高壓絕緣子聲信號在線檢測系統(tǒng)研究

1、烏魯木齊供電段論文綜述課題名稱： 高壓絕緣子聲信號在線檢測系統(tǒng)研究 1 研究的意義及起因本畢業(yè)設(shè)計題目是高壓絕緣子聲信號在線檢測系統(tǒng)研究。高壓絕緣子在污穢微粒與霧、露、小雨、融冰、融雪等惡劣氣象條件共同作用下，絕緣子的電氣強度大大降低，導(dǎo)致絕緣子不僅會在過電壓下發(fā)生閃絡(luò)，而且在正常運行電壓下也很容易發(fā)生污穢閃絡(luò)。為了能使高壓輸電線路和電力設(shè)備在污穢地區(qū)能可靠的運行，人們一直在尋求能正確反映污穢程度的特征量，定量劃分污穢水平，為設(shè)計和運行維護(hù)提供可靠的依據(jù)。人們在大量研究的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)污穢放電過程伴隨有聲發(fā)射現(xiàn)象，隨后在不同的電壓等級下對不同污穢程度的絕緣子做了試驗，獲得了聲信號數(shù)據(jù)，通過對試驗數(shù)

2、據(jù)的統(tǒng)計分析證明了絕緣子污穢運行的危險程度和聲信號之間存在密切的關(guān)系。輸電線路和變電站的戶外電氣設(shè)各經(jīng)常遭受到工業(yè)污穢或自然界塵土、鹽堿等的沉積污染。在干燥條件下，這些污穢的絕緣子表面電阻很大，對運行的可靠性并無大礙，但當(dāng)空氣濕度變高時(如遇霧、小雨、露等不利氣象條件)，絕緣子表面的污穢將變得濕潤，濕潤的污穢使得絕緣子表面的電阻大大減小，運行電壓下的泄漏電流大大增加，從而可能導(dǎo)致沿絕緣污穢表面發(fā)生全面閃絡(luò)。 絕緣子表面污穢濕潤的閃絡(luò)現(xiàn)象己不是一種單純的空氣間隙擊穿，而是一種與電、熱、化學(xué)因素有關(guān)的污穢表面氣體電離以及局部電弧發(fā)生、發(fā)展的熱動力平衡過程。下面分析熱動力平衡的過程。絕緣子污穢的濕潤

3、加大了表面導(dǎo)電性能使得通過絕緣子表面的泄漏電流增大、導(dǎo)電層將發(fā)熱。因為常用絕緣子沿泄漏路徑的直徑有所變化，另外污穢在絕緣子表面的分布通常是不均勻的，所以在表面泄漏電流密度最大的區(qū)域(如懸式絕緣子的鋼帽和鋼腳附近)水分將蒸發(fā)劇烈，在這些地方形成高電阻的干燥區(qū)，它將承受大部分的電壓，從而改變了絕緣子的電壓分布。2 國內(nèi)外在線檢測主要方法國內(nèi)外高壓絕緣子在線檢測的主要方法一般分為兩類：一類是非電量測量檢測法，另一類是電量測量檢測法。2.1非電量測量法2.1.1觀察法用雙筒望遠(yuǎn)鏡在塔下觀察可發(fā)現(xiàn)常見的表面缺陷，包括絕緣傘裙受侵蝕、變粗糙、外覆層侵蝕的溝槽和痕跡、絕緣傘裙閃絡(luò)、傘裙或外覆層開裂、外覆層破

4、碎、芯棒外露等。但地面觀察不可靠，缺陷可能因觀察角度不理想或污穢覆蓋而不能被發(fā)現(xiàn)，內(nèi)絕緣缺陷更可能因無明顯外表特征被遺漏，因此觀察法雖很簡便，但很不可靠。2.1.2紫外線成像法電子紫外光學(xué)探傷儀可帶電檢測復(fù)合絕緣子表面局部放電形成的碳化通道和蝕損，其原理是：局部放電過程中，帶電粒子復(fù)合會放出紫外線，當(dāng)絕緣子表面形成導(dǎo)電性碳化通道時，局部放電加劇。電子紫外光學(xué)探傷儀可檢測和記錄潮濕環(huán)境中表面染污所致表面放電和腐蝕或安裝不當(dāng)所致連接金具、均壓環(huán)上的強電暈放電。目前已有白天使用的紫外成像儀。該方法的缺點是需在正常溫度環(huán)境下操作；另外要求檢測時正在發(fā)生局部放電，故需在高濕度甚至有降雨的環(huán)境中進(jìn)行。另外

5、，檢測結(jié)果容易受到觀察角度的影響，檢測設(shè)備也較昂貴。2.1.3紅外線成像法此法用于導(dǎo)線、接頭、套管等發(fā)熱檢測及合成絕緣子局部異常發(fā)熱檢測，絕大多數(shù)由電場引起的絕緣材料損壞與溫度有關(guān)。局部放電泄漏電流流過絕緣物質(zhì)時的介電損耗或電阻損耗都可引起絕緣子局部溫度升高。通過觀察局部熱點發(fā)出的紅外線可發(fā)現(xiàn)某些缺陷。該法的缺點是儀器造價高、且溫度測量易受陽光、大風(fēng)、潮氣、環(huán)境溫度及一些能引起絕緣子表面溫度急劇變化等因素的影響。2.1.4超聲波檢測法超聲波檢測法基于超聲波在從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)的傳播過程中會在兩介質(zhì)的交界面發(fā)生反射、折射和模式變換(縱、橫波轉(zhuǎn)換)的原理的。通過接收超聲波發(fā)生器(稱為換能器

6、)發(fā)出的脈沖超聲波在進(jìn)入絕緣子介質(zhì)和穿出絕緣子介質(zhì)時的反射波來限定絕緣子的位置區(qū)間。當(dāng)絕緣子出現(xiàn)“開裂”時，則在接收到反射波的時間軸上將出現(xiàn)該缺陷的反射波，由時間軸上該缺陷波的大小及位置即可判斷出缺陷在絕緣子中的具體情況。超聲波檢測操作簡單、安全可靠、抗干擾能力強，主要用于檢測絕緣子芯棒的裂紋。但其存在耦合、衰減及超聲換能器性能等問題；另外，實測時高壓端金具常發(fā)生電暈，產(chǎn)生的背景噪音會淹沒絕緣子缺陷所發(fā)出的聲波，不適合現(xiàn)場檢測，比較適用于企業(yè)生產(chǎn)在線檢測以及實驗室檢定等。2.2電量測量法2.2.1絕緣電阻法絕緣子在線檢測過程中，絕緣電阻的測量是通過泄漏電流的測量得以實現(xiàn)的。當(dāng)絕緣子串中有零值或

7、低值絕緣子時，其對地泄漏電流的值將產(chǎn)生較大變化。該變化值依絕緣子劣化的程度及個數(shù)而異，通過檢測靈敏度及準(zhǔn)確度較高的電流傳感器可以準(zhǔn)確判斷。2.2.3脈沖電流法所謂脈沖電流法就是通過測量絕緣子電暈脈沖電流的方法來判斷絕緣子的絕緣狀況，其原理是存在劣質(zhì)絕緣子的絕緣子串中，由于劣化絕緣子的絕緣電阻很低，它在絕緣子串中承擔(dān)的電壓也較小，于是其它正常絕緣子在絕緣子串上的承受電壓必然明顯大于正常情況時的承受電壓，而因回路阻抗變小，絕緣子電暈現(xiàn)象的加劇，電暈脈沖電流必將變大。根據(jù)線路上存在劣質(zhì)絕緣子時電暈脈沖個數(shù)的增多、幅值增大的現(xiàn)象，利用寬頻帶電暈脈沖電流傳感器套入桿塔接地引線取出電暈脈沖電流信號，通過一

8、定的信號處理手段，從而達(dá)到在低壓端檢出不良絕緣子的目的。該法的難點是傳感器的選擇、信號的提取及辯識、現(xiàn)場干擾的排除等。由于電暈脈沖電流在絕緣子正常時亦可能產(chǎn)生，且隨著輸電線路電壓的波動其值也在變化，故如何消除這此因素的影響、建立絕緣了劣化判斷標(biāo)準(zhǔn)也是該法能否成功的關(guān)鍵。2.2.4泄漏電流檢測法測量絕緣子表面污穢程度常用的方法有等值附鹽密度、測量污層電導(dǎo)率和測量絕緣子表面泄漏電流法。前兩者是在停電時進(jìn)行，難以反映絕緣子在運行中的真實情況。污穢絕緣子的泄漏電流是運行電壓作用下污穢受潮時測得的流過絕緣子表面污層的電流。當(dāng)絕緣子表面污穢物積累到一定程度時，在一定外界環(huán)境下可造成絕緣子的閃絡(luò)，因而可通過

9、測量泄漏電流的大小變化來檢測絕緣子的污穢程度。國內(nèi)外對此都有較深入的研究，證實了測量泄漏電流對于檢測合成絕緣子污穢程度的可行性。研究表明：隨合成絕緣子老化的加深，閃絡(luò)電壓降低，泄漏電流升高，因此可通過泄漏電流的變化來檢測合成絕緣子的劣化程度。泄漏電流法雖能在低壓端準(zhǔn)確測量泄漏電流的變化，但受很多因素影響，不能準(zhǔn)確反映劣化程度；盡管該方法能反映較嚴(yán)重的絕緣故障，但在判斷出絕緣失效后留給操作人員處理的時間有限，很難單獨廣泛應(yīng)用；它要求每個絕緣子串上安裝一套檢測裝置，成本過高，用戶難以承受，且裝置的維護(hù)、檢修需停電進(jìn)行。綜上所述, 非電量檢測法具有不與被測量物體直接接觸、沒有高壓絕緣問題困擾的優(yōu)點,

10、 但是在具體運用時, 需要外加多種輔助設(shè)備, 因此檢測成本比較高, 而且, 檢測設(shè)備和被測物體都或多或少會受到外界環(huán)境因素的影響, 再加上檢測設(shè)備本身的不完善和使用過程中人工操作的誤差, 廣泛應(yīng)用有一定的難度。3 本課題主要內(nèi)容在絕緣子污穢放電的發(fā)展過程中，一直伴隨有熱、聲、光等物理現(xiàn)象，這里所關(guān)注的是聲信號，主要研究放電是如何產(chǎn)生聲信號以及聲信號的特征等。污穢放電的起始階段，在絕緣子的鋼腳等泄漏電流分布密集的地方產(chǎn)生千區(qū)，電壓集中分布在干區(qū)上產(chǎn)生放電現(xiàn)象，此時首先從絕緣子鋼腳根部沿瓷表面發(fā)出一些淡紫色細(xì)絲狀放電，并伴有輕微的電暈聲，接著鐵帽邊緣與瓷件連接處出現(xiàn)淡紫色短小電弧，鋼腳處的放電演變

11、為紫色刷狀放電，夾雜有黃色或白色的小火星，同時放電聲響增大:隨著干區(qū)的繼續(xù)擴大，帽緣和下傘面鋼腳處出現(xiàn)桔黃色短電弧放電，電弧較密集，放電持續(xù)發(fā)生，聲響很大;隨著受潮程度的加深，原來鋼腳處密集的短電弧被頻率較低但強度明顯加大的桔黃色電弧代替，最后出現(xiàn)紅色的主電弧貫穿整個泄距，發(fā)生閃絡(luò)。在較大的場強下，空氣被電離，電子在電場的作用下定向運動產(chǎn)生電流，這就是電弧放電的電流，此時電子的定向運動將碰撞中性氣體分子，從而將空氣分子擠緊，由于彈性和運動慣性，擠壓區(qū)內(nèi)的分子向前運動而將更前面的空氣分子擠緊，所以稠密區(qū)會向前傳播。相應(yīng)的擠壓區(qū)由于分子向前運動而自身變稀，因此稀疏區(qū)也會向前傳播，這就形成了聲波。這

12、時聲振動傳播方向與質(zhì)點振動方向一致，稱為縱波。另外電子碰撞中性氣體分子的同時也產(chǎn)生了熱，發(fā)熱的增加將促使電弧溫度的升高，從而更有利于電離。在交流電壓的作用下，當(dāng)電壓過零點時，電流也過零點，場強也變?yōu)榱悖藭r在空氣中就會發(fā)生去電離的現(xiàn)象，當(dāng)泄漏電流較大時，輸入能量也大，弧柱中積累的能量較多，完成去電離所需的時間就長，在電流在過零時電弧不易熄滅，只是電弧的強弱隨電流的大小而作周期的變化。而當(dāng)泄漏電流較小時，輸入能量也小，弧柱中積累的能量較少，能很快完成去電離，在電流過零時電弧就熄滅，從而出現(xiàn)明顯的熄滅、重燃現(xiàn)象。從能量的角度來看，放電是能量的一個瞬時的爆發(fā)，是電能以聲能、光能、熱能、電磁能等形式釋

13、放出去的一個過程。由于每次放電的時間是非常短，因此它產(chǎn)生的聲波的頻譜很寬，可以從幾十赫茲到幾兆赫茲。放電及其產(chǎn)生的聲信號都有一定程度的隨機性，使得每次放電測得的聲發(fā)射信號的頻譜都不同，即頻譜峰值的頻率是變化的，而且變化范圍較大，大致上分布在20kHz-100kHz之間。線路絕緣子的在線檢測因其安裝位置的特殊及分布區(qū)域廣泛性向來是絕緣在線監(jiān)測的一個難點。一般來說絕緣子故障主要有以下幾個方面:絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)裂隙、絕緣子表面破損、絕緣阻抗降低、污閃等，絕緣子種類不同，出現(xiàn)故障時所呈現(xiàn)的現(xiàn)象也不同。如絕緣子串中存在不良絕緣子時，不良半導(dǎo)體釉絕緣子溫度變化可能較大，而玻璃絕緣子和普通釉絕緣子的溫度變化較

14、小。相應(yīng)的高壓絕緣子在線檢測方法也多種多樣，絕緣子分布的廣泛性和安裝點的特殊性更增加了絕緣子檢測的難度。變電所高壓設(shè)備絕緣狀況在線監(jiān)測技術(shù)在國內(nèi)外已有多年的研究與應(yīng)用，并在保證電力系統(tǒng)安全供電，減少因設(shè)備絕緣狀況引發(fā)事故方面取得了明顯的成效。目前國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了很多高壓絕緣子在線檢測方法。并取得了一定的效果，但不少方法存在著測量工作量大、危險性高、設(shè)備造價高、測量不準(zhǔn)確、抗干擾能力差等問題。因此尋找一種經(jīng)濟(jì)、切實有效的高壓絕緣子在線檢測方法一直是國內(nèi)外電力部門十分關(guān)注的問題。在污穢放電發(fā)展的整個過程中，放電的出現(xiàn)是間歇的、時強時弱的，但它總的趨勢是確定的，即由微弱的輝光放電到強烈的局部電弧，在

15、這個過程中的聲信號由弱到強，從開始的輕微的電暈聲，到后面嗡嗡的電弧聲，都是污穢放電發(fā)出在20Hz20kHz頻段內(nèi)的聲信號被人的耳朵接收到產(chǎn)生的效果。有經(jīng)驗的試驗人員通過這種放電聲就可以判斷出絕緣子是否即將閃絡(luò)，所以用聲傳感器代替人耳，用模糊推理代替試驗人員的豐富的經(jīng)驗，來判斷絕緣子的工作狀態(tài)，就是本文的研究所要達(dá)到的目的。從放電是電能的釋放這一角度來看，聲能、熱能、電磁能、光能都是放電所釋放的能量的一部分，文獻(xiàn)15認(rèn)為聲能與放電釋放的能量之間是成比例的，文獻(xiàn)16也以試驗證明了這一點。雖然在實際中，由于放電受各種因素影響使得這個比例是不確定的，但從統(tǒng)計的角度來看，二者之間的比例關(guān)系是確定的。 通

16、過對污穢放電發(fā)展的整個過程及伴隨聲信號的觀察和分析可以看出，放電在每個時刻的狀態(tài)顯然是不確定的、不可預(yù)測的，但它總的趨勢是確定的，即由微弱的輝光放電到強烈的局部電弧，在這個過程中的聲信號也是由弱到強的。聲發(fā)射式的絕緣子污穢放電監(jiān)測方法就是通過獲得污穢放電過程伴隨的聲信號信息來監(jiān)測絕緣子污穢的運行狀態(tài)的。由于受到電極形狀、溫度、濕度等外界條件的影響，污穢放電產(chǎn)生的聲發(fā)射信號是無法用精確的函數(shù)來預(yù)測的，這一點在污穢試驗中也反映出來了，在相同的電壓、相同的污穢度的條件下進(jìn)行的污穢試驗，所得到的數(shù)據(jù)也會有一定的區(qū)別，因此，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理會有很大的困難，而模糊推理的方法可以較好地完成這

17、個任務(wù)。我們獲得的信息往往是不準(zhǔn)確的、不完全的，或者事實本身就是模糊的不完全確定的，但又必須利用且只能利用這些信息進(jìn)行判斷和決策。此時，傳統(tǒng)的形式邏輯和近代的數(shù)理邏輯均無法解決這類問題，解決模糊問題就需要模糊推理。模糊邏輯方法具有多因素綜合分析的特點，因而適合于對受多種因素影響的具有不確定性結(jié)論的事物或現(xiàn)象做出總的評價。即對被評判事物或現(xiàn)象，通過賦予每個影響它的因素一個評判指標(biāo)，再根據(jù)所給條件計算分析得出其總體的帶一定傾向性的結(jié)論。絕緣子污穢監(jiān)測的目的是在污閃發(fā)生之前發(fā)出報警，由于絕緣子的電參數(shù)及其劣化過程具有較大的隨機不確定性，絕緣子的絕緣性能因而存在較大的模糊性。因此只有能夠正確判斷出放電

18、是弱，或者強，才能正確判斷它對絕緣的威脅程度，就可以發(fā)出相應(yīng)的報警信息，使工作人員能夠及時采取措施防止污穢放電進(jìn)一步發(fā)展下去，達(dá)到防止污閃發(fā)生的目的?；诎l(fā)射技術(shù)的絕緣子污穢監(jiān)測的方法所得到的結(jié)果雖然存在一定的誤差，但是它能夠正確反映放電的強弱，可以實現(xiàn)絕緣子污穢在線監(jiān)測。采用模糊推理方法可以從信號的特征量得出污穢放電對絕緣的威脅程度，因此證明污穢放電的聲學(xué)監(jiān)測法是可行的。4 結(jié)論通過本次高壓絕緣子聲信號在線檢測在整個研究過程中，主要對聲信號檢測及絕緣子污閃進(jìn)行設(shè)計，同時要考慮到設(shè)計的可行性。以及如何靈活地改變方法去實現(xiàn)設(shè)計方案。5 參考文獻(xiàn)l.焦尚彬，劉丁，鄭崗，李琦.基于遙測技術(shù)的輸電線路絕緣子污穢在線監(jiān)測系統(tǒng).電力系統(tǒng)自動化，2004(15):71-752.黃興泉，李薇薇，李成榕等.不良絕緣子及其局部放電脈沖電流的檢測.電測與儀表，1997，34(5):60-633.陳耀高，鄧敏，林力輝.高壓絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)簡析.電網(wǎng)技術(shù)，2001:83-854.劉滌塵.自適應(yīng)噪聲對消應(yīng)用于高壓絕緣子泄漏電流檢測的研究