1　引言 　　在高壓輸電線路上，絕緣子的老化直接威脅著電力系統(tǒng)的安全運行。老化絕緣子特別是零值絕緣子不但容易產(chǎn)生過熱膨脹，導致絕緣子頭部燥裂，造成斷線事故，而且其閃絡電壓低，降低了高壓線路的絕緣水平。為了實現(xiàn)在線檢測不良絕緣子，人們采用了許多方法，其中常用的有火花叉法、光電法、靜電探頭法、自走式不良絕緣子電阻檢測法等［1～3］。但是,根據(jù)這些方法研制的裝置在使用時都要求操作人員爬上桿塔,逐個檢測塔上所有的絕緣子,其勞動強度很大。另外,火花叉在產(chǎn)生火花的瞬間相當于將所檢測的絕緣子短路，有引起絕緣子串閃絡的危險。因此，目前現(xiàn)場急需一種可以在地面進行檢測的方法。 　　近些年來，出現(xiàn)了一些基于不良絕緣子產(chǎn)生局部放電、發(fā)出紅外線、電磁波、超聲波或產(chǎn)生異常機械振動的新方法，諸如超聲波檢測法［2］、紅外線檢測法、多普勒效應法［4］、脈沖電流法［5］等。它們都是可以在地面進行檢測的方法，但都還有其局限性，目前還不適用于野外使用。 　　由于基于脈沖電流法的檢測手段成本低且簡便易行，所以近幾年來不少人在嘗試著用脈沖電流法來實現(xiàn)對不良絕緣子的準確檢測［5～9］。從目前的研究現(xiàn)狀來看，存在著兩種不同的檢測方案。第一種方案是研究一個工頻周期內(nèi)的電流波形，試圖找出有不良絕緣子時電流波形與無不良絕緣子時電流波形之間的差異［8，9］，但此方案還只停留在理論探討方面。第二種方案是研究電暈脈沖的個數(shù)，通過測量多個工頻周期內(nèi)的脈沖個數(shù)，來識別含不良絕緣子的絕緣子串［5，6］。但這種方案在檢測方法上存在嚴重問題，其誤判率較高。 　　利用電暈脈沖電流來檢測不良絕緣子是日本人于80年代最先提出的［5］。多年來，很多人努力研究，但結果不佳。在深入研究了絕緣子及絕緣子串電暈放電指紋（N－φ譜圖）的基礎上，我們提出了用絕緣子串電暈放電的指紋來檢測不良絕緣子串的方法，并應用模式識別技術來判別不良絕緣子串。 [b]2　電暈放電指紋檢測不良絕緣子串的方法 　　2.1　用脈沖電流檢測不良絕緣子串的原理 [/b]　　在正常工作情況下線路中每片絕緣子都承擔一定的工作電壓，當三相絕緣子串中的某串上含有不良絕緣子時，這一相絕緣子串上的電壓分布會發(fā)生變化。不良絕緣子上的分擔電壓減小，良好絕緣子上的分擔電壓增加。當線路導線端某些良好絕緣子的分擔電壓增大時，其電暈放電的次數(shù)和強度也會有所增加，使得含有不良絕緣子的這一相所對應的電暈脈沖個數(shù)和分布與其它兩相不同。因此，利用傳感器從鐵塔接地線中提取電流脈沖，根據(jù)這種三相電暈脈沖個數(shù)和分布不同，可以判斷塔上是否存在不良絕緣子串［5，6］。 　　在實驗室中，我們對7片良好絕緣子組成的絕緣子串施加66.5 kV的電壓（模擬110 kV線路單相情況），采用羅可夫斯基高頻電流傳感器（1 kHz～15 MHz）從接地線上取信號, 沒有測量到電暈脈沖信號。當串中含有1個零值絕緣子時，我們檢測到了電暈脈沖信號；當其中含有2個零值絕緣子時，可以檢測到較多的電暈脈沖。 　[b]　2.2　三相不平衡法的缺點 [/b]　　在實驗室條件下，110 kV良好絕緣子串及金具導線一般不發(fā)生可測的電暈放電。但是在實際的輸電線路上，三相絕緣子串、金具和導線都有可能發(fā)生電暈，這時就不能僅憑電暈脈沖信號的有無來判斷零值絕緣子串的存在。另外，不同生產(chǎn)廠家、不同生產(chǎn)時間、不同類型、不同線路、不同地理環(huán)境下的絕緣子的電暈情況可能各不相同，所以不能根據(jù)一段時間內(nèi)所檢測到的脈沖的絕對數(shù)來判斷不良絕緣子串的存在。鑒于上述兩方面的問題，以往的電暈電流法采用了比較三相電壓相對應的三相電暈脈沖的方法［5，6］，即采用三相不平衡方法，把對信號參數(shù)的絕對判斷轉化為相對判斷，使脈沖電流檢測法具有了一定的實用性。三相不平衡方法認為，一座鐵塔上三相絕緣子串中同時含有不良絕緣子的概率很小，當某串上含有不良絕緣子時，這一相絕緣子串電暈放電的次數(shù)和強度會有所增加，因此含有不良絕緣子的這一相所對應的電暈脈沖信號就會與其他兩相有所不同，因此通過判斷三相脈沖個數(shù)的平衡即可得知桿塔上是否含有不良絕緣子串。 　　以往的三相不平衡方法是用現(xiàn)場耦合的某一信號作為基準信號，找出工頻三相電壓的一個零點，以這個零點為基準將工頻360°相位上的脈沖等分為3段，令其代表一個周期內(nèi)電暈脈沖（正或負）出現(xiàn)的三相相位，并進行三相脈沖個數(shù)的比較。但是，現(xiàn)場耦合的基準信號和工頻電壓零點之間存在一個相位差，此相位差不是固定的，它隨線路結構、耦合方式等因素而變化。因此，在現(xiàn)場很難確定工頻電壓的零點。工頻電壓零點的偏差導致了分相的不準確，降低了檢測的準確性和可靠性。此外，即使不存在不良絕緣子的鐵塔，也會因各串上的絕緣子的電暈難易程度不同，而使三相電暈脈沖有所差異。因此，要想較準確地判斷三相絕緣子串是否平衡，就不能簡單的比較三相絕緣子串所對應的電暈脈沖的數(shù)目，而是要利用脈沖的個數(shù)、相位、幅值等多方面的信息和各種細微的差別，來判別不良絕緣子串。 　[b]　2.3　電暈放電指紋的模式識別方法 [/b]　　根據(jù)我們的研究結果［7］，單相絕緣子負極性電暈脈沖集中分布在外加電壓210°～270°相位范圍內(nèi)，正極性電暈脈沖主要分布在外加電壓30°～90°相位范圍內(nèi)。因此，在一個工頻周期里，三相絕緣子串電暈脈沖信號（正或負）將形成相間120°的三組分布，它們分別代表三相絕緣子的電暈放電指紋。這個譜圖一般含有三簇正脈沖和三簇負脈沖，每簇脈沖集中分布的相位寬約60°，而且兩簇正脈沖或兩簇負脈沖之間還有約幾十度的空隙，如圖1所示。圖2是我們實驗室中兩相絕緣子串各含有一片低值絕緣子時一個周期里的電暈脈沖信號，圖中兩相脈沖能明顯區(qū)分開來, 其中正弦波形表示所加的A相電壓的相位。實驗結果表明，三相絕緣子串電暈放電指紋具有不同的模式，正常三相絕緣子串的電暈放電指紋模式與含有零值絕緣子的絕緣子串模式不同?；谏鲜鼋Y果，在檢測時可以不必尋找工頻電壓零點，不必再將360°相位等分為3份，也不必明確區(qū)分出三相電暈脈沖簇，而是把一個工頻周期內(nèi)電暈脈沖的統(tǒng)計分布（指紋）看作一種模式，提取此模式的特征向量，采用模式識別的方法來判斷零值絕緣子串的存在。 [align=center] 　　圖1　三相電暈脈沖相位分布示意圖 　　Fig.1　Sketch of phase distribution of 　　three phases of corona pulses[/align][align=center] 　　圖2　兩相絕緣子串中各含有一片低值絕緣子時[/align][align=center]一個周期里的電暈脈沖信號 　　Fig.2　The corona pulses in one periodic when two 　　strings have a low resistance insulator respectively 　　在實驗室中，筆者對大于某一電平的三相絕緣子串電暈脈沖進行了大量統(tǒng)計（500個周期），做出脈沖個數(shù)與相位的關系曲線（N－φ譜圖），并與某一窗函數(shù)進行卷積，得到了一種能夠明確體現(xiàn)電暈模式的曲線。在無不良絕緣子時，沒有統(tǒng)計到脈沖，此曲線是一條幅值為零的直線；在某相含有一片零值絕緣子時，此曲線有2個極大值，如圖3所示。在某兩相分別含有一片零值絕緣子和一片低值絕緣子時，此曲線有4個極大值，如圖4所示。這些結果說明，用模式識別來區(qū)分電暈放電的指紋進而判斷零值絕緣子串的存在是可行的。[/align][align=center] 　　圖3　電暈模式之一 　　Fig.3　One kind of corona pattern[/align][align=left] 　　 圖4　電暈模式之二 　 　Fig.4　Another kind of corona pattern [b]3　脈沖電流法靈敏度的研究 [/b]　　在實驗中，筆者發(fā)現(xiàn)有5個因素對脈沖電流法的檢測靈敏度產(chǎn)生影響：①是不良絕緣子的阻值。不良絕緣子的阻值越低，檢測靈敏度越高。②是不良絕緣子在絕緣子串中的位置。不良絕緣子越靠近導線側，加在正常絕緣子上的電壓越高，絕緣子電暈越強烈，檢測靈敏度越高。③是絕緣子串長度對檢測靈敏度的影響。絕緣子串的片數(shù)越多，放電檢測回路的阻抗越大，檢測靈敏度越低。④是正常絕緣子電暈特性對檢測靈敏度的影響。正常絕緣子的起暈電壓越低，檢測靈敏度越高。⑤是空氣濕度的影響。我們的實驗研究表明，空氣濕度對正常絕緣子的電暈特性有一定影響，濕度增大時，絕緣子電暈脈沖個數(shù)減小，從而檢測靈敏度將有所降低。 [b]4　現(xiàn)場干擾的分析 　　4.1　現(xiàn)場干擾的來源及分析 [/b]　　一般來講，現(xiàn)場干擾主要來源有：①流過鐵塔接地線工頻泄漏電流和諧波電流；②電力系統(tǒng)載波通訊電流、廣播電臺無線電波感應電流；③金具和導線的電暈；④來自鄰近桿塔和變電所的脈沖干擾。 　　對于工頻泄漏電流和諧波電流，因其頻率很低，可以利用濾波器濾除。對于金具和導線的電暈，因金具和導線都是按晴朗天氣下不電暈設計的，電暈脈沖較少，而且同一桿塔上的金具和導線一般具有同等的環(huán)境，即使發(fā)生電暈，也會基本保持平衡狀態(tài)，并不影響檢測結果。對于來自鄰近桿塔和變電所的脈沖干擾，由于線路的衰減作用，其幅值很小，也不會對檢測結果造成大的影響。唯有載波信號，其幅值很大，而且頻率分散，是最大的干擾。 　　[/align][align=left][b]4.2　信號頻帶的選取 　　4.2.1　電暈脈沖的頻譜 [/b]　　實驗室所測到電暈脈沖波形的上升沿約為50 ns，寬度約為250～400 ns。有些脈沖波形顯現(xiàn)非周期衰減，上升速度和衰減速度較慢，幅值較小；有些波形顯現(xiàn)振蕩衰減，上升速度和衰減速度較快，幅值較大。由測量的電暈脈沖信號的頻譜可知，電暈脈沖的主要能量分布在20 MHz以內(nèi)。 　　[b]4.2.2　線路載波的頻譜 [/b]　　我們用鉗形電流傳感器結合DL1540L型數(shù)字示波器（帶寬150 MHz，最高采樣頻率200 MHz）對北京海淀區(qū)清河變電站附近的旺豐、清極和清沙旗支等線路的多個鐵塔、水泥塔進行了測量，所測到的典型載波信號及其頻譜如圖5、圖6所示。[/align][align=center] 　　圖5　110kV水泥塔接地線載波信號 　　Fig.5　The carrier signal on the ground line 　　of a cement tower of 110 kV[/align][align=left] 　　 圖6　圖5中載波信號的頻譜 　　 Fig.6　The frequency spectrum of the 　　 carrier signal in Fig.5 　　從圖中可以看出，載波信號由多個頻率不同、幅值不同的正弦波迭加而成，它對電暈脈沖電流信號來說是巨大的干擾，而且其頻帶范圍較廣，各個頻段的中心頻率也隨時間、線路、地區(qū)的不同而不同?，F(xiàn)有的一些檢測局部放電的裝置多選用干擾頻帶以外的某個很窄頻帶來檢測信號。由于載波頻率的不確定性，這種方式難以應用于線路不良絕緣子的檢測。為了盡量提取脈沖信號的成分，我們選用2 MHz以上的頻帶作為檢測頻帶。 [b]5　脈沖電流法在實際檢測中的應用 　　5.1　不良絕緣子檢測儀的構成及性能 [/b]　　根據(jù)上述對脈沖電流法的分析，我們研制了一臺不良絕緣子檢測儀，其原理框圖如圖7所示。流經(jīng)鐵塔接地線的絕緣子電暈脈沖電流信號被寬帶傳感器獲取，經(jīng)高通濾波器濾除載波干擾信號，并經(jīng)過寬帶放大器的放大，再由模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字量，經(jīng)統(tǒng)計分析，形成放電模式，再經(jīng)過模式識別，得出結論，最后顯示檢測結果。[/align][align=left] 　　 圖7　檢測儀原理框圖 　　 Fig.7　The sketch of the instrument 　　此檢測儀體積小、重量輕，利用電池供電，完全適用野外尋線時便攜使用。它利用鉗形電流傳感器從桿塔接地線上獲取信號，不用登塔，在地面即可迅速完成對塔上所有絕緣子的檢測，操作簡便。 [b]5.2　現(xiàn)場檢測結果 [/b]　　1998年8月20日，利用筆者的檢測儀對河南濮陽供電局岳范線（110 kV）65號水泥塔進行了檢測，沒有檢測到不良絕緣子，電暈脈沖的個數(shù)與相位關系曲線是一直線。用火花叉登塔檢測，也未發(fā)現(xiàn)不良絕緣子。然后用火花叉短路線路側第一片絕緣子，再用檢測儀進行檢測，電暈的模式與圖3所示的模式相似，表明有不良絕緣子存在。 　　1999年5月7日，利用筆者的檢測儀對蘭州供電局的一些線路進行了檢測，發(fā)現(xiàn)開河二線的一些鐵塔上含有不良絕緣子。例如，9號鐵塔的電暈模式屬于含不良絕緣子的電暈模式（見圖8），之后用火花叉登塔檢測，發(fā)現(xiàn)此塔上存在一個零值絕緣子，初步證明了指紋檢測方法的可行性。目前筆者的研究結果還只適用于110 kV的線路，今后的研究需針對更高電壓等級的線路。[/align][align=left] 　　 圖8　9號鐵塔的電暈模式 　　 Fig.8　The corona pattern of tower No.9 [b]6　結論 [/b]　?。?）通過研究絕緣子串電暈放電的特征，提出了用電暈脈沖的放電指紋（N－φ譜圖）檢測不良絕緣子串的方法。 　　（2）運用模式識別方法可消除不準確分相引起的誤差，降低誤判率。 　?。?）脈沖電流法的檢測靈敏度與5種因素有關。 　?。?）通過對載波等現(xiàn)場干擾及抗干擾措施的分析，研制了1臺智能化便攜式檢測樣機，并在現(xiàn)場110 kV線路試用中取得了較好結果，證明了指紋檢測方法的可行性，使脈沖電流法檢測不良絕緣子串的研究得到了發(fā)展。 　　參考文獻： 　?。?］　柏克寒. 帶電作業(yè)［M］.北京：水利電力出版社，1988. 　?。?］　和田、昱二. 電氣設備診斷技術及其自動化［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1990. 　　［3］　毛鳳麟. 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