基于远程耦合法的绝缘子泄漏电流监测及局部放电识别

项恩新，王科

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

0前言

初期泄漏电流主要是容性正弦电流，当污秽层湿润之后，泄漏电流的幅值上升、负载阻性也上升[1-2]。泄漏电流的存在会蒸发掉湿润污秽层中的水分，从而在电缆终端绝缘子表面形成干带，此时绝缘子表面的温度也会有轻微的上升[4]。当干带形成时，泄漏电流波形开始变为非正弦型[5]。由于干带承受了绝缘子上的电压，因此容易发生放电，此时放电电流叠加在原先的正弦泄漏电流上时就产生了非正弦波，并产生高频电流尖峰。干带放电的加剧最终将导致闪络，因此监测干带放电的出现可用于电缆终端绝缘子闪络预警[6]。

本文的主要工作是提出了一种通过远程检测泄漏电流来侦测干带放电的方法，通过简单的信号处理之后对电缆终端绝缘子的状态进行了分析和预测。首先本文利用螺线圈作为探测泄漏电流的传感器进行了泄漏电流初步测量以研究螺线圈探测的可行性。之后本文在现场和实验室，利用远程测量和直接测量的方式测量了电缆终端绝缘子泄漏电流。远程耦合得到的测量信号通过时域峰态分析进行研究。通过将远程耦合测得的结果与直接检测得到的结果进行比较，本文验证了远程耦合检测泄漏电流和侦测绝缘子放电状态的有效性。

1泄漏电流传感器模型

1.1远程耦合传感器

泄漏电流远程耦合传感器的基本原理是捕捉泄漏电流释放额电磁场[7]。螺线圈缠绕在铁氧永磁体上，螺线圈平面与磁场方向垂直，并在线圈的两端感应出电压。线圈匝数为50匝，长度为80mm，直径为8mm。

如果泄漏路径的长度为d；绝缘子到线圈距离为l；传感器匝数为N，线圈截面积为A，泄漏电流峰值为I，从而传感器的感应电压ε为：

1.2信号侦测方法

信号分析主要是基于分开侦测泄漏电流的三个分量：正弦分量、非正弦分量、放电。在直接检测泄漏电流时分量识别主要是基于时域信号的观测。而远程耦合信号的侦测识别则是基于鲁棒性信号处理技术。

泄漏电流的侦测技术应当具有普适性，能适用于各式各样的样品；计算方法应当足够简单从而能应用于在线监测，进行分类时应当只在一个“短”窗口进行观察。

图1泄漏电流试验平台示意图

初步测量结果表明远程测量得到的泄漏电流时域结果包含着典型信号噪声：正弦泄漏电流中包含着高频尖峰。即使信号波形出现了些许畸变，非正弦分量信号的直接检测结果中，也没有包含有另外两种信号的时域特征的信号分量。

从时域波形的角度来分析，三种泄漏电流波形具有可见差异，因此可以据此对三种泄漏电流波形分别命名，从而可以针对信号进行深入的时域分析。在时域图像中，可以直接观察到泄漏电流波形上的尖峰以及振幅的水平偏差，本文通过从时域波形中提取代表不同振幅水平的直方图进行进一步分析。不同电压等级下，所得的信号直方图具有明显差异，这种差异与绝缘子不同的放电状态可以一一对应。

信号直方图的变化与不同泄漏电流信号幅值的变化相关，当绝缘子出现放电时直方图将出现较高振幅的尖峰，与其他信号差距明显。当进行远程泄漏电流测量时，也出现了有噪声造成的零星尖峰，这使得直方图的分布更为分散，同时低振幅水平的存在凸出了直方图的中间部分，使其呈现“尖”的外观，从而打破了直方图的高斯分布特征，使其形状更为非-高斯化。当出现放电行为时，远程测量得到的直方图就会出现波峰、波谷形状。就正弦相来说，其波峰幅值较大，震荡较为规律，从而波形分布的分散性较小，与放电时的分布相比其高斯形态更为明显。非正弦相的直方图分布介于正弦和放电之间，具有点状放电波形、波形同时具有较高振幅和较低振幅区域。分析直方图的形态是一种较为稳健的分析方法，因为在远程耦合信号的分析过程中不管绝对信号幅值如何，对应直方图形态都是不变的，相比于时域信号阈值分析技术直方图分析更为可靠。采用信号分布直方图可以避免信号幅值的影响，从而使得直方图分析受到广泛应用，也可以应用于绝缘子状态监测。

对直方图分布进行分类是可以采用直方图“相对点”对其进行量化，评估直方图的“平坦度”或者“点程度”则可以使用“峰度”参数作为量化参数来描述直方图的非高斯性。峰度计算方法如下所示：

其 中Xi,i=1,2,…,n是测量的次 数，

按如上定义，当分布直方图为正态分布时峰度将等于3，当分布直方图比正态分布更为平坦时峰度将比3低；当分布直方图比正态分布更瘦更高时峰度将大于3，同时分布图尖峰凸出越明显峰度值越大。当峰度值较高时将会打破原高斯分布，造成超高斯分布。当正弦信号被噪声信号覆盖时，其分布图接近于低峰度条件下的高斯分布，此时一旦发生闪络事故，原信号分布图将会出现较大峰度，是的分布变为超高斯分布。因此本文使用峰度作为衡量和区分不同泄漏电流的特征参数。

通过观察分布图形即可计算峰度，同时利用峰度参数只需要处理单一标量数值，比使用矢量参数方便许多，从而在泄漏电流分类时可以直接进行分类而避免其他更加复杂的步骤。

2测量方法比较研究

2.1直接测量与远程测量比较

如图2所示是正弦、非正弦、放电三种状态下泄漏电流的直接、远程测量的结果比较。这三种泄漏电流取自一直施加了标称电压50%、100%、200%的10 kV 陶瓷绝缘子，并在此三种电压等级下观察三种泄漏电流波形。图中标出了远程测量信号直方图以及对应的峰度参数k。由图中波形可以看出直接测量法得到的泄漏电流模式与远程测量得到的泄漏电流模式相关性好。

图2远程耦合法与直接测量法的泄漏电流模式识别比较

例如如图2所示当泄漏电流为正弦型时，远程测量得到的泄漏电流信号淹没在时域信号的噪声内。当泄漏电流发生畸变并且波形中包含有放电痕迹时，远程耦合法测得的波形中泄漏电流波形将会从噪声中凸显出来，如图2c所示。除了非正弦放电情况下出现的放电尖峰以外，前向谐波的形变也会导致噪声波形上出现的纹波，如图2b所示。如图2a 至图2c所示，高斯分布图形逐渐由集中向零星分布转变，其k值也由正弦电压向放电状态逐渐增加。其中不同类型绝缘子的泄漏电流波形变化特性都较为相似，因此可以使用远程泄漏电流测量法来监测绝缘子表面的放电活动。

2.2远程测量传感器位置对测量结果的影响

为了选取远程传感器最适宜的放置位置本文进行了传感器放置位置的试验，考虑到绝缘子安装方式以及紧固金具（球帽、球头）和绝缘子上泄漏电流的流向，将传感器放置在与绝缘子平行的位置进行测试。由于绝缘子几何结构呈轴对称，因此在以一个常数为半径的范围内传感器可以放置在任意位置。测试时以绝缘子为中心，传感器放置位置依次距离绝缘子0.5 m 至2.5 m，并且在每种试验电压下测量潮湿清洁条件下的泄漏电流。试验结果与公式1所示的计算结果相同，探测信号的幅值仅仅与距离相关，当传感器与绝缘子相距2.5 m 时，其信号幅值比相距0.5 m 时大8倍，考虑到信号幅值以及绝缘子可能发生的不同放电状态，将传感器安装在距离绝缘子1米的位置处。实际工程中传感器的安装位置需要考虑杆塔的几何形状以及线圈的设计方式。

2.3传感器附近干扰电流对测量结果的影响

由于远程测量泄漏电流的方式是基于泄漏电流的电磁感应探测，因此绝缘子表面其他电流产生的电磁场同样会被传感器探测并影响测量结果，因此需要研究绝缘子表面其他电流对泄漏电流测量结果的贡献。实际中绝缘子表面主要存在两种电流源：工频电流、电晕放电电流。为了量化上述两种电流源的贡献，本文在以下几种情况中测量了10 kV 玻璃绝缘子的泄漏电流：（1）传感器附近无任何干扰电流源；（2）在传感器1米处放置通400 A 电流的导线作为线电流源；（3）在距离传感器1米的位置放置长度为1 cm，面积为10 cm*10 cm 的电晕平板，平板上安装有100根电晕针，平板加压与绝缘子加压相同，共用一套电源。

如图3所示是使用直接测量、远程耦合测量得到的三种情况下的泄漏电流波形，其中当加压为标称电压50%且泄漏电流模式为正弦型时，直接测量得到的泄漏电流波形与附近干扰电流源无关，这种现象在上述三种情况中都有体现。

图3附近干扰电流对泄漏电流测量结果的影响

三种不同情况下的测量中测量结果存在些许较小差异，但分布直方图和峰度值并没有受到外部电流源的影响。其他泄漏电流模式下也观察到了相似的现象。因此，即使存在导线电流和电晕放电的影响，泄漏电流的探测也可以正常进行。

3泄漏电流测量试验

3.1试验绝缘子

试验使用的6支绝缘子，如表1所示是这6支绝缘子的参数。

表1试验绝缘子参数

3.2试验环境条件

3.2.1绝缘子清洁雾试验

清洁雾由空气压缩机对清洁水加以720 kPa压力，搭配喷头实现对绝缘子喷雾。典型雾的粒径为0.5 mm3，雾流量为0.5 dm3/m in。喷枪以90度背离传感器以避免有喷淋对传感器带来的任何损坏，五支绝缘子在50%、100%、150%、200%、250%、300%标称运行电压下对绝缘子加压。

3.2.2绝缘子盐雾试验

制备盐水用于绝缘子喷雾试验，盐水浓度分别为10 g/L 和40 g/L，用以表征染污程度的轻和重。喷洒盐水之后在50%、100%、150%、200%、250%、300%几种标称电压加压下测试五支不同绝缘子。

3.2.3运行现场积污绝缘子的清洁雾试验

本文在实验舱中（长1.2 米、宽1.3 米、高1.9米）进行染污绝缘子的清洁雾试验，水蒸气有加热水至93摄氏度进行制备，高压通过套管引入实验舱。试验过程中保持相对湿度为95%。五支现场积污的绝缘子加以50%、100%、150%、200%、250%、300%几种标称电压，并记录直接测量和远程耦合测量得到的泄漏电流信号。

4结果与讨论

4.1基于峰度值的泄漏电流模式判别

本文计算了五支现场积污绝缘子以及五支实验室染污绝缘子的峰度值k，计算结果如图4和图5所示，泄漏电流模式则根据直接检测法测得以及由远程信号耦合计算得到的峰度值k共同进行识别。如图5所示是五支现场积污绝缘子在不同施加电压下的峰度值以及模式识别结果。如图5所示是实验室染污绝缘子的结果。

图4直接测量法测量不同电压下五支现场积污绝缘子（#6～#10）的峰度值变化

图5直接测量法得到的不同电压下实验室积污绝缘子泄漏电流典型峰度值

由图可知，现场积污绝缘子泄漏电流识别结果中，模式1的峰度值介于3～5之间，模式2峰度值介于8～12之间，模式3峰度值介于30～35之间。对于实验室染污绝缘子，模式1峰度值介于2～4之间，模式2峰度值介于7～10之间，模式3峰度值介于15～18之间。

由图中可以清晰的看出现场积污绝缘子和实验室积染污绝缘子的三种模式峰度值k 计算和识别结果与预期结果相同。正弦泄漏电流模式下峰度值k 小于5，与观测结果一致，k 值趋近于3表明分布图接近于高斯分布，与泄漏电流时域信号测量中信号被噪声掩盖时较为趋近于高斯分布相对应。由于信号非线性以及信号采集误差的存在，部分情况下峰度值也会达到5。当存在有放电时泄漏电流峰度值明显高于12，非正弦泄漏电流的峰度值则介于5至12之间，此时较高的k 值是由非正弦和放电两种状态下的谐波脉冲和放电活动构成的。放电活动打破了分布图的正态分布钟型，与实际物理现象吻合。因此可以得出结论：k 值可用于三种泄漏电流的识别和测量。

4.2泄漏电流模式识别

如表2所示是通过直接测量和远程耦合测量得到的泄漏电流模式识别结果，该结果对应标称加压为50%、100%、150%和200%四种加压下的结果比较。在清洁绝缘子的20个识别案例中，准确识别18次；在较低实验室染污级别下，远程耦合法准确识别19次；在高染污程度下，远程耦合法准确识别17次。实验室染污绝缘子的识别准确率总计为90%。现场染污绝缘子的识别结果显示远程耦合法的识别准确率可达100%。

表2泄漏电流模式识别

4.3绝缘子材料对泄漏电流模式识别的影响

如图6所示是五支实验室染污绝缘子的泄漏电流直接测量结果（轻染污级别）以及一支现场染污绝缘子测量结果。加压为标称电压200%时，对于现场染污绝缘子，虽然爬距更高，但陶瓷和玻璃两种材质的绝缘子（#4和#5）泄漏电流等级比硅橡胶绝缘子大。研究发现暴露在较高场强（最短爬距）的#1号绝缘子的泄漏电流等级反而最低（0.05 m A）。硅橡胶绝缘子泄漏电流较低是因为硅橡胶具有较高防污性能。总体来说五支绝缘子虽然伞型、材料都有所不同但它们的泄漏电流模式都较为相似。其中现场积污绝缘子的泄漏电流比实验室积污绝缘子更高，而较高的k 值表明其处于非正弦放电状态。

4.4绝缘子污秽等级对泄漏电流模式识别的影响

如图7所示是玻璃绝缘子（#4号绝缘子）分别在清洁雾、低电导率盐雾和高电导率盐雾喷淋条件下的试验结果，加压为10 kV 标称电压的300%。

图6绝缘子泄漏电流测量(a)#1(b)#2(c)#3(d)#4(e)#5在轻污秽度下(f)标称电压200%加压

当清洁绝缘子喷淋清洁雾时，泄漏电流波形为正弦型，喷淋不同盐污等级的盐雾后发现泄漏电流随盐污等级的上升而上升，由于电导率的上升，泄漏电流由1.5 m A 上升至5 m A。在加压为300%时两种盐污等级下都出现了放电现象，随着盐污等级的上升泄漏电流的幅值同样上升。

与远程耦合法测得的电流相比，清洁、低污秽度、高污秽度三种条件下的峰度值分别为3、12、22。这种变化规律同样与直接测量法测得的结果相符合，分布直方图同样显示了类似趋势，其中k 值较低时分布图更接近于钟型。

4.5电压等级对泄漏电流模式识别的影响

如图8所示是#1号绝缘子在低电导率盐雾等级下加标称电压100%和300%时的结果示意图。由图中结果可以看出标称加压从100%上升至300%时泄漏电流等级从0.2 m A 上升至5m A。当加压级别为100%和200%时，k 值为3，当加压为300%时k 值上升至9.281。

图8#1号绝缘子在较轻污秽度下不同加压时的泄漏电流测量值(a)100%(b)200%(c)300%

5结束语

沿污秽绝缘子流动的泄漏电流一开始是正弦型，之后由于干带的出现畸变为非正弦波形，干带电弧的出现会反映在泄漏电流波形上，因此泄漏电流可以用正弦型、非正弦型、放电活动三种泄漏电流的模式识别。

研究发现不同材料、不同伞形的电缆终端绝缘子具有相似的泄漏电流波形，泄漏电流随着电压等级、盐污等级的上升而上升，正弦、非正弦、放电三种状态下波形也随之发生改变。同时峰度值也随之改变。

研究发现远程耦合测得的泄漏电流模式与直接测量法测得的相似。当出现放电活动时测得的波形上都有直接的反应。

根据泄漏电流直方图的峰度值可以将泄漏电流分为三类：（1）正弦放电状态下峰度值低于5；（2）放电时峰度值高于12；（3）非正弦状态下峰度值介于5至12之间。实验室染污和现场染污绝缘子之间峰度值有明显差异。识别结果显示远程耦合法的识别准确率为实验室条件下90%、现场积污条件下100%。

远程耦合法测得的泄漏电流分布峰度值可用于识别闪络之前的染污绝缘子放电状态，同时峰度值不受传感器附近电晕放电和工频电流的影响。