高压输电线路绝缘子在线监测关键技术研究

2021-12-09刘勇

通信电源技术 2021年24期

刘勇

（湖南省电网建设有限公司，湖南衡阳 421000）

0 引言

随着社会的快速发展，高压输电线路绝缘子污闪事故发生频率较高，对电网的安全稳定运行产生直接影响。当前电力部门在污闪问题预防与解决中，往往采取的是提升外绝缘水平方式和定期清扫方式等。虽然此类方式能够起到一定的作用，但无法实现对绝缘子污湿状态的实时监测。针对这一情况，需要应用在线监测技术。通过加大对在线监测技术的研究力度，对于污闪问题的解决能够起到良好的促进作用。

1 高压输电线路绝缘子在线监测必要性

在社会快速发展的背景下，人们的生活水平不断提高，同时电力工业也取得了一定成果，无论是系统装机容量还是输电线路电压等级都得到很大提升[1]。当前很多省级区域网装机容量已经超过1 000 MW，输电线路运行电压达到750 kV。在电力系统装机容量不断提升、运行电压等级不断提高的背景下，系统运行故障影响范围也随之增大。基于此，如何提升电力系统的运行安全性与可靠性是当前电力行业发展中面临的一个重要问题。

从电力系统实际运行中不难看出，高压电网运行故障问题的出现往往受到绝缘不良的影响。在高压电网绝缘中，高压绝缘子是其中的薄弱环节，绝缘子在电位不同的导电体机械相互连接中发挥着不可替代的重要作用，其性能会对整个输电系统的安全产生直接影响。高压绝缘子不仅要具备良好的电气绝缘性能，同时还要能够有效避免外界因素的影响，从而在最大程度上确保系统供电安全。

污闪问题的出现是绝缘子表面污湿状态已经达到一定程度，此时绝缘子表面泄漏电流会出现过道情况。在高压线路与变电站当中，污闪是较为常见的一种现象，这一现象会对电网的安全稳定运行造成直接影响。在我国华东、华北以及东北地区等出现过跨省市的大面积污闪问题，造成地区网络停电和严重的经济损失。为了在最大程度上避免污闪问题的出现，针对绝缘子污闪情况，需要相关工作人员能够在短时间内做出合理判断并采取有效预防措施与解决措施。在污闪问题的防范中，电力部门会采用不同方式，例如使用耐污绝缘子、有机合成绝缘子等，同时对绝缘子进行定期清洗[2]。这种方式在实现绝缘子的安全稳定运行中发挥着重要作用，但无法将绝缘子污染状态真实反映出来，对于污闪事故预防无法达到良好效果。基于此，研发适合应用在绝缘子监测中的在线监测系统，能够实现对绝缘子运行情况的全面监督。在此背景下，工作人员可以结合绝缘子实际情况采取有效预防措施，尽量避免污闪问题与其他问题的出现，保证电网的安全稳定运行。针对高压输电线路绝缘子在线监测技术的应用，需要相关工作人员给予更多重视。

2 高压输电线路绝缘子污闪过程分析

对于污闪绝缘子表面放电机理，目前并没有一个统一认识。很多学者认为，绝缘子闪络现象并不是单纯的空气击穿，而是与化学因素、热因素以及电因素有关的污秽表面气体电离、局部电弧发生热动力平衡的过程。绝缘子湿润时期表面导电性能被强化，那么通过绝缘子表面的泄漏电流会增加，导电薄层发热。发热通常情况下会对绝缘子表面导电性能产生影响，该影响从正面与反面两个方面实现。绝缘子表面层烘干会造成电导率的减少，同时受到表面层中正温度系数电解质影响致使温度升高，从而导致绝缘电导率增加。污秽会在绝缘子表面不均匀分布，即便污秽分布较为均匀，绝缘子沿着泄漏路径的直径也会发生一定转变。基于此，绝缘子各个区域的泄漏电流密度存在一定的不同，表面层自身加热也存在不均匀情况。在潮湿程度较轻的区域和某些污层较薄的区域，尤其是在绝缘子表面泄漏电流密度较大的区域中，会承受较大外加电压，从而导致绝缘子电压分布发生变化。在绝缘子表面形成烘干区后，受到电压大小的影响致使其表面物理过程继续发展且存在差异。如果从宏观角度分析，可以将绝缘子污闪过程看作绝缘子表面积污、表面湿润、具备放电、局部电弧发生并完成闪络。

绝缘子表面积污是受到不同力的影响致使微粒朝着绝缘子移动，在这一过程中力包括重力、风力以及电场作用力[3]。风力是影响微粒移动的主要因素，电力对于微粒移动的影响相对较小，并且不会对微粒移动方向与移动速度造成影响。污秽沉积往往是由于绝缘子对于此类颗粒具有一定附着性，同时在绝缘子表面会存在电场。对于此类内容，需要相关工作人员有足够的正确认识，这样才能结合实际情况给出针对性解决措施，保证高压输电线路绝缘子的安全稳定运行。

3 高压输电线路绝缘子在线监测技术设计

3.1 中央控制模式技术设计

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是前端机系统的重点与核心，结合系统要求，处理器自身要具备更快的处理速度，同时具备低功耗特点。基于此，系统CPU可以选择16位数字处理器MSP430F149。该单片机的功能较为强大，而且性价比较高，集成了丰富的外围模块，包括定时器、硬件乘法器等。其中内部12位A/D转换器拥有4个内部通道与8个外部通道，能够实现对绝缘子多个不同污秽特征量进行采集。该单片机使用当前流行的精简指令结构，不仅执行速度较快，而且整个指令系统工作效率更高，能够充分满足信号数据处理要求。单片机中的Flash存储器容量较大，可以将其应用在数据存储与程序存储中，实现对电路设计的简化。

绝缘子在线监测系统针对泄漏电流进行有效采集处理后会将数据传输给后台控制中心，传输的数据包括数据记录时间等。软时钟需要通过程序设定时间，即便不需要额外增加部件，但程序添加流程较为复杂，在这一过程中不能出现断电情况[4]。基于此，在数据采集间隔内对低功耗时钟芯片DS1302进行合理应用，最大程度上满足系统要求。该芯片拥有7个时标，包括秒、分、时、日、星期、月以及年，同时还可以实现闰年调整。芯片在主工作电源掉电情况下能够发挥保护电路作用，同时备份电源能够自动切换到控制电路中。

3.2 数据采集模块电路设计

数据采集模块电路设计是高压输电线路绝缘子在线监测中的一项重点工作，相关工作人员需要给予足够的重视。当前泄漏电流采集过程中主要采用的方式有3种，分别是电流互感器采集方式、侵入式分布电位导入方式、集流环式屏蔽方式。其中电流互感器采集方式通常是在最后一片绝缘子上方球头挂环位置设置电流互感器或者在倒数第二片绝缘子与最后一片绝缘子之间进行信号提取，促使绝缘子表面一次电流能够被转化为二次电流，并将其传输给中央处理单元[5]。该方式主要使用的是穿芯式环形互感器，此时无法实现互感器的完全屏蔽，在抗干扰中仍然难以实现相应要求。而在两片绝缘子之间进行信号提取，会对线路安全稳定运行产生直接影响。在安装过程中需要取下整串绝缘子进行互感器安装，实际工作强度较大，而且安装工作较为困难。侵入式分布电位导入方式需要结合绝缘子串进行电压梯度分布。在过电压时或者绝缘串内存在零值绝缘子时将会出现危险情况，运行一段时间后最后一片隔离绝缘子染污，泄漏电流会出现分流，对最终数据的准确性造成影响。针对此类情况，可以采取集流环式屏蔽方式对绝缘子表面泄漏电流进行采集。在这一过程中要设置金属引流环，这样可以实现对泄漏电流信号的有效收集。利用穿芯式电流传感器，确保泄漏电流能够被引入到电流引入装置的数据处理单元中。集流环使用新型硅橡胶材料，耐高温、防积水且防污渍，不会对电容电流与杂散电流进行采集，同时可以实现对泄漏电流的准确采集。将其安装在地电位端的第一片绝缘子上部，可以保证绝缘子串的安全稳定运行。

绝缘子的整个闪络过程中，泄漏电流范围会增加。泄漏电流传感器的主要作用是对安全与泄漏电流情况与预报区泄漏电流情况进行全面测量。如果出现采集范围过大的情况，那么传感器灵敏度会受到很大影响，闲置很多量程[6]。如果采集范围过小，那么无法将信号完整反应出来。基于此，可以使用BCT-3型穿芯式泄漏电流传感器来采集0～100 mA的泄漏电流。该类型传感器使用零磁通技术实现自动补偿，能够处于零磁通工作状态。