峰值处的相位差为180°，则说明有电晕现象发生，进而比对这些绝缘子的相关数据与数据库中的数据。小波分析则是通过分析漏电脉冲信号的波形和频谱，绘出时间—频率变化图，若存在漏电脉冲的特征，则证明绝缘子故障。

3 结语

本文通过对高压绝缘子的故障分析，从绝缘子阻值降低、绝缘子电晕放电、绝缘子破损3个故障原因入手，分析对比国内外已投入应用的绝缘子在线监测系统的工作原理，先确定新检测系统的工作原理，根据工作原理设计出研究方案，通过实验检测得出的数据证明，该高压绝缘子在线监测系统可行。

参考文献

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[2] 陈青，黄建才，朱永利.基于压缩传感理论的绝缘子泄漏电流数据压缩[J].电力科学与工程，2010（2）：44-47.