放电强度矢量不平衡法识别劣化绝缘子的研究张炳达¹，陈伟乐²，曾启明²，黄大鹏¹（1．天津大学电气自动化学院，天津300072；
2．香港理工大学电机工程系，香港）摘要：高压输电线路上的劣化绝缘子随时威胁着电力系统的安全。该文采用脉冲电流法检测三相绝缘子串的放电脉冲信号，在三相不平衡法的基础上提出了放电强度矢量不平衡法。该方法用放电强度矢量描述放电脉冲的分布，用放电强度矢量和、区域视在放电强度不平衡度作为辨识劣化绝缘子的依据。同时，采用C-均值聚类法排除偶然出现的异常统计信息，采用增量法解决三相绝缘子串固有的放电强度矢量不平衡问题。对110kV三相绝缘子串实验结果表明：用放电强度矢量不平衡法辨识劣化绝缘子是行之有效的。
关键词：劣化绝缘子；局部放电；故障诊断；放电强度矢量1引言
高压输电线路上的劣化绝缘子对电力系统的安全有着很大的威胁。为及时去除劣化绝缘子，人们一直在寻找在线检测劣化绝缘子的有效方法。目前，在线检测劣化绝缘子的方法主要有以超声波法、激光多普勒振动法及红外热象仪法为代表的非电量测检法，及以电压分布法、绝缘电阻法及脉冲电流法为代表的电量测检法^[1]。
脉冲电流法检测高压输电线路杆塔接地引线中的放电脉冲信号，根据放电脉冲的大小和分布辨识在线绝缘子的性能。整个检测工作在地面上完成，具有安全性能好、劳动强度低等优点。为提高脉冲电流法的检测准确性，不少学者在传感器的设计、电磁干扰的排除、信号的识别等方面做了大量的工作，取得了许多成功的经验^[2-3]。针对同一杆塔上三相绝缘子串同时包含劣化绝缘子的概率很小的特点，本文在三相不平衡法^[2]的基础上提出了放电强度矢量不平衡法。该方法用放电强度矢量描述放电脉冲的分布，用放电强度矢量和、区域视在放电强度不平衡度作为辨识劣化绝缘子的依据。同时，运用C-均值聚类法^[5]排除偶然出现的异常统计信息，采用增量法解决良好的三相绝缘子串固有的放电强度矢量不平衡问题。
2三相不平衡法
高压输电线路上的绝缘子串是由若干个结构简单、机械强度高的盘式绝缘子串接而成。众多的理论研究及实验均己证明^[6]：正常绝缘子串的电压分布呈现不完全马鞍型，即在每串绝缘子中靠近导线侧的绝缘子承受的电压最高，而中间部分承受的电压最低。如果绝缘子串中存在劣化绝缘子，由于电压分布不均匀度增大，致使良好绝缘子(尤其是靠近导线侧的绝缘子)发生局部放电（表面放电、电晕放电）或放电加剧。局部放电量的大小不仅与劣化绝缘子的片数、劣化程度和所在位置有关，而且与良好绝缘子的起晕电压、绝缘子表面的污秽和大气的湿度等因素有关。
对良好绝缘子的实验表明^[2]：正极性放电脉冲集中在外加电压30º~90º相位范围内，负极性放电脉冲集中在210º~270º。良好的三相绝缘子串的放电脉冲分布与外加电压之间的关系如图1所示，它含有三簇正极性放电脉冲和三簇负极性放电脉冲，每簇放电脉冲集中分布的相位宽度大约60º。在高压输电线路上，良好的三相绝缘子串有可能发生局部放电，且受绝缘子类型、地理环境等因素的严重影响。但是，若某相绝缘子串中含有劣化绝缘子，相应簇的放电脉冲的次数和幅值都会有所增加，而其它簇的放电脉冲的次数和幅值基本不变。通常，同一杆塔上的三相绝缘子串同时含有劣化绝缘子的概率很小，通过分析放电脉冲的分布特征可以判断杆塔上是否有劣化绝缘子存在。这种方法称为三相不平衡法，它使脉冲电流法具有实用性。
3放电强度矢量的获取
放电脉冲信号的上升沿约为50ns，宽度约为300ns，即使经过传感器、滤波器有所展宽，但持续时间也只能达到1ms。放电脉冲波形分析法需要高采样率和大容量存储，而放电脉冲分布法只需放电脉冲幅值和次数的大致分布。对于普通的单片机系统，采用放电脉冲分布法较为合适。
本文的劣化绝缘子检测仪以MSC-51为微处理器，原理框图如图2所示。由宽带电流传感器从杆塔接地引线中获取电流信号，选用高通滤波器滤去泄漏电流、谐波和电力载波等周期性干扰。经滤波器后的电流信号分成4路，每路信号经比较器后变成方波信号，再经整形电路后变成持续时间为1ms的计数脉冲。计数器记录4个通道输出的计数脉冲。4个比较器的比较电压来自同一分压器的不同抽头（20，40，60，80），分压器的基准电压是被测放电脉冲的最大幅值V_max。
局部放电具有较大的随机性，通常采用统计法描绘一个工频周期内放电脉冲的分布（本文取100个工频周期为一个统计时段）。如果以固定的时间间隔t从计数器中读取计数脉冲的记录，当电力系统频率发生波动时，无法长时间地使取数时刻和电压相位之间的关系保持不变。利用高压输电线路下方的空间电场（它的变化频率与电力系统频率一致），使取数的时间间隔t与电力系统周波时间T同时变化，从而保证取数时刻和电压相位之间的关系在整个统计时段内保持一致。具体做法是：采用中心频率为50Hz、带宽为5Hz的带通滤波器，把空间电场产生的感应电压信号变成工频正弦波信号，经过零比较器把它转换为同频率的方波，通过锁相环倍频电路将工频方波信号倍频为约51.2kHz的触发信号（每周波等分为1024个时间区段）。在图2中，过零比较器还向微处理器提供空间电场产生的感应电压过零信息，使每个统计时段有一个相对于外加电压相位而言的固定起始点，便于不同统计信息样本之间的比较。
如果放电脉冲幅值超过80V_max，则4个通道都会输出计数脉冲；如果放电脉冲幅值在20~40V_max之间，则仅有一个通道输出计数脉冲。一个时间区段内计数器记录到的脉冲数不仅与该时间区段内三相绝缘子串所产生的放电脉冲的次数有关，而且与这些放电脉冲的幅值有关，反映的是该时间区段内三相绝缘子串放电脉冲的能量大小，称它为放电强度。局部放电有明显的极性效应，正负半周的放电脉冲无论在数量上还是在幅值上都有较大的差异。但分析的只是各相绝缘子串放电强度之间的差异，本文不区分放电脉冲的正负性，将电压相位相差180º的放电脉冲合并在一起考虑。同时，为分析方便起见，采用线性插值方法，把放电强度数据从512（1024/2）个扩展成516个（下文用N表示）。
放电强度在半个周波内的分布用放电强度矢量P_n=(n=1,2,...,N)描述，等于第n个时间区段内的放电强度，P_n的相角_βn定义为这样，N个放电强度矢量均匀分布在复平面上，相邻矢量（包括第N个和第一个矢量）间的夹角都是。4放电强度矢量不平衡法
放电强度矢量和在一定程度上反映了放电强度矢量分布的不平衡度，在放电强度矢量不平衡法中，把它作为辨识劣化绝缘子的一个特征参数。在理想情况下，如果三相绝缘子串不包含劣化绝缘子，P=0。如果有一相绝缘子串包含劣化绝缘子，P≠0，放电强度矢量和的方向指向包含劣化绝缘子的那一相，且绝缘子劣化程度越严重，放电强度矢量和的模│p│就越大。当二相含有劣化绝缘子时，同样有P≠0，但放电强度矢量和的模│p│可能比仅一相含有劣化绝缘子时小，与劣化绝缘子的片数、劣化程度和所在位置有关。
矢量求和法没有考虑放电强度矢量分布的局部差异，不能完全反映放电强度矢量分布的三相不平衡性。由于每个放电强度矢量的模受局部放电随机性的严重影响，分析所有夹角互为120º的三个放电强度矢量之间的关系没有实际意义。本文把复平面上的N个放电强度矢量分派到6个区域，以区域为单位分析放电强度矢量的分布特性。
如图3所示，把复平面分成A、AB、B、BC、C、CA六个区域，A、B、C区域称为一类区域，夹角为90º，AB、BC、CA区域称为二类区域，夹[1][2][3]下一页