1、输电线路外绝缘状态监测输电线路外绝缘状态监测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 研究背景研究背景输电线路绝缘子的污闪放电现象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塔绝缘子爬电污闪问题没有得到根除污闪问题没有得到根除绝缘子污秽程度的表示方法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
2、（在线监测，和积污和潮湿程度及施加电压相关，如何根据泄漏电流监测量评估绝缘子的闪络风险）1.2 研究内容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 研究内容研究内容系统组成在线监测离线监测污秽评估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 2.基于大气监控的污秽度评测基于大气监控的污秽度评测系统模型组成2.1 污源模型与扩散模型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
3、正态模型。在不稳定、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
4、粒物的运动轨迹发生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绝缘子积污原理与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为颗粒物粒径流体分析模型1.2()1 exp(/15)F dd 2.2 绝缘子积污原理与模型绝缘子积污原理与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
5、关其中，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绝缘子-污秽碰撞模型QcvS2.2 绝缘子积污原理与模型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为总粘附力，Fw为范德华力；Fc为毛细力，FB为化学键粘合力；awcBEFFFFF化学键粘合力需较长时间的分子扩散
6、才能产生，考虑到颗粒与表面的碰撞，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。0246810121400.511.522.533.544.5x 10-11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/m30246810121400.10.20.
7、30.40.50.60.70.80.91x 10-10风 速/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1iiiir00(,)iiicc vc0246810121401020304050607080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绝缘子积污原理与模型
8、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。1.降雨喷头 2.活接头 3.水压表 4.水泵 5.泄压阀 6.水箱0246810121416010203040可溶盐清洗效率（%）时间（min）1.0mm/min 2.0mm/min 3.5mm/min0246810121416051015不溶物清洗效率（%）时间（min）1.0mm/min 2.0mm/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
9、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、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
10、子污秽度测量方法污秽状态评估专家系统3.离线绝缘子污秽度测量方法与系统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的定义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。表面电导率测量系统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
11、的电压 I 为此时流过绝缘子表面的泄漏电流。f If GU3.1.2 测量电压与加压时间对测量值的影响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：衰减平衡型稳定型增长型不参与不参与平均值平均值前前5 5个周波个周波3.1.2 测量电压与加压时间对测量值的影响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。在满足条件的情况下（例如实验室条件
12、），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。3.1.6 小结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。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
13、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小实验室空间内开展试验。试验仓试验仓温湿度控制单元温湿度控制单元显示屏显示屏控制控制面板面板箱体3.2.2 表面电导率测量系统开发表面电导率
14、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。试验变压器试验变压器高压套管高压套管机柜机柜控制回路控制回路表面电导率测量模块表面电导率测量模块3.2.2 表面电导率测量系统开发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加速受潮的方法研究出现凝露后，不论当前湿度
15、为多少，均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 起始时刻起始时刻 5 5minmin 5min5min 10min 10min 10min10min3.2.6 测量系统现场应用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系统现场应用试验结果测量用时小于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
16、、苏州等地区的8条线路上开展绝缘子污秽度实测。序号地区外绝缘配置盐密/灰密（mg/cm2）表面电导率（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
17、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。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
18、线测量系统研究4.1.3 饱和受潮条件下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，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。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
19、潮，记录各个湿度下的充分受潮表面电导率，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）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。表面电导率污秽度相对湿度关系图 4.1.6 小结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，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
20、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表面电导率在线测量系统开发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。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。系统组成图4.2.1 表面电导率在线测量系统开发表面电导率在线测量系统开发测量
21、终端引流环引流环测量传感器测量传感器采集终端采集终端太阳能供电系统太阳能供电系统4.2.1 表面电导率在线测量系统开发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
22、业，在沿江区域形成了多处E级污区。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
23、套具备工程应用的电网污秽预警系统。从功能的角度考虑，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 历史工作状况历史工作状况分析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历史工作状况分析的特征量典型的日变化曲线5.2 历史工作状况历史工作状况分析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
24、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0246810121416182012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30电导率电导率/uS时间时间/天天5.2 历史工作状况历史工作状况分析分析查询历史趋势数据，获得线路的历史工作状态。田都5216线历史数据流失型流失型增长型增长型稳定型稳定型稳定型稳定型稳定型稳定型增长型增长型流失型
25、流失型5.2 历史工作状况历史工作状况分析分析通过分析历史数据，可以获得线路的历史工作状态。田都5216线实时监测数据正常运行正常运行预报预报降雨降雨污层充污层充分受潮分受潮污秽污秽流失流失正常运行正常运行开始开始降雨（小雨）降雨（小雨）5.4 输电线路运行指数输电线路运行指数将输电线路当前运行状态以直观的数据形式展示，供运行人员参考。输电线路运行指数安全输电 健康体检85闪络预警实时裕度历史数据专家分析工具包当前运行状态当前运行状态 实时运行安全裕度 2 20 0%历史数据分析历史数据分析 连续积污时间 3030天 日均积污增长率 0.002闪络预警闪络预警 未来72小时闪络概率 1%系统运
26、行系统运行 安全安全关注天气状况关注天气状况可根据实际配置状可根据实际配置状况、污源污区环境、况、污源污区环境、运行经验、运行人运行经验、运行人员偏好等，调整规员偏好等，调整规则库和权重。则库和权重。5.5 系统建设与应用系统建设与应用系统建设 大气环境监测系统气象监测预报系统电网视频监控系统污秽状态评估系统绝缘子污秽状态在线评估绝缘子污秽度离线测试评估5.5 系统建设与应用系统建设与应用污秽状态分析与闪络预警工作流程5.5 系统建设与应用系统建设与应用查询历史信息，监控实时状态，结合气象预报等做闪络预警分析5.7 小结小结污秽状态评估系统以绝缘子污秽在线监测系统和离线测量系统为核心，通过有机结合电网大气环境监测数据、气象监测系统数据，综合评估电网绝缘子的污秽状态，建立了污秽状态评估系统。运行经验表明该系统可良好地实现污秽监测与评估的目的，降低运行风险，提高供电可靠性。56
