CN117368797A - 一种基于泄漏电流和efs的复合绝缘子闪络预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压输变电绝缘设备的状态评估与闪络预警方法，提出了一种基于泄漏电流对复合绝缘子进行状态评估的新参量，且利用该参量能够对可能发生闪络的复合绝缘子进行预警提示。为了节省电力系统网络运行检修的成本和最大化复合绝缘子的运行年限，也为了能够更加深入了解绝缘子绝缘强度的劣化状态，本发明还引入电场力(EFS)的分析。通过COMSOL软件对预警绝缘子进行EFS分析计算，可以得到其在清洁环境下的最大电场模与模拟工况环境下的最大电场模。将以上两个数值进行加权比较后，能够得到其具体绝缘劣化的程度，并可根据其劣化严重程度，将预警分为一般预警和严重预警，提供更多的信息来帮助电网运营维护决策者优化资产管理，为我国庞大的电力系统网络节省大量的人力资源和时间成本，解决了目前还没有一种合适的、被广泛接受的方法来量化绝缘子发生闪络概率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压输变电绝缘设备的状态评估与闪络预警方法，具体为一种基于泄漏电流和电场力(EFS)分析的复合绝缘子状态评估方法与闪络预警方法，属于电力设备诊断领域。
背景技术
作为电力系统的重要设备之一，绝缘子被广泛应用于高压架空输电线路和发、变电所软母线的绝缘以及机械固定等，其良好的工作状态对于电力系统的安全运行具有十分重要的意义。其中，复合绝缘子具有重量轻、机械强度高、憎水性和憎水迁移性强、耐污闪电压高、制造工艺简单、维护方便等优势，使用后能有效遏制电网污闪事故的发生，在我国电力系统网络中更是被广泛的应用。因此，确定其绝缘状态，明确其裂化情况，维持其良好的工作状态，有利于电力系统的安全运行。
随着运行年限的增加，复合绝缘子长期在室外运行过程中不可避免地受到潮湿和污秽等各种环境因素的影响，还有自身受到强电场、强机械力的作用，复合绝缘子会发生不同程度的老化。因此，为了保证电力系统的安全稳定运行，有必要对绝缘子的老化状态展开评估。但现有评估技术中，通常对复合绝缘子采用定期人工检修的方式维持其良好的工作状态，即根据检修人员的检修经验设置固定的检修周期，对绝缘子开展预防性维修，其中，固定的检修周期可以根据绝缘子的状态演变进行更改。然而，人工进行检修可能会造成绝缘子出现故障却未被及时发现而造成电力系统故障的情况，影响电力系统的安全运行。
因此，如何快速准确地确定复合绝缘子的绝缘状态，并能对有可能发生闪络的绝缘子进行预警提示，使输电线路网络的运维检修人员能够深入了解其绝缘状态，以实施对应的维护措施，维持电力网络的安全稳定运行，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决没有一种合适的、被广泛接受的方法来量化绝缘子发生闪络概率的问题，而提出一种新的复合绝缘子状态评估参量及方法，来正确地识别复合绝缘子的绝缘状态并量化其发生闪络的概率。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，其中，所述基于泄漏电流和EFS分析包括：
无线高压钳型电流表，包括扳机、钳口、指示灯、调零旋钮、换挡按键、内置电池和无线传输模块等元器件组成，能够对架空输电线路上正在运行的复合绝缘子进行泄漏电流的监测，并通过无线传输模块将所测得的数据传输给计算机；
计算机，能够将无线高压钳型电流表传输来的数据进行分析，确定其信号中的谐波分量大小，并计算出其三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)。并且能建立所测绝缘子的有限元分析模型，并分析其电场力(EFS)。
所述复合绝缘子闪络预警方法包括：
1)打开无线高压钳型电流表的电源，指示灯亮，然后将钳口靠近架空输电线路上待测复合绝缘子的低压侧导线，传感器感应出外电场的干扰电压，调节调零旋钮将此干扰量归零。接着按住扳机，将钳口夹在被测导线上，测量其泄漏电流，并通过无线传输模块将数据传输至计算机。
2)在终端(计算机)对传输来的泄漏电流信号进行存储与处理，通过快速傅里叶变换得到所需要的泄漏电流三次谐波和五次谐波信号。
3)从泄漏电流的三次谐波和五次谐波信号中能够分别得到其幅值大小，再将这两个数值作商，得到三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)。
4)通过本发明所提出参量R3/5％的数值大小对复合绝缘子的绝缘状态进行评估并量化其发生闪络的概率。如果R3/5％的值小于40％，则认为所测复合绝缘子的绝缘状态为正常，且不会发生闪络现象，不预警；如果R3/5％大于100％时，认为该绝缘子的绝缘状态为严重劣化，很大概率会发生闪络现象，对其进行严重预警；如果在40％<R3/5％<100％的范围内，则可能会发生闪络现象，需对其预警，但预警严重程度和评估其绝缘状态的具体劣化程度还需要进一步分析。
5)对于R3/5％的值处于40％与100％之间的复合绝缘子，需要进一步计算分析了解其劣化程度。利用COMSOL软件建立其有限元仿真模型，然后对其在不加入湿度和污秽的环境影响下的电场力(EFS)进行分析计算，得出其最大电场模，记作EFS1。
6)根据所测复合绝缘子的运行环境，在之前的有限元仿真模型中，加入表面的污秽和相应外部环境的湿度参数，再进行EFS的分析计算，得出模拟真实工况下绝缘子的最大电场模，记作EFS2。
7)将EFS2的值与2倍的EFS1的值进行比较，若前者大，则说明该复合绝缘子的绝缘状态较差，属于严重劣化；反之，则认为该绝缘子的绝缘状态较好，属于一般劣化。
作为本发明的技术方案：所述一种新的复合绝缘子状态评估参量R3/5％，其实对于实时应用，只需要R3/5％的值就可以用来对绝缘子的绝缘状况进行分类，并进行闪络预警，即当R3/5％的值小于40％时，可视为绝缘子运行正常；当R3/5％的值大于40％时，则对其进行闪络预警。由于EFS分析可用于量化所测复合绝缘子的劣化程度，为输电线路的维护决策者提供更精细的信息，故此本发明联合R3/5％与EFS分析对复合绝缘子的闪络发生概率进行预警。
作为本发明的技术方案：所述步骤1)中，无线传输模块包括传输模块与控制模块。其内嵌有4g传输芯片与AI处理核，通过预先设置好的控制方案，在终端(计算机)上即可实现远程在线实时监测复合绝缘子的现场运行状态。
作为本发明的技术方案：所述步骤2)中，泄漏电流信号存储为CSV文件，同时使用MATLAB软件对其进行分析。且在现有应用较多的绝缘子诊断方法中，如红外成像法、紫外成像法、光学检测法、超声波检测法等，所用表征绝缘子状态的参量都是基于绝缘子的物理特性的，而泄漏电流特性是指绝缘子本身内在的属性。
作为本发明的技术方案：所述步骤3)中，根据不同污秽程度下泄漏电流的谐波谱分析，可以得出谐波谱中起主导作用的是三次谐波和五次谐波。然而，由于其缺乏一致的趋势，不能单独用于评估绝缘子的运行状态。因此，本发明提出的将这两种分量的比值作为识别和评估绝缘子状况的参量更可靠。
作为本发明的技术方案：所述步骤4)中，通过大量试验发现，当复合绝缘子在湿污环境下时，与在清洁环境相比，三次谐波分量的幅值有显著增加，当湿污达到一定程度，三次谐波分量的幅值超过了五次谐波，即R3/5％>100％，绝缘状态为严重劣化，我们就能观察到有明显放电现象产生。但在高湿度环境(RH90％)下，有时可能由于绝缘子表面完全湿润，其表面的污秽可能被冲走，此时其绝缘状态与同污秽程度且相对湿度70％的环境下相比，有所好转，观察到微弱局部放电现象，且测得R3/5％＜100％，即绝缘状态为一般劣化。因此，本发明提出的新参量有较高的准确性。
作为本发明的技术方案：所述步骤5)中，需要对复合绝缘子的金属部件、芯棒、伞裙、污秽层及其外部空气的相对介电常数、电导率等相关参数进行设置。
本发明的有益效果是：1)提出了一种基于泄漏电流对复合绝缘子进行状态评估的新参量，对于实时监测应用方面，通过该参量的数值大小可以对可能发生闪络的绝缘子进行预警提示，能够帮助运维人员准确判断哪些复合绝缘子在运行过程中可能会发生闪络。
2)由于我国的电力系统网络十分庞大，复合绝缘子因其憎水性也被大规模使用，出于经济性的考虑，经过所提出的新参量预警后的复合绝缘子，还可以经过进一步分析EFS，区分出运行过程中表现出绝缘状态严重劣化的复合绝缘子，先更换严重威胁输电线路稳定运行的绝缘子，不仅可以节省人力和时间成本，还筛选出绝缘状态一般劣化尚能继续安全运行的绝缘子，最大化其利用率，降低维护电力网络的运营成本。
附图说明
图1为本发明中基于泄漏电流和EFS分析的检测系统组成示意图；
图2为本发明中一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于泄漏电流和EFS分析的检测系统，包括：
1)无线高压钳型电流表，包括扳机、钳口、指示灯、调零旋钮、换挡按键、内置电池和无线传输模块等元器件组成，能够对架空输电线路上正在运行的复合绝缘子进行泄漏电流的监测，并通过无线传输模块将所测得的数据传输给计算机；
2)计算机，能够将无线高压钳型电流表传输来的数据进行分析，确定其信号中的谐波分量大小，并计算出其三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)。并且能建立所测绝缘子的有限元分析模型，并分析其电场力(EFS)。
需要说明的是：其实对于实时应用，只需要R3/5％的值就可以用来对绝缘子的绝缘状况进行分类，并进行闪络预警。由于EFS可用于量化所测复合绝缘子的劣化程度，为输电线路的维护决策者提供更精细的信息，故此本发明联合R3/5％与EFS分析对复合绝缘子的闪络发生概率进行预警。
如图2所示，一种基于泄漏电流和EFS分析的复合绝缘子闪络预警方法，所述复合绝缘子闪络预警方法包括：
第一：打开无线高压钳型电流表的电源，指示灯亮，然后将钳口靠近架空输电线路上待测复合绝缘子的低压侧导线，传感器感应出外电场的干扰电压，调节调零旋钮将此干扰量归零。接着按住扳机，将钳口夹在被测导线上，测量其泄漏电流，并通过无线传输模块将数据传输至计算机。
另外：无线传输模块包括传输模块与控制模块。其内嵌有4g传输芯片与AI处理核，通过预先设置好的控制方案，在终端(计算机)上即可实现远程在线实时监测复合绝缘子的现场运行状态。
第二：在终端(计算机)对传输来的泄漏电流信号进行存储与处理，通过快速傅里叶变换得到所需要的泄漏电流三次谐波和五次谐波信号。
其中，泄漏电流信号存储为CSV文件，同时使用MATLAB软件对其进行分析。
这里需要进一步解释一下：在现有应用较多的绝缘子诊断方法中，如红外成像法、紫外成像法、光学检测法、超声波检测法等，所用表征绝缘子状态的参量都是基于绝缘子的物理特性的，而泄漏电流特性是指绝缘子本身内在的属性。
第三：从泄漏电流的三次谐波和五次谐波信号中能够分别得到其幅值大小，再将这两个数值作商，得到三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)。
需要说明的是：根据不同污秽程度下泄漏电流的谐波谱分析，可以得出谐波谱中起主导作用的是三次谐波和五次谐波。然而，由于其缺乏一致的趋势，不能单独用于评估绝缘子的运行状态。因此，本发明提出的将这两种分量的比值作为识别和评估绝缘子状况的参量更可靠。
第四：通过本发明所提出参量R3/5％的数值大小对复合绝缘子的绝缘状态进行评估并量化其发生闪络的概率。
其中，如果R3/5％的值小于40％，则认为所测复合绝缘子的绝缘状态为正常，且不会发生闪络现象，不预警；如果R3/5％大于100％时，认为该绝缘子的绝缘状态为严重劣化，很大概率会发生闪络现象，对其进行严重预警；如果在40％<R3/5％<100％的范围内，则可能会发生闪络现象，需对其预警，但预警严重程度和评估其绝缘状态的具体劣化程度还需要进一步分析。
这里需要进一步解释一下：通过大量试验发现，当复合绝缘子在湿污环境下时，与在清洁环境相比，三次谐波分量的幅值有显著增加，当湿污达到一定程度，三次谐波分量的幅值超过了五次谐波，即R3/5％>100％，绝缘状态为严重劣化，我们就能观察到有明显放电现象产生。但在高湿度环境(RH90％)下，有时可能由于绝缘子表面完全湿润，其表面的污秽可能被冲走，此时其绝缘状态与同污秽程度且相对湿度70％的环境下相比，有所好转，观察到微弱局部放电现象，且测得R3/5％＜100％，即绝缘状态为一般劣化。因此，本发明提出的新参量有较高的准确性。
另外：如果将本发明方法作为实时应用，当R3/5％的值小于40％时，可视为绝缘子运行正常；当R3/5％的值大于40％时，则对其进行闪络预警。
第五：对于R3/5％的值处于40％与100％之间的复合绝缘子，需要进一步计算分析了解其劣化程度。利用COMSOL软件建立其有限元仿真模型(需要对复合绝缘子的金属部件、芯棒、伞裙、污秽层及其外部空气的相对介电常数、电导率等相关参数进行设置)，然后对其在不加入湿度和污秽的环境影响下的电场力(EFS)进行分析计算。得出其最大电场模，记作EFS1。
第六：根据所测复合绝缘子的运行环境，在之前的有限元仿真模型中，加入表面的污秽和相应外部环境的湿度参数，再进行EFS的分析计算，得出模拟真实工况下绝缘子的最大电场模，记作EFS2。
第七：将EFS2的值与2倍的EFS1的值进行比较，若前者大，则说明该复合绝缘子的绝缘状态较差，属于严重劣化；反之，则认为该绝缘子的绝缘状态较好，属于一般劣化。
实施例一
本实施例是以宜昌运维部分所辖11kV线路上运行的复合绝缘子的闪络预警情况为例。
本实施例使用的无线高压钳型电流表型号为ETCR9100B，分辨率为0.01mA，无线传输最大距离为30m；泄漏电流测量步骤按照中国国家标准GB/T 16912-2016《电力设备与系统的绝缘配合与绝缘试验导则》明确的绝缘配合和绝缘试验规范下进行。
步骤一：检查待测宜昌运维部分所辖11KV线路上运行的复合绝缘子表面是否完好、是否存在明显缺陷，并对其表面的污秽程度进行基本了解。若检查无异常，准备开始对该复合绝缘子运行时的绝缘状态进行评估及闪络预警。
步骤二：将待测复合绝缘子挂入原所在线路上运行，在凌晨5点前启动无线高压钳型电流表并将其夹在待测绝缘子的接地侧导线上，测量其泄漏电流，并通过无线传输模块将数据传输至计算机。
步骤三：在终端(计算机)对传输来的泄漏电流信号进行处理，将泄漏电流信号存储为CSV文件，同时使用MATLAB软件对其进行分析，通过快速傅里叶变换得到所需要的泄漏电流三次谐波和五次谐波信号。
步骤四：从泄漏电流的三次谐波和五次谐波信号中能够得到其幅值大小，分别为0.176mA和0.3mA，再将这两个数值作商，得到三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)为58.58％，需要对其进行闪络预警。
步骤五：此时，由于R3/5％的值在40％和100％之间，需要利用COMSOL软件建立其有限元仿真模型，计算该绝缘子在无污秽和不考虑湿度的情况下的，得出其最大电场模EFS1为55kV/m。
步骤六：对已有的有限元仿真模型，在其表面添加与实际运行情况大致相同的污秽程度并设置相应外部环境的湿度参数，再进行EFS的分析计算，得出模拟真实工况下绝缘子的最大电场模EFS2为104kV/m。
步骤七：将EFS2的值与2倍的EFS1进行比较，发现前者更大，则说明该绝缘子的绝缘状态属于一般劣化，有可能发生闪络，需要对其进行一般预警。实际观察后发现，该绝缘子有时会发生局部放电现象，建议近期多观察该绝缘子的运行状况。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，其特征在于，所述基于泄漏电流和EFS分析包括：
无线高压钳型电流表，包括扳机、钳口、指示灯、调零旋钮、换挡按键、内置电池和无线传输模块等元器件组成，能够对架空输电线路上正在运行的复合绝缘子进行泄漏电流的监测，并通过无线传输模块将所测得的数据传输给计算机；
计算机，能够将无线高压钳型电流表传输来的数据进行分析，确定其信号中的谐波分量大小，并计算出其三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)，并且能建立所测绝缘子的有限元分析模型，并分析其电场力(EFS)；
所述复合绝缘子闪络预警方法包括：
1)打开无线高压钳型电流表的电源，指示灯亮，然后将钳口靠近架空输电线路上待测复合绝缘子的低压侧导线，传感器感应出外电场的干扰电压，调节调零旋钮将此干扰量归零，接着按住扳机，将钳口夹在被测导线上，测量其泄漏电流，并通过无线传输模块将数据传输至计算机；
2)在终端(计算机)对传输来的泄漏电流信号进行存储与处理，通过快速傅里叶变换得到所需要的泄漏电流三次谐波和五次谐波信号；
3)从泄漏电流的三次谐波和五次谐波信号中能够分别得到其幅值大小，再将这两个数值作商，得到三次谐波与五次谐波的幅值之比R3/5％(百分数)；
4)通过本发明所提出参量R3/5％的数值大小对复合绝缘子的绝缘状态进行评估并量化其发生闪络的概率；如果R3/5％的值小于40％，则认为所测复合绝缘子的绝缘状态为正常，且不会发生闪络现象，不预警；如果R3/5％大于100％时，认为该绝缘子的绝缘状态为严重劣化，很大概率会发生闪络现象，对其进行严重预警；如果在40％<R3/5％<100％的范围内，则可能会发生闪络现象，需对其预警，但预警严重程度和评估其绝缘状态的具体劣化程度还需要进一步分析；
5)对于R3/5％的值处于40％与100％之间的复合绝缘子，需要进一步计算分析了解其劣化程度；利用COMSOL软件建立其有限元仿真模型，然后对其在不加入湿度和污秽的环境影响下的电场力(EFS)进行分析计算，得出其最大电场模，记作EFS1；
6)根据所测复合绝缘子的运行环境，在之前的有限元仿真模型中，加入表面的污秽和相应外部环境的湿度参数，再进行EFS的分析计算，得出模拟真实工况下绝缘子的最大电场模，记作EFS2；
7)将EFS2的值与2倍的EFS1的值进行比较，若前者大，则说明该复合绝缘子的绝缘状态较差，属于严重劣化；反之，则认为该绝缘子的绝缘状态较好，属于一般劣化。
2.根据权利要求1所述的一种新的复合绝缘子状态评估参量R3/5％，其实对于实时应用，只需要R3/5％的值就可以用来对绝缘子的绝缘状况进行分类，并进行闪络预警，即当R3/5％的值小于40％时，可视为绝缘子运行正常；当R3/5％的值大于40％时，则对其进行闪络预警；由于EFS分析可用于量化所测复合绝缘子的劣化程度，为输电线路的维护决策者提供更精细的信息，故此本发明联合R3/5％与EFS分析对复合绝缘子的闪络发生概率进行预警。
3.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，所述步骤1)中，无线传输模块包括传输模块与控制模块；其内嵌有4g传输芯片与AI处理核，通过预先设置好的控制方案，在终端(计算机)上即可实现远程在线实时监测复合绝缘子的现场运行状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，所述步骤2)中，泄漏电流信号存储为CSV文件，同时使用MATLAB软件对其进行分析；且在现有应用较多的绝缘子诊断方法中，如红外成像法、紫外成像法、光学检测法、超声波检测法等，所用表征绝缘子状态的参量都是基于绝缘子的物理特性的，而泄漏电流特性是指绝缘子本身内在的属性。
5.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，所述步骤3)中，根据不同污秽程度下泄漏电流的谐波谱分析，可以得出谐波谱中起主导作用的是三次谐波和五次谐波；然而，由于其缺乏一致的趋势，不能单独用于评估绝缘子的运行状态；因此，本发明提出的将这两种分量的比值作为识别和评估绝缘子状况的参量更可靠。
6.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，所述步骤4)中，通过大量试验发现，当复合绝缘子在湿污环境下时，与在清洁环境相比，三次谐波分量的幅值有显著增加，当湿污达到一定程度，三次谐波分量的幅值超过了五次谐波，即R3/5％>100％，绝缘状态为严重劣化，我们就能观察到有明显放电现象产生；但在高湿度环境(RH90％)下，有时可能由于绝缘子表面完全湿润，其表面的污秽可能被冲走，此时其绝缘状态与同污秽程度且相对湿度70％的环境下相比，有所好转，观察到微弱局部放电现象，且测得R3/5％＜100％，即绝缘状态为一般劣化；因此，本发明提出的新参量有较高的准确性。
7.根据权利要求1所述的一种基于泄漏电流和EFS的复合绝缘子闪络预警方法，所述步骤5)中，需要对复合绝缘子的金属部件、芯棒、伞裙、污秽层及其外部空气的相对介电常数、电导率等相关参数进行设置。
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