輸電線路外絕緣狀態(tài)監(jiān)測方法

1、輸電線路外絕緣狀態(tài)監(jiān)測方法y研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)1.1 研究背景500kV港城變電站外絕緣設備放電現(xiàn)象靖兩甲乙線N7耐張塔絕緣子放電黃開甲乙線#03塔絕緣子爬電輸電線路絕緣子的污閃放電現(xiàn)象污閃問題沒有得到根除絕緣子污穢程度的表示方法1.等值附鹽密度（廣泛使用，測量簡便，和污閃電壓相關性不好）2.表面電導率（和污閃電壓相關性好，測量較復雜）3.泄漏電流（在線監(jiān)測，和積污和潮濕程度及施加電壓相關，如何根據(jù)泄漏

2、電流監(jiān)測量評估絕緣子的閃絡風險）1.2 研究內容污源釋放污染物通過監(jiān)控大氣環(huán)境監(jiān)測污源絕緣子表面累積污穢通過離線測量絕緣子表面污穢絕緣子在線運行絕緣子表面污穢度在線測量外絕緣 狀態(tài)評估1.2 研究內容系統(tǒng)組成在線監(jiān)測離線監(jiān)測污穢 評估電氣參數(shù)測量 傳感器環(huán)境參數(shù)測量 傳感器表面電導率測 量值飽和受潮表面 電導率最大值閃絡電壓 預測值鹽密、灰密 預測值表面電導率測 量值閃絡預警污穢狀態(tài)評估溫度濕度污穢度實驗室 測量系統(tǒng)氣象預報污區(qū)圖 自動更新空氣質量測量 傳感器硫化物、氮氧 化物濃度可吸入顆粒物 濃度絕緣子表面污 穢累計量預測風速、風向降雨量研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量

3、方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)2.基于大氣監(jiān)控的污穢度評測系統(tǒng)模型組成飽和受潮表面 電導率最大值鹽密、灰密 預測值污穢成分污閃電壓預測污區(qū)圖 自動更新絕緣子表面污 穢不均勻系數(shù)空氣質量測量 傳感器硫化物、氮氧 化物濃度可吸入顆粒物 濃度絕緣子表面污 穢碰撞量風速、風向降雨量環(huán)境參數(shù)測量 傳感器污源環(huán)境參數(shù) 測量傳感器污源量 化模型擴散 模型碰撞 模型絕緣子表面污 穢吸附量吸附 模型絕緣子表面污 穢飽和量流失 模型污穢狀態(tài)評估溶解 模型污閃 模型2.1 污源模型與擴散模型絕緣子表面污穢多來自大氣，大氣污染物擴散模型采用HJ/T 2.21993標準所推薦的高斯正態(tài)模型。在不穩(wěn)

4、定、中性和穩(wěn)定條件下，接受點的SO2濃度用下式預測在小風、靜風條件下，地面(x，y)點1h平均濃度可按下式計算對煙塵和粉塵，要考慮顆粒物的沉積作用2.2 絕緣子積污原理與模型絕緣子積污原理與模型：從力學角度分析，污穢顆粒在向絕緣子運動 過程中，受到流場曳力、電場力、重力、布 朗力等多種力的作用；對積污起主導作用的 是流體曳力、電場力和重力。在風速較小 時，電場力起主要作用，而在風速較大時， 則是流體曳力和重力起主導作用從污染物特征考慮，污穢顆粒的粒徑對于絕 緣子積污特性有十分重要的影響。在簡化計 算模型及理論推導后認為：在自然條件和充 分考慮粒子荷電的情況下，電場能使污穢顆 粒物的運動軌跡發(fā)生

5、較大偏移的粒徑上限為 10um；如果粒徑繼續(xù)增大，則由流體曳力和 重力起主導作用。2.2 絕緣子積污原理與模型流體分析模型流場中的絕緣子積污模型在絕緣子積污的過程中，流體 曳力對污穢顆粒的運動起著最 為重要作用，采用流體仿真軟 件來模擬計算在不同風速下絕 緣子周圍的流場分布情況。以0.6 m為半徑構建風洞仿真 模型，進行絕緣子周圍的流場 計算。污穢顆粒的粒徑分布服從分布F(d) 1 exp(d /15)1.2 )其中F(d)為粒徑小于d的顆粒所占的 質量分數(shù)d為顆粒物粒徑2.2 絕緣子積污原理與模型絕緣子-污穢碰撞模型絕緣子表面污穢碰撞量碰撞量與污穢濃度、流體速度、正 對面積有關Q cvS其中

6、，C為顆粒物濃度，v為流體速度，S為風 洞入口面積，Q為質量流率，即單位時間內通 過入口的顆粒物質量仿真結果表明，當風速分別為0.2、 7、12 m/s時，隨著顆粒物濃度的增 加，碰撞量近似線性的增長粒徑分布對碰撞量有著顯著的影 響，隨粒徑增加，上表面碰撞量增 加，下表面則變化不明顯2.2 絕緣子積污原理與模型污穢在絕緣子表面的粘附不是所有與絕緣子表面發(fā)生碰撞的顆粒都 會被絕緣子表面捕獲，需滿足一定的條件碰撞瞬間顆粒物與絕緣子壁面的作用力Fa Fw Fc FB FEFa為總粘附力，F(xiàn)w為范德華力；Fc為毛細力，F(xiàn)B為化學鍵粘合力；化學鍵粘合力需較長時間的分子擴散才能產(chǎn)生，考慮到顆粒 與表面的碰

7、撞，時間很短，故認為該力為0；親水性絕緣子表面由于連續(xù)水膜的存在，其存儲的電荷量很少，故認為靜電吸引力為0，不考慮電場作用；故只考慮范德華力和毛細力的作用。2.2 絕緣子積污原理與模型仿真結果實例在相對濕度為30%,顆粒物平均粒徑為15 um，顆粒物濃度為50 ug/m3的情況下，不同風速作用下上下表面顆粒物的粘附量如 圖所示。248101214000.511.522.533.54-11x 104.56風速/m/s積污量/kg上表面積污量-風速圖 RH=30%平均粒徑15um濃度50ug/m3248101214000.10.20.30.40.50.60.70.80.9-10 x 1016風速/

8、m/s積污量/kg下表面積污量-風速圖 RH=30%平均粒徑15um濃度50ug/m32.2 絕緣子積污原理與模型污穢累積量模型在掌握粒徑分布、結合相關氣象、污染物參數(shù)后，就可以對鹽 密、灰密進行計算iiii1 r0i0icc i (c , v )2481012140050403020106070806風速/m/s積污量 廣州地區(qū)鹽密計算曲線 上表面仿真點 上表面擬合曲線 下表面仿真點 下表面擬合曲線 積污量預測2.2 絕緣子積污原理與模型降雨與污穢流失降雨會引起絕緣子表面污穢的流失，隨降雨量的不同，污穢的 流失速度與流失比例會有差異。3126451.降雨噴頭 2.活接頭 3.水壓表4.水泵

9、5.泄壓閥 6.水箱10203040可溶鹽清洗效率（%）00246810121416時間（min） 1.0mm/min2.0mm/min 3.5mm/min51015不溶物清洗效率（%）00246810121416時間（min） 1.0mm/min2.0mm/min 3.5mm/min不同降雨量條件下的可溶部分與 不可溶部分的清洗率2.3 絕緣子積污預測系統(tǒng)絕緣子積污預測系統(tǒng)基于前述絕緣子污穢累積、流失模型，可建立絕緣子積污預測 系統(tǒng)通過污源監(jiān)測裝置監(jiān)測污源附近的氣象、環(huán)境參數(shù)，預測絕緣 子積污量監(jiān)測內容包括空氣成分（NO2、SO2濃度）；氣象要素（溫度、濕度、風速、風向、光輻射、大氣壓、雨量

10、、PH值）；空氣中顆粒物粒徑分布；模擬交、直流輸電線路絕緣子自然積污裝置。監(jiān)測后臺可接收前端監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)、實時顯示各監(jiān)測站點的 數(shù)據(jù)、分析跟蹤以及趨勢發(fā)展、歷史記錄查詢、遠程控制監(jiān)測 站、報表打印生成。2.3 絕緣子積污預測系統(tǒng)絕緣子積污預測系統(tǒng)組成絕緣子積污預測系統(tǒng)氣溶膠粒徑譜儀溫度、濕度、氣壓 氣象要素傳感器風速 傳感器光照輻射 傳感器雨量 傳感器空氣成分監(jiān)測 傳感器研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)目錄3. 離線絕緣子污穢度測量方法與系統(tǒng)傳統(tǒng)的鹽密測量主要是離線測量是使用采樣巾將污穢擦洗后，帶回實驗室測量，或者將積

11、污絕 緣子帶回實驗室后再測量其表面鹽密灰密。對鹽密和灰密測量方法不展開研究，重點討論電導率的測量主要研究內容包括表面電導測量方法研究表面電導率測量儀器研制3.1.1表面電導率的定義表面電導率測量系統(tǒng)表面電導率測量方法為在絕緣子兩端施加一定電壓后測量泄 漏電流，但測量電壓的取值及加壓時間并無統(tǒng)一標準。記絕緣子經(jīng)測量和計算 得到的表面電導率數(shù)值 為f為絕緣子形狀系數(shù)U 為測量表面電導率時施加在 絕緣子上的電壓I 為此時流過絕緣子表面的泄 漏電流。U f G fI3.1.2 測量電壓與加壓時間對測量值的影響施加電壓、加壓時間對測量結果均有影響。以往的研究中，只能給出定性的防止干區(qū)形成所應施加的電 壓

12、和由此確定的加壓時間。采用具有數(shù)據(jù)存儲功能的測量系統(tǒng)，記錄不同外加電壓和加壓時間的泄漏電流實時波形及其趨勢?？煞譃槿N類型：0204060801000.00.20.40.60.81.01.21.4Leakage Current/mATime/s020406080100024681012Leakage Current/mATime /s0204060801000246810Leakage Current/mATime /s衰減平衡型穩(wěn)定型增長型不參與平均值前5個周波3.1.2 測量電壓與加壓時間對測量值的影響不同加壓情況下的試驗結果平衡型和衰減平衡型計算所得的表面電導率數(shù)值相近。在滿足條件的情況

13、下（例如實驗室條件），優(yōu)先選擇高電壓等 級的外加電壓，以模擬絕緣子真實運行條件下的狀況；可在允 許條件下，施加略低的電壓，且適當延長加壓時間。02020406080100120泄漏電流 表面電導率 平衡型測點衰減平衡型測點81046測量電壓/kV泄漏電流 /mA042610812表面電導率 / S3.1.6小結測量表面電導率對外加電壓及加壓時間有要求，施加較高電壓，測試時間較短，所獲得表面電導率值可靠。自然污穢的可溶鹽種類復雜，電導率和污閃電壓相關性好于等值鹽密。對于人工污穢試品，表面電導率與含鹽量（試驗鹽密）有較好的對應關系。一般而言，對于同一污源環(huán)境中的絕緣子，污穢成分相近，污 穢分布相似

14、。因而可通過測量表面電導率，結合經(jīng)驗公式，獲 得自然鹽密。該測量方法可通過自動化手段實現(xiàn)。3.2.2表面電導率測量系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)要求可為單片絕緣子提供穩(wěn)定可控的溫、濕度環(huán)境；可測 量泄漏電流，并可計算表面電導率測量系統(tǒng)基本組成3.2.2表面電導率測量系統(tǒng)開發(fā)試驗倉及控制系統(tǒng)箱體外形尺寸1350mm*1000mm*1650mm；高壓、低壓物理隔離，測量、控 制回路與執(zhí)行單元隔離；控制部分包括工控機、邏輯控制 器、按鍵面板；顯示輸出部分包 括顯示屏、指示燈與35kV/50kVA污穢電源配合，靜態(tài)占地面積小于5m2，方便運輸考慮到安全距離要求，開展試驗 時所需面積小于10m2，可方便地 在集裝箱體或較

15、小實驗室空間內 開展試驗。試 驗 倉顯示屏控制 面板溫濕度控制單元箱體3.2.2表面電導率測量系統(tǒng)開發(fā)罐體選用絕緣透明有 機玻璃材質，可滿足 電氣絕緣要求，同時 便于觀察試驗過程罐體內徑650mm，高 度800mm，可滿足3 片XP70、XWP160型 絕緣子試驗系統(tǒng)的水位控制，可 自動加水、排水完善的人機交互功能罐體結構抽濕系統(tǒng)儲水系統(tǒng)加濕系統(tǒng)試驗倉體3.2.2表面電導率測量系統(tǒng)開發(fā)按照系統(tǒng)組成，分別完成各組件設計制作。試驗變壓器高壓套管機柜控制回路表面電導率測量模塊3.2.2表面電導率測量系統(tǒng)開發(fā)為方便現(xiàn)場應用，進一步集成化。3.2.4加速受潮的方法研究出現(xiàn)凝露后，不論當前 濕度為多少，均

16、會在絕 緣子表面出現(xiàn)露珠的凝 結，進而導致污層的迅 速受潮。絕緣子各處溫度特性不 完全相同，但差異并不 大，凝露會均與地出現(xiàn) 在絕緣子各個區(qū)域。一般條件下可以認為， 凝露出現(xiàn)后，絕緣子會 立刻飽和受潮。未發(fā)生凝露組發(fā)生凝露組起始時刻起始時刻5min5min10min10min3.2.6測量系統(tǒng)現(xiàn)場應用利用前述系統(tǒng)，開展絕緣子污穢度現(xiàn)場評估?，F(xiàn)場試驗摘取絕緣子3.2.6測量系統(tǒng)現(xiàn)場應用測量用時小于30分鐘，不破壞污層，重復性好，可靠性高。為支持特高壓建設，2013年分別在江蘇泰州、揚州、南通、 蘇州等地區(qū)的8條線路上開展絕緣子污穢度實測。試驗結果序號地區(qū)外絕緣配置鹽密/灰密（mg/cm2）表面電

17、導率（S）1泰州28*XWP2-1600.03/-0.992揚州28*XWP2-1600.025/0.0820.433揚州28*XWP2-1600.035/-0.784南通14*XWP2-700.014/0.0100.445南通30*XWP2-1600.082/0.0432.966南通14*XWP2-700.11/-3.687蘇州18*XWP2-700.489/0.48733.58蘇州28*XWP2-1600.09/-3.413.2.7小結沿串污穢均勻分布的條件下，絕緣子串表面電導率與測量所 得單片表面電導率相等；對滿足特定條件的不均勻分布絕緣 子串，可以利用插值方式簡化測量過程，得到近似數(shù)值

18、?，F(xiàn)場應用表明，表面電導率測量系統(tǒng)測量耗時短，精度高， 可重復性強，可滿足污穢度評估的需求，可在一定程度上簡 化傳統(tǒng)的鹽密測量工作。研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)4.在線絕緣子污穢度測量方法與系統(tǒng)泄漏電流是在線監(jiān)測絕緣子污穢程度的特征量泄漏電流和電導率之間可以換算，利用電導率估算污閃電壓更 直接泄漏電流不僅和積污關系密切，而且和受潮程度關系密切。主要研究內容包括受潮程度和泄漏電流（表面電導率）之間的關系在線測量系統(tǒng)研究4.1.3飽和受潮條件下表面電導率與閃絡電壓梯度閃絡電壓梯度與表面電導率呈現(xiàn)負冪指數(shù)關系當串長較長時，

19、絕緣子形狀 對閃絡電壓影響減弱，試驗 所得7、14、21、28片絕緣子 串的規(guī)律相近；當絕緣子串 較短時，絕緣子形狀對閃絡 電壓影響較明顯，所以3片串 所得曲線與其他曲線略有差 異；總體而言，不同串長所得污 閃電壓梯度與表面電導率之 間關系可認為近似一致。0102030405060253040354528片21片14片7片3片閃絡電壓梯度 /（kV/m)表面電導率/uS表面電導率與 閃絡電壓梯度4.1.4基于實時表面電導率的閃絡電壓預測研究利用實時測量表面電導率，推算飽和受潮條件下的表面電導率的方法。將人工污穢的絕緣子 串置于霧室中，在帶 電條件下依次在不同 濕度充分受潮，記錄 各個濕度下的充

20、分受 潮表面電導率，在 100%濕度條件下飽 和受潮，記錄飽和受 潮表面電導率，用升 壓法做閃絡試驗。不同鹽密、不同濕度下的電導率（14片串，耐壓126kV）758095100051015202530表面電導率 /uS8590相對濕度/%等值鹽密mg/cm20.0250.050.0750.10.20.3非飽和濕度充分受潮飽和受潮4.1.4.2濕度折算數(shù)學模型前述分析了絕緣子表面污穢受潮過程中的電導率變化。低濕度條件下的表面電導率和飽和受潮條件下的表面電導率 之間存在關系。0 .050.100.150.200.250.300510152025307580 85 90 95 100 表面電導率 /

21、uS0.0002.0004.0006.0008.00010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.0026.0028.0030.00相對濕度 /%等值鹽密 /(mg/cm2)1.005.0010.0015.000.200.050.100.150.200.250.307580859095100等值鹽密 /(mg/cm2)表面電導率污穢度相對濕度關系圖相對濕度 /%0.006.0012.0018.0024.002.0030.00表面電導率 /uS4.1.6 小結飽和受潮情況下，絕緣子串污閃電壓與表面電導率存在負冪 指數(shù)關系。絕緣子串閃絡電壓與絕緣子串長間滿足線性關系

22、，平均單片 閃絡電壓與表面電導率為負冪指數(shù)關系。試驗結果表明，可 以通過測量絕緣子飽和受潮表面電導率，預測不同串長條件 下的飽和受潮閃絡電壓。試驗證明可通過實測非飽和受潮條件下實時表面電導率值計算飽和受潮表面電導率，預測絕緣子串污閃電壓。4.2.1表面電導率在線測量系統(tǒng)開發(fā)電網(wǎng)污穢監(jiān)測和預警系統(tǒng)的目標在于通過采用可靠的在線監(jiān) 測技術，實時準確掌握各地區(qū)重點污區(qū)主網(wǎng)架的積污狀況。系統(tǒng)采用了分布式數(shù)據(jù)采集 集成系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)測部分包括現(xiàn)場監(jiān)測終端及 通信系統(tǒng)，可實時測量表面電導率 和環(huán)境參數(shù)；分析預警系統(tǒng)位于電網(wǎng)設備監(jiān)控中 心，實現(xiàn)后臺監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析功 能；采集終端與后臺數(shù)據(jù)庫通過無線通 信系統(tǒng)連接。

23、系統(tǒng)組成圖4.2.1表面電導率在線測量系統(tǒng)開發(fā)測量終端引流環(huán)測量傳感器采集終端太陽能供電系統(tǒng)4.2.1表面電導率在線測量系統(tǒng)開發(fā)后臺中心后臺監(jiān)控中心 及查詢頁面4.2.2表面電導率在線測量系統(tǒng)開發(fā)目前已安裝監(jiān)測終端41個，初步覆蓋在江蘇蘇北礦區(qū)、工業(yè) 污染區(qū)，蘇中沿江工業(yè)帶以及連云港沿海區(qū)域及核電站出線 等防污核心區(qū)段。（1）蘇北干旱地區(qū)：冬季干旱少雨，傳統(tǒng)礦業(yè)和工業(yè)城市，煤礦、電廠、水 泥廠等污源眾多。（2）連云港沿海輸電走廊：連云港地區(qū)沿海鹽化工企業(yè)較多，位于該區(qū)域核 電出線地位十分重要。（3）蘇中沿江工業(yè)帶：沿長江兩岸聚集了大量電廠、鋼鐵、化工等高污染企 業(yè)，在沿江區(qū)域形成了多處E級污區(qū)

24、。截止到目前，該系統(tǒng)已初步覆蓋江蘇地區(qū)防污核心區(qū)段，在 這些區(qū)域形成比較有效的污穢監(jiān)測預警能力。系統(tǒng)已穩(wěn)定運行近4年時間，取得了大量的運行經(jīng)驗。研究背景基于大氣監(jiān)控的污穢度評測 離線絕緣子污穢度測量方法 在線絕緣子污穢度測量方法 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)5. 污穢狀態(tài)評估專家系統(tǒng)研究通過采用可靠、穩(wěn)定的絕緣子污穢狀態(tài)在線監(jiān)測技術，準確掌 握重點污區(qū)主網(wǎng)架的污穢狀況；并在實時監(jiān)測的基礎上，結合 離線測量數(shù)據(jù)，綜合考慮環(huán)境氣象等因素影響，結合溫度-濕 度-污穢度-污閃電壓四者之間關系的數(shù)學模型、氣象預報和其 他監(jiān)控數(shù)據(jù)，分析和預測監(jiān)測區(qū)域內線路的污閃風險，建成了 一套具備工程應用的電網(wǎng)污穢預警系統(tǒng)。從

25、功能的角度考慮，污穢狀態(tài)評估系統(tǒng)可從時間的角度分為三 個層面，包括實時安全裕度分析、歷史工況分析、閃絡概率預 測。歷史工況分析實時安全裕度閃絡概率預測5.2 歷史工作狀況分析在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的周期性一天之內環(huán)境溫度、濕度周期性變化，在絕緣子污穢程度不變 的條件下，實測值也會出現(xiàn)周期性的變化。另外，根據(jù)每日的實時表面電導率平均值ave，可以計算得到不同的日均線0.51.02.52.01.5表面電導率 /S18161426242220溫度 /100908070605040相對濕度表面電導率相對濕度 /%溫度0.022 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 02時間典型的日變化曲線歷史工作狀況分析的特征量5.2 歷史工作狀況分析從污穢的累積的角度考慮，將歷史工作狀態(tài)分為三種類型：污 穢積累型，污穢流失型，污穢穩(wěn)定型。污穢累積型以增長型為主均線以遞增為主均線穿過單日標 識單元或位于標 識單元下方污穢流失型以減少型為主均線以遞減為主均線穿過單日標 識單元或位于標 識單元上方污穢穩(wěn)定型增長型和減少型 互相穿插均線較為平滑均線基本穿過全 部的單日標識單 元14161820電導率 /uS12108642012345678910 11 12 13 14 15