高压输电线路绝缘子在线监测关键技术分析

屠凯乐

摘  要：在各类高新技术快速发展的形势下，社会对电力能源的需求也随之增大，有效推动了电力工业的发展进程。在近些年的发展中，无论是系统装机容量还是输电线路的电压等级均有所提升，这同时也对电力系统的运行安全提出了更高的要求。而目前来看，因空气污染问题较为严重，输电线路经常发生绝缘子污闪事故，此类问题很可能造成大面积停电事故，对电力系统的运行可靠性带来较大威胁，常规的污秽处理手段很难使绝缘子始终保持良好绝缘运行状态。因此，围绕高压输电线路绝缘子的在线监测关键技术展开研究。

关键词：高压输电线路  绝缘子  在线监测技术  电压等级

中图分类号：TM62

Analysis of Key Technologies for the Online Monitoring of Insulators in High-Voltage Transmission Lines

TU Kaile

Nari Electric Power Design Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province， 211100 China

Abstract： With the rapid development of various high-tech technologies， the demand for electric energy in society has also increased， which effectively promotes the development process of the power industry. In the development of recent years， both the installed capacity of the system and the voltage level of transmission lines have been improved， which also puts forward higher requirements for the operation safety of the power system. Currently， due to severe air pollution issues， the pollution flashover accidents of insulators often occur in transmission lines， which are likely to cause large-scale power outages and bring significant threats to the operational reliability of the power system， and it is difficult for conventional dirt treatment methods to maintain the good insulation operation of insulators from beginning to end. Therefore， this paper focuses on key technologies for the online monitoring of insulators in high-voltage transmission lines.

Key Words： High-voltage transmission line; Insulator; Online monitoring technology; Voltage level

我国工业事业的高速发展，同时也带来了较为严重的环境污染问题。由于近些年的空气污染现象逐步加剧，使得高压输电线路的绝缘子污闪事故频繁发生，严重影响电网运行安全。现阶段，电力部门通常是采取定期清扫和强化外绝缘水平等措施来降低事故发生率。此种处理手段虽然能够起到一定的事故控制作用，但难以实时了解绝缘子的运行状态。因此，相关技术人员提出利用在线监测技术实时动态了解绝缘子的运行状态，以此降低事故影响，该项研究的推进对于提升电网运行安全具有重要意义[1]。

1  输电线路绝缘子污闪的危害及形成原理

1.1 绝缘子污闪事故的危害

高压输电线路绝缘子是确保其能够在内部过电压和大气过电压的影响下也可稳定运行的关键，一旦绝缘子自身的绝缘能力不足，便会对输电线路的运行质量造成影响。现阶段来看，绝缘子污闪事故较为常发，主要是由于绝缘子表面沉积了大量液态、固态污染物，当遇到恶劣气象条件时，很可能由于污染物和恶劣气候的同时作用，致使绝缘子的电气强度降低，最终导致输电线路乃至变电站的外绝缘可能在过电压作用下发生闪络事故，同时会由于长期运行电压产生污秽闪络，引发大范围停电问题。在近几年，由于空气污染问题加剧，输电电压升高，绝缘子污闪事故频繁发生，为电力行业带来了大量的经济损失。同时，部分污染事故很可能辐射多条输电线路或者多个变电站，造成大面积停电问题，严重影响电网安全[2]。

1.2  绝缘子污闪形成原理

针对绝缘子污染的形成原理还未形成统一的体系，可以明确的是，绝缘子闪络现象不是单纯的空气击穿现象，而是在电、热、化学因素的联合作用下产生的一种局部电弧发展的热动力平衡表现。当绝缘子表面处于湿润状态时，其导电性能也会随之增加，这时漏电电流增大，出现导电发热问题，当产生发热现象后，会从两个方面对绝缘子的导电性能产生影响，一方面是由于表面层被烘干，致使电导率减小；另一方面是由于受到温度系数电解质影响，当温度升高时，电导率会随之增加。同时，绝缘子表面的污秽分布呈现不均匀状态，绝缘子沿线路径以及直径存在较大差异。为此，绝缘子各区域的漏电电流并不相同[3]。

2  高压输电线路绝缘子在线监测关键技术

当前的电网安全问题受到社会各界的广泛关注，尤其是在高压输电线路建设规模不断增大的形势下，以往的计划检修和定期维修方式已经难以保障电网安全运行，急需由传统运维模式向状态检修层面的过渡。鉴于高压输电线路绝缘子污闪事故的频繁发生已经成为威胁电网安全运行的关键性因素，需要积极探索在线监测技术的应用，致力于通过对绝缘子绝缘状态的实时监测，提升高压输电线路的安全运行效果，尽可能降低因绝缘子泄漏或者污染问题对电网运行安全的威胁。在前期研究中发现，将前台监测系统直接安装于高压输电杆塔上，存在信号采集不良和可靠性较差的问题。因此，急需设计一个绝缘子泄漏电流监测系统，利用多种在线监测技术，提高输配电线运行稳定性[4]。

2.1  在线监测系统组成

在本次研究的绝缘子泄漏电流在线监测系统中，共有后台监控和前台监测两部分。其中的前台监测系统会实时测量绝缘子的环境温湿度以及泄漏电流等信息，并直接将所获取的数据进行处理，利用通信模块传递给后台监控系统，在系统内部对于接收的信息进行分析后，便可判断绝缘子的运行状态。通常情况下，会将前台监测系统直接装设在户外高压输电杆塔上，但由于外部运行环境相对复杂，尤其是在恶劣气候的影响下，很容易对前台监测系统的信号产生干扰影响，为提高系统监测的可靠性，需要借助较高性能的前端硬件电路来提升信号获取的可靠性，确保其在长期处于恶劣环境下也能获取精度较高的测量数据。

2.2  系统硬件技术

2.2.1  中央控制模块的关键技术

（1）CPU技术。在选用CPU时，需要结合在线监测的处理速度需求，优先选择处理速度较快和耗能较低的CPU，同时要保障CPU外部通道的数量满足在线系统的监测要求，以保障数据吞吐量符合在线监测系统的数据采集需求。MSP430F149处理器不仅具备12个通道，还应用了较为简单的指令集，指令系统存在执行速度快、数据处理效率高的特点，且其中设置了大容量存储器，可用于对数据和程序的保存，有效简化了电路结构，此类技术优势均符合在线监测系统的高性能需求。

（2）时钟芯片技术。本次研究的绝缘子在线监测系统存在数据信息实时采集和处理的应用需求，因此在对所采集的数据进行传输时，还需包含数据记录的时间，在系统中应该设置一个时钟单元，如果采取软时钟程序来保障数据记录时间的及时同步，虽然无须增设外部构件，但程序添加的操作方式较为繁琐，且不支持断电。为能达成降低系统功耗的目标，还需在数据采集的间隔之内关闭CPU，为此可以优先选用功耗偏低的时钟芯片技术来满足此项功能要求[5]。

2.2.2  数据采集模块的关键技术

（1）泄漏电流采集技术。目前较为常见的采集措施有侵入式分布电位导入法、电流互感器采集法以及急流环式屏蔽法，前两种采集方式存在安装难度大、数据采集准确性不强的弊端。因此，在本次研究中，是采用急流环式屏蔽措施对绝缘子表面的泄漏电流进行采集，主要应用方法为通过在绝缘子上部安装金属引流环来收集泄漏电流信号，再由屏蔽电缆将泄漏电流导入大地。集流环材料属于橡胶材料的一种，其具备耐高温和防污防水的特性，在实际应用中很少产生杂散电流，因此对泄漏电流信号的采集较为准确。实际应用中，只需将其装设于电位端的首个绝缘子上即可，并不会对绝缘子串的运行产生直接影响。

（2）传感器技术。根据绝缘子在线检测系统的应用需求，这里需要同时应用温湿度传感器和泄漏电流传感器，根据实际应用需求，在选用温湿度传感器时，需优先选用湿度测量范围在0～100%，温度测量范围在-40～123℃的温度的温湿度传感器，且考虑到传感器设备的空间占用问题，还需选用接口电路较为简单、体积偏小且响应速度较快、抗干扰能力强的传感器。而在选用泄漏电流传感器时，需要考虑到当绝缘子发生闪落事故时，其摄入电流的变化幅度偏大，可能达到几百毫安以上。为此，要选择采集范围较为适宜的泄漏电流传感器，以免由于采集范围过大，对传感器的灵敏性造成影响。

2.2.3 电源电路模块的关键技术

（1）太阳能供电技术。电源系统的运行质量是保障在线监测系统稳定运行的重要前提。相关研究显示，如果直接从导线上取电，需要面临电压变换频繁的绝缘配合问题，且在高压线运行时的负荷电流变化幅度偏大，很可能由于电压失稳引发用电安全问题。为此，需要优先选用太阳能供电技术，其中的太阳能电池板是该项技术的核心单元，基于太阳能电池板可以将太阳辐射直接转换为电能，而电能转换率受到日照强度和环境温度等因素的直接影响，在应用该系统进行供电时，需要优先考虑电压匹配问题。这主要是由于当太阳能输出电压低于蓄电池电压时，无法进行蓄电池充电；如果电压超出蓄电池充电压时，而充电电流也不会明显增加，则可能造成电源损失现象。因此，只有当蓄电池电压和太阳能电池的输出电压处于匹配状态时，才能达到最佳的充电效果。鉴于此，可以利用太阳能控制器对太阳能电池板的输出功率进行有效调控，确保太阳能输出功率与蓄电池的充电功率处于匹配状态，在太阳能控制器的调节作用下，还可实现对蓄电池的充电保护。

（2）蓄电池储能技术。在应用太阳能供电技术为在线监测系统提供供电服务的基础上，还需装设蓄电池储能装置，目的是保障对在线监测系统的连续供电，以免当处于阴雨气候，太阳能电池无法发挥供电作用时出现断电问题。当太阳能电池的发电量不足时，则可直接启动蓄电池进行电能补充，而当电能供应超出装置现实需要时，则会将多余电量储存起来，以备后期使用。目前，市面上较为常见的蓄电池类型包括锂电池、铅蓄电池和镍铬电池，其中的铅蓄电池存在使用成本低的特点，但适用环境温度范围较小，且存在寿命短，自放电率偏大的缺点，不适合应用于该在线监测系统中。而镍铬电池的性能相对理想，但其自身存在记忆效应，不能实现灵活蓄电，也无法使用。锂电池的成本偏高，但各项性能和功能均符合在线监测系统的供电需求。

2.2.4  通信模块的关键技术

GSM技术是当前移动通信体制中相对成熟，应用范围最广的一类时分多址通信技术，其中的短信息服务，具备收费低、可靠性高的特点，与在线监测系统的通信服务需求相符，在实际应用中，网络端可以了解被叫方是否收到信息，如出现传送失败问题，未能得到被叫方回答的情况所发送的信息会直接保留在网络上，当网络发现被叫方可以被呼叫时，便会试图重新发送信息，确保被叫方能够及时收到信息。与光纤通信、载播通信和无线通信技术相比，该种通信技术的优势显著，其通信可靠性仅次于光纤通信，但传输能力、维护经费和系统可扩充性是其他通信技术不可比拟的，因此可以将其应用于绝缘子的在线监测系统中。

2.3  系统软件技术

绝缘子在线监测前端系统的软件功能主要涉及对各模块的有效控制和协调，是保障系统可靠运行的关键。因此，系统软件技术的应用与硬件技术的应用同样重要。尤其是对于软件系统的灵活设计，能够有效弥补在硬件设施方面的缺陷，使在线监测系统的应用功能更加优越。系统软件主要负责对绝缘子状态信息的采集、处理和传输，并且将所获取的数据传输至后台控制中心，并通过短信命令的方式进行应答与处理。为能提升数据处理的可靠性，在进行程序设计时可以优先选用汇编语言编写，此举能够提升数据采集和传输的可靠性以及系统运行的稳定性。此外，考虑到软件系统的维护、调试以及升级需求，可以遵循模块化设计原则实现软件设计目标。软件系统程序主要包括初始化模块、数据采集处理模块以及通信模块。当在线监测系统启动后，先进行初始化设置，之后以短信形式向控制中心发送启动消息，同时接收由传感器获取的数据信息，并就所采集到的数据信息进行处理，计算出泄漏电流的频次和泄漏电流峰期，如超出预警值，则会以短信形式通知管理人员以及控制中心，如数据为正常状态，则直接储存于系统内部。

3  结语

电力系统中，绝缘问题已经成为威胁输电线路运行稳定性的关键因素，尤其是在高压输电线路中，绝缘子属于电网运行的薄弱环节。因其长期处于外部环境中，除了要具备较好的绝缘性能，还需具备较强的耐受能力和耐污染性能，才能保障供电系统的运行可靠。但目前来看，高压输电线路的绝缘子污闪事故十分常见，对电网运行质量具有直接影响，为能提升电网运行可靠性，需采取有效的绝缘子在线监测技术实现对绝缘子状态的实时监测，确保能够及时发现问题隐患，降低绝缘子污闪事故发生率，从源头上控制高压输电线运行安全事故，提升供电质量和可靠性。

参考文献

[1]陈星宇，杨剑，刘浩春，等.能源互联网环境下的输电线路绝缘子在线检测方法综述[J].通信电源技术，2021，38（3）：137-139.

[2]邹平，彭子耀，梁科，等.输电线路绝缘子泄漏电流在线监测装置研究[J].电工技术，2018（13）：70-71，73.

[3]刘成立.特高压输电线路V型串设计中关键问题研究[J].低碳世界，2023，13（11）：82-84.

[4]梁进祥，徐偲达，张虎.高压输电线路复合绝缘子硅橡胶内部缺陷超声检测[J/OL].绝缘材料：1-6[2024-01-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/45.1287.TM.20231225.0850.002.html.

[5]张帆. 选相投切技术对特高压系统绝缘水平影响的研究[D].大连：大连理工大学，2021.