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1、乌鲁木齐供电段论文综述课题名称： 高压绝缘子声信号在线检测系统研究 1 研究的意义及起因本毕业设计题目是高压绝缘子声信号在线检测系统研究。高压绝缘子在污秽微粒与雾、露、小雨、融冰、融雪等恶劣气象条件共同作用下，绝缘子的电气强度大大降低，导致绝缘子不仅会在过电压下发生闪络，而且在正常运行电压下也很容易发生污秽闪络。为了能使高压输电线路和电力设备在污秽地区能可靠的运行，人们一直在寻求能正确反映污秽程度的特征量，定量划分污秽水平，为设计和运行维护提供可靠的依据。人们在大量研究的基础上发现污秽放电过程伴随有声发射现象，随后在不同的电压等级下对不同污秽程度的绝缘子做了试验，获得了声信号数据，通过对试验数
2、据的统计分析证明了绝缘子污秽运行的危险程度和声信号之间存在密切的关系。输电线路和变电站的户外电气设各经常遭受到工业污秽或自然界尘土、盐碱等的沉积污染。在干燥条件下，这些污秽的绝缘子表面电阻很大，对运行的可靠性并无大碍，但当空气湿度变高时(如遇雾、小雨、露等不利气象条件)，绝缘子表面的污秽将变得湿润，湿润的污秽使得绝缘子表面的电阻大大减小，运行电压下的泄漏电流大大增加，从而可能导致沿绝缘污秽表面发生全面闪络。 绝缘子表面污秽湿润的闪络现象己不是一种单纯的空气间隙击穿，而是一种与电、热、化学因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。下面分析热动力平衡的过程。绝缘子污秽的湿润
3、加大了表面导电性能使得通过绝缘子表面的泄漏电流增大、导电层将发热。因为常用绝缘子沿泄漏路径的直径有所变化，另外污秽在绝缘子表面的分布通常是不均匀的，所以在表面泄漏电流密度最大的区域(如悬式绝缘子的钢帽和钢脚附近)水分将蒸发剧烈，在这些地方形成高电阻的干燥区，它将承受大部分的电压，从而改变了绝缘子的电压分布。2 国内外在线检测主要方法国内外高压绝缘子在线检测的主要方法一般分为两类：一类是非电量测量检测法，另一类是电量测量检测法。2.1非电量测量法2.1.1观察法用双筒望远镜在塔下观察可发现常见的表面缺陷，包括绝缘伞裙受侵蚀、变粗糙、外覆层侵蚀的沟槽和痕迹、绝缘伞裙闪络、伞裙或外覆层开裂、外覆层破
4、碎、芯棒外露等。但地面观察不可靠，缺陷可能因观察角度不理想或污秽覆盖而不能被发现，内绝缘缺陷更可能因无明显外表特征被遗漏，因此观察法虽很简便，但很不可靠。2.1.2紫外线成像法电子紫外光学探伤仪可带电检测复合绝缘子表面局部放电形成的碳化通道和蚀损，其原理是：局部放电过程中，带电粒子复合会放出紫外线，当绝缘子表面形成导电性碳化通道时，局部放电加剧。电子紫外光学探伤仪可检测和记录潮湿环境中表面染污所致表面放电和腐蚀或安装不当所致连接金具、均压环上的强电晕放电。目前已有白天使用的紫外成像仪。该方法的缺点是需在正常温度环境下操作；另外要求检测时正在发生局部放电，故需在高湿度甚至有降雨的环境中进行。另外
5、，检测结果容易受到观察角度的影响，检测设备也较昂贵。2.1.3红外线成像法此法用于导线、接头、套管等发热检测及合成绝缘子局部异常发热检测，绝大多数由电场引起的绝缘材料损坏与温度有关。局部放电泄漏电流流过绝缘物质时的介电损耗或电阻损耗都可引起绝缘子局部温度升高。通过观察局部热点发出的红外线可发现某些缺陷。该法的缺点是仪器造价高、且温度测量易受阳光、大风、潮气、环境温度及一些能引起绝缘子表面温度急剧变化等因素的影响。2.1.4超声波检测法超声波检测法基于超声波在从一种介质进入到另一种介质的传播过程中会在两介质的交界面发生反射、折射和模式变换(纵、横波转换)的原理的。通过接收超声波发生器(称为换能器
6、)发出的脉冲超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝缘子的位置区间。当绝缘子出现“开裂”时，则在接收到反射波的时间轴上将出现该缺陷的反射波，由时间轴上该缺陷波的大小及位置即可判断出缺陷在绝缘子中的具体情况。超声波检测操作简单、安全可靠、抗干扰能力强，主要用于检测绝缘子芯棒的裂纹。但其存在耦合、衰减及超声换能器性能等问题；另外，实测时高压端金具常发生电晕，产生的背景噪音会淹没绝缘子缺陷所发出的声波，不适合现场检测，比较适用于企业生产在线检测以及实验室检定等。2.2电量测量法2.2.1绝缘电阻法绝缘子在线检测过程中，绝缘电阻的测量是通过泄漏电流的测量得以实现的。当绝缘子串中有零值或
7、低值绝缘子时，其对地泄漏电流的值将产生较大变化。该变化值依绝缘子劣化的程度及个数而异，通过检测灵敏度及准确度较高的电流传感器可以准确判断。2.2.3脉冲电流法所谓脉冲电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状况，其原理是存在劣质绝缘子的绝缘子串中，由于劣化绝缘子的绝缘电阻很低，它在绝缘子串中承担的电压也较小，于是其它正常绝缘子在绝缘子串上的承受电压必然明显大于正常情况时的承受电压，而因回路阻抗变小，绝缘子电晕现象的加剧，电晕脉冲电流必将变大。根据线路上存在劣质绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值增大的现象，利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号，通过一
8、定的信号处理手段，从而达到在低压端检出不良绝缘子的目的。该法的难点是传感器的选择、信号的提取及辩识、现场干扰的排除等。由于电晕脉冲电流在绝缘子正常时亦可能产生，且随着输电线路电压的波动其值也在变化，故如何消除这此因素的影响、建立绝缘了劣化判断标准也是该法能否成功的关键。2.2.4泄漏电流检测法测量绝缘子表面污秽程度常用的方法有等值附盐密度、测量污层电导率和测量绝缘子表面泄漏电流法。前两者是在停电时进行，难以反映绝缘子在运行中的真实情况。污秽绝缘子的泄漏电流是运行电压作用下污秽受潮时测得的流过绝缘子表面污层的电流。当绝缘子表面污秽物积累到一定程度时，在一定外界环境下可造成绝缘子的闪络，因而可通过
9、测量泄漏电流的大小变化来检测绝缘子的污秽程度。国内外对此都有较深入的研究，证实了测量泄漏电流对于检测合成绝缘子污秽程度的可行性。研究表明：随合成绝缘子老化的加深，闪络电压降低，泄漏电流升高，因此可通过泄漏电流的变化来检测合成绝缘子的劣化程度。泄漏电流法虽能在低压端准确测量泄漏电流的变化，但受很多因素影响，不能准确反映劣化程度；尽管该方法能反映较严重的绝缘故障，但在判断出绝缘失效后留给操作人员处理的时间有限，很难单独广泛应用；它要求每个绝缘子串上安装一套检测装置，成本过高，用户难以承受，且装置的维护、检修需停电进行。综上所述, 非电量检测法具有不与被测量物体直接接触、没有高压绝缘问题困扰的优点,
10、 但是在具体运用时, 需要外加多种辅助设备, 因此检测成本比较高, 而且, 检测设备和被测物体都或多或少会受到外界环境因素的影响, 再加上检测设备本身的不完善和使用过程中人工操作的误差, 广泛应用有一定的难度。3 本课题主要内容在绝缘子污秽放电的发展过程中，一直伴随有热、声、光等物理现象，这里所关注的是声信号，主要研究放电是如何产生声信号以及声信号的特征等。污秽放电的起始阶段，在绝缘子的钢脚等泄漏电流分布密集的地方产生千区，电压集中分布在干区上产生放电现象，此时首先从绝缘子钢脚根部沿瓷表面发出一些淡紫色细丝状放电，并伴有轻微的电晕声，接着铁帽边缘与瓷件连接处出现淡紫色短小电弧，钢脚处的放电演变
11、为紫色刷状放电，夹杂有黄色或白色的小火星，同时放电声响增大:随着干区的继续扩大，帽缘和下伞面钢脚处出现桔黄色短电弧放电，电弧较密集，放电持续发生，声响很大;随着受潮程度的加深，原来钢脚处密集的短电弧被频率较低但强度明显加大的桔黄色电弧代替，最后出现红色的主电弧贯穿整个泄距，发生闪络。在较大的场强下，空气被电离，电子在电场的作用下定向运动产生电流，这就是电弧放电的电流，此时电子的定向运动将碰撞中性气体分子，从而将空气分子挤紧，由于弹性和运动惯性，挤压区内的分子向前运动而将更前面的空气分子挤紧，所以稠密区会向前传播。相应的挤压区由于分子向前运动而自身变稀，因此稀疏区也会向前传播，这就形成了声波。这
12、时声振动传播方向与质点振动方向一致，称为纵波。另外电子碰撞中性气体分子的同时也产生了热，发热的增加将促使电弧温度的升高，从而更有利于电离。在交流电压的作用下，当电压过零点时，电流也过零点，场强也变为零，此时在空气中就会发生去电离的现象，当泄漏电流较大时，输入能量也大，弧柱中积累的能量较多，完成去电离所需的时间就长，在电流在过零时电弧不易熄灭，只是电弧的强弱随电流的大小而作周期的变化。而当泄漏电流较小时，输入能量也小，弧柱中积累的能量较少，能很快完成去电离，在电流过零时电弧就熄灭，从而出现明显的熄灭、重燃现象。从能量的角度来看，放电是能量的一个瞬时的爆发，是电能以声能、光能、热能、电磁能等形式释
13、放出去的一个过程。由于每次放电的时间是非常短，因此它产生的声波的频谱很宽，可以从几十赫兹到几兆赫兹。放电及其产生的声信号都有一定程度的随机性，使得每次放电测得的声发射信号的频谱都不同，即频谱峰值的频率是变化的，而且变化范围较大，大致上分布在20kHz-100kHz之间。线路绝缘子的在线检测因其安装位置的特殊及分布区域广泛性向来是绝缘在线监测的一个难点。一般来说绝缘子故障主要有以下几个方面:绝缘子内部出现裂隙、绝缘子表面破损、绝缘阻抗降低、污闪等，绝缘子种类不同，出现故障时所呈现的现象也不同。如绝缘子串中存在不良绝缘子时，不良半导体釉绝缘子温度变化可能较大，而玻璃绝缘子和普通釉绝缘子的温度变化较
14、小。相应的高压绝缘子在线检测方法也多种多样，绝缘子分布的广泛性和安装点的特殊性更增加了绝缘子检测的难度。变电所高压设备绝缘状况在线监测技术在国内外已有多年的研究与应用，并在保证电力系统安全供电，减少因设备绝缘状况引发事故方面取得了明显的成效。目前国内外已经出现了很多高压绝缘子在线检测方法。并取得了一定的效果，但不少方法存在着测量工作量大、危险性高、设备造价高、测量不准确、抗干扰能力差等问题。因此寻找一种经济、切实有效的高压绝缘子在线检测方法一直是国内外电力部门十分关注的问题。在污秽放电发展的整个过程中，放电的出现是间歇的、时强时弱的，但它总的趋势是确定的，即由微弱的辉光放电到强烈的局部电弧，在
15、这个过程中的声信号由弱到强，从开始的轻微的电晕声，到后面嗡嗡的电弧声，都是污秽放电发出在20Hz20kHz频段内的声信号被人的耳朵接收到产生的效果。有经验的试验人员通过这种放电声就可以判断出绝缘子是否即将闪络，所以用声传感器代替人耳，用模糊推理代替试验人员的丰富的经验，来判断绝缘子的工作状态，就是本文的研究所要达到的目的。从放电是电能的释放这一角度来看，声能、热能、电磁能、光能都是放电所释放的能量的一部分，文献15认为声能与放电释放的能量之间是成比例的，文献16也以试验证明了这一点。虽然在实际中，由于放电受各种因素影响使得这个比例是不确定的，但从统计的角度来看，二者之间的比例关系是确定的。 通
16、过对污秽放电发展的整个过程及伴随声信号的观察和分析可以看出，放电在每个时刻的状态显然是不确定的、不可预测的，但它总的趋势是确定的，即由微弱的辉光放电到强烈的局部电弧，在这个过程中的声信号也是由弱到强的。声发射式的绝缘子污秽放电监测方法就是通过获得污秽放电过程伴随的声信号信息来监测绝缘子污秽的运行状态的。由于受到电极形状、温度、湿度等外界条件的影响，污秽放电产生的声发射信号是无法用精确的函数来预测的，这一点在污秽试验中也反映出来了，在相同的电压、相同的污秽度的条件下进行的污秽试验，所得到的数据也会有一定的区别，因此，采用传统的数学方法对数据进行处理会有很大的困难，而模糊推理的方法可以较好地完成这个任务。我们获得的信息往往是不准确的、不完全的，或者事实本身就是模糊的不完全确定的，但又必须利用且只能利用这些信息进行判断和决策。此时，传统的形式
