接触网腕臂绝缘子泄漏电流特征研究

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(中国铁道科学研究院，北京 100081)

0 引言

随着中国电气化铁路的迅猛发展，尤其是高速铁路骨干网和主要区域网的建成运营，中国高速铁路网运营里程已超过1.9万公里,居世界第一位，如此规模庞大的高速铁路网对牵引供电系统的可靠性提出了更高要求，接触网腕臂绝缘子污闪防治是提高牵引供电系统可靠性的重要措施，接触网腕臂棒形绝缘子是电气化铁路特有的绝缘子形式，其积污规律复杂，由于中国特殊的气象环境，近十年来，由于接触网绝缘子污闪已频繁造成供电中断，破坏了高速旅客列车运行计划，污闪甚至会引起牵引供电系统振荡，造成更大面积停电，严重影响供电稳定和设备的安全，破坏列车的运行秩序[1]。因此，研究如何防治接触网腕臂绝缘子污闪意义重大。国内外关于绝缘子污闪防治的研究主要集中在两方面，即关于污闪机理的研究和关于绝缘子表面泄漏电流特征的研究。污闪机理与表面放电过程的研究将绝缘子表面局部放电又分为电晕放电、间歇性电弧放电和连续电弧放电，不同放电现象代表放电时绝缘子表面不同的绝缘状态[2-3]。而绝缘子表面不同的放电现象与绝缘状态会伴随着不同的泄漏电流特征。国内外针对绝缘子表面泄漏电流的分析方法通常有两种，即时域分析法和频域分析法。运行电压下泄漏电流的最大峰值、超过设定幅值的泄漏电流脉冲计数、泄漏电流有效值、泄漏电流电荷量等是目前国内外学者研究绝缘子表面泄漏电流过程中最广泛使用的特征量[4-5]。频域特征量分析泄漏电流的方法一般从频率和能量的角度分析绝缘子污闪及污秽度与泄漏电流的关系，国内外的研究主要包括快速傅里叶变化(FFT)法和功率谱分析方法，另外也有学者采用小波分析法研究了泄漏电流[5]。文献[6]通过使用快速傅里叶变化(FFT)获得绝缘子污闪过程不同阶段泄漏电流的频域特征；文献[7]为了克服FFT分辨率不足的缺点，引入现代功率谱估计法来对不同阶段泄漏电流的频域特征进行分析，并提出了污闪预警的方法。日本学者T.Suda教授研究得出，当有强电弧产生泄漏电流时，泄漏电流波形基本对称，50 Hz、150 Hz、250 Hz谐波分量所占比重较大，泄漏电流发展至闪络可分为六个阶段[8-12]。文献[13]针对经典功率谱频率分辨率低，谱峰难以定位的缺点，利用现代功率谱对其进行了改进，采用高频能量与总能量之比作为泄漏电流频域特征量。上述国内外文献关于绝缘子泄漏电流特征的研究主要针对的是电力系统绝缘子，电压等级和绝缘子型式均与电气化铁路绝缘子不同，无法反映电气化铁路接触网腕臂绝缘子表面泄漏电流在污闪全过程中的时频特征。本文以泄漏电流作为分析参量，以接触网腕臂绝缘子作为试品进行了系统的试验设计，严格的控制和改变试验条件，在较短的时间内获得了大量的泄漏电流试验数据，对泄漏电流进行了时域分析和频域分析，得出了腕臂绝缘子在不同污秽度下的表面泄漏电流特征，为电气化铁路接触网绝缘子表面泄漏电流监测及污闪防治提供了理论依据。

1 腕臂绝缘子泄漏电流试验设计

人工污秽试验是人工模拟绝缘子的积污过程、受潮情况及作用电压，测量绝缘子的泄漏电流。本论文中的试验设计参考了GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》标准中的部分规定。

1.1 试品

本文选取电气化铁路普遍使用的3种QB-25系列型号的绝缘子作为试验样品，包括QBJ-25/16电气化铁路接触网棒形瓷绝缘子、QBG-25/16接触网棒形瓷绝缘子、QBXJ-25/16接触网棒形瓷绝缘子，试品绝缘子的主要参数见表1，外观及尺寸见图1。

表1 试品绝缘子主要参数Table 1 Parameters of test sample insulators

(a)QBJ-25/16接触网棒形瓷绝缘子

(b)QBG-25/16接触网棒形瓷绝缘子

(c)QBXJ-25/16接触网棒形瓷绝缘子图1 试品绝缘子外形尺寸图Fig.1 Dimensional drawings for test sample insulators

1.2 试验方法

1.2.1 染污方法

根据GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》标准中规定的人工污秽试验的染污方法，考虑试验条件及试验方法被广泛采用的程度，本文选用固体涂层法作为污秽试验绝缘子的染污方法。用NaCl模拟导电物质，用硅藻土模拟不溶性物质，染污方式采用定量涂刷法。

1.2.2 污秽配比

根据GB/T 16434《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》中的规定，在盐密度范围为0～0.35 mg/cm2之间，绝缘子污秽等级可划分为0、I、II、III、IV个级别。考虑到电气化铁路接触网用绝缘子比电力系统架空线路用绝缘子的应用环境更为恶劣，除受到自然环境与周围工业的影响外，还有列车运行本身带来的扬尘、金属粉尘、烟雾等方面的影响，且试验设计主要考虑研究接触网绝缘子的临闪特性，所以，污秽试验选用的盐密范围主要为0.15～0.35 mg/cm2，该配比对应GB/T 16434中污秽等级的III、IV级，详见表2。表中：ρESDD为盐密度，ρNSDD代表用来进行污秽度配比的灰密度。

表2 试品污秽配比表Table 2 Contamination proportion for test sample insulators

1.2.3 电压施加方式

GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》标准中规定了的3种电压施加方式，即恒定电压法、突然加压法和升压法。恒定加压法适合牵引供电系统的实际运行情况，突然加压法仅与备用线路或新线路投入运行时的情况相近，升压法不适合牵引供电系统的运行情况，只适用于各种研究性试验和对比试验。因此，本文试验采用恒定电压法，通过调压器使试验电压快速升压至27.5 kV并维持稳定，然后用湿雾发生器使雾室起雾，逐渐湿润固体污层，记录雾室起雾到污层饱和直至绝缘子闪络整个试验过程的泄漏电流。

1.2.4 环境因素与试验控制

本试验未使用盐雾，而是用纯净水通过人工湿雾发生器产生冷雾，通过控制湿雾发生器的加湿时间来调节试验所需的湿度，使绝缘子涂层充分湿润，模拟盐雾环境中的绝缘子。该方法可以精确控制盐密，在人工污秽试验中更为常用。

在进行试验时，先将染污的腕臂绝缘子试品悬挂于人工雾室的吊钩上，然后采用恒定加压法施加电压，将试验电压迅速调至27.5 kV，待电压稳定后，使用人工湿雾发生器对雾室喷雾，使绝缘子受潮湿润。加湿前使雾室密闭，然后打开湿雾发生器，加湿至相对湿度饱和后关闭湿雾发生器，完成每次试验后均需打开雾室门窗及通风设备进行去湿，将雾室中的蒸汽全部排放干净，使雾室内湿度与室外湿度相同，试验时，每串涂好污层的试品只使用一次，即闪络或耐受后不再使用。试验中如试品发生闪络，则该次试验结束；如不闪络，则试验持续至试品饱和受潮后30min(或起雾后45min)且泄漏电流明显减小为止。每次试验结束后，为雾室去湿后，再进行第2次试验。每一污秽度下试验重复3次。

2 接触网腕臂绝缘子泄漏电流时域特性分析

2.1 泄漏电流有效值的3个特征量

(1)

(2)

Imax=max(I(i))

(3)

2.2 接触网腕臂绝缘子泄漏电流有效值与污秽度量化分析

选择附盐密度分别为0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.25 mg/cm2、0.35 mg/cm24个污秽等级的接触网系统常用的QBG-25/16棒形瓷绝缘子试验数据，对不同附盐密度下的试验数据做泄漏电流有效值分布图，见图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)。

图2 不同盐密下的泄漏电流有效值Fig.2 Leakage current effective value on the condition of different ESDD

在饱和湿度的条件下，4种不同污秽等级测得的泄漏电流有效值随着腕臂绝缘子表面污秽度的加重而逐渐增大，且污秽越严重泄漏电流有效值中包含的尖峰越多，脉冲出现频率也越高，污层表面的干带形成与发展也越迅速。可见绝缘子泄漏电流幅值的增长，是预测绝缘子表面污秽程度的重要物理量。有效值均值、有效值的最大值、有效值相对于均值的标准偏差这3个有效值特征量与污秽度的量化关系经统计计算后见图3、图4和图5。

图3 不同污秽度下的泄漏电流有效值均值Fig.3 Leakage current mean effective value on the condition of different ESDD

图4 不同污秽度下的泄漏电流有效值最大值Fig.4 Leakage current maximum effective value on the condition of different ESDD

图5 不同污秽度下的泄漏电流有效值标准差Fig.5 Standard deviation of leakage current effective value on the condition of different ESDD

3 接触网腕臂绝缘子泄漏电流频域特性分析

本节采用小波包和经验模态分解相结合的时频分析方法分析了接触网绝缘子泄漏电流试验数据，采用Welch法对试验数据进行了功率密度计算，最后对试验数据进行了谐波分析，总结了接触网腕臂绝缘子泄漏电流的频域特性。

3.1 小波包和经验模态分解相结合的时频分析方法

小波包分析的方法，可以实现分析任意频段信号的时频信号信息特征，而经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)方法又具有自适应滤波特性，所以结合两者的优良特性，本论文设计了小波包(wavelet packets，WP)和经验模态分解相结合的时频分析算法，简称WP+EMD时频分析算法，其基本流程如下：

1)将信号进行小波包分解，得到各频段的小波包系数。

2)将各小波包系数进行回复变换，得到各系数的小波包回复信号。

3)对每一回复信号进行EMD分解，得到各本征模态分量(intrinsic mode function，IMF)。

4)将每一IMF分量做时频变换，得到其时频信息。

5)将各时频信息叠加，得到信号的时频信息。

该方法能够更加精准的分析泄漏电流信号的时频信息，更清晰直观地发现泄漏电流的时频特征。

3.2 腕臂绝缘子泄漏电流的时频谱

泄漏电流波形见图6，局部放大图6中的信号见图7。作为试验样品的腕臂绝缘子表面等值附盐密度为0.25 mg/cm2，在相对湿度为饱和状态时，开始采集试验数据，根据泄漏电流波形的特征，选取600～1 000 s之间这一段波形，观察视频录像，这一时间段绝缘子表面出现了火花并很快发生燃弧，电阻增大，电流瞬间减小。针对局部超过500 mA的电流信号(832～833 s处)进行放大，采用3.1节中介绍的基于小波包的经验模态分解方法进行处理，见图8。第一个信号为泄漏电流的原始信号，往下依次为分解之后的IMF分量(沿纵轴方向进行了平移)。

图6 泄漏电流波形信号Fig.6 Signal waveform of leakage current

图7 局部放大图6中的信号Fig.7 Zoom in the sectional signal of the

(a)泄漏电流信号及其部分IMF分量

(b)泄漏电流信号剩余部分IMF分量图8 泄漏电流信号及其IMF分量Fig.8 Leakage current signal waveform and IMF component

基于WP+EMD的时频谱见图9。观察图9时频谱可见，经过结合小波包和经验模态分解处理之后的泄漏电流信号包含50 Hz和150 Hz两个主频，能够更加清晰的看出泄漏电流信号的时频特性。

图9 基于WP+EMD的时频谱Fig.9 Time-frequency spectrum based on WP&EMD

采用Welch法进行功率密度计算，结构见图10。

图10 当ESDD=0.25 mg/cm2时的功率Fig.10 Power spectrum on condition of ESDD equals to 0.25 mg/cm2

通过小波包和经验模态分解相结合的时频分析以及采用Welch法进行功率谱计算可见，接触网腕臂绝缘子泄漏电流有两个主频，一个是50 Hz对应的基波，一个是150 Hz对应的谐波，另外还有少部分5次谐波。采用相同的方法分析附盐密度分别为0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.35 mg/cm2的腕臂绝缘子所得结论与本节相同。

3.3 接触网腕臂绝缘子泄漏电流谐波分析

根据3.2节泄漏电流的时频谱分析，接触网腕臂绝缘子泄漏电流有两个主频，一个是50 Hz对应的基波，一个是3次谐波，同时也含有少量的5次谐波等高次谐波成分。谐波的变化从频域的角度反映了泄漏电流的特性，本节分析了腕臂绝缘子在0.05 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.25 mg/cm2、0.35 mg/cm24种附盐密度下的表面泄漏电流谐波含量及有效值。

当附盐密度为0.05 mg/cm2时，泄漏电流的谐波分析见图11。绝缘子处在安全区范围，泄漏电流中的3次谐波含量和5次谐波含量非常小，经计算，3次谐波含量为4.81%，5次谐波含量为2.56%。3次谐波的有效值很小。

图11 ESDD=0.05 mg/cm2时泄漏电流的谐波分析Fig.11 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.05 mg/cm2

当附盐密度为0.15 mg/cm2时，泄漏电流的谐波分析见图12，可将该污秽度水平定义为第一预报区，即轻度污秽预警区，该污秽度水平下的腕臂绝缘子泄漏电流中的3次谐波含量为26.72%，5次谐波含量为5.65%，谐波含量显著上升；3次谐波的有效值在0～100 mA之间波动。

图12 ESDD=0.15 mg/cm2时泄漏电流的谐波分析Fig.12 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.15 mg/cm2

当附盐密度为0.25 mg/cm2时，泄漏电流谐波分析见图13。可将该污秽度水平定义为第二预报区，即重度污秽预警区，该污秽度水平下的腕臂绝缘子泄漏电流中的3次谐波含量为30.06%，5次谐波含量为5.14%，相比附盐密度为0.15 mg/cm2的污秽度水平，连续监测的谐波含量仍然呈上升趋势；3次谐波的有效值在0～200 mA之间波动。

图13 ESDD=0.25 mg/cm2时泄漏电流谐波分析Fig.13 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.25 mg/cm2

当附盐密度为0.35 mg/cm2时，泄漏电流的谐波分析见图14。可将该污秽度水平定义为危险区，即临近闪络预警区，该污秽度水平下的腕臂绝缘子泄漏电流中的3次谐波含量为25.12%，5次谐波的含量为3.76%，相比附盐密度为0.25 mg/cm2和0.15 mg/cm2的污秽度水平，连续监测的谐波含量出现下降趋势。3次谐波的有效值在0～200 mA之间波动。

图14 ESDD=0.35 mg/cm2时泄漏电流的谐波分析Fig.14 Harmonic analysis of leakage current in the condition of ESDD equal to 0.35 mg/cm2

基波与主要谐波百分含量见图15。

泄漏电流谐波含量的变化规律与泄漏电流的时域特征量的变化规律相似，即在近似湿度饱和的环境条件下，当检测到接触网腕臂绝缘子泄漏电流谐波有效值在日益逐渐增大时，说明绝缘子表面污秽度在逐渐增大，此时应同时伴有泄漏电流谐波含量的逐渐增大。在电气化铁路接触网腕臂绝缘子泄漏电流实时监测过程中，如果监测到绝缘子泄漏电流谐波有效值、谐波含量逐渐增大，但谐波含量增大到30%以上后出现了下降的现象，则说明该绝缘子以及该绝缘子所在区域的其他同类绝缘子已处于临闪络的高危险状态，需及时安排天窗时间清洗。在接触网腕臂绝缘子表面污秽度处于临近闪络的危险状态时，连续监测的泄漏电流谐波含量将会出现下降，这一特征在接触网腕臂绝缘子污闪防治预警机制中具有重要的应用价值。

图15 基波与主要谐波百分含量Fig.15 Percentage composition for fundamental wave and harmonic wave

4 结论

以QB-25系列接触网腕臂绝缘子作为试品进行了人工污秽试验设计，系统地采集了绝缘子不同表面污秽度下的泄漏电流试验数据，从时域分析和频域分析研究了绝缘子表面泄漏电流特性，为电气化铁路接触网绝缘子表面泄漏电流监测及污闪防治提供了理论依据。通过试验和数据分析，主要结论如下：

1)接触网腕臂绝缘子表面泄漏电流有效值均值、有效值最大值、有效值标准差的波动反映了绝缘子表面的污秽度状况，且污秽度越大3个特征量数值越大。其中，泄漏电流有效值最大值的波动能够最显著地反映接触网腕臂绝缘子表面污秽度，因此是对腕臂绝缘子表面污秽度预测结果影响权重最大的变量，其次是泄漏电流有效值标准差、有效值均值。

2)接触网腕臂绝缘子表面泄漏电流谐波含量和谐波有效值的变化规律与泄漏电流的时域特征量的变化规律相似，即在近似饱和湿度的环境下，腕臂绝缘子泄漏电流谐波有效值、谐波含量变大，说明绝缘子表面污秽度在增加，随着绝缘子表面污秽度的增大，绝缘子将逐渐接近临近闪络的危险状态，临近闪络的状态下连续监测得到的泄漏电流谐波含量将会出现下降，这一特征在接触网腕臂绝缘子污闪防治预警机制中具有重要的应用价值。