基于信息融合的绝缘子污闪故障诊断研究

吴 念 ，王 钊 ，林 卿 ，周赞东

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），南京211106；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074）

0 引言

作为输电线路的重要组成部件，绝缘子的状态直接影响线路的运行状态。绝缘子运行于高压、强电磁环境下，并长期暴露于恶劣气候、化学物质腐蚀等环境中，当表面有一定程度积污后，在潮湿气象条件下极易发生污闪事故[1-2]。绝缘子污闪事故不同于其他设备事故，它表现出来的共性特点往往造成大面积、多设备的连锁事故。近年来，尽管电力系统采取了诸多防污措施，如：绝缘子定期清洗、选用大爬距绝缘子、复合绝缘子增量投运和使用PRTV涂料等，但随着国民经济的快速发展，由工业污染和环境问题导致的绝缘子污闪事故仍然频繁发生[3]。随着人工智能技术的引入和监测技术手段的提升，国内外在绝缘子状态评估和故障诊断方面开展了深入的研究。绝缘子故障诊断以人工神经网络诊断法、模糊诊断法、专家系统诊断法等主，目前的诊断方法已取得较多研究成果，为理论研究提供了指导性技术支撑，但大多数诊断模型过于复杂，信息量获取难度较大，制约了绝缘子污闪故障的诊断。

为了提高电网防污闪工作水平和线路故障响应速度，本文通过研究绝缘子污闪影响因子、灾害形式，基于多源信息融合，综合电网各类状态信息与实际运行经验，构建线路污闪故障诊断模型，开展绝缘子污闪故障诊断分析，实现线路故障诊断的自动化和智能化，减少运维工作人员工作量，为电网防灾工作提供高效辅助支撑[3]。

1 污闪影响因子

输电线路故障与季节、地形、气候、时间、历史故障信息等密切相关。据统计，50%以上的线路故障均由恶劣气象引发，不同的恶劣气象会引发不同类型的线路故障。污闪几乎发生在绝缘子表面积污后，同时出现雾、露、毛毛雨、雨加雪等气象条件[4-5]。

目前污闪是影响线路安全运行的主要事故之一。当绝缘子表面附着污秽物质时，在一定的湿度条件下，污秽物质溶解于水，形成的电解质覆盖膜或有导电性质的气体，降低绝缘子的绝缘性能，易引起绝缘子闪络。

一般线路污闪故障的特点：

1）污闪故障主要发生在线路周边有污源，如水泥厂、公路、铝厂等。

2）易发生在久旱后突然降温并出现浓雾或毛毛雨的天气。

3）时间特性上分析，污闪易在气温偏低的初冬季节、初春或气温较低的清晨发生，温度在0℃左右，且湿度较大。

4）污闪发生面积较大，可能出现多条线路同时跳闸，且易发生自动重合闸不成功[6-7]。

某网省公司地处沿海地带，工业发达，省内分布大量水泥厂、化工厂等，线路途经地多分布大江、河流等，在冷暖空气相遇时，潮湿气候易诱发污闪事故，尤其是每年秋冬和初春。据不完全统计，2016年初春，220 kV以上线路发生跳闸6次，其中一部分重合闸不成功，造成线路停运。为了有效降低污闪事故发生，该网省公司采取了喷涂PRTV涂料、更换复合绝缘子等一系列措施，2017年度污闪事故发生概率大大降低[8]。

2 基础信息分析

基于信息融合的故障诊断技术以收集的各类基础信息为基础，挖掘筛选有用信息，用于对线路正常模式和故障模式分析，达到故障诊断目的。

污闪故障的发生是一个综合的过程反应，绝缘子积污并非瞬间现象，因此线路发生故障时必然会有实时和历史的大量信息反应发展特性。通过对各类输电线路运行状态的实时监测、在线分析预测及自动控制，搜集相关信息进行深度分析，筛选能够反映输电系统运行的稳态、暂态、动态数据以及输电设备运行状态、图像等数据集合，用于故障分析及诊断[9-10]。

用于线路故障分析数据来源主要包括以下几个部分：

1）生产管理系统：线路、杆塔、金具、绝缘子、导地线等基础台账信息。

2）行波测距系统：应用双端法原理构建的行波测距系统可实现行波数据的实时采集，实现计算安装在变电站两端的装置与故障点之间的距离，用于辅助线路故障区段初步定位。

3）SCADA系统：SCADA系统所采集的数据信息主要包括电压、电流、有功功率、无功功率、有功电量、无功电量、功率因素；开关、刀闸信号；事件顺序记录；保护信号；现场定时记录的数据等。

4）特殊区域图：特殊区段包括大跨越、多雷区、重污区、重冰区、微地形、气象区、采动影响区，为故障分析提供基础支撑。

5）在线监测：在线监测提供现场实时监测信息，直观反映线路实际运行情况，如覆冰监测装置的等值覆冰厚度、污秽监测装置的盐密和灰密、风偏监测装置的风偏角和倾斜角等，这些数据可为故障类型判断与分析提供实时数据支撑[11]。

6）历史故障案例库：历史故障案例库提供历史故障信息，并对故障处置、改造措施等进行统一管理，可以找出故障线路跳闸的特点、规律，为后续故障诊断与分析提供参考[12]。

3 故障诊断模型

3.1 故障诊断流程

线路故障诊断模型主要是利用搜集的各类信息，通过各类信息融合对线路运行状态和异常情况做出判断，分析故障所在大致部位。

线路故障诊断目前主要是借助于各类运行信息，采用人工智能进行信息融合，实现输电线路故障的识别与诊断，故障诊断基本流程见图1。

图1 故障诊断流程Fig.1 The fault diagnosis process

当线路发生故障时，通过行波测距系统进行故障区段大致定位，通过搜集的大量信息进行数据提取和融合，转变成可支持故障诊断的状态量。当大量的状态量信息输入故障诊断模型时，可实现故障的大致定位和原因初诊。每次通过故障诊断模型诊断的案例又可不断丰富完善案例库，完善和验证故障诊断模型[13]。

3.2 绝缘子污闪诊断模型

结合输电线路污闪影响因子及故障特征，以在线监测信息、地形条件、历史故障信息等为基础，构建如图2所示的绝缘子污闪故障诊断模型[14]。

根据图2可知，在获取行波测距数据后可大致定位故障杆段，污闪故障诊断模型分为4个层次：

第一层M1：污闪监测装置是否报警，直接判断现场绝缘子积污情况；

第二层M2：是否处于易污闪区，对所处环境条件进行判断；

第三层M3：绝缘子表面是否充分受潮，对是否符合污闪跳闸湿度条件进行判断；

第四层M4：结合历史故障信息，是否采取过治理措施以提高绝缘子耐污水平和性能。

通过对污闪故障诊断模型进行研究，结合历次网省公司故障跳闸信息及实际经验，进行220 kV及以上输电线路跳闸统计数据样本训练及综合分析，污闪故障概率分析见表1和表2。

各层级影响关键因子权重η，各层级关键因子影响为A：

图2 基于信息融合的污闪故障诊断模型Fig.2 The fault diagnosis model of pollution flashover based on information fusion

表1 污闪故障诊断因子及权重Table 1 The diagnostic factor and weight of pollution flashover fault

污闪事故故障概率为P：

污闪事故故障概率见表3，可初步判断是否为污闪引起故障。当计算为高概率事件时，可初步怀疑为绝缘子污闪故障，需尽快安排运维人员现场勘查以确定故障点；当为中等概率事件时，可结合其他类型故障分析，查找是否有其他高概率故障发生，如覆冰、山火等；当为低概率事件时，基本发生污闪跳闸故障可能性不大，可作为其他故障分析判定结论参考；当概率为0时，可基本排除污闪故障。

表2 故障判定条件Table 2 The fault determination condition

表3 污闪故障模式影响概率Table 3 The influencing probability of the pollution flashover fault mode

4 案例分析

2016年2月7:53，220 kV某线路发生故障跳闸，运行人员从行波测距系统中获取故障时刻双端测距结果，距两端变电站距离分别为56.783 km和64.874 km，初步定位为23号—25号杆塔区段。

第一层M1：通过在线监测装置筛选，在故障区段附近500 m范围内27号杆塔上污秽度监测装置等值盐密为0.08 mg/cm2，现场绝缘子存在积污情况；

第二层M2：通过特殊区域图及线路台账信息筛选，在故障区段附近5 km范围内有火电厂且24号、25号杆塔300 m处正在修建公路；

第三层M3：通过安装在24号杆塔上的视频监测装置传回图像，故障跳闸时刻现场雾气弥漫，能见度较差；

第四层M4：结合缺陷库、历史故障信息及线路台账信息，该线路为新建线路，于2015年6月投运，未发生过污闪故障。

通过故障诊断模型，初步计算污闪事故概率：

通过与污闪故障模式影响概率表对比分析，此次污闪为中等概率事件。通过现场人员勘查，24号杆塔B相整串表面有闪络痕迹及均压环被击穿约20 mm一个孔，24号杆塔地形处于四面环山的平地上，由于附近有污源，大雾天气下，雾气中凝结大量的水汽和灰尘，导致绝缘子发生闪络放电[15-16]。现场巡视照片见图3。

图3 现场巡视照片Fig.3 On-site inspection photo

5 结语

输电线路污闪故障易引发大面积停电事故，给电力系统的安全稳定运行造成严重危害。本文结合某网省公司污闪故障特点，充分挖掘设备状态数据信息，梳理了线路故障分析判定流程，构建了污闪故障诊断模型，实现了从多源状态量到最终故障模式的综合推理。本文构建的基于信息融合的输电线路污闪故障诊断模型在网省公司进行实际应用，能够有效地分析和初步判定故障概率，为现场运维人员提供故障辅助分析支撑。

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