交流下污閃與泄漏電流關(guān)系的研究

交流下污閃與泄漏電流關(guān)系的研究

0泄漏電流和相關(guān)系數(shù)閃閃是對能源系統(tǒng)運行的嚴厲威脅，引起了國內(nèi)外科學家的關(guān)注。閃閃劑也是確保安全運行的重點。檢測和分析泄漏電流是染污絕緣子在線監(jiān)測的一種有效手段,這主要是因為絕緣子泄漏電流和污閃放電的發(fā)展過程密切相關(guān),便于連續(xù)在線監(jiān)測,包含了豐富的信息,因此成為近年來國內(nèi)外研究熱點之一[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。文獻試驗研究表明,當泄漏電流的主要諧波分量(如3,5次諧波)超過某一閾值后,閃絡(luò)就很有可能發(fā)生;文獻通過對絕緣子表面泄漏電流進行傅里葉分析后發(fā)現(xiàn),絕緣子是否發(fā)生閃絡(luò)與其表面泄漏電流的總諧波失真存在一定的關(guān)系,臨閃前泄漏電流的總諧波失真達20%~35%;文獻指出可用泄漏電流中2次諧波可作為區(qū)別飽和濕潤和非飽和濕潤下絕緣子的典型特征。不同研究結(jié)論尚存差異,還有待深入系統(tǒng)研究。文獻利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法預(yù)測飽和受潮時絕緣子表面的泄漏電流最大值;文獻[16-17]提取泄漏電流時域特征量,利用模糊邏輯方法對絕緣子污穢度進行評定?？梢娦孤╇娏鲿r域和頻域特性是研究和關(guān)注的重點,對泄漏電流相位特性卻少有研究,且上述研究大多數(shù)是在飽和濕潤下進行,忽略了濕度對泄漏電流的影響。試驗和運行經(jīng)驗表明,對于污穢嚴重絕緣子,干燥時基本無放電發(fā)生,可安全運行,一旦濕潤放電發(fā)展很快,往往來不及預(yù)報就發(fā)生閃絡(luò)。因此,本文以試驗為基礎(chǔ),結(jié)合污穢絕緣子放電閃絡(luò)發(fā)展變化規(guī)律,系統(tǒng)研究不同濕度和污穢度下絕緣子泄漏電流的頻率和相位特性,分析了泄漏電流與作用電壓之間的相位差與濕度的關(guān)系,研究了泄漏電流總失真隨鹽密和濕度的變化規(guī)律、泄漏電流高次諧波和低次諧波對泄漏電流波形失真的不同影響,提取了泄漏電流頻率和相位特征量,提出了在泄漏電流安全區(qū)有效進行污閃的預(yù)警方法。1污染裝置表面放電機制1.1污閃導(dǎo)致的力平衡過程到目前為止,有關(guān)絕緣子表面染污放電機制較為一致的認識是:污穢絕緣子表面的閃絡(luò)現(xiàn)象不是單純的空氣間隙擊穿,而是一種與電、熱、化學等因素有關(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。污閃可分為4個階段:積污、潮濕、形成干帶并產(chǎn)生局部放電和局部電弧發(fā)展至完全閃絡(luò)。整個過程可歸納為絕緣子、污穢、受潮條件和作用電壓之間相互作用的過程。閃絡(luò)的可能性隨泄漏電流的增大而增加,而泄漏電流大小主要取決于絕緣子表面污層的電導(dǎo)。由污穢絕緣子放電機制可知,絕緣子表面的作用電壓與泄漏電流之間滿足如下關(guān)系式中:U為作用電壓,kV;A為電弧系數(shù);x為電弧長度,cm;n為與電弧電流有關(guān)的常數(shù);I為絕緣子的泄漏電流,mA;Rarc為電弧電阻,?;L為絕緣子總爬電距離,cm;rP為單位長度剩余污層的電阻,?/cm;C為電弧端部與電極間的電容。1.2表面活性劑的泄漏電流展變化污穢絕緣子表面局部電弧的產(chǎn)生和發(fā)展變化過程中,是否存在局部電弧必須區(qū)別對待,2種不同狀況下分析泄漏電流的模型有差異,并可以此來分析絕緣子表面放電產(chǎn)生發(fā)展變化過程中泄漏電流的大小及成分的變化規(guī)律。1)沒有產(chǎn)生局部電弧或局部電弧很微弱。此時x≈0,Rarc≈0,絕緣子表面的平均電導(dǎo)為由式(2)可知絕緣子表面泄漏電流呈容性,隨著濕度的增加,容性成分減少,阻性成分增加。2)絕緣子表面產(chǎn)生局部電弧。污穢絕緣子可等效為剩余污層電阻RP0、電弧電容C0并聯(lián)后與電弧電阻R0、電弧電感L0這3部分串聯(lián)之和,其電路方程可表示為即產(chǎn)生局部電弧后,由于存在電弧電感分量,泄漏電流雖仍以阻性電流為主,但含有感性電流成分。2泄漏電流分析模型的試驗驗證2.1u3000添加白砂糖和硅藻土試驗在人工霧室中進行,接線原理參見文獻[21-22]。分別用數(shù)字示波器的2個通道來測量從電容分壓器低壓臂獲取的電壓和從精密電阻上通過I-U變換采集的泄漏電流。試品為3片串XP–70普通懸式絕緣子(35kV線路),絕緣子染污采用GB/T4585—2004推薦的固體涂層法,試驗中鹽密ρSDD取0.05,0.10,0.15和0.20mg/cm2,灰密ρNSDD取2.0mg/cm2。試驗時氣壓不變(實驗室所處位置氣壓為99.5kPa),溫度為26℃±2K。濕度通過干燥劑和YC–G030T超聲波發(fā)霧器來控制。先將化學純氯化鈉和硅藻土加適量的純凈水攪拌均勻后對絕緣子進行染污,然后懸掛靜置24h,待自然陰干后懸掛于人工霧室中。試驗中利用干燥劑和YC–G030T超聲波發(fā)霧器來控制濕度,向人工霧室中添加適當干燥劑或超聲波霧發(fā)生器噴霧一定量后靜置5h左右,霧室中濕度基本穩(wěn)定,測量霧室中的相對濕度后就可開始試驗。試驗中迅速加壓,通道1和通道2分別采集絕緣子泄漏電流和作用電壓波形(10個周期)。試驗過程中加壓和記錄泄漏電流幾乎同時完成,因此可以認為所紀錄的泄漏電流為所控制的濕度下的對應(yīng)的泄漏電流。2.2局部電弧泄漏電流模型分析絕緣子表面的泄漏電流與作用電壓之間的相位差為θ。測試結(jié)果表明,泄漏電流波形發(fā)生了畸變,便于分析相位僅提取其基波分量。θ可由泄漏電流基波分量與作用電壓之間的時延?t(ms)計算得到,即式中T為工頻周期,20ms。試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1和式(4)可得θ與相對濕度?RH的關(guān)系如圖2所示,即隨著?RH的增加,θ呈逐漸減少。當?RH分別為50%,70%,80%和90%時,θ分別為82°,52.5°,5.6°和-7.4°。試驗結(jié)果與式(2)和式(3)分析泄漏電流模型相符,即當絕緣子表面沒有局部電弧或者局部電弧微弱時,泄漏電流呈容性,隨著電弧的產(chǎn)生和發(fā)展,泄漏電流逐漸由容性變?yōu)楦行?θ由超前于電壓逐漸變?yōu)闇笥陔妷骸?)當?RH<80%,絕緣子沒有產(chǎn)生局部電弧或局部電弧很微弱,絕緣子表面的平均電導(dǎo)由式(2)確定。(1)?RH較小時,空氣中的水分不足以使絕緣子表面污層完全濕潤,此時絕緣子表面電阻RP很大,即1/RP很小,此時C為絕緣子本身電容,ωC相對1/RP來說較大。因此,在電壓U的作用下,阻性電流IR很小,容性電流IC相對較大,泄漏電流中容性電流IC占主要成分。因此,θ較大,達80°~90°,泄漏電流超前于電壓(如圖1(a)所示)。(2)隨著?RH逐漸增大,污穢層受潮逐漸加劇,污層電阻RP下降,1/RP明顯增加,泄漏電流中阻性分量IR逐漸增加,由于容性電流IC基本不變,θ減少,如當?RH=80%時,θ減少到5.6°,泄漏電流以阻性電流為主。2)試驗過程中隨著?RH進一步增大(?RH>80%),絕緣子表面將產(chǎn)生局部電弧,絕緣子表面的泄漏電流和作用電壓滿足式(3)。此時由于電弧電感分量的存在,泄漏電流雖仍以阻性電流為主,但含有感性電流成分,表現(xiàn)為泄漏電流滯后于電壓。濕度增加導(dǎo)致的泄漏電流增大,局部電弧放電愈劇烈,電弧電感的影響也越明顯。如圖1(d)所示:?RH=90%時,θ為-7.4°?？梢姰斀^緣子表面有局部電弧產(chǎn)生時,隨著濕度增加,局部電弧放電越顯著,泄漏電流滯后于電壓的相位越大。因此,可將θ作為判斷絕緣子表面產(chǎn)生局部電弧的特征量之一。2.3表面電壓開發(fā)與泄漏電流頻率特性之間的關(guān)系2.3.1thd和積污的泄漏試驗結(jié)果由于局部電弧產(chǎn)生后泄漏電流波形發(fā)生畸變,泄漏電流包含了不同頻率的分量,因此其頻譜特性也可表征污穢放電的特征信息。局部電弧產(chǎn)生后其泄漏電流的頻率范圍一般小于1kHz,在此基礎(chǔ)上,定義總諧波含量(?HD)、總諧波畸變率(?THD)和奇次諧波占總諧波百分比(?HDi)如式(5)所示。式中:In為n次諧波分量,由于只關(guān)心小于1kHz頻率范圍頻率特性,n=2,3,4,???,19;i為奇次諧波序列,i=3,5,???,19。試驗中將不同鹽密和濕度下測量得到的絕緣子表面的泄漏電流保存到主機,經(jīng)快速傅里葉變換后由式(5)計算可得到?THD,?THD與相對濕度(?RH)之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知:?THD隨?RH增大總體上呈增加趨勢。ρSDD不同,?THD的變化趨勢有差異。當污穢較輕時(如ρSDD=0.05mg/cm2),?THD隨?RH增加而增加的趨勢較為平緩,但在?RH為0.9處?THD開始急劇增加;在中等污穢和較重污穢下,?THD先隨?RH的增加而減小,達到極小值后隨?RH的增加而急劇增大,污穢越重?THD達到極小值時?RH越小,如ρSDD為0.10mg/cm2時,?THD極小值在?RH為0.77出現(xiàn),ρSDD為0.15mg/cm2和ρSDD為0.20mg/cm2時,?THD極小值在?RH為0.75出現(xiàn)。1)當濕度較低(?RH<0.8)時,不同鹽密下的?THD在10%左右,?THD與鹽密無明顯關(guān)系,較高鹽密(ρSDD=0.20mg/cm2)下的?THD甚至比較低鹽密(ρSDD=0.05mg/cm2)下的?THD低。這是因為此時絕緣子表面比較干燥,絕緣子表面無電弧或者電弧很微弱,泄漏電流的失真主要由噪聲引起,具有很大的隨機性,而與鹽密無關(guān)。由圖3可知:在?RH為0.8附近,隨著相對濕度的增加?THD下降,且存在局部極小值。在濕度較低時,絕緣子表面狀況類似于工程中積污的干燥絕緣子。此時絕緣子表面沒有局部放電發(fā)生,由式(2)可知泄漏電流呈容性,試驗中可發(fā)現(xiàn)泄漏電流比較小,一般在mA或μA級。泄漏電流失真主要由隨機噪聲引起,且噪聲和泄漏電流的數(shù)量級相當。濕度增加時,泄漏電流會有所增加,而噪聲分量基本不變,因此當濕度較低時,?THD隨濕度的增加反而下降,?RH在0.8左右時達到最小。2)當濕度較高時(?RH>0.8),絕緣子表面開始濕潤,鹽密的作用逐漸體現(xiàn)出來,泄漏電流隨鹽密增加而增大。如圖3所示,當ρSDD為0.05mg/cm2、?RH為0.97時,試驗中可測得泄漏電流幅值達17mA;而當ρSDD為0.2mg/cm2、?RH為0.99時,泄漏電流幅值高達190mA。此時積污的絕緣子表面由于泄漏電流烘干效應(yīng)形成干帶,開始出現(xiàn)明顯的局部電弧放電。由式(3)及2.2節(jié)分析可知此時泄漏電流以阻性為主同時由于局部電弧的存在表現(xiàn)為感性,因此隨著鹽密增加,泄漏電流增加,電弧放電加劇,?THD增大。如ρSDD為0.05mg/cm2時,?THD最高才達35%;而ρSDD為0.15和0.2mg/cm2時,?THD最高超過56%?？梢姖穸容^高時泄漏電流的失真主要由污穢絕緣子表面局部電弧放電引起,濕度越高放電越顯著,引起泄漏電流的畸變越嚴重,因此在較高濕度下?THD隨?RH的增加而增大。試驗研究發(fā)現(xiàn),當?THD超過45%,絕緣子表面電弧密集,放電持續(xù)時間較長,有可能繼續(xù)發(fā)展為完全閃絡(luò)。上述分析表明:可監(jiān)測絕緣子表面?THD的變化來對絕緣子表面的狀態(tài)做出判斷。當絕緣子表面污穢較輕時?THD隨濕度的增加而緩慢增加,無極小值存在;當絕緣子表面污穢較重和嚴重時,隨著濕度的增加,?THD存在極小值,當ρSDD為0.10,0.15和0.20mg/cm2時,?THD的極小值?THD,min分別為5%,6%和2%,此時絕緣子表面開始有局部放電。2.3.2hd3、rh3和13次諧波由上述分析可知,不同濕度下造成泄漏電流失真的原因有本質(zhì)不同,為分析各次諧波分量對泄漏電流波形失真的貢獻,將采集的泄漏電流經(jīng)快速傅里葉變換后,比較各次諧波分量與總諧波畸變率之比(如圖4所示,其中ρSDD=0.10mg/cm2,?RH分別為70%和94%)。由圖4可知,濕度較低(70%)時,波形失真主要由高次諧波貢獻,如11,13和15次諧波等,其中13次諧波為高次諧波的主要成分,與?THD之比高達67%;濕度較高(94%)時,波形失真主要由低次諧波產(chǎn)生,如3,5和7次諧波等,其中3次諧波為主要成分,與?THD之比高于90%。因此可用3次和13次諧波分別代表低次諧波和高次諧波。?HD3隨?RH的變化趨勢如圖5所示。不同ρSDD下?HD3隨?RH的增加而增大,當?RH小于0.8時,?HD3較小約為6%,在?RH為0.8附近?HD3隨濕度的增加而急劇增加,當?RH大于0.8后,?HD3大于90%;?HD13隨?RH的變化趨勢如圖6所示。不同ρSDD下?HD13隨?RH的增加而減小,當?RH小于0.8時,?HD13較大約為65%左右,?RH在0.8附近存在一向下跳變,當?RH大于0.8時,?HD3小于8%。這可能是因為以13次諧波為主高次諧波是環(huán)境隨機噪聲的主要成分,絕緣子表面干燥或周圍濕度較低時,在絕緣子表面基本無放電現(xiàn)象發(fā)生,此時隨機噪聲為引起泄漏電流波形失真的主要原因,因此此時?HD13要高于?HD3。反之濕度較高時,由于絕緣子表面放電是引起泄漏電流畸變的主要原因,?HD3要遠高于?HD13。這正好與前述分析?THD隨濕度的變化規(guī)律相吻合,即?THD在?RH為0.8附近存在極小值而?HD3和?HD13在?RH為0.8附近要急劇變化,二者的本質(zhì)原因都是在當?RH超過0.8后絕緣子表面的放電才是引起泄漏電流波形失真的主要原因。3安全區(qū)、泄漏電流和相位特征量的確定試驗研究和現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明,絕緣子積污后,表面干燥時,基本無局部電弧放電,即使污穢較重也可安全運行,如果空氣濕度增加,絕緣子表面污穢將逐漸濕潤并形成干帶從而產(chǎn)生局部電弧放電。尤其在污穢較重時,絕緣子表面一旦濕潤,放電發(fā)展很快,往往來不及預(yù)報就發(fā)生閃絡(luò)。文獻將污穢絕緣子閃絡(luò)過程中泄漏電流的發(fā)展分為安全區(qū)、預(yù)報區(qū)和危險區(qū),指出通過安全區(qū)泄漏電流特征來進行污閃預(yù)警,可給運行部門足夠的時間采取措施。本文研究表明,θ接近0和