绝缘子污秽（共7篇）
绝缘子污秽 篇1
受日渐恶劣的空气质量的影响，高压输电线路的绝缘子越来越容易受到工业污秽、盐碱、粉尘的污染。在干燥情况下，污秽尘埃的电阻很大，对运行没什么危害。但当大气湿度较高，尤其在雨、雾、露、雪等天气下，绝缘子表面污秽尘埃被湿润，电导剧增，使绝缘子在工频和操作冲击电压下的绝缘性能大为降低，甚至在其工作电压下发生污秽闪络。污秽闪络往往造成大面积停电，检修恢复困难，严重影响电力系统的安全稳定运行。
要防止污闪事故的发生，除了在绝缘子表面涂憎水性的防污涂料或采用大爬电距离的所谓防污绝缘子外，最重要的是要掌握绝缘子的污秽程度，以便在污闪发生之前对绝缘子进行清洁，避免事故的发生。而运行人员要及时准确掌握绝缘子的污秽程度，就要采用正确的绝缘子污秽测量方法，声发射式绝缘子污秽监测方法作为一种新颖的污秽测量方法，对绝缘子污秽程度的监测起到了较好的补充和改进。
1 绝缘子污秽监测方法及特点
现今绝缘子的污秽监测方法主要有3种。一是测量污秽层等值附盐密度。既将绝缘子的污秽物溶于一定容积的蒸馏水中，测出污液的电导率及温度，计算后得到等值附盐密度。二是测量湿润污层的表面电导率。施加交流低电压，在受潮情况下测量绝缘子表面污秽层的电导，根据表面电导和绝缘子外型计算得到污秽层的表面电导率。三是测量泄漏电流脉冲。在绝缘子的污闪过程中，沿绝缘子表面会有跃变的泄漏电流流过，泄漏电流的幅值越来越大，跃变脉冲周期越来越短，表明污闪已逐渐临近。综上所述，在这3种方法中，测量等值附盐密度和污层表面电导率耗时久且不能在线监测，而测量泄漏电流法则在其电磁兼容性上还存在不少问题。
鉴于这种情况，针对绝缘子污秽放电时所伴随的声发射现象，笔者提出一种新的绝缘子污秽放电监测方法，即通过测量污秽放电过程中发出的声波信号来监测绝缘子污秽程度。这种基于声发射原理的绝缘子污秽监测方法具有以下的优势和特点：(1)能够实现在线监测;(2)不需要对现有绝缘子进行改造;(3)与绝缘子没有电气上的接触，避免输电线路的电磁干扰;(4)能够正确地反映绝缘子的运行状态。
2 声发射式绝缘子污秽监测方法的应用
2.1 绝缘子污秽放电过程中的声发射现象
理论和实验结果都表明，在绝缘子局部放电过程中，总是伴随着有电磁波、声波、光波及发热等物理现象的发生。局部放电过程实际是能量突然释放的过程，从宏观上看会对周围的介质产生压力，这一压力使得空气振动，就产生了声波，即绝缘子污秽放电引起的声放射现象。由于污秽放电的时间很短，因此声波的频谱范围很宽。
2.2 基于声发射原理的绝缘子污秽放电监测原理
当绝缘子没有放电时，无声波信号发射。随着绝缘子污秽放电过程的发展，放电逐步增强，声波发射信号从无到有，由弱变强。由于该声波信号的能量是污秽放电所释放能量的一部分，因此声波信号能量与放电能量之间必然存在定量关系，即声波信号的幅值与放电能量的平方根成正比。因此，只要通过检测绝缘子污秽放电所产生的声波信号的幅值，就可以监测污秽放电的强弱并判断其对绝缘的危害。在泄漏电流不大，还没有对绝缘造成危害时，利用具有高灵敏度的声传感器监测声发射信号，通过对声波信号的处理，可判断绝缘子是否接近污闪阶段。如果污闪将出现，则向系统发出警报，从而可实现在污闪尚未发生之前采取相应措施，避免电力系统事故的发生。
2.3 声发射信号监测装置基本组成
声发射绝缘子污秽测量装置主要由聚焦声传感器、前置放大、补偿放大、滤波、采样保持和A/D转换以及通信等几部分组成。
声传感器是声发射信号监测装置的重要元件，其作用是采集污秽放电所产生的声波信号并转换为电信号。污秽放电所产生的声波信号频率范围很宽，但声波信号的能量集中在35～45kHz的频率范围，且高频段声波信号在空气中传播时衰减极大，声波传感器难以监测到。因此，选择声波传感器的接收频率约为40kHz,灵敏度为-67dB。
由于声传感器的转换元件是压电陶瓷晶片，所以传感器具有很高的输出阻抗，为使信号有效地传输，前置放大器的输入阻抗要足够大。本装置的前置放大电路选用精密仪用放大器AD524，它不仅具有高的输入阻抗，而且具有低噪声系数。放大器的增益约为40dB。补偿放大的功能是补偿声信号在空气中传播时发生的衰减，消除距离影响。为了获得更高的灵敏度，在滤波电路后，又增加了一级由运算放大器LF356构成的放大电路，增益约为26dB。
滤波器采用由MAX274构成的三阶切比雪夫带通滤波器，中心频率40kHz,通频带为35～45kHz。滤波环节去除工频干扰等干扰信号后，最后由采样保持和A/D转换部分将模拟信号转换为数字信号并由单片机将信号做串行输出，通过电平转换后送入通信接口，实现与监测中心的数据通信传输。
3 结束语
在线运行的绝缘子的污秽闪络严重影响电力系统的安全稳定运行，供电企业采取了许多措施，但是距离根治还有很长的一段路要走。现有的几种污秽检测方法还远远无法满足在线监测和提前预警的要求，找到一种切实可行的绝缘子污秽在线监测的方法就成为污闪防治工作急待解决的问题。
通过分析污秽放电的机理发现，放电实际上是一种能量释放的过程，在这个过程中总是伴有声、光、热等现象的出现，而声发射式绝缘子污秽监测方法紧扣污秽放电过程中的声发射现象进行了技术改进。目前在电力系统中使用最多也最成熟的是电量监测的方法，在大部分情况下它是最直观和可靠的监测方法，但是遇到变压器绕组变形、电容器的局部放电等情况就鞭长莫及，因此引入某些非电量监测方法可以弥补其不足，从而达到更好的效果。
小资料
绝缘子污秽监测方法
户外绝缘子会受到工业污秽或盐碱、飞尘等污染而发生污秽闪络。为防止绝缘子污闪采取的常见措施有对污秽绝缘子定期进行清洗、加大爬电距离、绝缘子表面涂憎水性防尘材料层、采用防污绝缘子或半导体釉绝缘子。供电企业为加强绝缘子绝缘保护还采取了多种绝缘子污秽监测方法。
目前针对绝缘子的污秽监测手段主要分成2大类：电量检测法和非电量检测法。电量检测法主要有等值盐密法、泄漏电流法、表面电导测量法;非电量检测法则有激光多普勒振动法、红外热象仪法以及超声波检测法等。
1电量检测法
(1)等值盐密法。测量结果分散性较大,很难合理确定测量周期;在拆卸和运输的过程中，污秽物质难免会因刮擦而部分损失，很难保障测量结果的准确性;无法对同一绝缘子的积污特性进行长期监测;无法测量实时盐密值;无法科学指导输变电设备的状态清洗工作;投入人力和物力过大。并且测量前一般需对整条输电线路或整座变电站停电，带来的影响很大。
(2)泄漏电流法。泄漏电流的大小不仅和污秽程度有关，而且和绝缘子的受潮程度有关，此外还和绝缘子的串长、几何形状等因素有关。如何根据测得的泄漏电流值评价绝缘子的污秽程度，如何确定泄漏电流报警的阀值等问题至今仍没有明确的结论。另外，只有在特定的气象条件下才能测到泄漏电流，在干旱少雨地区使用泄漏电流法是不适用的，该方法仅适用于潮湿多雨的地区。
(3)表面电导测量法。需要施加交流低压电，且要在潮湿情况下测量绝缘子表面污秽层的电导，要求难度大，测量结果易受到干扰，测量结果偏差较大。
2非电量检测法
(1)激光多普勒振动法是利用激光多普勒仪发出的激光对准被测绝缘子，根据反射回来的信号进行频谱分析，据此判断绝缘子好坏。该方法无需停电监测，缺点是仪器体积庞大、笨重，使用及维修复杂，对未开裂的劣质绝缘子检测效果较差。
(2)红外热象仪法是利用绝缘子表面的热效应原理进行在线检测，其对于涂有半导体釉的耐污绝缘子检测相当有效，但对于玻璃绝缘子或普通釉的瓷绝缘子的检测相当困难。
(3)超声波检测法是利用绝缘子闪络发出的声波进行分析测定，判断绝缘子的绝缘优劣。该方法对于传感器要求较高，且容易受到环境噪声的干扰。
绝缘子污秽状态紫外在线监测研究 篇2
输电线路和变电站的绝缘子长期暴露在空气中,经常遭受工业污秽或自然盐碱、灰尘、鸟粪等污染。当空气湿度较高时,绝缘子表面的污秽将被湿润,在运行电压作用下其表面电导率和泄漏电流将大大增加,从而导致污秽绝缘子表面电气性能降低甚至发生全面闪络[1]。因此,实时掌握绝缘子的污秽状态对电力系统的安全运行具有重要意义。
目前,监测绝缘子状态的方法主要有泄漏电流法、电场测量法、红外成像法、紫外成像法以及声波或超声波检测法等[2,3,4,5]。以上方法各有优缺点,如电场测量法可以检测出绝缘子的内部缺陷,但需要的测量点较多且操作复杂。红外成像法可以检测绝缘子的局部放电,但是设备复杂,且检测结果受天气影响较大。紫外成像法能够直接检测出设备异常温升之前的放电过程,具有观察直观、预见性好、观测距离远等优点,但是紫外成像设备价格高昂而且难以实现在线监测,所以迄今没有被广泛地应用。超声波检测法可准确检测出开裂绝缘子,但此方法对未开裂的劣质绝缘子检测无效,且信号检测受背景噪声影响很大。
绝缘子放电时会辐射出紫外线,且随着放电强度的加剧,紫外线辐射强度也随之变大。重庆大学电工理论研究所研制了基于紫外脉冲法的污秽绝缘子紫外在线监测系统,通过现场实验证明了该系统具有灵敏度高、响应速度快等特点[6]。但是,当绝缘子串中存在劣质绝缘子时,绝缘子表面也会产生放电现象。因此,应用紫外脉冲法监测绝缘子污秽状态必须区分紫外脉冲产生的原因。本文拟通过模拟试验,掌握污秽绝缘子和劣质绝缘子与紫外放电强度的关系,以便排除劣质绝缘子对污秽状态评判的影响。并采集恶劣条件下污秽绝缘子的紫外放电脉冲数据,为评判标准的建立提供参考。
2 绝缘子紫外检测方法
在交流电网中,绝缘子处在导线和横担之间的极不均匀电场中,由于对地电容和导线电容的存在,使得绝缘子串的电压分布不均匀,靠近导线的部分承受电压降最大,随着离开导线距离的增大,电压降变小,直到接地的横担附近电压降又有所增加,大致呈“U”型分布。
2.1 绝缘子放电的紫外检测原理
染污绝缘子沿面放电时,根据电场强度的不同会产生电晕、电弧或闪络。电离过程中,空气中的电子不断获得和释放能量。当电子释放能量时,会辐射出光波和声波,还有臭氧、紫外线、微量的硝酸等。紫外线的波长范围是10nm~400nm,太阳光中也含有紫外线,但波长小于280nm的部分几乎全部被大气层中的臭氧所吸收,所以辐射到地面上的紫外线波长都大于300nm。而绝缘子沿面放电时会辐射出部分波长为日盲区230~280nm的紫外线,且电场强度增加时,紫外线辐射强度也随之增加。因此,利用工作波长为日盲区的紫外传感器,检测这部分紫外线强度的变化,可以为分析绝缘子污秽状态提供依据。
文献[7]通过试验得到了拟合公式(1),反映了污秽和湿度对绝缘子绝缘性能的影响。
式(1)中,UC为50%起晕电压;h为相对湿度;w为绝缘子表面污秽等值附盐密度,mg/cm2;u(hx)为单位阶跃函数;K为电晕电压系数,K{},是一个服从正态分布的随机参数,与绝缘子的型号、生产厂家有关。
环境温度将对绝缘子表面湿润污秽层的电导率产生影响,温度每变化10℃,交流污闪电压将随之变化5%左右,直流污闪电压将随之变化7%左右,绝缘子污闪电压与环境温度的关系如式(2)所示[8]。
式(2)中Uf为污闪电压,t为环境温度,n为环境温度影响特征指数,交流时n=0.2,直流时n=0.33。
公式(1)、(2)说明了绝缘子放电强度除与污秽相关之外,还和环境温度、湿度密切相关。因此,本系统还采集了绝缘子所处环境的温度、湿度,以便综合分析绝缘子的污秽状态。
2.2 干扰因素
当绝缘子串中存在劣质绝缘子时,该片绝缘子的阻值降低,承受的电压减小,良好绝缘子上承受的电压相应增加,紫外放电强度增强。在应用紫外脉冲法监测绝缘子污秽状态时,需分析绝缘子紫外放电强度增加的原因。当存在劣质绝缘子时,绝缘子串的电压分布极不均匀,紫外放电强度将始终保持在较高水平。而绝缘子表面污秽的积累是一个渐变的过程,且同一杆塔不同相之间的绝缘子串污秽情况相似,污秽积累引起的紫外放电强度的增强与环境温度和湿度相关。在大雾和毛毛雨的天气情况下,绝缘子表面污层湿润后,其表面电导率增加,泄漏电流增大,紫外放电强度增强。但天气晴朗时,由于绝缘子表面污层电阻增大,泄漏电流减小,紫外放电强度又回归到较弱的水平。通过分析紫外放电脉冲和气象条件的关系,比较不同相绝缘子串之间紫外放电脉冲的差异,可基本排除劣质绝缘子对污秽状态评判的影响。
3 系统设计
监测系统由污秽紫外监测终端、无线通讯系统和监控中心分析平台构成,有效检测距离为3m左右,与传统的绝缘子在线监测装置相比成本较低。监测终端由紫外传感器及其驱动电路、温湿度模块、摄像模块以及无线通信模块等部份构成,结构如图1所示。
紫外传感器是监测终端的核心部件,必须满足较高的灵敏度和可靠性,而且还能够避免可见光的干扰。经比较,本系统选用了HAMAMATSU公司的R2868型传感器,该传感器的波长响应范围在日盲区185~260nm,水平和垂直检测范围最大可达60度。当入射紫外光波长为200nm,功率为10p W/cm2时,该传感器的灵敏度为5000cmp。实测中发现该传感器的有效检测距离和工作电压有很大关系。电压较低时,可检测距离变短。电压较高时,可检测距离变远,但系统功耗增加。多次测试确定,应用于110 k V电压等级的绝缘子监测时,紫外传感器工作电压为315V,直线监测距离在3m以内即可。如果监测距离较远,可适当提高紫外传感器的工作电压以增大监测距离。系统电源由功率为20W的多晶硅太阳能电池板提供,并配备了备用电池,保证系统在恶劣气象条件下可正常工作。
本系统采用了SHT1l型传感器以采集现场温度、湿度数据。SHT11是一款具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器,采用了工业化CMOS技术,具有极高的可靠性和稳定性。利用带图像压缩功能的红外摄像头拍摄现场图片,保证了夜间的拍摄效果。
在实际应用中,监测终端通过固定支架安装在杆塔上,紫外传感器正对绝缘子中部。采集的紫外脉冲数、温度、湿度等数据通过短消息的方式发送到监控中心,利用基于模糊综合评判方法的上位机软件对数据进行综合分析,最终获得绝缘子的污秽状态。紫外脉冲数超过规定阈值时,系统自动拍照,并将现场图片发送给监控人员,提供运行参考。
为了验证本系统的可靠性,作者在重庆市电力公司的110k V杆塔上进行了现场试验,如图2所示。通过试验,证明了监测终端在现场条件下可有效检测绝缘子表面的紫外放电脉冲,系统在野外条件下可连续、正常工作。
4 试验与数据分析
为了验证本方法的可行性,笔者于2009年5月在重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室的大型人工气候实验室和高压大厅进行了模拟试验。
4.1 人工气候实验室试验
为了采集极端恶劣条件下污秽绝缘子的紫外放电脉冲数据,获取绝缘子临近闪络状态的紫外脉冲阈值,建立绝缘子污秽状态评判标准,笔者在人工气候实验室进行了模拟试验。采用复合绝缘子FX-BW-110/70,盐灰(氯化钠/高岭土)比为0.2/0.1(mg/cm2),上下表面不均匀度1∶1。在试验过程中,通过输出电压为5V的开关电源向紫外监测终端供电。绝缘子和监测终端的水平距离为3m。
试验开始前,首先向人工气候实验室中充入高温水蒸气,并控制放气时间,使绝缘子表面污秽刚好均匀受潮又不至被水珠冲刷掉。首先,采用升压法获得该串绝缘子的闪络电压为212k V。然后,将电压升至200k V保持耐压5分钟,测量绝缘子每30s的紫外放电脉冲数。同理,将电压依次调至130k V、120 k V、110 k V,重复上述试验。数据如图3所示。由于每次试验均保持耐压5分钟,则测量绝缘子每30 s的紫外脉冲数可分为10组。
在试验过程中,监测终端测得人工气候室内的温度基本恒定为32.08℃,相对湿度为88.9%。从图3的试验数据可以发现,在试验电压为200k V,环境温、湿度较高的条件下,绝缘子临近闪络状态,其表面放电异常剧烈,每30s的紫外脉冲均值为1555。电压降至130k V以后,紫外放电脉冲数明显减少,每30s的均值为279。在电压分别降至120k V、110 k V后,测得每30 s的紫外脉冲均值为227和122。分析数据可知,在绝缘子表面污秽较重,环境温、湿度较高的条件下,其表面电导率增大,泄漏电流增加并产生局部电弧,每30s的紫外脉冲均值在120以上,且随着电压的升高而明显增加。在临近闪络条件下,每30s的紫外脉冲数在1500以上。通过本次试验,证明了紫外脉冲强度和绝缘子放电强度之间存在相关性,通过其值可以量化绝缘子放电强度,为绝缘子污秽状态评判标准的建立提供数值依据。
4.2 高压大厅试验
为了分析绝缘子串中存在劣质绝缘子和绝缘子表面积污两种情况的紫外放电强度差异,笔者在高压试验大厅进行了模拟试验。用10片良好且洁净的XP-160型瓷质绝缘子和两片同型号的零值绝缘子组成绝缘子串,模拟220k V线路的运行情况。考虑到接近高压端的绝缘子承受电压较高,最容易损坏,试验时将两片零值绝缘子放置在高压端。试验电压为交流127k V,此时,该串绝缘子等效为运行于实际220k V三相电路中的一相绝缘子。此外,将12片同型号的良好绝缘子均匀涂污,盐灰(氯化钠/高岭土)比为0.03/0.18(mg/cm2),上下表面不均匀度为1∶1,待表面污秽自然干燥后开始试验。绝缘子串和监测终端的水平距离为3m。在测量完污秽干燥状态下的紫外脉冲后,又利用喷雾器将洁净的水均匀喷洒在绝缘子表面,使污秽层充分湿润,再次重复上述试验。试验数据如图4所示。
试验过程中,监测终端测得高压大厅的温度为25.61℃,相对湿度为67.4%。通过图4的数据可知,当该绝缘子串存在两片零值绝缘子时,每30s的紫外脉冲强度介于18-28,均值为21。同种型号的12片良好绝缘子,涂以污秽并自然干燥后,每30 s的紫外脉冲强度介于15-22,均值为19。两种情况的紫外放电脉冲数相近,难以区分绝缘子放电的原因。但是,当绝缘子表面污秽湿润以后,其表面泄漏电流增加,每30s的紫外脉冲均值为36,比污层干燥情况下的紫外脉冲均值增加近一倍。上述数据对比,反映了湿度对绝缘子绝缘性能的显著影响。因此,在监测绝缘子污秽状态时必须密切关注湿度的变化。
如图4,虽然污秽绝缘子表面污层干燥和绝缘子串中存在零值绝缘子两种情况的紫外脉冲均值较接近,但污层湿润后,两者的紫外放电脉冲差异明显,变化规律不同。而且实际运行中,A、B、C三相绝缘子处在同一环境条件下,三者积污情况相似,污秽积累所引起的紫外放电脉冲数相近,通过三相绝缘子紫外放电脉冲数的横向比较,可排除劣质绝缘子对绝缘子污秽状态评估的影响。
5 结论
通过理论分析和模拟试验,验证了污秽绝缘子和劣质绝缘子与紫外放电脉冲的关系,获得了在重度污秽条件下绝缘子临近闪络状态的紫外放电脉冲数据。本系统采用非接触的方式监测绝缘子紫外放电脉冲信号,监测距离远,信号干扰成分少。通过采集紫外脉冲数以及现场温度和湿度数据,可以跟踪绝缘子的污秽发展状态,以便运行人员采取措施,预防绝缘子闪络事故的发生,可广泛用于对输电线路和变电站绝缘子的在线监测。
摘要：在环境污染严重的地区,绝缘子污闪事故时有发生,严重威胁着电力系统的安全运行。为了实时监测绝缘子的污秽状态,本文设计了基于紫外脉冲法的污秽绝缘子在线监测系统,采用FX-BW-110/70型复合绝缘子和XP-160型瓷质绝缘子进行模拟试验,采集了不同运行电压、污秽程度以及存在劣质绝缘子时的紫外脉冲。试验结果表明,紫外脉冲强度可以表征绝缘子的污秽放电程度,分析紫外脉冲变化规律可区别劣质绝缘子的影响。本系统采用非接触的方式采集现场数据,监测距离远,信号干扰成分少,可广泛应用于对输电线路和变电站绝缘子的在线监测。
关键词：绝缘子,污秽,沿面放电,紫外线,在线检测
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绝缘子污秽 篇3
绝缘子在输电线路中占有重要地位。随着我国经济的发展、大气环境的恶化以及空气污染的加剧，使得绝缘设备积污加快。污秽物使得绝缘子的电气强度大大降低，易使输电线路和变电站的绝缘子发生污秽闪络，引起电力系统事故，造成巨大经济损失[1]。实现绝缘子污秽程度的安全、准确检测，为绝缘子清扫及污闪防治提供技术保障，是输配电线路安全运行迫切需要解决的问题。
目前，国内外涌现出大量的输电线路绝缘子污秽检测方法，主要包括电压分布检测法[2]、泄露电流法[3]、脉冲电流法、光谱法、紫外成像法和红外热像法[4]等。各种方法都得到了一定的发展，但各有缺陷，目前为止均未能大范围应用于工程实际。
当绝缘子表面有沙尘、盐碱等污秽时，会覆盖绝缘子原本的颜色特征，表现出沙尘的视觉特性，在视觉及可见光彩色图像中表现的特征即表面积污区域颜色发生改变[5]。本文提出一种基于可见光图像的绝缘子污秽等级判别方法，结合BP神经网络实现绝缘子污秽等级判别。该方法对图像进行滤波、增强后，分割得到绝缘子盘面积污区域，用Fisher判别法对积污区域颜色特征分量进行筛选，得到最能区分绝缘子污秽等级的分量作为BP神经网络的输入，污秽等级作为神经网络输出。该方法具有成本低、不必拆解、不必停电、不必安装复杂装置、不易受电磁干扰、远距离非接触测量等优点。
2 实验设计及研究方案
2.1 实验设计
为研究绝缘子表面污秽颜色特征，本文通过现场拍摄的方法获取可见光图像样本。拍摄工具选用SONY a550数码相机，拍摄地点为深圳供电局所属的新安站、湾厦站、大芬站等11座110kV变电站。照度计采用AR 813A，本文拍摄环境照度范围为110～30000lux。颜色和材料对其有很大的影响，本文主要研究对象为棕色陶瓷支柱绝缘子。在每次可见光图像拍摄完毕之后，对绝缘子进行盐密灰密采样，操作按照GB/T 4585-2004要求进行，并根据GB/T 5582-1993记录每个绝缘子的污秽等级。
由于光照的关系，支柱绝缘子下盘面通常存在阴影，宜用上盘面进行污秽等级判别。若拍摄角度的水平夹角过大，会造成上方盘面对下方盘面的遮挡;若水平夹角过小，会导致获取的各盘面积污区域面积不足。本文采用与上盘面水平夹角呈15°～45°进行拍摄。应顺光拍摄，以减少盘面上的阴影面积。若拍摄距离过大，受背景干扰大，绝缘子不易提取，且测光不准，引起偏色;拍摄距离过小，不能反映绝缘子整体污秽程度。本文通过试验，选用0.5～4m作为拍摄距离，既能反映整体污秽程度，又不影响图像处理。根据上述方法，采集到5个污秽等级下的绝缘子可见光图像共300张，每个污秽等级60张。图1为各污秽等级绝缘子可见光图像举例。
2.2 研究方案
本文首先对绝缘子可见光图像进行预处理得到盘面积污区域，提取积污区域颜色特征并选择合适的特征分量，利用BP神经网络进行判别，输出污秽等级判别结果。研究方案如图2所示。
3 图像预处理与特征提取
3.1 图像预处理
对绝缘子可见光图像的处理步骤如下。
(1)灰度化
可见光图像即彩色图像拥有多种色彩模式，且每种色彩模式下均有不止一个颜色分量，为便于图像处理，首先对可见光图像按式(1)进行灰度化:
(2)图像去噪
数码相机图像的噪声主要是指CCD(CMOS)将光线作为接收信号接收并输出的过程中所产生的图像中的粗糙部分，也指图像中不该出现的外来像素，通常由电子干扰产生。噪声对图像处理效果及污秽等级判别的准确率均有影响，因而需对灰度化后的可见光图进行去噪。本文先采用改进的中值滤波法[6]滤除脉冲噪声，再用平稳小波变换[7]去噪，滤除图像的高频分量。得到的滤波后图像如图3(a)所示。
(3)灰度线性变换
为了增强绝缘子与背景图像的差异，以便于提取目标区域，对灰度图进行灰度变换。在线性变换、对数变换、指数变换等方法中，线性变换能同时增加积污区域与背景及盘间阴影的灰度差异，因此本文采用灰度线性变换。令原图像f(i,j)的灰度范围为[a,b]，线性变换后图像g(i,j)的灰度范围为[a',b']，则:
灰度线性变换结果如图3(b)所示。
(4)盘面积污区域分割提取
可见光判别法直接关心绝缘子盘面的污秽区域，而非整个盘面，因此希望在去除背景的同时也能去除绝缘子上的阴影、边缘反光部分和未积污部分。本文采用最大类间方差法[8](OTSU算法)对灰度图进行分割，该方法方程为:
式中，T为目标区域A与背景区域B的分割阈值，取值范围0～255;μA为区域A平均灰度;WA为区域A像素点数占图像的比例;μB为区域B平均灰度;WB为区域B像素点数占图像的比例;μ为图像的总平均灰度;σ2(T)为区域A和B的方差。当T的取值使得σ2(T)最大时，区域A与区域B差别最大，用该灰度值作为阈值对灰度图进行分割，获取目标区域A。
一次分割去除灰度较大的绝缘子边缘反光区域以及背景中浅色的部分，如图3(c)所示;对保留的图像再进行一次OTSU分割，去除灰度较深的盘间阴影部分及边缘清洁部分，最终获取盘面积污区域及背景中与积污区域颜色特征相似的背景，如图3(d)所示。
3.2 特征分量提取和选择
图像中存在颜色、形状和边缘等多种特征，提取并选择合适的特征分量有利于体现图像积污程度的不同特点，便于识别。本文对预处理后的可见光图像考察RGB色彩空间的红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)以及HSV色彩空间的色调(Hue)、饱和度(Saturation)、亮度(Value)共6个特征，提取每个特征的均值Xave、最大值Xmax、最小值Xmin、极差Xrange(Xrange=Xmax-Xmin)、中值Xmid、方差Xvar等6维特征分量，共36维特征分量，其中X代表H、S、V、R、G、B。
进而需从上述特征分量中找到不同污秽等级间具有最明显差异的量来作为污秽等级判别依据。Fisher判别法是常用的特征选择方法，其主要思想是分类性能较强的特征表现为类内距离尽可能小，类间距离尽可能大。污秽等级为k的样本第i维特征的类内方差Sw((i)k)、类间方差Sb(i)的计算公式为:
式中，i(i=1,2,...,36)为特征向量维数;k为污秽等级;xi(k)为污秽等级k的单个样本的第i维特征;mi(k)为污秽等级k的样本第i维特征值的均值;wk为污秽等级为k的样本总体;mi为所有污秽等级样本的第i维特征值的均值;nik为污秽等级k的样本的第i维特征值个数;ni为所有样本的第i维特征的总个数。类间方差Sb(i)与类内方差Sw((i)k)之比为J值，即:
第i维特征的J值越大，表明该维特征分类效果越好。J=9表示使用该特征分类的错分率为0.25%,J=1表示错分率为30%。对噪声特征而言，J趋近于0[9]。对300张、共5类绝缘子可见光图像求取其36维特征分量的J值。若以J≥3为特征分量选择标准，则S分量最大值Smax和S分量方差Svar满足条件。二维污秽特征分布如图4所示。图中可见，S分量最大值Smax和S分量方差Svar可以较有效地区分5类不同的污秽等级，其中0、I和II级分类较好，III和IV级有部分重叠但总体可分。随着污秽等级增加，Smax与Svar均减小，且分布趋于集中。本文选择Smax和Svar作为污秽等级判别特征。
4 污秽等级判别BP神经网络的建立
4.1 BP神经网络模型及L-M训练算法
人工神经网络是一种能够模仿生物大脑神经元活动机理的具有良好结构的数学模型[10]，其中比较常见的BP神经网络是一种多层的前向型神经网络。在BP网络中信号是前向传播的，而误差是反向传播的[11]。其学习规则是使用最速下降法，通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小。BP学习算法在理论上具有逼近任意非线性连续映射的能力，在非线性系统的建模及控制领域里有着广泛的应用。
然而BP算法存在一些不足，主要是收敛速度很慢，往往收敛于局部极小点;数值稳定性差，学习率、动量项系数和初始权值等参数难以调整。L-M算法[12]是介于牛顿法与梯度下降法之间的一种非线性优化方法，对于过参数化问题不敏感，能有效地处理冗余参数问题，使误差函数陷入局部极小点的机会大大减小。本文采用L-M算法对网络进行训练。
4.2 污秽等级识别BP神经网络模型
对一个三层的BP神经网络，若隐层神经元数充分大，就可以对定义在非无界区域上的任何连续函数做逼近[13]。本文采用三层网络结构，神经网络激活函数采用Sigmoid函数fx=1/(1+e-x)，为了加快训练速度，平衡输入量，防止输出饱和，需对样本数据首先归一化。归一化后，用Smax和Svar作为输入，即该网络为二维输入;输出为盐密并换算至对应的污秽等级，训练得到可见光污秽等级判别神经网络。隐层神经元个数太少则非线性映射能力不足，过多则浪费训练时间且易导致过拟合，需采用试验获取最佳值。本文所采用的神经网络结构如图5所示。
5 实验结果及分析
选取250组可见光图像数据，每个污秽等级50组，对BP神经网络进行训练，网络误差设为0.01%，训练次数1000。经试验，隐层元数为12时网络满足精度要求的同时收敛较快且映射能力较强。在此基础上训练神经网络，经792次迭代网络误差达到0.0097%。该网络对250个训练样本的判别准确率100%，对50个测试样本的判别准确率为88%。表1为部分测试样本数据及判别结果，其中1～15为训练样本，16～20为测试样本，Smax为绝缘子盘面积污区域S分量最大值，Svar为S分量方差，判别污秽等级为网络输出的盐密值对应的污秽等级，实际污秽等级为按照GB/T 4585-2004所测得的污秽等级。
从表1数据可见，不同污秽等级间的盘面污秽S分量最大值Smax及S分量方差Svar存在明显的差异，说明绝缘子表面污秽的颜色特征能够表征绝缘子污秽等级。随着污秽等级的增加，Smax和Svar均呈下降趋势。
笔者认为影响测试准确率的主要原因如下:
(1)可见光法要求污秽绝缘子样本的污秽成分尽可能相近，而同处于深圳的各变电站由于所处自然环境并非完全相同，污秽成分也存在差异，最终体现在同一盐密下污秽颜色的差异。
(2)本文实验照明为自然光，照度110～30000lux不等，若要进一步提高实验精确性应将照度纳入考虑。
6 结论
(1)本文针对污秽绝缘子可见光图像的特点，提出一种两次OTSU图像分割法，能够从复杂背景中提取出绝缘子盘面积污区域。
(2)通过对大量图像样本的分析，发现绝缘子污秽等级越大，其表面污秽颜色的S分量最大值Smax及S分量方差Svar越小，并将此作为污秽等级判别依据。
绝缘子污秽 篇4
输电线路绝缘子的表面电导率是衡量其发生污闪难易程度最直接的物理参数之一[1,2]。近年来, 虽然多种防污闪措施[3]投入使用, 但大规模区域性污闪事故仍然时有发生, 且污闪事故造成的损失高达雷害事故的10倍[4]。解决问题的关键是对影响闪络电压的因素进行更深层次的研究[5]。而国外研究表明污秽绝缘子的表面电导率与闪络电压之间有明确的对应关系, 是综合反映污秽程度的一个理想参数, 可将表面电导率与闪络电压的研究结合起来[6,7]。因此, 研究绝缘子表面电导率的影响因素具有重要意义。
从目前研究的进展来看, 国内外直接研究表面电导率影响因素的较少。相关研究重点在等值盐密对闪络电压等的影响上, 忽略了灰密的作用, 研究结果缺乏可靠性[8] 。少部分研究[9,10,11]提出灰密对闪络电压有独立于盐密的影响, 并得出了两者的函数关系, 但其结果所依据的实验次数少, 误差大, 亦缺乏对灰密独立影响一说的验证实验, 且不同学者对公式中的系数取值有分歧[9], 故结论的正确性还有待考究。
目前, 国内外学者已认识到污秽成分相关研究在防污工作中的重要地位, 并已将附灰密度作为评估污区等级的定量参数[12] 。
但是, 国内外直接对表面电导率影响因素的研究较为缺乏, 对盐密、灰密共同作用的研究更是少之又少。因此, 以下进行了大量人工污秽试验, 研究绝缘子表面污秽盐灰比对表面电导率的影响, 得出的结果对防治污闪及研究表面电导率法划分污区具有重要意义。
2 实验原理和方法
2.1 实验原理
对绝缘子进行人工污秽试验, 污液由NaC1与硅藻土配制而成。实验中的信号源采用正弦交流信号, 信号源幅值Us为5V, 频率为400Hz, 此时, 监测系统采集监测到的数据误差最小[13,14]。实验原理如图1所示, 电导率可由电路基本原理和绝缘子的形状参数推算出。
其中:
US——测量监测系统信号源电压。
Rx——绝缘子表面污秽层的等效电阻。
UX——待测量的Rx上的电压。
RS——采样电阻或串联电阻。
UM——电压表测量采样电阻的电压。
绝缘子表面污秽层的等效电阻为:
undefined
将污层电阻值R换算成标准温度20℃时的污层电导率[15]:
undefined
其中:
K —— 传感器探头的几何常数。
undefined
其中:
b —— 探头两电极之间的距离。
l—— 电极的等效长度。
再将室温下的电导率值换算成标准温度20℃时的电导率:
σ20=σ[1-b (t-20) ]=Kt·σt (4)
其中:
b —— 不同温度时的比例系数。
Kt —— 温度系数[16]。
温度系数可参见表1:
2.2 实验装置
实验装置连接图如图2所示, 主要设备包括远程数据接收终端、绝缘子表面电阻监测终端、表面经过特殊处理并安装了金属传感器的单片XP-70瓷式绝缘子[2] (具体参数如表2 所示) 以及模拟降雨的降雨器。
悬式绝缘子上表面的积污量反映其所在区域的大气污秽量, 下表面的积污量则与绝缘子自身的形状参数更为密切。同时, 悬式绝缘子串在发生污闪的过程中其闪络路径并不通过绝缘子的下表面凹槽。因此, 监测系统选取绝缘子的上表面作为监测目标。
绝缘子表面污层电阻传感器连接在绝缘子表面的金属电极上, 工作时每隔5秒读取电极之间的污层的电阻值, 并将数据通过绝缘子表面污层监测终端传送到数据接收端 (计算机) , 并通过计算机完成电阻到电导率之间的转换, 从而完成数据的采集。
2.3 实验方法
根据GB/T16434-1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级及外绝缘选择标准》中规定的污秽等级及其对应的盐密值, 在每个污区等级的区间选取其边界值作为污秽溶液电导率的研究对象, 如表3所示。
实验共有5个实验盐密值——0.03、0.06、0.1、0.25、0.35 (mg/cm2) , 每个盐密值分别配置盐灰比从1:3到1:9的不同灰密值, 混合盐和灰 (用硅藻土代替) , 共配置35组不同的污秽液, 多次重复实验。
2.4 实验步骤
1) 清洗设备:
将实验用的XP-70绝缘子、烧杯、试管、胶头滴管、刷子等用去离子水洗净晾干。
2) 配制污秽溶液:
根据绝缘子的参数, 配制不同等值盐密不同盐灰比时的污秽物, 用精度为0.1mg的电子天平称量所需的盐和灰, 分别干净的过滤纸放好;用试管和胶头滴管配置4ml去离子水, 将其倒入干净的烧杯中, 将配置好的盐全部倒入, 待其完全溶解后, 再将配置好的硅藻土倒入, 混合均匀配置成污秽液。
3) 涂污:
用小刷子将污秽液均匀涂抹至晾干的绝缘子上, 并将绝缘子晾干。
4) 人工降雨:
接好实验装置, 调节降雨器降雨量至小雨状态对绝缘子进行模拟降雨。由于较大的降雨对绝缘子表面有清洁作用, 使其污秽程度大大降低, 大大降低输电线路发生污闪的概率, 这样的降雨方式本实验不予考虑;而在相同条件下, 采用喷雾方式使绝缘子受潮所得到的电导率比采用小雨方式得到的电导率要小[17], 只有小雨天气才最容易导致绝缘子污闪, 所以本实验降雨方式采用小雨。降雨用水严格用去离子水, 并保持均匀降雨, 以获得精确的最大电导率, 直到测得的电导率增大到某一个值又开始下降到很小的值时即可停止降雨。
5) 记录整理数据:
降雨过程中用基于高精度电导率仪的测污设备测量绝缘子表面污层电导率的变化, 利用计算机进行记录数据, 并记录实验室的温度, 将所得电导率转换成20摄氏度时的对应值。
3 实验现象及结果
具体实验数据如表 (4) 所示, 图3 (a) ～ (f) 为实验室环境下, 在各个污秽盐密值时, 绝缘子表面在小雨均匀降雨情况下, 最大电导率随污秽盐灰比变化的情况。每组实验做10次, 取其中与平均值误差不超过10%的所有最大电导率的平均值为该盐灰比下的平均最大电导率, 然后分别用折线和光滑的曲线连接, 得出其最大电导率随盐灰比变化的大致规律曲线, 用MATLAB软件绘制如下。其中, 横坐标为盐灰比, 纵坐标为实验过程中的最大电导率。
(a) 0.03mg/cm2 (b) 0.06mg/cm2 (c) 0.10mg/cm2 (d) 0.25mg/cm2 (e) 0.35mg/cm2
从图3可得, 在同一盐密值时, 绝缘子表面污层电导率在浸润过程中能达到的最大值随着灰密值的增大而先增大后减小, 在盐灰比接近1:6时达到最大值, 可见盐灰比对绝缘子表面最大电导率有影响。造成以上现象的原因:
从浸润理论可以知道[18]:不溶物的增加导致绝缘子表面吸收的水分增多, 即绝缘子表面的灰具有吸附水分的能力。
同一盐密值而盐灰比较小时, 灰密较小, 绝缘子表面吸附的水份较少, 形成一颗颗相互隔离的小水珠而不是相连的一片水膜, 这样只有水珠覆盖处的部分盐被溶解, 而水珠与水珠之间的间隔处的盐未能被及时溶解, 且降雨持续的过程中, 有些小水珠逐渐变大从绝缘子一侧流走带走了部分已溶解其中的盐, 造成绝缘子表面的盐无法同时溶解, 溶液中的电解离子无法达到数量上的理想最大值, 导致绝缘子表面电导率无法达到最大。
同一盐密值而盐灰比较大时, 灰密较大, 绝缘子表面的吸附的水分增加, 但由于灰的溶解度很小, 混合污秽中过多未溶解的灰对盐有阻隔作用, 使得部分盐溶解时, 在绝缘子表面难以形成良好的导电通道, 在盐尚未充分溶解而降雨持续进行的过程中, 已有部分盐被冲刷流失, 同样造成绝缘子表面的盐无法同时溶解, 溶液中的电解离子无法达到数量上的理想最大值, 导致绝缘子表面电导率无法达到最大;另一方面, 由于较多的灰吸附的水分较多, 使得溶解于其中的电解离子密度小, 也会使得缘子表面电导率无法达到最大。
同一盐密值而盐灰比接近1:6时绝缘子表面吸收的水分适量, 足以使其形成一层比较完整的导电膜且溶解其中的电解离子密度大, 且盐灰比接近1:6时, 灰较少, 对其表面形成导电通道的阻隔作用不明显。
综上, 绝缘子表面盐灰比为1:6左右时, 绝缘子表面可以同时溶解的盐量达到最大, 溶液中的电解离子达到数量上和密度上的最大值, 此时, 绝缘子表面电导率达到最大。
4 结束语
绝缘子污秽 篇5
1 电力系统中污闪事故发生的原因
污闪事故的发生给电力系统的安全运行带来了极大地危害, 电网之所以发生大面积的污闪事故, 主要有以下方面的原因。首先, 近年来由于人为、自然等方面的原因导致了环境恶化, 在一些污染严重的地区, 遇到久旱不雨的的季节, 便会使得积污量增大, 这些大量积污的绝缘子, 在出现持久的大雾或融雪甚至酸雨等不利天气时, 就会引发大面积污闪;其次, 由于设计、测量等失误, 输电线路和变电站外绝缘的爬电比距不能满足所在地区的实际污秽等级的要求, 又或者是随着工业发展, 环境的恶化, 使得原有的设计无法满足现有的运行条件;此外, 还有一些人为的因素, 例如, 运行维护人员在运行过程中清扫质量不高, 或者并没有适时清扫, 导致了外绝缘的绝缘水平有所下降, 并不能起到应有的作用。这一系列原因的存在, 使得污闪事故时有发生, 那么, 污秽的绝缘子沿面放电的本质究竟是怎样的呢?
2 污秽绝缘子闪络的形成机理
根据实际情况表明, 在运行电压下仍然可能出现的沿绝缘子湿润污秽表面发生的闪络现象的本质, 并不是单纯的空气间隙的击穿, 它是一种涉及到电、热、化学等因素的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。在这一极其复杂的过程中, 我们可以将其分为以下四个主要的阶段:积污、受潮、形成干燥带并产生局部电弧和局部电弧发展成为完全闪络。
在实际运行中的绝缘子, 不可避免的要遭受到工业排放的污秽和自然界的风沙灰尘以及鸟粪等, 沿海区域还有可能受到海水烟雾这些因素的影响, 表面逐渐沉积下一层污秽。一般来说, 直流绝缘子的积污要比交流严重得多, 带电绝缘子的积污要比不带电绝缘子的积污更加严重。在潮湿的天气中, 绝缘子表面积污开始湿润, 污秽物中的酸碱或者盐类受潮溶解成为电解质, 在绝缘子表面形成一层导电水膜, 电解质电离并以离子形式存在于水膜中, 该状态下, 绝缘子的表面电阻大大下降, 相应的电导则会急剧增加, 通过表面的泄漏电流也增大, 导电薄层发热。由于绝缘子表面的污秽层分布并不是均匀的, 并且沿着绝缘子表面的泄漏路径也不相同, 导致绝缘子各个区段的泄漏电流密度不同, 使得其产生的热量对于污层的烘干并不均匀, 再考虑到结构形状等因素的影响, 在电流密度较大或者污层电阻较大的区域, 由表面泄漏电流产生的焦耳热使其水分蒸发的较快, 首先形成干燥带。干燥带的出现将会减小甚至中断泄漏电流, 并且干带具有很大的电阻, 使沿着绝缘子表面的电压分布也随之发生变化。作用在绝缘子两端的电压主要集中在干带上形成很高的场强, 当其超过沿介质表面的临界场强时, 干带上的作用电压使得空气击穿, 产生电晕放电或者局部沿面放电, 干燥带由电弧桥接, 与湿污层的导电部分串联, 此时该放电电弧的伏安特性呈上升趋势, 放电通道的电阻会随着局部放电电弧的发展而增大, 从而大部分泄漏电流经此通道流过, 泄漏电流大大减少, 这种放电并不稳定, 呈间歇的脉冲状态, 可持续相当长的时间, 但绝缘子发生闪络的危险性不大, 闪络概率几乎为零。但是如果加在绝缘子上的电压相当的大时, 则会产生较强烈的放电现象, 此时电弧有下降的伏安特性, 在一定条件下, 电弧支撑点附近的湿污层很快又被烘干, 干带扩大, 电弧被拉大, 与电弧串联的剩余污层电阻减小, 电流增大, 甚至将整个绝缘子表面桥接, 贯通两极, 此时局部电弧发展成为完全闪络。
3 防污闪的技术措施
通过以上探讨我们可以发现, 污闪的形成有三个必要的条件即积污、足够的电压和相当的湿润度, 因此, 要防止污秽闪络就要从这三个方面入手, 采取相应的措施, 破坏其形成条件, 避免事故的发生。
按照污源特征可将绝缘子的污秽分为工业性污秽和自然性污秽。工业污秽是在工业生产过程中排出的烟尘废物从而在绝缘子上产生的污染物质, 具体包括化工污秽、水泥污秽、冶金污秽、煤烟污秽等, 这类污秽的吸附性强不易冲刷。自然污秽是在自然条件下产生的污秽, 具体包括尘土污秽、盐碱污秽、海水盐雾污秽、鸟粪污秽以及覆冰积雪这一特殊形式的污秽等, 这类污秽很容易被雨水冲刷掉。一般对于积污的防止, 可以采取比较简单的技术措施, 就是将积聚在运行中绝缘子表面的污秽定期进行清扫, 使其恢复原有的绝缘水平。清扫可分为带电清扫和停电清扫, 一般在10~11月进行清扫其防污效果最佳, 因为此时雨量较少, 且雾天较多, 积污量处在一年的最高值。此外, 还可以采用表面处理等技术措施, 在绝缘子表面涂上地蜡、石蜡等防尘材料, 这是一种辅助方法, 在严重污秽区, 例如在尘埃电导率很大的化工区和盐碱地带, 具有非常重要的意义, 效果也非常显著。
要有合适的工作电压, 我们可以采取调整爬电比距等技术措施。绝缘子的污闪电压与爬电距离的几何长度有关, 爬电比距就是指电力设备外绝缘的爬电距离对最高工作电压有效值之比。根据污区图上规定的爬电比距, 调整该地区电气设备的外绝缘的爬电距离的工作称为调整爬距。绝缘子的爬电比距要配置到位, 与当地环境及大气变化相适应;且适当留有裕度, 以抵抗可能出现的恶劣环境。
湿润的气候对绝缘子污闪的发生有着极大的影响。在污湿环境条件下, 绝缘子表面容易形成连续的水带或水膜, 污秽很容易受潮湿润在绝缘子表面形成泄漏电流的通道, 极易发生污秽闪络。可以在绝缘子表面覆涂特殊的涂料, 改变其表面状况, 增加绝缘子表面的憎水性, 使污层不易受潮, 因此绝缘子表面不会形成连续的水膜, 破坏了泄漏电流通道的形成, 降低了污闪发生的可能性。此外, 可以采用复合绝缘子来代替瓷和玻璃绝缘子。由于复合绝缘子具有重量轻, 机械强度高, 不易破碎, 耐污性能好等优点, 使其在电力系统中得到广泛应用, 成为较理想的防污闪措施。且复合绝缘子由于本身的憎水性, 在污湿的条件下仍具有较高的污闪电压, 能够有效的防止污秽闪络。
4 结语
总之, 了解并掌握污秽闪络发生的原因和机理对于我们能够掌握更多的防止污闪发生的技术措施是有很大的帮助的, 只有从形成的源头上去研究探讨, 才能更加有效地、真正地防止其发生, 减小其对电力系统造成的危害, 避免其给国民生产带来的巨大损失。笔者作为一名电力职工, 深刻认识到电力事故的严重性, 因此, 笔者会继续深入的对此进行研究, 为保证电力系统安全可靠的运行贡献自己的一份力量。
参考文献
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绝缘子污秽 篇6
关键词：光催化,绝缘子,高海拔重污秽,绝缘配合,污闪
1 前言
我国海拔1 000 m以上地区约占国土面积的60%, 高压输电不可避免的要经过高海拔地区, 电气设备在高海拔地区受气压、温度、湿度等因素的影响, 无论是空气间隙的放电电压、导线电晕起始电压、还是污闪电压都会随海拔高度升高而降低, 在重污秽环境下的外绝缘问题更为突出。
2 高海拔重污秽地区特点
2.1 海拔对闪络电压的影响
随海拔升高, 气压、温度、湿度都对放电电压有影响。试验表明:大气中间隙的放电电压随空气密度的增大而提高。随海拔高度的增加, 大气压力下降, 空气密度变小, 导致外绝缘的放电电压随之下降。绝缘子表面空气的临界击穿电压随着气压的降低而降低, 污秽度相同时, 低气压下一旦形成干区, 会比常压下更容易形成局部电弧, 因此, 高原环境中绝缘子污闪电压比常压时低, 目前普遍结论为:
式中:Po表示海拔高度为0 m时的标准大气压;Uo为标准大气压Po时的绝缘子污闪电压;n为气压对污闪电压影响程度的下降指数。
2.2 海拔、污秽对绝缘子片数的影响
根据GB/T50545-2010, 绝缘子配合设计采用爬电比距法时, 绝缘子片数由式 (2) :
式中no-每串绝缘子片数;
λ为系统标称电压下的爬电比距, cm/k V;U为系统标称电压, k V;Lo1为单片绝缘子几何爬电距离, cm;Ke绝缘子爬电距离的有效系数。
当海拔超过1 000 m时, 悬垂绝缘子片数由式 (3) 修正:
nH为高海拔地区每串绝缘子片数;H为海拔高度, km;m1为特征指数。
(2) (3) 式中, λ, Ke, m1这三个参数都随盐密度不同而变化, 因而相对于海拔高度, 污秽对绝缘子挂网片数的影响要复杂的多。
上述特性表明, 高海拔地区中高压绝缘子的防污闪性能降低是一种普遍现象, 解决此问题的关键在于进一步提高绝缘子本身的防污闪性能。福州大学国家环境光催化工程技术研究中心主导开发的光催化防污闪绝缘子具有降解有机污垢、提高闪络电压的特性[2,3], 有可能是有效防止高海拔重污秽地区污闪事故的途径之一。
3 高压光催化防污闪绝缘子
由于Ti O2无毒、物理化学性质稳定、催化活性高、制备工艺简单、可重复使用等优点, 已成为应用最广泛的光催化原料。该光催化技术首次应用于绝缘子, 在普通瓷质或玻璃绝缘子表面镀上一层Ti O2薄膜制成光催化防污闪绝缘子, 在太阳光 (自动吸收紫外光) 作用下, 光催化薄膜可分解吸附在其表面的大多数有机污染物 (如碳氢化合物将被还原成CO2和H2O) 和部分无机物污染物, 降低绝缘子表面的亲油性能, 使得亲油的灰尘颗粒及其他污秽不易吸附在其表面, 而残留的有机分解物和无机物会被风吹雨淋带走。因此, 绝缘子表面在阳光、雨水和风等自然条件作用下可长期保持自洁净, 使得污秽无法生成和累积, 最终实现防污闪目的。另外, Ti O2薄膜的光致高亲水性、半导体涂层均布电场特性也对局部干区、局部高场强有一定的抑制作用[4,5]。
光催化防污闪绝缘子的制备工艺主要包括:光催化剂的制备、涂层、热处理工艺。光催化剂制备采用溶胶方法;涂层工艺用旋转喷涂法, 考虑到绝缘子的曲面几何形状, 设置上中下三个喷头进行旋喷出料以保证涂层的均匀;热处理工艺使用辊道窑, 烧结温度在400~500℃。成品通过扫描电镜 (SEM) 、原子力显微镜 (AFM) 测试, 结果显示:膜层厚度为300~400 nm, Ti O2粒子尺寸在10~30 nm之间;X射线衍射 (XRD) 测试表明膜层为期望的锐钛矿结构Ti O2;紫外-可见漫反射光谱测试表明膜层在波长小于360 nm处有明显的紫外吸收特征。
淋雨冲刷实验和酸碱处理实验分别验证光催化膜层的稳定性和耐酸碱性能, 以流速60 ml/s降水冲刷绝缘子表面12小时后放置12小时, 重复6次为一个循环, 处理后绝缘子表面膜层无任何变化;利用PH值4~9的酸、碱溶液以及盐溶液处理光催化绝缘子表面后, 再用水彩涂覆到绝缘子表面, 在紫外光照射下水彩褪色, 该实验表明光催化膜层经过酸碱腐蚀后, 依然具有降解有机物的能力。光催化绝缘子的机械性能、电气性能也经过测试, 其中耐磨性远好于普通绝缘子, 说明热处理后的膜层致密且与基底附着力强, 其他各项参数均与普通绝缘子相当, 对比结果见表1。
4 实际挂网应用
Ti O2光催化涂层绝缘子在非带电情况下的降解油污、户外抗积污 (5年以上) 、光致亲水性已得到大量实验的验证, 而带电挂网应用在国内外尚属空白;人工气候室能在加载高压的情况下, 模拟同海拔高度气压、盐雾、温度、降水等参数[6], 但光催化防污闪绝缘子的效果需要阳光、雨水的共同作用, 且自然环境下污秽成分也因污染源不同而有明显的小区域差异, 实际积污也是一个漫长、动态的过程。因而, 只有通过较长时期的带电挂网运行、运行中实时监测、运行后电气性能对比测试等工作才能准确、全面反映光自洁防污闪绝缘子的实际效果。
挂网设计中, 高压光催化防污闪绝缘子自身的绝缘强度是需要首先考虑的问题。相对于普通绝缘子, 高压光催化绝缘子表面Ti O2涂层微弱的漏电流虽然能改善绝缘子局部电场畸变, 但这层10~102纳米级别的半导体层是否会影响绝缘子绝缘性能并无经验借鉴。在挂网前, 对普通、光催化绝缘子串的湿闪络电压进行测试, 试验结果表明高压光自洁防污闪绝缘子闪络电压符合挂网要求, 且湿耐受时间高于普通绝缘子。结果见表2。
为保证电力系统正常运行, 绝缘子串的设计也必须达到规定的绝缘强度。如果绝缘水平确定太低, 会有安全隐患;但如果确定过高, 简单的采用增加绝缘子片数以提高单位泄露距离的方式增强绝缘强度, 会导致经济的不合理, 因此在确定绝缘水平上需要统筹兼顾[7]。
在高海拔重污秽地区, 由于紫外辐射, 酸雨侵蚀等, RTV、复合绝缘子的外绝缘特性、憎水性和憎水迁移性会加速衰减[8~10], 从而导致此类绝缘子使用寿命大打折扣;而丰富的紫外光, 充沛的雨水以及Ti O2自身化学性质 (耐酸碱) 的稳定性, 正好适合在光催化绝缘子在此类地区推广应用。对众多污秽地区进行挂网试应用, 挂网至今最长已运行三年, 三年来定期检测积污程度、线路运行情况。挂网至今, 自洁净功能得到用户的肯定, 实现了免清洗且线路运行良好, 未发生任何污闪事故。
5 结束语
通过湿闪络测试和绝缘配合计算验证了光催化防污闪绝缘子具有应用基础。实际挂网, 运行至今未发生任何污闪事故;三年挂网运行结束后, 还将对挂网点的光自洁、普通绝缘子进行湿闪络、盐密、灰密对比测试, 对不同污染源挂网样品进行定量对比, 以分析、评定光自洁绝缘子针对不同污染源防治污闪的实际效果。另外, 在挂网应用中, 针对光催化涂层绝缘子的爬电比距有效系数Ke、特征指数m1、污闪随气压的下降系数n等电气参数也将开展与常规绝缘子的对比分析。研究上述问题, 需要基础研究和应用究相结合, 通过大量深入细致的试验来确定, 这对光催化防污闪绝缘子在超高压乃至特高压等级, 海拔、污秽更苛刻地区的应用有重要意义。
参考文献
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绝缘子污秽 篇7
生物可降解聚合物的降解过程主要表现为材料在微生物生长侵蚀以及水解、氧化等反应作用下发生断裂,因此污秽环境是影响生物可降解聚合物作为绝缘材料的主要因素之一[10]。本工作采用生物可降解聚乙烯薄膜为试样,研究污秽程度对绝缘破坏的影响。采用单筒连续变倍视频显微镜对破坏痕取像,利用图像模式识别计算破坏面积与盒子维数,进而对比分析生物可降解聚乙烯和高密度聚乙烯的绝缘破坏特性。
1 实验方法与过程
实验采用生物可降解聚乙烯(biodegradable polyethylene,BDPE)薄膜为试样,以高密度聚乙烯(HDPE)薄膜为参考试样,厚度均为15 μm。
采用氯化钠和去离子蒸馏水混合的盐溶液模拟污秽环境,通过液体电导率测量仪(MODEL SC82)制备溶液电导率分别为0.4,2.0,5.0,10.0,20.0mS/cm,将试样在不同污秽溶液中分别浸泡8,16,32,40天取出后在室温下干燥12h。
绝缘破坏实验装置如图1所示。高压直流电源输出电压0～+50kV,稳压误差<0.1%,电极模型为“针-板”电极结构,针电极长50mm,尖端曲率半径0.5mm,板状电极尺寸200mm×200mm,电极间空气间隙1cm。
实验在温度23℃,相对湿度50%的环境下进行,针电极接高压直流电源,板状电极接地。试样置于针电极处,采用阶梯升压法施加实验电压,升压速率1kV/s,每升高1kV维持10s后继续升压,当针电极出现起晕现象后,实验电压每升高0.5kV维持10s,直至发生绝缘击穿,此时的电压值即为绝缘击穿电压。采用单筒连续变倍视频显微镜(MZS1065)对破坏痕取像,基于图像模式识别技术确定破坏痕的有效边界并采用有限元积分法计算击穿面积A=∫undefinedd∫D/20rdr其中D为破坏痕的等效直径,r=[0,D/2],θ=[0,2π]。
2 破坏痕的盒子维数计算
盒子维数又称容量维数,能够计算数字图像的分形维数,提取和识别图像特征。因此本研究基于图像模式识别技术将破坏痕图像转变为一系列像素点顺次组成的数字图像,采用盒子维数分析破坏特征。
根据破坏痕图像的有界性,总可以找到一个矩形包含破坏痕图像的所有点集,然后将这个矩形分割成若干个边长为r的小方格,统计包含破坏痕的小方格数记为N(r),则破坏痕的盒子维数DB为:
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根据式(1),对于递减序列rk可以在双对数坐标系中拟合数据点(-lnrk, ln N(rk)),其斜率即为图像的盒子维数。通常,构造rk采用的序列为:
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由于数字图像最小尺寸为1个像素,等分时必须完全保证每一等分下都能划出均匀相等的网格。以1024×1024像素的图像为例,选取盒子边长r分别为1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024像素,不同盒子边长r下破坏痕图像所覆盖的盒子数N(r)如图2所示。随着盒子边长的增加,破坏痕图像覆盖的盒子数下降。当盒子边长为1024像素时,盒子数为1,此时一个盒子就完全覆盖整个图像。
采用最小二乘法拟合(-ln r,ln N(r)),如图3所示。拟合直线的线性相关系数为0.9888,直线的斜率即为破坏痕的盒子维数,描述了由离散像素点构成的数字图像中破坏痕在整个图像范围中的分布特点:盒子维数越接近2,表明破坏痕越趋向于沿整个图像范围分布;盒子维数在1附近,表明破坏痕趋向于沿图像范围内某条直线分布;盒子维数接近于0,表明破坏痕离散分布在图像范围内的一些小区域。
3 实验结果与讨论
2.0mS/cm污秽液中浸泡32天后,BDPE的绝缘破坏图像如图4所示。薄膜的绝缘破坏主要是由于直流升压过程中,针电极附近产生的正电荷不断积聚在薄膜针电极侧,板电极在强电场作用下发射的电子以碰撞电离和电子崩的形式加速向薄膜运动,在与薄膜碰撞时电子的动能转化成热能导致薄膜温度不断上升
而分解和熔化,同时加速运动的电子在电场作用下与薄膜中晶格结点上的原子和离子不断碰撞发生电离,破坏薄膜的晶格结构最终导致绝缘击穿,形成绝缘破坏痕[11]。
污秽溶液中的水分子、离子及微生物能够切断生物可降解聚合物的分子链,导致降解速度加快,直接影响绝缘击穿电压。随着污秽程度的加剧,BDPE和HDPE的击穿电压均呈下降趋势,如图5所示。
图5a为污秽32天后绝缘击穿电压与污秽电导率的关系,图5b为5.0mS/cm污秽中绝缘击穿电压与污秽时间的关系。从图5中可以看出,BDPE的击穿电压高于HDPE的击穿电压。淀粉添加剂提高了BDPE晶格结构的耐温度和电子碰撞破坏的特性[12],从而提高耐击穿特性。在污秽溶液中,氯离子作为催化剂加速聚合物薄膜的分解,引发化学键断裂、分子重排以及分子碎裂等一系列化学反应,导致薄膜的晶格结构随着化学键断裂和分子碎裂而破坏[13]。主要化学反应如下:
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污秽电导率的增加导致氯离子浓度增大,污秽时间的增长导致氯离子作用时间增长,二者均加速反应进行,加剧薄膜结构的破坏程度,导致绝缘击穿电压下降。
由于污秽环境破坏薄膜的晶格结构,当绝缘破坏发生后,绝缘破坏特征也随之发生变化。随着污秽程度的加剧,BDPE和HDPE的破坏面积减小,如图6所示。由于绝缘破坏及其特征与薄膜结构的强弱有关,随着污秽电导率和污秽时间的增加,薄膜中晶格结构的破坏程度加剧,发生绝缘破坏所需的能量降低,破坏面积随之减小。同时淀粉的抑制作用降低了污秽对BDPE分子结构的破坏程度和范围,导致BDPE的破坏面积小于HDPE的破坏面积。
基于图像模式识别技术选取包含破坏痕的1024×1024像素的图像计算盒子维数,得出绝缘破坏特征与污秽程度的关系,如图7所示。BDPE和HDPE绝缘破坏痕的盒子维数介于1和2之间,并且随着污秽程度的加剧而减小,但BDPE破坏痕的盒子维数小于HDPE的盒子维数。根据盒子维数的分布特点可知,盒子维数越大表明破坏痕越趋向充满整个图像,这与绝缘破坏痕的击穿面积随着污秽程度的变化趋势相一致。因此,盒子维数可以准确反映绝缘破坏痕的空间占有情况,即污秽溶液对聚合物材料的破坏程度。
4 结论
(1)生物可降解聚乙烯中的淀粉添加剂使其具有优于高密度聚乙烯的耐击穿特性。随着污秽程度的加剧,淀粉添加剂降低了污秽液对分子结构的破坏程度,使其击穿电压高于高密度聚乙烯的绝缘击穿电压。
(2)随着污秽程度的加剧,生物可降解聚乙烯的击穿电压降低,破坏面积也随之减小。