薛朝暉,張愛軍,賀 博

(1.海軍指揮自動化工作站,北京 100841;2.西安交通大學 電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

高壓絕緣子沿面放電過程泄漏電流的信號特征

薛朝暉1,張愛軍1,賀 博2

(1.海軍指揮自動化工作站,北京 100841;2.西安交通大學 電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室,陜西 西安 710049)

針對目前高壓污穢絕緣子閃絡風險評估中虛警率高,結果不夠準確的現(xiàn)狀,本文重點考察了泄漏電流包絡線信號的均值,方差,偏度,峰度四項指標和沿面放電狀態(tài)之間的關系,通過利用求積法實現(xiàn)多個指標信息的綜合后發(fā)現(xiàn):綜合指標較之各單一指標,在實現(xiàn)閃絡風險評估時,可以有效降低虛警誤報的風險,因而更加適合去實現(xiàn)閃絡風險的綜合評判。

污穢閃絡;泄漏電流;特征信號;沿面放電

高壓絕緣子污穢閃絡具有事發(fā)突然,機理復雜,危害性大的特點,嚴重影響著高壓電網的可靠性。就危害性而言,污穢閃絡已經遠超越了雷電沖擊和操作過電壓,成為對電網最具威脅的因素。隨著電網容量的增加和電壓等級的不斷提升,加上我國環(huán)境的持續(xù)惡化,污閃危害呈不斷加劇趨勢[1]。

目前普遍采用的防污閃措施如:選用新型絕緣子,調爬增距,使用RTV涂料,定期清掃等均屬于被動防污措施,在實施過程中,由于缺乏對于現(xiàn)場絕緣子表面積污及放電狀態(tài)的準確了解,而普遍具有一定的盲目性,在特殊情況下,也不能完全杜絕污閃事故的發(fā)生[2-4]。如果能通過特征信號,來實現(xiàn)絕緣子絕緣強度的監(jiān)測和閃絡風險的科學評判,進而將評判結果和人工防污相結合,則可以彌補被動防污的盲目性,大大提升防污閃功效。關于污穢閃絡在線監(jiān)測和風險預警,國內外研究機構都投入了研究力量,并有相應科研成果公布[5-7],但總體上,存在的問題是預測結果不精確,突出表現(xiàn)在虛警率較高[8]。

本文以人工污穢試驗為基礎,選取試驗過程中泄漏電流信號作為分析處理對象,重點討論了沿面放電至閃絡擊穿全過程中泄漏電流的變化特征,旨在找尋和電弧放電狀態(tài)密切相關,可以用于絕緣強度評估和閃絡預測,又能有效降低虛警風險的特征數(shù)據(jù)。為后繼實現(xiàn)在線監(jiān)測提供依據(jù)。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

采用固體層法預積污,恒壓、清潔霧試驗。霧室尺寸4 m×4 m×5 m;試驗電源125 kVA/250 kV 無游離變壓器。額定容量 125 kVA,額定電壓0.4/250 kV,額定電流312.5/0.5 A。試品為XP-210 型普通懸式瓷絕緣子。利用超聲波加濕器產生冷霧,最大產霧量為500 mL/h。

信號采集部分由自行研制的泄漏電流傳感器、信號調理電路、濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機構成。電流測量范圍為0.1～500 mA,相對濕度范圍為10%～99%。

1.2 試驗安排

試品耐受試驗結果表明,對于單片XP-210絕緣子而言,當試品鹽密分別為0.07 mg/cm2、0.105 mg/cm2和0.14 mg/cm2,灰密為1.40 mg/cm2時,耐受電壓分別為26 kV,23 kV,和21 kV。本文試驗設計為:對不同鹽密試品施加相應的耐受電壓進行人工污穢試驗,各試驗均重復三組,挑選出最能凸顯沿面放電到閃絡擊穿全過程的一次作為分析對象。同時以單通道1 000 Hz的速度連續(xù)采集電流和濕度數(shù)據(jù)。

文中試品ESDD為0.07 mg/cm2,試驗電壓為26 kV。

2 試驗結果及分析

2.1 數(shù)據(jù)預處理

圖1為試驗過程中測量得到的泄漏電流波形圖,由圖1可知,隨著試驗的進行,絕緣子泄漏電流越來越大,電絕緣強度總體上呈下降的趨勢。由于本文試驗為交流試驗,電弧在一個工頻周波內可能存在熄弧現(xiàn)象,所以圖1的電流其實包含了兩種物理現(xiàn)象,一種為電弧和剩余污層導電的電流,忽略寄生電容的影響,則該電流等于電弧放電的電流,還有一種為無電弧存在時的電流,該電流為剩余污層電流,不反應電弧狀態(tài)。而作為污閃風險的評判,主要需要電弧放電的信息。本文考慮的是泄漏電流的包絡線,該包絡線覆蓋了電弧放電電流的信息,而剔除了數(shù)據(jù)中大量的過零熄弧點。

圖1 實測泄漏電流波形圖

首先對泄漏電流數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波,濾波器設計為低通濾波器,通頻為165 Hz,增益為0 dB,截至頻率為180 Hz,增益為-200 dB,濾除高頻干擾信號。選用的濾波器頻響特征如圖2所示。

圖2 數(shù)字濾波器幅頻特性

選用Hilbert變換來處理濾波后電流數(shù)據(jù),實現(xiàn)電流包絡線的提取[9]。由于泄漏電流偏離了正弦波,所以Hilbert變換提取包絡線將受相移影響,可以通過補償?shù)姆椒ㄏ?。圖3為包絡線提取過程的局部放大圖?？梢姲j線的提取是正確的。圖4為提取出的泄漏電流的包絡線。

圖3 包絡線提取波形局部放大

圖4 泄漏電流的包絡線波形

2.2 數(shù)據(jù)分析

研究結果表明,隨著沿面電弧的發(fā)展和閃絡的臨近,泄漏電流呈不斷增加的趨勢,所以有理由認為泄漏電流均值中包含了電弧放電的狀態(tài)信息,但是單純利用泄漏電流,還不足以實現(xiàn)放電狀態(tài)的判別,因為較大的持續(xù)放電(200 mA以上,連續(xù)50個周波或更長)才可能預示著閃絡將至,短時大電流(200 mA以上,連續(xù)約10個周波)并不代表閃絡的來臨,所以單純利用電流幅值監(jiān)測污閃很容易造成不必要的虛警。

(1)

式(1)為電流均值的表示式,其中N為電流樣本個數(shù),Xi為電流數(shù)據(jù)序列,單位為A。

泄漏電流的方差可以用來衡量電流沖擊起伏的程度,但單純考慮方差同樣不能實現(xiàn)閃絡風險的評估,因為在試驗之初,電流變化很小,方差也很小,但在臨閃狀態(tài),電弧以很大的電流維持燃燒,方差同樣比較小,而在具有較大沖擊起伏的中間階段,方差往往會表現(xiàn)出較大的值,因為此時,受外界加濕作用和電弧高溫反作用的共同影響,干帶處于消失和形成的過渡時期,沿面電弧強弱交替,導致電流沖擊起伏較大[10-11]。

式(2)為電流標準方差的表示式,單位為A。

(2)

偏度和峰度是統(tǒng)計學里面兩個常用的指標,主要用來評判數(shù)據(jù)樣本的分布特征,偏度大于0,說明樣本分布呈現(xiàn)右側拖尾,反之,說明樣本左側拖尾。偏度主要用來刻畫樣本在分布上是左偏還是右偏。而峰度則主要用來刻畫樣本分布密度的陡緩程度,峰度越大,密度函數(shù)越陡峭,反之則密度函數(shù)波形平緩[12-14]。本文認為,隨著放電強度的變化,大電流放電的強度和持續(xù)放電時間均發(fā)生了變化,從而導致了泄漏電流包絡線樣本峰度和偏度的改變。

式(3)和式(4)為偏度和峰度的定義式,無量綱。

(3)

(4)

選擇泄漏電流的均值,標準方差,峰度,偏度的時變特征為分析對象[15],具體為將包絡線數(shù)據(jù)按照秒為單位分段,然后對其間的1 000個樣本求取均值、標準方差、峰度和偏度。得到各指標隨著時間的變化,圖5～圖8分別為包絡線均值、標準差、偏度、峰度的時變曲線。

圖5 電流包絡線均值波形

圖6 電流包絡線方差波形

圖7 電流包絡線偏度波形

圖8 電流包絡線峰度波形

由圖5～圖8可知,電流均值、標準方差、偏度、峰度隨著沿面放電的發(fā)展而變化,但是各指標在量值上相差非常大,峰度和均值、方差相差達4個數(shù)量級。本文本著綜合利用各4項指標的思想,所以需要對各指標作預處理,否則,量級大的指標暗含著大的權值,這顯然有悖于綜合評判的思想。本文利用各指標數(shù)據(jù)除自身數(shù)據(jù)變化范圍的方法使得各數(shù)值在量值上均處于(-1 1)范圍內,從而具有量值的可比性。

利用式(5)和式(6)實現(xiàn)均值,方差,偏度,峰度中所涵蓋放電信息的綜合,得到兩個綜合指標Index1和Index2,Index1和Index2可以看作是被均值和方差乘積因子修正后的偏度和峰度值。如下式所示

(5)

(6)

圖9、圖10為Index1、Index2的波形,對比圖9、圖10和圖1、圖5～圖8可知,對于幅值較大的放電,圖9和圖10均表現(xiàn)出了明顯的沖擊,而對于電流幅值比較小的放電,圖9和圖10則表現(xiàn)的不明顯。即指標1、2綜合了均值、方差、偏度、峰度的特征,一方面加強了強的放電信號,同時抑制了較弱的或者持續(xù)時間短的信號。因此,對于閃絡風險的綜合評判來講,利用Index1、Index2,可以降低虛警誤報的風險。圖9結果表明,在臨閃前,修正偏度出現(xiàn)了明顯小于0的情況,這預示著,該階段電流包絡線樣本出現(xiàn)右偏,即樣本大部分以大值出現(xiàn),這和電弧持續(xù)燃燒的物理現(xiàn)象是吻合的。也說明了,偏度一旦出現(xiàn)明顯小于零,則意味著很大的污閃風險[16]。

比較圖9、圖10可知,較之圖9和圖10對長時大幅放電信號的加強作用和短時大幅放電信號的抑制作用更加明顯,預示著對于實現(xiàn)污穢閃絡風險評估而言,選擇Index2將具有更低的虛警風險。但指標1閃前小于0的特點更有利于捕捉臨閃狀態(tài)。

圖9 指標1波形

圖10 指標2波形

3 結束語

本文以人工污穢試驗為基礎,以泄漏電流數(shù)據(jù)為分析對象,提取了泄漏電流的包絡線,并在此基礎上討論了包絡線的均值、方差、峰度和偏度的時變波形以及和沿面放電狀態(tài)的關系。在利用求積法實現(xiàn)各指標數(shù)據(jù)信息綜合的基礎上,求取了兩類綜合指標,并對其變化特征進行了分析。結果表明,Index1、Index2具有加強強放電特征和抑制較弱放電的特征,用其實現(xiàn)閃絡風險的評判,可以有效減少虛警和誤報。相比較而言,利用Index2實現(xiàn)監(jiān)測,其結果具有更低的虛警風險,而Index1閃絡前小于零的特征更加有利于及時發(fā)現(xiàn)臨閃狀態(tài)。這對于后繼污穢閃絡預報和預警的建立,具有積極的意義。

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Characteristic of HV Insulators’ Leakage Current on Surface Discharge

XUE Zhaohui1,ZHANG Aijun1,HE Bo2

(1.Navy Command Automation Workstation,Beijing 100841,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

The defects limiting the application of the technology and need solving instantly are that the results are always inexact and have higher false alarm rate in HV contaminated insulators flashover prediction at present.In this paper,the relationship between the surface discharge state and four indexes of leakage current envelope as mean,std,skewness,kurtosis are studied.Through synthesizing the four indexes,the new indexes were developed,which are more suitable for evaluating the flashover risk with lower false alarm rate.

pollution flashover;leakage current;characteristic signal;surface discharge

2014- 04- 07

薛朝暉(1975—),男,碩士。研究方向:電力設備的在線監(jiān)測與狀態(tài)評估。E-mail:xzh_75@sina.com。張愛軍(1966—),女,本科。研究方向:電磁場仿真與計算及優(yōu)化設計。賀博(1976—),男,博士。研究方向:污穢閃絡在線檢測和閃絡風險預警方法,大氣中沿面閃絡機理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.027

TM216.1

A

1007-7820(2015)05-094-04