绝缘子泄漏电流与表面污秽的试验研究

摘要：    

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        1　问题的提出  
       在长期的绝缘子积污特性和污秽试验研究中，为定量评价污秽水平，提出了多种表征污秽度的参数，常用的包括等值附盐密度、表面电导率、泄漏电流、积尘密度、污闪电压与污闪梯度等，其中泄漏电流测试法以其与污闪危险度关系密切，并能实现在线精确测试而逐渐成为目前主流的测试方案。  
       然而，泄漏电流测试法也存在一定的局限性。如何根据测得的泄漏电流值评价绝缘子的污秽程度，如何确定泄漏电流报警的门槛值等问题仍没有一个明确的结论。因此研究绝缘子泄漏电流与污秽度乃至等值盐密之间的对应关系，是决定该技术真正走向实用的关键所在。  
       2　初始试验  
       为了获得绝缘子泄漏电流的原始数学模型，我们在东北电科院进行了一系列试验。利用雾室来模拟自然环境的变化，将多串预先涂有额定盐密的绝缘子串悬挂在雾室中央，并加上工频高压，利用绝缘子遥测系统中的测试单元，测量绝缘子表面的泄漏电流，再通过射频方式将数据传回雾室外的监控基站。  
       通过改变绝缘子片数和高压值，可用来模拟不同电压等级下的情况。例如采用7片串XWP70，并施加73kV工频高压，就可以用来模拟110kV电压等级下绝缘子的工作状况。通过改变绝缘子类型可以为不同绝缘子的泄漏电流建立原始模型。  
       通过改变绝缘子表面的盐密等级和雾室内的湿度，研究不同盐密和湿度下泄漏电流包络变化情况。为了研究绝缘子污闪时的泄漏电流波形，我们还通过增加绝缘子表面盐密和连续增加雾室湿度的方式促使绝缘子发生闪络，并将闪络过程中的泄漏电流包络通过无线方式传回监控主机。IDT装置对每路泄漏电流的采样频率约为200kHz，考虑到系统中采用的是无线通信方式(完全模拟现场实际测试情况)，如果将这些数据全部传回来显然是不实际的，因此我们通过IDT内软件统计工具求取每个工频周期内的正向峰值，并将一定时间内的所有峰值传回监控主机，也就是说，监控主机得到的数据实际上是泄漏电流的正向包络。下面给出试验中的部分数据：  
       2.1　ESDD相同，湿度不同条件下泄漏电流随时间变化对比曲线  
       本节介绍了对人工污秽绝缘子泄漏电流的试验测试与分析。从各曲线图中可以看出，泄漏电流的时域波形和峰值都显得比较杂乱。这就促使人们采用更先进的数字信号分析方法以捕获能预测闪络发生的某种趋势。  
       3 泄漏电流的数学分析与建模方法  
       污秽绝缘子闪络之前必然有表面电弧的发生，它将影响泄漏电流的幅值和波形。通过数学分析和建模我们可以找到泄漏电流随时间变化情况与电弧长度、污层电阻等的非线性关系。表面电弧的发展将进一步影响泄漏电流的幅值和波形，也可能导致闪络发生。因此，泄漏电流信号携带了大量信息，这些信息可以用来预测闪络的发生。显然，仅仅通过测量峰值和均方根是不够的，因此必须引入统计信号分析来对电流波形进行处理。通过系统全面的分析，找出表征泄漏电流特性和预测闪络发生的最优参数。一旦这样的参数被找到，我们就可以通过检测实际信号与正常范围的偏离程度来确定闪络的危险程度了。  
       信号分析在高电压工程中是一个相对较新的概念。最早对泄漏电流的研究大多采用FFT算法以获取其频域信息。最初的研究证明：临闪前泄漏电流的高次谐波信号，尤其是三次谐波比重将增加。但我们很难通过对三次谐波设立一个阈值来确定或估计闪络的发生，这也许是由于FFT无法对一些伪峰值进行正确处理。最新的分析理论中引入了许多时域和频域的数字信号分析技术以提高分析的实用性和可靠性，主要包括：自回归(AR)模型的建立、频谱和对数倒频谱分析、统计模型的选择等。为了找到能表征闪络发展趋势的参量，科研人员对大量的基本信号参数进行了分析研究，包括自相关函数、水平穿越率和幅值概率分布函数等。  
       由于泄漏电流在幅值和波形上都具有很大的随机波动性。没有两次历史纪录十分相近，同样其频谱内容也随时间不断变化，所以采用统计(概率)算法进行处理有可能获得比较满意的结果。  
       3.1　线性随机分析  
       大量的文献资料都认为自然闪络是一种非线性的随机过程。表面放电产生的是非线性电弧，污秽度、受潮率以及泄漏电流密度都不是一成不变的。同样，干带的宽度和数量，局部电弧的形成和位置都是统计随机的。显然，接下来的过程也必然是随机的，人们无法精确预测任意点上的泄漏电流幅值。不过，当给定一组泄漏电流历史数据时，其统计特性可以被总结出来。绝缘子在线监测系统中主要采用电平穿越率和峰值特性来对泄漏电流的统计特性进行估计。  
       一种传统的闪络预警方法是测量泄漏电流峰值，一旦出现大于某个峰值电流时就进行闪络预警。另一种方法是记录一段很长时间的泄漏电流峰值，并通过分析其统计分布以确定污秽程度和闪络发生的危险度。这两种方法的可靠性都受到了质疑，其应用也非常有限。通过示波器观测泄漏电流曲线可以发现其峰值和波形都具有很大的随机性。不过，与仅仅测量某些点处的瞬时峰值比起来，连续测量泄漏电流的包络能获得更多的信息。  
       尺度穿越分析广泛应用于许多工程领域中对时变信号的动态特性进行分析，包括疲劳和失效预测。我们可以将这种方法应用于闪络预测：由于在不闪络情况下，泄漏电流有间歇的峰值，而在闪络情况下，泄漏电流则有连续的峰值链。而超过一个阈值的现象同密集的放电有关，如果这种过程时间很短，则基本没有有害效应，但如果发生时间较长，则有可能导致闪络。尺度穿越分析就是计算泄漏电流包络在一个特定的高阈值处发生的平均穿越率及尺度穿越的方式。  
       极值理论是一个比较成熟的理论体系。其主要应用是：如果在每个等时间间隔内，我们只需要考虑其最大值，而这些最大值的分布遵从三种渐近类型之一(Gumbel, Weibull 和Frechet)。在此，我们利用极值分布来为泄漏电流的峰值包络建模。一旦找到一个最优模型，就可以直接通过查找那些很少出现的大峰值(发生概率很低)，进而来预测闪络的发生。这可以通过极值风险函数来表示。  
       3.2 泄漏电流包络分析  
       由于数据传输的原因，我们对泄漏电流的包络进行信号分析。对于采样得到的泄漏电流，希尔伯特变换是一种常用且十分有效的包络检测分析技术。假设泄漏电流中的主要谐波成分在7倍高次谐波以内，可以认为属于带限信号。对于带限信号i(t)，希尔伯特变换是信号与时间倒数的卷积，如下式所示：　  
       计算包络的过程为：首先获得泄漏电流的数字采样值;然后把采样数据分成以1分钟为周期的段;最后通过上述公式，运用FFT近似希尔伯特变换和包络;  
       对于实时分析而言，FFT的运算量非常大。因此有必要引入一种简单而又比较精确的包络检测法：利用泄漏电流全波整流的低通滤波建立包络。这样产生的包络具有低频缓变特性，可以使用更低的采样速率，从而有效地进行数据压缩。  
       3.3　包络的概率密度函数分析  
       为了应用上述的统计方法，必须使用信号包络的概率密度(分布)函数，由于其内在的复杂性，闪络前泄漏电流的概率密度函数是未知的。因为我们只能得到电流的数字采样结果，因此必须从这些观测数据中估计出概率密度函数。所采用的技术是使用柱状图来构造经验分布函数，并对这些数据采用不同的参数模型，然后进行适合度检测，以决定哪个模型最合适。包括正态分布、对数正态分布、瑞利分布、G分布、W分布，以及χ2适合度检测和Kolmogorov- Smirnov适合度检测。运用这种方法，我们发现两种模型具有相对的优越性，即Weibull模型和Gram-Charlier模型。然而这些模型的pdf偏差在10mA以上，当前国内外采用的更新的方法包括非参变概率密度估计和参数密度估计两种，本文限于篇幅，不再赘述。  
       3.4 各种分析方法综合比较  
       对泄漏电流建模的主要目的是连续分析泄漏电流包络直至闪络发生，以建立表征闪络发生紧迫性的趋势模型。对于泄漏电流包络中的大尺度，其穿越频率和持续时间在决定闪络发生紧迫性时起到了很重要的作用。现在对几种分析方法进行比较：  
       (1) 泄漏电流的频谱分析显示其基波成分(50Hz)占很大比例，正常情况下高次谐波很少或者几乎没有。当产生表面电弧时，谐波成分增加，尤其是三次谐波。这种方法的计算量(包括CPU计算时间、运算次数和数据存储量)很小，因此得到了很好的发展，并很容易应用到实时系统中。然而，泄漏电流频谱内容的改变会引起不同程度的波动，这点很难解释。这种技术比较适合用来对闪络进行早期预警或仅仅用来作为对运行绝缘子的特性降低作出标记。  
       (2) 尺度穿越分析考虑到了泄漏电流的统计特性。它主要考虑大电流峰值的穿越率，因此避免了因为小峰值处产生的漂移。这种技术在预警闪络时更加精确。穿越率越高，表面电弧密度越大。它能预测90%的闪络。但其计算量较大，需要找到一种近似算法以应用于在线检测系统中。  
       (3) 极值分析同样考虑了泄漏电流的统计特性，只处理高峰值以避免小电流峰值产生的漂移。其计算方法比较直接，运算量小，适合应用于在线系统中，因此是当前污秽绝缘子泄漏电流实时分析的最优选择。  
       4　结语  
       可以肯定，随着无线通信技术的发展，我们可以获得的来自运行绝缘子泄漏电流的数据将越来越多，这就意味着可以采用更多更好的数字信号分析算法进行数据分析，从而彻底揭示泄漏电流与污秽、闪络危险度的内在联系。