覆冰絕緣子串泄漏電流與覆冰量及覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系

蔣興良 趙世華 張志勁 胡建林 舒立春

（重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400044）

1 引言

輸電線路絕緣子冰閃事故嚴(yán)重危害到電網(wǎng)的安全運(yùn)行，特別是隨著“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”實(shí)施和超、特高壓輸電工程的建設(shè)，輸電線路絕緣子將面臨更加嚴(yán)重的冰閃威脅。影響輸電線路絕緣子冰閃電壓的主要因素是覆冰量和污穢[1,2]，覆冰是一種特殊形式的污穢，覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率反映了這種特殊污穢形式的本質(zhì)，泄漏電流是這種特殊污穢形式的動(dòng)態(tài)表征。因此開展覆冰絕緣子泄漏電流特性研究，探究覆冰絕緣子泄漏電流與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率之間的內(nèi)在聯(lián)系，通過(guò)檢測(cè)及分析泄漏電流特性來(lái)預(yù)測(cè)覆冰絕緣子的覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率，評(píng)估覆冰絕緣子的安全狀態(tài)，為輸電線路外絕緣的選擇和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，對(duì)于預(yù)防冰閃事故的發(fā)生有著重要的意義。

許多研究表明，通過(guò)分析泄漏電流特性能夠?qū)ξ鄯x絕緣子性能進(jìn)行評(píng)估，文獻(xiàn)[3-5]提出了采用脈沖數(shù)、泄漏電流峰值和電荷作為評(píng)估和預(yù)測(cè)絕緣子性能的方法；文獻(xiàn)[6]提出根據(jù)泄漏電流均值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差三個(gè)特征值預(yù)測(cè)污穢程度；文獻(xiàn)[7]提出用三次諧波與基波幅值比和高頻能量與總能量的比作為特征量來(lái)反映污穢程度；文獻(xiàn)[8]提出采用泄漏電流高頻成分來(lái)預(yù)測(cè)絕緣子閃絡(luò)和污穢程度。然而關(guān)于覆冰絕緣子泄漏電流的研究較少，文獻(xiàn)[9,10]對(duì)覆冰期和融冰期的輸電線路絕緣子泄漏電流特性了研究；文獻(xiàn)[11]對(duì)覆冰期絕緣子泄漏電流特性進(jìn)行了研究，得到了泄漏電流包絡(luò)線、累計(jì)能量與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系；文獻(xiàn)[12]根據(jù)泄漏電流特性來(lái)鑒別局部放電和局部電弧的分界點(diǎn)；文獻(xiàn)[13]從時(shí)域和頻域上對(duì)覆冰絕緣子泄漏電流特性進(jìn)行了研究，通過(guò)分析泄漏電流波形和諧波成分發(fā)現(xiàn)泄漏電流在覆冰階段經(jīng)歷兩個(gè)明顯的階段；文獻(xiàn)[14]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析融冰期泄漏電流的變化，指出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠鑒別電弧放電起始階段，并將它們分為四個(gè)典型的覆冰狀態(tài)；文獻(xiàn)[15]利用泄漏電流分幀與小波技術(shù)識(shí)別覆冰絕緣子閃絡(luò)故障；文獻(xiàn)[16,17]分析了覆冰閃絡(luò)過(guò)程中絕緣子串泄漏電流及其頻譜特性的典型變化規(guī)律。

通過(guò)泄漏電流及環(huán)境參數(shù)來(lái)評(píng)估污穢絕緣子污穢程度，國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[3-8]。然而，關(guān)于泄漏電流與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率之間的內(nèi)在聯(lián)系，以及通過(guò)泄漏電流預(yù)測(cè)絕緣子覆冰量及覆冰水電導(dǎo)率確少有研究。因此，本文通過(guò)人工氣候室模擬運(yùn)行電壓下覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率對(duì)覆冰絕緣子泄漏電流的影響，分析泄漏電流時(shí)頻特性，揭示了泄漏電流特征量（脈沖幅值、諧波含量及電荷量）隨覆冰量及覆冰水電導(dǎo)率變化的規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)建立覆冰絕緣子污冰預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

2 試驗(yàn)裝置和試品及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置及試品

試驗(yàn)在重慶大學(xué)長(zhǎng)4.0m、直徑2.0m 的人工氣候室內(nèi)完成，人工氣候室的最低溫度可達(dá)?40℃，最低氣壓可達(dá)34.7kPa，風(fēng)速為1～3m/s，噴淋系統(tǒng)由2個(gè)IEC 推薦的噴頭組成，霧粒直徑為10～120μm。交流電源由900kV·A/150kV 污穢試驗(yàn)變壓器提供，試驗(yàn)變壓器額定電壓為150kV，額定電流為6A，其最大短路電流可達(dá)30A，滿足IEC 60507[18]與國(guó)標(biāo)GB/T 4584—2004[19]對(duì)交流污穢試驗(yàn)電源的要求。通過(guò)SGB—200A 交流電容式分壓器分壓測(cè)量試驗(yàn)電壓，分壓器分壓比1∶10 000，通過(guò)100Ω 無(wú)感電阻測(cè)量泄漏電流信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由個(gè)人電腦、NI公司USB—6215 數(shù)據(jù)采集卡以及配套的Labview 軟件組成，采樣頻率5 000Hz。

圖1 試驗(yàn)原理接線圖Fig.1 Test circuit of the artificial pollution test

試品為FXBW4—35/70 復(fù)合絕緣子，其基本技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖見表1。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）絕緣子覆冰時(shí)人工氣候室溫度控制在?10～7℃之間，風(fēng)速控制在1～3m/s，覆冰前覆冰水預(yù)冷卻至3～4℃，霧粒控制在40～120μm 之間，覆冰水的噴淋速度為60±20L/(h·m2)。覆冰為透明的雨凇，冰的密度為0.80～0.90g/cm3。

表1 試品絕緣子參數(shù)與結(jié)構(gòu)Tab.1 Parameters and configuration of the insulator

（2）模擬覆冰絕緣子的污穢采用覆冰水電導(dǎo)率法[20,21]。清除絕緣子表面油污和灰塵，用電導(dǎo)率小于10μS/cm 的去離子水清洗，晾干后懸掛于人工氣候室，直接對(duì)絕緣子噴灑水霧進(jìn)行覆冰，本試驗(yàn)的覆冰水電導(dǎo)率控制在100～1 000μS/cm 之間。覆冰重量采用拉力電子秤實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，覆冰量控制在10～60g/cm 之間，覆冰量指每厘米電弧距離長(zhǎng)度的覆冰重量，單位為g/cm。不同覆冰量的覆冰絕緣子如圖2 所示。

圖2 不同覆冰量的覆冰絕緣子Fig.2 Iced insulators with different icing weight

（3）當(dāng)絕緣子覆冰達(dá)到預(yù)定要求后，停止噴霧，繼續(xù)冷凍15min，使絕緣子表面尚未凍結(jié)的水膜有足夠的時(shí)間凍結(jié)。停止制冷后，緩慢升高環(huán)境溫度，溫升速度控制在3 ℃/h 。當(dāng)溫度回升至-2℃時(shí)，立即施加至運(yùn)行電壓（20.2kV），同時(shí)采集泄漏電流、環(huán)境溫度，直至環(huán)境溫度回升至2 ℃/h 停止試驗(yàn)。

3 泄漏電流特性分析

3.1 泄漏電流與覆冰重量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系分析

融冰過(guò)程中，絕緣子表面將形成導(dǎo)電水膜，因此覆冰絕緣子放電與污穢絕緣子放電相似，其放電過(guò)程也是由表面泄漏電流引起的，所以覆冰是一種特殊形式的污穢?；谖鄯x放電的Obenaus 模型，覆冰絕緣子閃絡(luò)數(shù)學(xué)模型的基本方程可表示為[22,23]

式中，U為施加的電壓（V）；Rr(x)為剩余冰層電阻（Ω）；γe為冰層表面電導(dǎo)率（S/cm）；L、D 分別為絕緣子的放電距離和等效直徑（cm）；d為冰層厚度（cm）；r0為電弧根部半徑（cm）；UE為電極壓降（V）；x為電弧長(zhǎng)度（cm）；A為靜態(tài)電弧特征常數(shù)；I為泄漏電流。

由式（1）可得

由式（2）可知：泄漏電流I 與冰層表面電導(dǎo)率γe、絕緣子等效直徑D、冰層厚度d 成正比，與放電距離L 成反比。隨著覆冰量的增加，絕緣子覆冰厚度d 增大，絕緣子等效直徑D 增大；當(dāng)覆冰量增加導(dǎo)致冰凌橋接絕緣子串部分傘裙或全部傘裙時(shí)，放電路徑將會(huì)沿冰凌濕潤(rùn)表面，放電距離L 減小。所以泄漏電流隨著覆冰量的增加而增大。融冰時(shí)冰層表面電導(dǎo)率隨著覆冰水電導(dǎo)率增加而增加；加之水滴在凍結(jié)過(guò)程具有“晶釋效應(yīng)”，使得冰層表面電導(dǎo)率更大，從而泄漏電流隨著覆冰水電導(dǎo)率的增大而增大。

3.2 泄漏電流的三個(gè)特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量

覆冰是一種特殊污穢形式，覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率正是反映了這種特殊污穢形式的本質(zhì)，泄漏電流是這種特殊污穢形式放電過(guò)程的動(dòng)態(tài)表征。因此，提取合適的泄漏電流特征量能夠正確反映覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率的大小。時(shí)域特征量脈沖幅值（Ih）從一定程度上反映了電弧放電的大小，是一個(gè)受覆冰水電導(dǎo)率與覆冰量變化影響最顯著的特征量，覆冰水電導(dǎo)率與覆冰量越大則泄漏電流脈沖幅值也就越大；頻域特征量諧波含量（THD）反映沿面電弧出現(xiàn)后的熄滅和重燃所引起的泄漏電流波形畸變程度，覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率越大，沿面電弧放電越頻繁，導(dǎo)致泄漏電流波形畸變?cè)矫黠@，諧波含量越大；電荷累積量（Q）反映了泄漏電流整體的大小，反映了脈沖放電能量的大小。泄漏電流三個(gè)特征量從不同角度描述了當(dāng)前泄漏電流的特性和覆冰絕緣子沿面放電的特點(diǎn)。因此，本文提取泄漏電流脈沖幅值、諧波含量及電荷量三個(gè)特征量，即

式中，Ih為泄漏電流脈沖幅值；THD為總諧波含量；Q為電荷量；為泄漏電流絕對(duì)值；In為n次諧波分量；I1為基波分量；0～τ為積分區(qū)間。

3.3 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系

不同覆冰水電導(dǎo)率下泄漏電流脈沖幅值與覆冰量的關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知，在絕緣子傘裙間未橋接之前，泄漏電流通道仍然沿絕緣子表面，放電路徑變化不大，泄漏電流脈沖幅值隨覆冰量的增加而緩慢增加；當(dāng)冰凌橋接絕緣子串部分傘裙時(shí)，放電路徑將沿冰凌濕潤(rùn)表面，泄漏電流脈沖幅值明顯升高；當(dāng)覆冰量繼續(xù)增加時(shí)，僅增加表面覆冰厚度或橋接傘裙的冰凌數(shù)量，為電弧提供更多的放電通道，泄漏電流脈沖幅值緩慢增加，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量的關(guān)系Fig.3 The relationship between Ihand icing weight

不同覆冰量下泄漏電流脈沖幅值與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系如圖4 所示。由圖4 可知，泄漏電流脈沖幅值隨覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加。對(duì)圖3 與圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率滿足

式中，K1為與覆冰狀態(tài)、絕緣子結(jié)構(gòu)等有關(guān)的常數(shù)，K1=2.77×10-3；a1為覆冰水電導(dǎo)率對(duì)泄漏電流脈沖幅值影響的特征指數(shù)，a1=1.07；b1為覆冰量對(duì)泄漏電流脈沖幅值影響的特征指數(shù)，b1=0.47。式（4）與圖3 和圖4 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)之二次方(R2)＞0.97。

圖4 泄漏電流脈沖幅值與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.4 The relationship between Ihand the conductivity of icing water

由式（4）可繪出如圖5 所示的泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率之間的關(guān)系。

圖5 泄漏電流脈沖幅值與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.5 The relationship between Ihand icing weight,the conductivity of icing water

3.4 泄漏電流諧波含量與覆冰重量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系

不同覆冰水電導(dǎo)率下泄漏電流諧波含量與覆冰量的關(guān)系如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)覆冰較輕時(shí)，泄漏電流諧波含量隨覆冰量的增加而緩慢增加；當(dāng)冰凌橋接絕緣子串傘裙時(shí)，泄漏電流諧波含量明顯升高；絕緣子傘裙橋接傘裙后，泄漏電流諧波含量隨著覆冰量的增加而緩慢增加，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 泄漏電流諧波含量與覆冰重量的關(guān)系Fig.6 The relationship between THD and icing weight

不同覆冰量下泄漏電流諧波含量與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，泄漏電流諧波含量隨覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加。對(duì)圖6 與圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率滿足

式中，K2為與覆冰狀態(tài)、絕緣子結(jié)構(gòu)等有關(guān)的常數(shù)，K2=0.58；a2為覆冰水電導(dǎo)率對(duì)泄漏電流諧波含量影響的特征指數(shù)，a2=0.58；b2為覆冰量對(duì)泄漏電流諧波含量影響的特征指數(shù)，b2=0.23。式（5）與圖6 和圖7 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)之二次方（R2）＞0.97。

圖7 泄漏電流諧波含量與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.7 The relationship between THD and the conductivity of icing water

由式（5）可繪出如圖8 所示的泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率之間的關(guān)系。

圖8 泄漏電流諧波含量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.8 The relationship between THD,icing weight,and conductivity of icing water

3.5 泄漏電流電荷量與覆冰重量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系

不同覆冰水電導(dǎo)率下泄漏電流電荷量（10min的累計(jì)電荷量）與覆冰量的關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可知，當(dāng)覆冰較輕時(shí)，泄漏電流電荷量隨覆冰量的增加而緩慢增加；當(dāng)冰凌橋接絕緣子串傘裙時(shí)，泄漏電流電荷量明顯升高；絕緣子傘裙橋接傘裙后，泄漏電流電荷量隨著覆冰量的增加而緩慢增加，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 泄漏電流電荷量與覆冰量的關(guān)系Fig.9 The relationship between Q and icing weight

不同覆冰量下泄漏電流電荷量與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系如圖10 所示。由圖10 可知，泄漏電流電荷量隨覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加。對(duì)圖9 與圖10中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率滿足

式中，K3為與覆冰狀態(tài)、絕緣子結(jié)構(gòu)等有關(guān)的常數(shù)，K3=8.01；a3為覆冰水電導(dǎo)率對(duì)泄漏電流電荷量影響的特征指數(shù)，a3=0.28；b3為覆冰量對(duì)泄漏電流電荷量影響的特征指數(shù)，b3=0.22。式（6）與圖9 和圖10 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)之二次方（R2）＞0.97。

圖10 泄漏電流電荷量與覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.10 The relationship between Q and the conductivity of icing water

由式（6）可繪出如圖11 所示的泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率之間的關(guān)系。

圖11 泄漏電流電荷量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率的關(guān)系Fig.11 The relationship between Q,icing weight,and conductivity of icing water

4 基于泄漏電流特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)污冰預(yù)測(cè)模型

4.1 污冰特征量

覆冰絕緣子的閃絡(luò)電壓是覆冰量與覆冰水電導(dǎo)率二者共同作用的結(jié)果。通過(guò)大量的試驗(yàn)摸索和分析得到，將轉(zhuǎn)換為20℃的覆冰水電導(dǎo)率（γ）與每厘米電弧距離的平均覆冰量（w）的積（γ w）作為新的特征參量來(lái)表征覆冰和污穢對(duì)絕緣子串閃絡(luò)電壓的影響是合理的[2]，并為分析覆冰絕緣子閃絡(luò)特性帶來(lái)了很大方便，且易于被工程應(yīng)用所采納。用污冰參數(shù)（ISP）表示新的特征參量，即ISP= γ w，其量綱為μS·g·cm-2。ISP是覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率的綜合反映。

4.2 污冰參數(shù)（ISP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的建立

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度的自學(xué)習(xí)、自組織和自適應(yīng)能力，廣泛應(yīng)用在模式識(shí)別、故障診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等方面[14,24,25]。本文選用后向BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)覆冰絕緣子污冰參數(shù)，采用有監(jiān)督學(xué)習(xí)方式。選取泄漏電流脈沖幅值（Ih）、諧波含量（THD）、泄漏電流電荷量（Q）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，隱含層有12個(gè)神經(jīng)元，選取污冰參數(shù)（ISP）作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層。

對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，學(xué)習(xí)過(guò)程的收斂速度和精確性主要依靠輸入數(shù)據(jù)的范圍。因此在數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練前，首先要完成輸入輸出數(shù)據(jù)的歸一化。輸入輸出量需按式（7）進(jìn)行歸一化處理。

式中，xmax和xmin分別為xi的最大值和最小值；為xi歸一化后的結(jié)果。

4.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的泄漏電流幅值、諧波含量及電荷量與覆冰量、覆冰水電導(dǎo)率的回歸擬合式（4）、式（5）及式（6），選擇1 200個(gè)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練。最后用實(shí)測(cè)的21 組數(shù)據(jù)驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)劣。預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表2，其中相對(duì)誤差按式（8）計(jì)算。

式中，D為相對(duì)誤差；S為預(yù)測(cè)值；A為實(shí)測(cè)值；單位都為μS·g·cm-2。

由表2 可知，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值都小于8.5%，由此可見，本文提出的覆冰絕緣子污冰預(yù)測(cè)模型與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，能夠有效地對(duì)覆冰絕緣子污冰參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為輸電線路外絕緣的選擇和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，對(duì)于預(yù)防冰閃事故的發(fā)生有著重要的意義。

表2 預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Tab.2 Comparison between test results and prediction results

5 結(jié)論

（1）提出泄漏電流三個(gè)特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量，這三個(gè)特征量從不同角度描述了當(dāng)前泄漏電流的特性和覆冰絕緣子沿面放電的特點(diǎn)。

（2）泄漏電流脈沖幅值隨著覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加，且滿足Ih=K1γa1wb1，K1=2.77×10-3，a1=1.07，b1=0.47。

（3）泄漏電流諧波含量隨著覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加，且滿足K2=0.58，a2=0.58，b2=0.23。

（4）泄漏電流電荷量隨著覆冰量和覆冰水電導(dǎo)率的增加而增加，且滿足a3=0.28，b3=0.22。

（5）提出用覆冰水電導(dǎo)率與覆冰量的乘積γw 作為新的特征參量來(lái)表征覆冰和污穢對(duì)絕緣子串閃絡(luò)電壓的影響，并為分析覆冰絕緣子閃絡(luò)特性帶來(lái)了方便。

（6）基于泄漏電流三個(gè)特征量：脈沖幅值、諧波含量、電荷量，提出絕緣子污冰預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值都小于8.5%，能夠有效地對(duì)覆冰絕緣子污冰參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，為輸電線路外絕緣的選擇和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，對(duì)于預(yù)防冰閃事故的發(fā)生有著重要的意義。

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