王玉巧，楊亞麗

（黃河科技學(xué)院，鄭州450063）

采用泄漏電流遞歸圖分析的盤形懸式玻璃絕緣子性能診斷

王玉巧1，楊亞麗2

（黃河科技學(xué)院，鄭州450063）

主要采用遞歸圖（recurrence plot，RP）分析法對(duì)架空輸電線路盤形懸式玻璃絕緣子進(jìn)行性能診斷，分別對(duì)絕緣子設(shè)置不同長(zhǎng)度的污穢層，通過加壓測(cè)量得出不同情況下的泄漏電流（leakage current，LC）。提取泄漏電流中的高頻分量，并在相空間進(jìn)行遞歸圖重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置污穢程度為IV級(jí)，即嚴(yán)重污穢情況。結(jié)果表明，隨著污穢層長(zhǎng)度的不斷增加，遞歸圖中的回歸點(diǎn)密度也相應(yīng)升高，即絕緣子表面局部放電發(fā)生強(qiáng)度也相應(yīng)升高。同時(shí)當(dāng)污穢層長(zhǎng)度超過一定數(shù)值后，遞歸圖出現(xiàn)白色帶狀，即絕緣子表面產(chǎn)生電弧放電。

盤形懸式玻璃絕緣子；遞歸圖；泄漏電流；電弧放電

0 引言

在電力系統(tǒng)中，絕緣子作為輸電線路與桿塔相連接的部分，成為了最廣泛使用的一次設(shè)備之一。絕緣子污穢是影響輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要問題，環(huán)境污染十分容易對(duì)絕緣子產(chǎn)生影響。通常，污穢會(huì)在絕緣子表面形成一個(gè)導(dǎo)電層，特別在潮濕或下雨的氣候條件下，極易發(fā)生局部放電。在較為嚴(yán)重的污穢情況下甚至?xí)a(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，引發(fā)絕緣子沿面閃絡(luò)。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子的監(jiān)測(cè)診斷，以及抑制污穢沿面放電方面做了大量研究工作。

放電現(xiàn)象主要是由絕緣表面一個(gè)較大的電流產(chǎn)生，該電流即稱作泄漏電流。較為頻繁的放電現(xiàn)象會(huì)大大降低設(shè)備的使用壽命，并有可能產(chǎn)生擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障。因此，有較多文獻(xiàn)對(duì)泄漏電流信號(hào)的分析進(jìn)行了研究[1－2]。在時(shí)域下對(duì)泄漏電流進(jìn)行了信號(hào)提取分析，通過分析有效值，峰值，標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)對(duì)絕緣子放電情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3－5]。則對(duì)泄露電流進(jìn)行了頻域分析，經(jīng)過傅里葉變換得出多次諧波分量，并對(duì)鹽霧條件下絕緣硅橡膠的老化過程進(jìn)行了研究[6－7]。對(duì)泄漏電流波形進(jìn)行離散小波變換，以分析其在污穢條件下的性能變化；并對(duì)兩端電壓波形進(jìn)行連續(xù)小波變換，研究其閃絡(luò)特性。然而，泄漏電流的時(shí)域和頻域信號(hào)均需要精確的分析方法，雖然上述這些經(jīng)典變換能夠提供大量數(shù)據(jù)參數(shù)，但無法對(duì)污穢絕緣子狀態(tài)進(jìn)行快速精確的診斷[8]。

筆者提出采用遞歸圖法對(duì)污穢絕緣子進(jìn)行性能診斷，采用絕緣子模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析得出泄漏電流波形數(shù)據(jù)，污穢層采用含鹽蒸餾水。通過離散小波變換提取泄漏電流的高頻分量，并計(jì)算得出不同污穢長(zhǎng)度的遞歸拓?fù)鋱D，分析泄漏電流的強(qiáng)度和放電情況。該方法能夠有效監(jiān)測(cè)絕緣子運(yùn)行狀態(tài)，從而對(duì)抑制和避免絕緣子沿面閃絡(luò)的發(fā)生具有重要意義。

1 遞歸圖理論

遞歸圖法是一種圖形化分析工具，1987年由XX瑞士學(xué)者Eckman提出[9]。將給定時(shí)域空間下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相空間的軌跡圖，以表明動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的性能特性。為得到遞歸圖，需對(duì)時(shí)域波形數(shù)據(jù)進(jìn)行相空間重構(gòu)。根據(jù)塔肯斯嵌入定理，若x為需要重構(gòu)的時(shí)間序列，則重構(gòu)的x→由下式表示

式中：i=（0，1，2，…，N），N 為時(shí)間序列的長(zhǎng)度；m為嵌入尺度，為采樣間隔。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，m和τ分別設(shè)為 5，20。

因此，重構(gòu)信號(hào)的遞歸圖由矩陣Ri，j計(jì)算得出

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，直接對(duì)泄漏電流數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)計(jì)算，得出的遞歸圖結(jié)果準(zhǔn)確性較差。而從泄漏電流中提取出高頻分量后，得出的遞歸圖效果良好，準(zhǔn)確性提高。因此，筆者采用離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）對(duì)泄漏電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，提取其高頻分量進(jìn)行分析，得出在25－50 kHz范圍內(nèi)的高頻信號(hào)。利用該高頻信號(hào)進(jìn)行上述相空間重構(gòu)計(jì)算，得到該分量下的遞歸圖表。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

筆者實(shí)驗(yàn)采用采用一臺(tái)額定參數(shù)為300kV/50kVA，50 Hz的高壓試驗(yàn)變壓器，以及220/500 V，50 kVA，50 Hz的升壓變壓器。為記錄泄漏電流波形數(shù)據(jù)，采用500 MHz的泰克數(shù)字示波器進(jìn)行波形記錄，如圖1所示，示波器接于2電阻兩端。實(shí)驗(yàn)絕緣子模型采用玻璃平板，大小為500 mm×30 mm×0.003 mm。由鋁箔作為兩端電極，分別接于玻璃平板的高壓側(cè)與接地端，電極大小為500 mm×500 mm×5 mm。污穢物采用鹽溶液，由NaCl與蒸餾水混合組成，其表面導(dǎo)電率恒定為1.2mS/cm，該導(dǎo)電率對(duì)應(yīng)污穢程度為最高IV級(jí)，旨在檢驗(yàn)嚴(yán)重污穢下的絕緣子泄漏電流的發(fā)展過程和診斷效果。污穢主要分布于高壓電極側(cè)，污穢長(zhǎng)度分別為 5，10，15，20，25cm。采用南京電氣集團(tuán)生產(chǎn)的盤形懸式玻璃絕緣子，型號(hào)為L(zhǎng)XY－120，該絕緣子主要用于220kV架空輸電線路桿塔，設(shè)置電極兩端垂直距離與該型號(hào)爬電距離一致，為320mm，實(shí)驗(yàn)主要結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)構(gòu)Fig.1 Experimental test structure

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 泄漏電流分析結(jié)果

本節(jié)對(duì)不同污穢長(zhǎng)度下的泄漏電流波形分別進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)樣品根據(jù)交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，施加恒定電壓27 kVrms，圖2為泄漏電流及其高頻分量波形。

從圖中可以看出，在5 cm長(zhǎng)度的污穢情況下，泄漏電流波形除了在4 000采樣點(diǎn)附近外，并無明顯畸變。相應(yīng)高頻分量的幅值均較小，基本無突增脈沖，表明在該長(zhǎng)度下絕緣子表面無放電現(xiàn)象。在10 cm長(zhǎng)度的污穢情況下，通過對(duì)高頻分量的分析可以看出，其中有少量的突增脈沖發(fā)生，其強(qiáng)度也較小，表明在絕緣子表面存在強(qiáng)度較低的局部放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象在正弦基波下無法看出，說明了提取高頻分量的必要性。對(duì)于15 cm長(zhǎng)度的污穢情況，在4 000與9 000采樣點(diǎn)附近出現(xiàn)了較為明顯的放電脈沖，強(qiáng)度與正常高頻分量相差數(shù)倍，表明絕緣子表明出現(xiàn)小電弧放電現(xiàn)象，該現(xiàn)象在正弦基波圖也同樣明顯。

當(dāng)污穢長(zhǎng)度增加到20 cm后，泄漏電流波形與前述情況完全不同，不再呈現(xiàn)基本的正弦波形，而是在1 500，4 000，6 500和9 000采樣點(diǎn)附近產(chǎn)生多個(gè)幅值很大的脈沖。在高頻分量圖中同樣可以看出，其脈沖幅值可達(dá)1 mA以上，表明了電弧的發(fā)展與延長(zhǎng)。最后，在25 cm長(zhǎng)度的污穢情況下，泄漏電流波形在6 000-8 000以及8 500-9 000采樣點(diǎn)范圍內(nèi)，發(fā)生嚴(yán)重畸變，高頻脈沖幅值可到2 mA以上，表明絕緣子表面發(fā)生頻繁的高強(qiáng)度電弧。

圖2 不同污穢長(zhǎng)度的泄漏電流及其高頻分量波形Fig.2 Leakage current and the high frequency component for different polluted layer lengths

3.2 遞歸圖分析結(jié)果

由于對(duì)泄漏電流的時(shí)域和頻域分析過程較為繁瑣，且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和絕緣子狀態(tài)的判斷不夠精確。本節(jié)介紹了對(duì)泄漏電流進(jìn)行高頻分量提取，并在相空間重構(gòu)的工作。遞歸圖矩陣通過式（2）計(jì)算得出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）為污穢長(zhǎng)度5 cm的實(shí)驗(yàn)情況，可見回歸點(diǎn)密度較為稀疏，表明絕緣子并無較明顯的放電現(xiàn)象。當(dāng)污穢長(zhǎng)度增加到10 cm，從圖3（b）可以看出回歸點(diǎn)數(shù)量和密度顯著增加，表明絕緣子表面存在一定數(shù)量的局部放電現(xiàn)象。當(dāng)污穢長(zhǎng)度繼續(xù)增加到15 cm，如圖3（c），回歸點(diǎn)更為密集，局部放電的數(shù)量和強(qiáng)度大幅升高。上述3種情況可以看出，在5，10和15 cm污穢長(zhǎng)度下，所得的遞歸圖僅由隨機(jī)分布的回歸點(diǎn)組成，絕緣子表面僅存在局部小范圍放電情況。此外，這種均勻且隨機(jī)的回歸點(diǎn)分布表明泄漏電流基本呈正弦的動(dòng)態(tài)特性，絕緣子處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

然而，將污穢長(zhǎng)度增加至20 cm后，如圖3（d）所示，回歸點(diǎn)密度十分巨大，幾乎填滿整個(gè)遞歸圖，且出現(xiàn)白色帶狀。密集的回歸點(diǎn)分布表明絕緣子表面存在大量局部放電，較窄的白色帶狀現(xiàn)象則表明絕緣子表面出現(xiàn)了小電弧放電。圖3（e）為絕緣子污穢長(zhǎng)度25 cm情況下的遞歸圖，回歸點(diǎn)密度較20 cm情況稍低，而白色帶狀的寬度大大增加，顯示有更多的局部放電發(fā)展為電弧，放電現(xiàn)象更為嚴(yán)重。上述兩種情況，即20 cm和25 cm污穢長(zhǎng)度下，出現(xiàn)白色帶狀，說明回歸點(diǎn)不再呈均勻分布特性，泄漏電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，白帶寬度增加說明電弧放電越劇烈，并可能導(dǎo)致沿面閃絡(luò)擊穿。

圖3 不同污穢長(zhǎng)度泄漏電流高頻分量的遞歸圖Fig.3 Recurrent plot diagrams of leakage current high frequency component for different polluted lengths

4 結(jié)論

筆者采用了遞歸圖分析法，對(duì)盤形懸式玻璃絕緣子嚴(yán)重污穢情況下的運(yùn)行情況進(jìn)行了分析診斷。實(shí)驗(yàn)采用玻璃平板的絕緣子模型，通過施加恒定電壓獲得其泄漏電流的波形數(shù)據(jù)。通過離散小波變換提取波形中的高頻分量，并在相空間進(jìn)行重構(gòu)。在不同程度污穢條件下，通過計(jì)算得出表征絕緣子放電情況的遞歸圖，每種污穢條件均對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的回歸點(diǎn)分布拓?fù)?。在污穢長(zhǎng)度不大于15 cm時(shí)，遞歸圖中的回歸點(diǎn)密度較低，并未出現(xiàn)白色帶狀情況，說明僅存在少量局部放電。而當(dāng)污穢長(zhǎng)度超過15 cm后，遞歸圖中存在非常密集的回歸點(diǎn)，并出現(xiàn)白色帶狀，說明盤形懸式玻璃絕緣子表明局部放電和電弧放電現(xiàn)象均十分明顯。

綜上所述，遞歸圖分析法可以較為直觀地對(duì)泄漏電流的特性進(jìn)行分析。基于泄漏電流的遞歸圖分析法是監(jiān)測(cè)污穢絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的有效手段，對(duì)避免沿面閃絡(luò)以及電力系統(tǒng)故障的發(fā)生具有重要意義。

[1]LI J，SIMA W，SUN C，et al，Use of Leakage Currents of Insulators to Determine the Stage Characteristics of the Flashover Process and Contamination Level Prediction，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（2）：490－501.

[2]JIANG X X，SHI Y，SUN C，et al，Evaluating the Safety Condition of Porcelain Insulators by the Time and Frequency Characteristics of LC based on Artificial Pollution Tests，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（2）：481－489.

[3]蔣興良，石巖，黃歡，等.污穢絕緣子泄漏電流頻率和相位特征的試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2010，30（7）：118－124.JIANG Xinliang，SHI Yan，HUANG Huan，et al.Experimental Research on the Frequency and Phase Characteristics of Leakage Current of Artificially Polluted Insulators，Proceedings of The Chinese Society for Electrical Engineering，2010，30（7）：118－124.

[4]樂波，王黎明，毛穎科.污穢絕緣子高頻泄漏電流特征的研究[J].高壓電器，2005，41（6）：401－ 407.YUE Bo，WANG Liming，MAO Yingke.On the Characteristics of High Frequency Leakage Current of Contaminated Insulator.High Voltage Apparatus，2005，41（6）：401－407.

[5]方春華，王建國，趙靈，等.污穢絕緣子表面局部電弧與泄漏電流波形特征間對(duì)應(yīng)關(guān)系分析[J].高電壓技術(shù)，2012，38（3）：609－615.FANG Chunhua，WANG Jianguo，ZHAO Lin，et al.Cor-responding Relation Between Partial Arc and Leakage Current Waveform Characteristics of Polluted Insulator.High Voltage Engineering，2012，38（3）：609－615.

[6]賀博，林輝.基于泄漏電流的污穢絕緣子閃絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[J].高電壓技術(shù)，2006，32（11）：22－25.HE Bo，LIN Hui.Method of Flashover Risk Prediction for Contaminated Insulator Based on Leakage Current.High Voltage Engineering，2006，32（11）：22－25.

[7]盛良，王倩，孫忠國.接觸網(wǎng)腕壁瓷絕緣子放電特征參量與提取[J].電瓷避雷器，2014，262（6）：23－28.SHENG Liang，WANG Qian，SUN Zhongguo.Discharge Characteristic Parameters of Cantilever Ceramic Insulator for Overland Contact System and Their Extraction，2014，262（6）：23－28.

[8]GUBANSKI S M，DERNFALK A，ANDERSSON J.et al.Diagnostic Methods for Outdoor Polymeric Insulators，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14：1065－1080.

[9]ECKMAN J，KAMPHORST S，RUELLE D，Recurrence Plots of Dynamical Systems，Urophysics Letters，1987，4（91）：973－977.

[10]DU B X，LIU Y，LIU H J，Recurrent Plot Analysis of Leakage Current for Monitoring Outdoor Insulator Performance，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2009，16（1）：139－146.

Performance Diagnose of Cap and Pin Glass Insulators Based on Leakage Current Recurrence Plot Analysis

WANG Yuqiao1，YANG Yali2
（Huanghe Science and Technology College，Zhengzhou 450063，China）

Recurrence plot analysis method is adopted to diagnose the performance of insulators.Different length of polluted layer is set to measure the corresponding leakage current under a constant applied voltage.The high frequency element is extracted to reconstruct a recurrence plot in phase space.The results show that，with the increase of the polluted layer length the regression point density of the recurrence plot also increase.It indicates that the partial discharge strength on the insulator surface also rises relatively.Moreover，when the polluted layer length exceeds the certain value，some white bands appear in the recurrence plot.This phenomenon indicates the occurrence of arc discharges on the surface of insulator.

cap and pin glass insulator；recurrence plot；leakage current；arc discharge

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.035

2016－12－13

王玉巧（1980—），女，副教授，研究方向：電力系統(tǒng)及電子信息工程。

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：142102210550）；鄭州市重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室（編號(hào)：ZZLG201414）。