输电线路外绝缘状态监测方法

1、输电线路外绝缘状态监测方法y研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统1.1 研究背景500kV港城变电站外绝缘设备放电现象靖两甲乙线N7耐张塔绝缘子放电黄开甲乙线#03塔绝缘子爬电输电线路绝缘子的污闪放电现象污闪问题没有得到根除绝缘子污秽程度的表示方法1.等值附盐密度（广泛使用，测量简便，和污闪电压相关性不好）2.表面电导率（和污闪电压相关性好，测量较复杂）3.泄漏电流（在线监测，和积污和潮湿程度及施加电压相关，如何根据泄漏

2、电流监测量评估绝缘子的闪络风险）1.2 研究内容污源释放污染物通过监控大气环境监测污源绝缘子表面累积污秽通过离线测量绝缘子表面污秽绝缘子在线运行绝缘子表面污秽度在线测量外绝缘 状态评估1.2 研究内容系统组成在线监测离线监测污秽 评估电气参数测量 传感器环境参数测量 传感器表面电导率测 量值饱和受潮表面 电导率最大值闪络电压 预测值盐密、灰密 预测值表面电导率测 量值闪络预警污秽状态评估温度湿度污秽度实验室 测量系统气象预报污区图 自动更新空气质量测量 传感器硫化物、氮氧 化物浓度可吸入颗粒物 浓度绝缘子表面污 秽累计量预测风速、风向降雨量研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量

3、方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统2.基于大气监控的污秽度评测系统模型组成饱和受潮表面 电导率最大值盐密、灰密 预测值污秽成分污闪电压预测污区图 自动更新绝缘子表面污 秽不均匀系数空气质量测量 传感器硫化物、氮氧 化物浓度可吸入颗粒物 浓度绝缘子表面污 秽碰撞量风速、风向降雨量环境参数测量 传感器污源环境参数 测量传感器污源量 化模型扩散 模型碰撞 模型绝缘子表面污 秽吸附量吸附 模型绝缘子表面污 秽饱和量流失 模型污秽状态评估溶解 模型污闪 模型2.1 污源模型与扩散模型绝缘子表面污秽多来自大气，大气污染物扩散模型采用HJ/T 2.21993标准所推荐的高斯正态模型。在不稳

4、定、中性和稳定条件下，接受点的SO2浓度用下式预测在小风、静风条件下，地面(x，y)点1h平均浓度可按下式计算对烟尘和粉尘，要考虑颗粒物的沉积作用2.2 绝缘子积污原理与模型绝缘子积污原理与模型：从力学角度分析，污秽颗粒在向绝缘子运动 过程中，受到流场曳力、电场力、重力、布 朗力等多种力的作用；对积污起主导作用的 是流体曳力、电场力和重力。在风速较小 时，电场力起主要作用，而在风速较大时， 则是流体曳力和重力起主导作用从污染物特征考虑，污秽颗粒的粒径对于绝 缘子积污特性有十分重要的影响。在简化计 算模型及理论推导后认为：在自然条件和充 分考虑粒子荷电的情况下，电场能使污秽颗 粒物的运动轨迹发生

5、较大偏移的粒径上限为 10um；如果粒径继续增大，则由流体曳力和 重力起主导作用。2.2 绝缘子积污原理与模型流体分析模型流场中的绝缘子积污模型在绝缘子积污的过程中，流体 曳力对污秽颗粒的运动起着最 为重要作用，采用流体仿真软 件来模拟计算在不同风速下绝 缘子周围的流场分布情况。以0.6 m为半径构建风洞仿真 模型，进行绝缘子周围的流场 计算。污秽颗粒的粒径分布服从分布F(d) 1 exp(d /15)1.2 )其中F(d)为粒径小于d的颗粒所占的 质量分数d为颗粒物粒径2.2 绝缘子积污原理与模型绝缘子-污秽碰撞模型绝缘子表面污秽碰撞量碰撞量与污秽浓度、流体速度、正 对面积有关Q cvS其中

6、，C为颗粒物浓度，v为流体速度，S为风 洞入口面积，Q为质量流率，即单位时间内通 过入口的颗粒物质量仿真结果表明，当风速分别为0.2、 7、12 m/s时，随着颗粒物浓度的增 加，碰撞量近似线性的增长粒径分布对碰撞量有着显著的影 响，随粒径增加，上表面碰撞量增 加，下表面则变化不明显2.2 绝缘子积污原理与模型污秽在绝缘子表面的粘附不是所有与绝缘子表面发生碰撞的颗粒都 会被绝缘子表面捕获，需满足一定的条件碰撞瞬间颗粒物与绝缘子壁面的作用力Fa Fw Fc FB FEFa为总粘附力，Fw为范德华力；Fc为毛细力，FB为化学键粘合力；化学键粘合力需较长时间的分子扩散才能产生，考虑到颗粒 与表面的碰

7、撞，时间很短，故认为该力为0；亲水性绝缘子表面由于连续水膜的存在，其存储的电荷量很少，故认为静电吸引力为0，不考虑电场作用；故只考虑范德华力和毛细力的作用。2.2 绝缘子积污原理与模型仿真结果实例在相对湿度为30%,颗粒物平均粒径为15 um，颗粒物浓度为50 ug/m3的情况下，不同风速作用下上下表面颗粒物的粘附量如 图所示。248101214000.511.522.533.54-11x 104.56风速/m/s积污量/kg上表面积污量-风速图 RH=30%平均粒径15um浓度50ug/m3248101214000.10.20.30.40.50.60.70.80.9-10 x 1016风速/

8、m/s积污量/kg下表面积污量-风速图 RH=30%平均粒径15um浓度50ug/m32.2 绝缘子积污原理与模型污秽累积量模型在掌握粒径分布、结合相关气象、污染物参数后，就可以对盐 密、灰密进行计算iiii1 r0i0icc i (c , v )2481012140050403020106070806风速/m/s积污量 广州地区盐密计算曲线 上表面仿真点 上表面拟合曲线 下表面仿真点 下表面拟合曲线 积污量预测2.2 绝缘子积污原理与模型降雨与污秽流失降雨会引起绝缘子表面污秽的流失，随降雨量的不同，污秽的 流失速度与流失比例会有差异。3126451.降雨喷头 2.活接头 3.水压表4.水泵

9、5.泄压阀 6.水箱10203040可溶盐清洗效率（%）00246810121416时间（min） 1.0mm/min2.0mm/min 3.5mm/min51015不溶物清洗效率（%）00246810121416时间（min） 1.0mm/min2.0mm/min 3.5mm/min不同降雨量条件下的可溶部分与 不可溶部分的清洗率2.3 绝缘子积污预测系统绝缘子积污预测系统基于前述绝缘子污秽累积、流失模型，可建立绝缘子积污预测 系统通过污源监测装置监测污源附近的气象、环境参数，预测绝缘 子积污量监测内容包括空气成分（NO2、SO2浓度）；气象要素（温度、湿度、风速、风向、光辐射、大气压、雨量

10、、PH值）；空气中颗粒物粒径分布；模拟交、直流输电线路绝缘子自然积污装置。监测后台可接收前端监测装置的数据、实时显示各监测站点的 数据、分析跟踪以及趋势发展、历史记录查询、远程控制监测 站、报表打印生成。2.3 绝缘子积污预测系统绝缘子积污预测系统组成绝缘子积污预测系统气溶胶粒径谱仪温度、湿度、气压 气象要素传感器风速 传感器光照辐射 传感器雨量 传感器空气成分监测 传感器研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统目录3. 离线绝缘子污秽度测量方法与系统传统的盐密测量主要是离线测量是使用采样巾将污秽擦洗后，带回实验室测量，或者将积

11、污绝 缘子带回实验室后再测量其表面盐密灰密。对盐密和灰密测量方法不展开研究，重点讨论电导率的测量主要研究内容包括表面电导测量方法研究表面电导率测量仪器研制3.1.1表面电导率的定义表面电导率测量系统表面电导率测量方法为在绝缘子两端施加一定电压后测量泄 漏电流，但测量电压的取值及加压时间并无统一标准。记绝缘子经测量和计算 得到的表面电导率数值 为f为绝缘子形状系数U 为测量表面电导率时施加在 绝缘子上的电压I 为此时流过绝缘子表面的泄 漏电流。U f G fI3.1.2 测量电压与加压时间对测量值的影响施加电压、加压时间对测量结果均有影响。以往的研究中，只能给出定性的防止干区形成所应施加的电 压

12、和由此确定的加压时间。采用具有数据存储功能的测量系统，记录不同外加电压和加压时间的泄漏电流实时波形及其趋势。可分为三种类型：0204060801000.00.20.40.60.81.01.21.4Leakage Current/mATime/s020406080100024681012Leakage Current/mATime /s0204060801000246810Leakage Current/mATime /s衰减平衡型稳定型增长型不参与平均值前5个周波3.1.2 测量电压与加压时间对测量值的影响不同加压情况下的试验结果平衡型和衰减平衡型计算所得的表面电导率数值相近。在满足条件的情况

13、下（例如实验室条件），优先选择高电压等 级的外加电压，以模拟绝缘子真实运行条件下的状况；可在允 许条件下，施加略低的电压，且适当延长加压时间。02020406080100120泄漏电流 表面电导率 平衡型测点衰减平衡型测点81046测量电压/kV泄漏电流 /mA042610812表面电导率 / S3.1.6小结测量表面电导率对外加电压及加压时间有要求，施加较高电压，测试时间较短，所获得表面电导率值可靠。自然污秽的可溶盐种类复杂，电导率和污闪电压相关性好于等值盐密。对于人工污秽试品，表面电导率与含盐量（试验盐密）有较好的对应关系。一般而言，对于同一污源环境中的绝缘子，污秽成分相近，污 秽分布相似

14、。因而可通过测量表面电导率，结合经验公式，获 得自然盐密。该测量方法可通过自动化手段实现。3.2.2表面电导率测量系统开发系统要求可为单片绝缘子提供稳定可控的温、湿度环境；可测 量泄漏电流，并可计算表面电导率测量系统基本组成3.2.2表面电导率测量系统开发试验仓及控制系统箱体外形尺寸1350mm*1000mm*1650mm；高压、低压物理隔离，测量、控 制回路与执行单元隔离；控制部分包括工控机、逻辑控制 器、按键面板；显示输出部分包 括显示屏、指示灯与35kV/50kVA污秽电源配合，静态占地面积小于5m2，方便运输考虑到安全距离要求，开展试验 时所需面积小于10m2，可方便地 在集装箱体或较

15、小实验室空间内 开展试验。试 验 仓显示屏控制 面板温湿度控制单元箱体3.2.2表面电导率测量系统开发罐体选用绝缘透明有 机玻璃材质，可满足 电气绝缘要求，同时 便于观察试验过程罐体内径650mm，高 度800mm，可满足3 片XP70、XWP160型 绝缘子试验系统的水位控制，可 自动加水、排水完善的人机交互功能罐体结构抽湿系统储水系统加湿系统试验仓体3.2.2表面电导率测量系统开发按照系统组成，分别完成各组件设计制作。试验变压器高压套管机柜控制回路表面电导率测量模块3.2.2表面电导率测量系统开发为方便现场应用，进一步集成化。3.2.4加速受潮的方法研究出现凝露后，不论当前 湿度为多少，均

16、会在绝 缘子表面出现露珠的凝 结，进而导致污层的迅 速受潮。绝缘子各处温度特性不 完全相同，但差异并不 大，凝露会均与地出现 在绝缘子各个区域。一般条件下可以认为， 凝露出现后，绝缘子会 立刻饱和受潮。未发生凝露组发生凝露组起始时刻起始时刻5min5min10min10min3.2.6测量系统现场应用利用前述系统，开展绝缘子污秽度现场评估。现场试验摘取绝缘子3.2.6测量系统现场应用测量用时小于30分钟，不破坏污层，重复性好，可靠性高。为支持特高压建设，2013年分别在江苏泰州、扬州、南通、 苏州等地区的8条线路上开展绝缘子污秽度实测。试验结果序号地区外绝缘配置盐密/灰密（mg/cm2）表面电

17、导率（S）1泰州28*XWP2-1600.03/-0.992扬州28*XWP2-1600.025/0.0820.433扬州28*XWP2-1600.035/-0.784南通14*XWP2-700.014/0.0100.445南通30*XWP2-1600.082/0.0432.966南通14*XWP2-700.11/-3.687苏州18*XWP2-700.489/0.48733.58苏州28*XWP2-1600.09/-3.413.2.7小结沿串污秽均匀分布的条件下，绝缘子串表面电导率与测量所 得单片表面电导率相等；对满足特定条件的不均匀分布绝缘 子串，可以利用插值方式简化测量过程，得到近似数值

18、。现场应用表明，表面电导率测量系统测量耗时短，精度高， 可重复性强，可满足污秽度评估的需求，可在一定程度上简 化传统的盐密测量工作。研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统4.在线绝缘子污秽度测量方法与系统泄漏电流是在线监测绝缘子污秽程度的特征量泄漏电流和电导率之间可以换算，利用电导率估算污闪电压更 直接泄漏电流不仅和积污关系密切，而且和受潮程度关系密切。主要研究内容包括受潮程度和泄漏电流（表面电导率）之间的关系在线测量系统研究4.1.3饱和受潮条件下表面电导率与闪络电压梯度闪络电压梯度与表面电导率呈现负幂指数关系当串长较长时，

19、绝缘子形状 对闪络电压影响减弱，试验 所得7、14、21、28片绝缘子 串的规律相近；当绝缘子串 较短时，绝缘子形状对闪络 电压影响较明显，所以3片串 所得曲线与其他曲线略有差 异；总体而言，不同串长所得污 闪电压梯度与表面电导率之 间关系可认为近似一致。0102030405060253040354528片21片14片7片3片闪络电压梯度 /（kV/m)表面电导率/uS表面电导率与 闪络电压梯度4.1.4基于实时表面电导率的闪络电压预测研究利用实时测量表面电导率，推算饱和受潮条件下的表面电导率的方法。将人工污秽的绝缘子 串置于雾室中，在带 电条件下依次在不同 湿度充分受潮，记录 各个湿度下的充

20、分受 潮表面电导率，在 100%湿度条件下饱 和受潮，记录饱和受 潮表面电导率，用升 压法做闪络试验。不同盐密、不同湿度下的电导率（14片串，耐压126kV）758095100051015202530表面电导率 /uS8590相对湿度/%等值盐密mg/cm20.0250.050.0750.10.20.3非饱和湿度充分受潮饱和受潮4.1.4.2湿度折算数学模型前述分析了绝缘子表面污秽受潮过程中的电导率变化。低湿度条件下的表面电导率和饱和受潮条件下的表面电导率 之间存在关系。0 .050.100.150.200.250.300510152025307580 85 90 95 100 表面电导率 /

21、uS0.0002.0004.0006.0008.00010.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.0026.0028.0030.00相对湿度 /%等值盐密 /(mg/cm2)1.005.0010.0015.000.200.050.100.150.200.250.307580859095100等值盐密 /(mg/cm2)表面电导率污秽度相对湿度关系图相对湿度 /%0.006.0012.0018.0024.002.0030.00表面电导率 /uS4.1.6 小结饱和受潮情况下，绝缘子串污闪电压与表面电导率存在负幂 指数关系。绝缘子串闪络电压与绝缘子串长间满足线性关系

22、，平均单片 闪络电压与表面电导率为负幂指数关系。试验结果表明，可 以通过测量绝缘子饱和受潮表面电导率，预测不同串长条件 下的饱和受潮闪络电压。试验证明可通过实测非饱和受潮条件下实时表面电导率值计算饱和受潮表面电导率，预测绝缘子串污闪电压。4.2.1表面电导率在线测量系统开发电网污秽监测和预警系统的目标在于通过采用可靠的在线监 测技术，实时准确掌握各地区重点污区主网架的积污状况。系统采用了分布式数据采集 集成系统系统监测部分包括现场监测终端及 通信系统，可实时测量表面电导率 和环境参数；分析预警系统位于电网设备监控中 心，实现后台监控与数据分析功 能；采集终端与后台数据库通过无线通 信系统连接。

23、系统组成图4.2.1表面电导率在线测量系统开发测量终端引流环测量传感器采集终端太阳能供电系统4.2.1表面电导率在线测量系统开发后台中心后台监控中心 及查询页面4.2.2表面电导率在线测量系统开发目前已安装监测终端41个，初步覆盖在江苏苏北矿区、工业 污染区，苏中沿江工业带以及连云港沿海区域及核电站出线 等防污核心区段。（1）苏北干旱地区：冬季干旱少雨，传统矿业和工业城市，煤矿、电厂、水 泥厂等污源众多。（2）连云港沿海输电走廊：连云港地区沿海盐化工企业较多，位于该区域核 电出线地位十分重要。（3）苏中沿江工业带：沿长江两岸聚集了大量电厂、钢铁、化工等高污染企 业，在沿江区域形成了多处E级污区

24、。截止到目前，该系统已初步覆盖江苏地区防污核心区段，在 这些区域形成比较有效的污秽监测预警能力。系统已稳定运行近4年时间，取得了大量的运行经验。研究背景基于大气监控的污秽度评测 离线绝缘子污秽度测量方法 在线绝缘子污秽度测量方法 污秽状态评估专家系统5. 污秽状态评估专家系统研究通过采用可靠、稳定的绝缘子污秽状态在线监测技术，准确掌 握重点污区主网架的污秽状况；并在实时监测的基础上，结合 离线测量数据，综合考虑环境气象等因素影响，结合温度-湿 度-污秽度-污闪电压四者之间关系的数学模型、气象预报和其 他监控数据，分析和预测监测区域内线路的污闪风险，建成了 一套具备工程应用的电网污秽预警系统。从

25、功能的角度考虑，污秽状态评估系统可从时间的角度分为三 个层面，包括实时安全裕度分析、历史工况分析、闪络概率预 测。历史工况分析实时安全裕度闪络概率预测5.2 历史工作状况分析在线监测数据的周期性一天之内环境温度、湿度周期性变化，在绝缘子污秽程度不变 的条件下，实测值也会出现周期性的变化。另外，根据每日的实时表面电导率平均值ave，可以计算得到不同的日均线0.51.02.52.01.5表面电导率 /S18161426242220温度 /100908070605040相对湿度表面电导率相对湿度 /%温度0.022 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 00 02时间典型的日变化曲线历史工作状况分析的特征量5.2 历史工作状况分析从污秽的累积的角度考虑，将历史工作状态分为三种类型：污 秽积累型，污秽流失型，污秽稳定型。污秽累积型以增长型为主均线以递增为主均线穿过单日标 识单元或位于标 识单元下方污秽流失型以减少型为主均线以递减为主均线穿过单日标 识单元或位于标 识单元上方污秽稳定型增长型和减少型 互相穿插均线较为平滑均线基本穿过全 部的单日标识单 元14161820电导率 /uS12108642012345678910 11 12 13 14 15