CN102928751B - 一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法，其特征在于通过对线路两端获取的绝缘子电弧放电产生的暂态行波的分析来判断绝缘子的绝缘性能：根据电弧放电产生的初始行波到达线路两端的绝对时刻计算放电绝缘子的位置；分析暂态行波波形，判断电弧放电形式，估计绝缘子污秽程度，根据估计结果给出预报或告警，实现对高压架空线路绝缘的在线监测，保障线路的安全运行。本发明在线路两端设置监测装置，该方法无需在户外绝缘子上或杆塔处安装监测装置，极大地改善了装置的运行环境和减少了监测装置本身的维护工作量。

Description

一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法

技术领域：

本发明涉及一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法，属于电力在线监测技术领域。

背景技术：

绝缘子暴露于大气中，而且长期工作在强电磁场、强机械应力、剧烈天气变化等环境中，易出现材料老化、内部裂纹、表面破损和积污等情况，因此绝缘子是决定整个架空线路绝缘性能的关键。在大气污染严重的工业区和空气含盐量较高的沿海岸线地区，架空线路绝缘子发生污秽闪络的可能性较大。绝缘子污闪引起保护跳闸的次数仅次于雷击，但所造成的损失却是雷击跳闸的10倍。我国近20年来多次发生区域性大面积污闪事故，几大电网几乎都发生过污闪引起保护跳闸造成的大面积停电事故，带来很大的经济损失。

目前应用的输电线路绝缘子在线监测方法各有不足：绝缘子光电测杆监测时需要人员登杆，劳动量过大，特别是线路绝缘子串分布分散，沿线地理环境往往不利于人员现场工作，无法对所有绝缘子串全天候在线监测。自爬式不良绝缘子监测器也需要人员现场操作，无法全天候监测，且设备成本高。红外热像仪价格昂贵，虽在实验室环境下可以得到理想监测结果，但现场使用时效果不理想。国外采用直升飞机安装红外热像仪靠近绝缘子飞行巡线，但这种方法不符合我国国情。电晕脉冲式监测器利用的脉冲信号很微弱，通常为                                                级，且其频谱很广，难以准确测量，由于杆塔本身的差异，放电的强度各不相同，制定统一的判断标准较为困难。泄露电流在线监测系统由监测分机通过无线通信与主机联系，由于监测分机工作于露天环境中，对监测分机的制造要求很高，且日常维护工作量很大。该领域缺乏实际运行经验，尚无关于泄漏电流监测的相关标准，监测主机应用人工智能算法实现对泄漏电流信息和气象环境信息的综合处理，但是，人工智能算法实际应用还不十分成熟，往往存在一些先天的缺陷。无论国内还是国外，输电线路绝缘子在线监测方法的研究都处在一个很不成熟发展阶段，各种监测原理和技术都有实际应用，又都存在明显的不足。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种通过从线路两端获取监测信号，利用暂态行波初始浪涌到达线路两端的时刻定位放电绝缘子位置，分析波形特征，检出放电相，判断电弧放电形式，进而估计绝缘子绝缘性能，对轻微故障隐患做出预报；对严重隐患发出告警的绝缘子在线监测方法及系统。劳动量小，利于人员现场工作，可全天候在线监测，监测效果好，设备成本高，测量准确，日常维护工作量小的

本发明提出了一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法，该方法针对由于绝缘子电弧放电在线路中引起的轻微、暂态的扰动，通过在线路两端获取电弧放电产生的暂态信号，利用暂态行波初始浪涌到达线路两端的时刻定位放电绝缘子位置，分析波形特征，检出放电相，判断电弧放电形式，估计绝缘子绝缘性能，根据故障隐患严重程度做出预报和告警。绝缘子在线监测思想为：根据双端行波测距原理，通过实时同步获取电弧放电初始行波浪涌到达线路两端的绝对时刻，计算放电处到线路两端的距离，从而定位放电位置。分析线路两端获取的暂态行波波形，检出放电相，三相波形中一相特征明显不同于其他两相，该一相即为放电相。根据波形波动幅度的变化趋势判断电弧以何种形式放电，进而估计绝缘子的绝缘性能和故障隐患的严重程度，发出预警。

本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法，其特征在于通过对线路两端获取绝缘子电弧放电产生的暂态行波的分析判断绝缘子的绝缘性能：根据电弧放电初始行波浪涌到达线路两端的时刻计算放电绝缘子的位置；分析行波波形估计绝缘子污秽程度，进行预报和报警。

为了进一步实现本发明的目的，其特征在于其包括以下步骤：

（1）、暂态信号的获取：实时同步从长度为的线路两端测量点和的电压或电流中提取暂态信号，将包含电弧放电行波在内的暂态信号瞬时超过监测门槛值的绝对时刻和作为电弧放电初始行波浪涌的到达测量点和的时刻；

（2）、定位：利用绝缘子电弧放电产生初始行波浪涌以波速度到达线路两端测量点和时的绝对时刻之差值计算电弧放电处到端测量点的距离和到端测量点的距离，定位计算公式为：；

（3）、判断电弧放电形式和检出放电相：本方法对发生概率最大的单相电弧放电实施监测，根据初始行波浪涌之后的波形特征，若三相波形中有一相波形无明显变化趋势，而其余两相波形波动幅度不断增大，则电弧在过零点有熄灭和重燃现象，波形无明显变化趋势的一相为放电相，波形波动幅度不断增大的为非放电相；若三相波形中有一相波形波动幅度逐渐减小，而其余两相波形无明显变化趋势，则电弧在过零点不会熄灭，波形波动幅度逐渐减小的一相为放电相，波形无明显变化趋势的为非放电相；

（4）、估计绝缘子污秽程度：分析电弧放电形式，若局部电弧有周期性的熄灭与重燃现象，则证明电弧电流较小，污秽层电阻较大，污秽程度较轻；若电弧燃起后不再熄灭，则说明电弧电流较大，污秽层电阻较小，污秽程度较重；

（5）、根据绝缘子污秽程度估计结果给出预报或告警：对绝缘子轻度污秽发出较小故障隐患的预报；对绝缘子重度污秽发出较大故障隐患的告警。

本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：本发明是基于暂态行波原理的绝缘子在线监测方法，根据双端行波测距原理，通过实时同步获取电弧放电初始行波浪涌到达线路两端的绝对时刻，计算放电处到线路两端的距离，从而定位放电位置。分析线路两端获取的暂态行波波形，检出放电相，三相波形中一相特征明显不同于其他两相，该一相即为放电相。根据波形波动幅度的变化趋势判断电弧以何种形式放电，进而估计绝缘子的绝缘性能和故障隐患的严重程度，发出预警。该方法针对由于绝缘子电弧放电在线路中引起的轻微、暂态的扰动，通过在线路两端获取电弧放电产生的暂态信号，利用暂态行波初始浪涌到达线路两端的时刻定位放电绝缘子位置，分析波形特征，检出放电相，判断电弧放电形式，估计绝缘子绝缘性能，根据故障隐患严重程度做出预报和告警。仿真结果表明，该方法能够实现放电绝缘子的定位和绝缘性能的估计。对线路两端获取的暂态波形分析可知，暂态波形的起始时刻可以实现对放电处的定位，波形的不同特征可以检出放电相，实现对绝缘子污秽程度的估计。

附图说明：

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明的ATPDraw仿真模型示意图；

图4为本发明的放电处定位仿真结果图；

图5为本发明的轻污秽电弧放电暂态波形仿真结果图；

图6为本发明的重污秽电弧放电暂态波形仿真结果图。

具体实施方式：

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式，并借助仿真算例来验证本发明的有效性和可行性。

图1是整条线路的绝缘子在线监测方法原理图，L表示线路MN的全长，F为放电点，R为放电点的电弧电阻。

1）将包含扰动初始行波浪涌在内的电压或电流暂态信号瞬时超过某一检测门槛值的绝对时刻作为扰动初始行波浪涌的到达测量点的时刻,当检测到初始行波浪涌后，根据浪涌到达线路两端的绝对时刻，计算放电处到测量点的距离并根据波形估计绝缘性能。

2）在分析波形特征后，检出放电相，三相波形中一相特征明显不同于其他两相，该一相即为放电相。根据波形波动幅度的变化趋势判断电弧以何种形式放电，进而估计绝缘子的绝缘性能和故障隐患的严重程度，发出预警。

图2是绝缘子在线监测方法的系统框图，GPS同步时钟是基于全球定位系统（GPS）技术的电力系统同步时钟，内置GPS信号接收模块（带接收天线）。线路MN两端的在线监测装置通过电压互感器和继电保护用电流互感器获取线路绝缘子放电产生的行波电压和行波电流信号，并且接收GPS同步时钟每秒输出的脉冲同步信号（1PPS）和RS485串行时间编码信号（包含年、月、日、时、分、秒信息）。线路MN两端的在线监测装置通过光纤通道交换数据记录。步骤如下：

步骤1：暂态信号的获取。实时同步从长度为的线路两端测量点和的电压或电流中提取暂态信号，将包含电弧放电行波在内的暂态信号瞬时超过监测门槛值的绝对时刻和作为电弧放电初始行波浪涌的到达测量点和的时刻；

步骤2：定位。利用绝缘子电弧放电产生初始行波浪涌以波速度到达线路两端测量点和时的绝对时刻之差值计算电弧放电处到端测量点的距离和到端测量点的距离。定位计算公式为：；

步骤3：判断电弧放电形式和检出放电相。本方法对发生概率最大的单相电弧放电实施监测，根据初始行波浪涌之后的波形特征，若三相波形中有一相波形无明显变化趋势，而其余两相波形波动幅度不断增大，则电弧在过零点有熄灭和重燃现象，波形无明显变化趋势的一相为放电相，波形波动幅度不断增大的为非放电相；若三相波形中有一相波形波动幅度逐渐减小，而其余两相波形无明显变化趋势，则电弧在过零点不会熄灭，波形波动幅度逐渐减小的一相为放电相，波形无明显变化趋势的为非放电相；

步骤4：估计绝缘子污秽程度。分析电弧放电形式，若局部电弧有周期性的熄灭与重燃现象，则证明电弧电流较小，污秽层电阻较大，污秽程度较轻；若电弧燃起后不再熄灭，则说明电弧电流较大，污秽层电阻较小，污秽程度较重；

步骤5：根据绝缘子污秽程度对绝缘性能做出评价。轻度污秽往往经历一段时间才会发展到重度污秽，因此，这种现象可作为有较小故障隐患的进行预报；重度污秽有可能较短时间内发展到闪络，闪络会造成保护跳闸，因此，这种现象出现后说明绝缘子串具有较大故障隐患，给出告警。实现对高压架空线路绝缘的在线监测，根据监测结果实施检修措施，保障线路的安全运行。

为验证本发明绝缘子在线监测方法的有效性和可行性，在ATPDraw中搭建了某架空线路的仿真算例：

采用ATPDraw搭建算例系统验证本文在线监测方法的正确性和可行性。某架空线路绝缘子电弧放电仿真模型如图3所示。该线路为500kV架空线路，线路两端接有电流互感器和电压互感器。线路中A相有一处绝缘子发生电弧放电，距离M端120km，距离N端200km。线路分布参数为L=0.000914mH/m，C=1.32×10^-5μF/m，R=2.6×10^-5Ω/m，计算得波速度为287.9m/us。

500kV架空线路绝缘子串由30片绝缘子构成，单片本体电阻为R，本体电容为C，单位长度剩余污秽层电阻为，整串剩余污秽层长度为，则等效本体电阻为，等效本体电容为，所有污秽层电阻之和为，干带电容取适当数值，同时适当修改电弧的非线性伏安特性。由于绝缘子串的电弧长度达到整个泄露距离的时，局部电弧将立即发展为闪络，因此不应小于整个泄露距离的20%～30%。

仿真结果分析：

图4为在线路M端和N端获取的A相电流暂态电流波形，该暂态波形起始时刻即为初始行波到达M端的时刻，该时刻为3421μs，初始行波到达N端的时刻为3696μs。根据双端行波测距公式计算得出放电处到M端距离：

放电处到N端距离：

仿真结果表明，利用线路两端的暂态行波初始波可以定位放电绝缘子串位置，误差在0.5km以内。

图5为轻污秽下线路M端获取的A相、B相暂态行波波形（C相波形与B相相似），A相波形特征明显不同于B相和C相。A相波形无明显变化趋势，而B相和C相波形波动幅度逐渐增大。N端获取的三相暂态行波波形也有类似特点。据此，检出放电相为A相，判断电弧放电形式为过零点时有熄灭和重燃现象，电弧电流较小，污秽层电阻较大，污秽程度较轻，发出故障隐患预报。

图6为重污秽下M端获取的A相、B相暂态行波波形（C相波形与B相相似），A相波形特征明显不同于B相和C相。N端获取的三相暂态行波波形也有类似特点。A相波形波动幅度逐渐减小，而B相和C相波形无明显变化趋势。据此，检出放电相为A相，且判断电弧放电形式为过零点时不熄灭，电弧电流较大，污秽层电阻较小，污秽程度较重，发生闪络造成保护跳闸可能性较大，应尽早采取措施恢复绝缘子的绝缘性能，发出故障隐患告警。

Claims (1)

1.一种基于行波原理的高压架空线路绝缘子在线监测方法，其特征在于通过对线路两端获取绝缘子电弧放电所产生暂态行波的分析来判断绝缘子的绝缘性能：根据电弧放电产生的初始行波浪涌到达线路两端的绝对时刻计算放电绝缘子的位置；分析行波波形，估计绝缘子污秽程度，进行预报和告警，其包括以下步骤：

（1）、暂态信号的获取：实时同步从长度为 的线路两端测量点和的电压或电流中提取暂态信号，将包含电弧放电行波在内的暂态信号瞬时超过监测门槛值的绝对时刻和作为电弧放电初始行波浪涌的到达测量点和的时刻；

（2）、定位：利用绝缘子电弧放电产生初始行波浪涌以波速度到达线路两端测量点和时的绝对时刻之差值计算电弧放电处到端测量点的距离和到端测量点的距离，定位计算公式为：；

（3）、判断电弧放电形式和检出放电相：本方法对发生概率最大的单相电弧放电实施监测，根据初始行波浪涌之后的波形特征，若三相波形中有一相波形无明显变化趋势，而其余两相波形波动幅度不断增大，则电弧在过零点有熄灭和重燃现象，波形无明显变化趋势的一相为放电相，波形波动幅度不断增大的为非放电相；若三相波形中有一相波形波动幅度逐渐减小，而其余两相波形无明显变化趋势，则电弧在过零点不会熄灭，波形波动幅度逐渐减小的一相为放电相，波形无明显变化趋势的为非放电相；

（4）、估计绝缘子污秽程度：分析电弧放电形式，若局部电弧有周期性的熄灭与重燃现象，则证明电弧电流较小，污秽层电阻较大，污秽程度较轻；若电弧燃起后不再熄灭，则说明电弧电流较大，污秽层电阻较小，污秽程度较重；

（5）、根据绝缘子污秽程度估计结果给出预报或告警：对绝缘子轻度污秽发出较小故障隐患的预报；对绝缘子重度污秽发出较大故障隐患的告警。