基于“日盲”紫外脉冲的变电站绝缘子劣化程度检测研究

程江洲，王卓远，黄景光，李晓敏，方烜，聂德宇

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002）

基于“日盲”紫外脉冲的变电站绝缘子劣化程度检测研究

程江洲1，2，王卓远1，黄景光1，李晓敏1，方烜1，聂德宇1

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室，湖北宜昌 443002）

绝缘子是电力系统中十分重要的一类电气设备，其性能的优劣对输电系统与变电站的安全运行起着非常关键的作用[1-2]。变电站绝缘子在搬运过程中可能由于碰撞导致表面留下伤痕；在正常的运行过程中，可能会因机械负荷过重，运行环境恶劣导致击穿电压不断下降，影响变电站设备的稳定运行。由于绝缘子的电晕放电强度可以反映其劣化程度，因此通过监测绝缘子发出的紫外脉冲，可以了解绝缘子表面的劣化程度变化，以此降低闪络发生的概率[1-3]。

“日盲”紫外线检测作为非电检测法中的一种在线监测方法，具有不受天气影响、检测距离远和抗干扰能力强等优点，检测绝缘子放出的“日盲”波段紫外光信号是近年来的研究热点之一[1-4]。“日盲”波段紫外光信号监测方法主要分为紫外成像法与紫外脉冲法2种，紫外成像法作为其中的一种监测方法，其成像设备过于昂贵，且对短时间内间隔较短的单个脉冲反应不明显；相对而言，紫外脉冲法价格便宜，易于携带和移动，更适合变电站内的复杂环境[5-6]。

为了远距离在线判断绝缘子的劣化状态，本文通过制作基于“日盲”紫外脉冲检测的变电站绝缘子劣化程度在线监测装置，对绝缘子劣化程度监测研究方法进行研究。首先对绝缘子紫外脉冲劣化检测原理进行分析，制成绝缘子劣化程度在线监测装置样机，并建立绝缘子劣化程度检测模型。通过实验寻找绝缘子劣化程度与各个变量之间的对应关系。在考虑以上因素的基础上，对影响绝缘子劣化程度检测的相关变量进行了深入研究，并运用回归分析得出的结论与实验结果进行对比，测试了结果的正确性。

1 绝缘子紫外脉冲劣化检测原理

正常工作的绝缘子表面电场可视为极不均匀电场，在绝缘子产生电离放电时，根据电场强度的不同，可以分为电晕放电、火花放电和局部电弧放电3种类型。其中，火花放电和局部电弧放电放出包括可见光在内的各波段光线，而电晕放电的光信号波长分布于400 nm以下的紫外波段。由于太阳光中也含有较强的紫外辐射，直接监测紫外光会受到太阳光的强烈干扰，但大气层中的臭氧可以吸收240～280 nm的紫外光，监测该波段的紫外光不存在阳光干扰的问题。这部分波段的紫外光被称为UV-C波段，对这部分紫外光脉冲变化情况进行检测，去除噪声等环境干扰后，将单位时间的有效脉冲信号数目进行统计，就是紫外脉冲法[7-8]。

由于绝缘子的劣化将导致局部电场畸变加剧，劣化绝缘子在相同情况下伴随有放电增强的现象，放电光谱的紫外波段辐射强度也会明显增强。交流线路的绝缘子起晕初始电场强度如下。

式中：δ为空气相对密度；n为空气密度指数；r为导线半径；m为表面粗糙系数，小于1。

通过检测绝缘子发出的紫外光脉冲，可以远距离在线区分正常绝缘子与劣化绝缘子。但绝缘子的放电强度与环境温度、湿度密切相关，检测距离也会影响测得紫外光脉冲的数目，因此需要设计基于“日盲”紫外脉冲检测的变电站绝缘子劣化程度在线监测装置，综合考虑影响绝缘子在线监测的相关变量，为绝缘子在线监测提供判断依据。

2 系统结构设计

图1为紫外脉冲监测装置的系统结构图，其主要功能是监测绝缘子电晕放电时发出的紫外脉冲数目，以及将光信号转变为电脉冲信号，并上传至上位机中。紫外检测系统由高压驱动、电源模块、电源管理、“日盲”紫外线检测单元、信号调理、A/D转换、CPU、上位机、距离传感器、温湿度传感器与显示器组成。系统内的“日盲”紫外传感器对准待测绝缘子，紫外光敏管作为探头监测绝缘子放电过程中的单位时间紫外脉冲数量，并通过内部转换电路将光信号转换为电信号上传给上位机。

图1 紫外脉冲检测装置系统结构图Fig.1 System structure diagram of UV pulse detection device

紫外检测系统设计中最关键的部分有2个：第一是绝缘子紫外监测中紫外光信号的监测，以及将光信号通过信号调理与转换变为电信号，因此硬件电路包含“日盲”紫外线监测单元、信号调理模块和A/D转换模块；第二是系统电源模块的设计，整个硬件系统供电电源为5 V，但由于本部分选择了紫外光敏管R9454作为“日盲”紫外线监测单元的核心检测模块，紫外传感器需要280 V脉冲电压的高压驱动电源，因此需要单独设计电压转换与稳定电路，保障系统各部分的正常运行，尤其是紫外传感器部分的正常驱动。系统经过实际试验和测试，最终选用紫外线传感器驱动电路的控制信号频率为320 Hz，占空比为0.3的PWM信号，驱动电压幅值为285 V，使紫外传感器既能得到较高的灵敏度，干扰少，能得到最好的测试效果。

本系统采用SCH11数字传感器作为温湿度传感器，该传感器可以监测绝缘子的温度和湿度值，有利于进一步确定绝缘子的测量准确性。

装配完成的紫外监测系统如图2所示。CPU接收的即时信息由上位机接收并存储，统一在上位机中整理分析。

图2 紫外脉冲监测系统实物图Fig.2 Real product of UV pulse detection system

3 绝缘子放电实验

在高压实验室进行绝缘子劣化程度放电试验，控制环境温度为20°，环境湿度为65%、75%、85%，实验原理图如图3所示。

图3 实验原理图Fig.3 Experimental schematic

由于污秽程度高的绝缘子在工作时也会放出UV-C波段的紫外光[9]，为了完全屏蔽绝缘子污秽对检测结果的影响，用于实验的待测绝缘子均清洗干净，并对清洗液进行盐密测试，确保绝缘子上的污秽全部洗净；实验时加载电压为27.5 kV（按照2 kV/cm的爬电比距计算），对不同劣化程度的绝缘子在不同距离下进行紫外脉冲检测。

3.1 绝缘子绝缘电阻与劣化程度划分

测量绝缘子的绝缘电阻能够发现其性能劣化或绝缘击穿等缺陷，是绝缘子性能测试中的重要检测项目之一。根据DL/T 626-2005劣化盘形悬式绝缘子检测规程与电力系统一线职工的实际经验，新绝缘子的绝缘电阻超过500 MΩ，运行中的绝缘子不低于300MΩ。当绝缘电阻低于300MΩ，但大于240 MΩ时，可以判定为低值绝缘子；绝缘电阻小于240 MΩ时可判定为零值绝缘子[1，10-13]。实际工作中一般采用5 kV兆欧表（摇表）进行测试，测试精度较高，但出于安全考虑不能在湿度大于85%的情况下进行测试。

本实验选取一批由宜昌供电公司提供的FC70PL/146型玻璃绝缘子，试品参数如表1所示。测试绝缘子中含有劣化与雷击绝缘子，全部绝缘子已编号并由兆欧表测得绝缘电阻。根据实际经验，将绝缘子电阻大于500 MΩ的绝缘子认定为正常绝缘子，依据绝缘电阻的阻值确定劣化程度，将该批绝缘子分为正常、低值、零值三类，每类分为实验组和对照组。为了便于量化评估绝缘子的运行状况，本文以百分数的形式对绝缘子劣化程度进行划分，划分等级如表2所示。

表1 FC70PL/146绝缘子基本参数Tab.1 Parameters of FC70PL/146 insulators

表2 绝缘子劣化程度的划分Tab.2 The division of the insulator degradation

对温湿度的控制方面，实验通过断续定量加湿的方法控制实验湿度，并确保该湿度维持2 h，以保证绝缘子完全湿润。相对湿度调节以10%为一档，分别检测待测绝缘子在65%、75%、85%湿度下不同距离的紫外脉冲。为了保证数据的准确性，本实验通过多次测量取平均值的方法确定绝缘子在某一距离内1 min发出的紫外脉冲数。

3.2 实验结果

在本文的研究中，测量参数为绝缘子与检测系统间的相对距离、环境湿度、紫外脉冲数。输出参数为劣化程度的百分数数值。实验结果如图4所示。从实验结果可以看出，在温湿度相同的条件下，随着劣化程度的增加，检测设备在相同距离下测得的紫外脉冲呈上升趋势；测得的紫外脉冲数的变化趋势与环境湿度存在对应关系，环境湿度越高，同一绝缘子发出的紫外脉冲数越高；检测到的紫外脉冲随距离的增大而减小，本装置的检测距离可达10 m以上，满足变电站绝缘子在线监测的实际需要。

图4 不同劣化程度绝缘子在1 min内监测的紫外脉冲Fig.4 Insulators’UV pulse for different degradations in 1 min

4 实验数据回归分析与验证

长期以来，对绝缘子的劣化程度模型建立往往停留于自变量与因变量的数据集合，不知道具体的模型关系形式。本项目运用改进的基于有理插值样条的偏最小二乘回归分析法进行建模，以紫外光线、环境温湿度、检测距离为输入变量，绝缘子的劣化程度百分数为输出变量，得出具体的绝缘子劣化程度百分数关系式。

4.1 回归分析步骤

回归分析是一种确定多种变量间相互关系的统计分析方法[14]，在本文的研究中，输入参数为绝缘子与检测系统间的相对距离、环境湿度、紫外脉冲数，输出参数为劣化程度的百分数数值。本文采用多元非线性回归分析的方法进行分析，回归分析的步骤流程图如图5所示。

图5 回归分析步骤流程图Fig.5 Flow chart of regression analysis

具体来说，基于拟线性回归的思想，可以将绝缘子劣化程度判断模型设计为非线性加法模型式（2）来进行求解。

设fj（xj）的样条拟合函数为fj（xj）（j=1，2，…，p），则有

4.2 结果分析

分析结果表明，输出变量与输入变量的关系可以转化为一个三元二次方程，即预测模型为

式中：y为绝缘子的劣化百分数值；x1为距离变量；x2为湿度变量；x3为紫外脉冲变量；L为常数。对线性回归进行方差分析，F值为60.6，其显著水平为0.000 07（p＜0.005），表明存在真实的非线性回归方程，反映输入变量与输出变量之间的关系。

为评价回归模型的可靠性，对关系式进行方差分析与回归系数检验。表3为该三元二次方程的回归系数检验表。通过表3可得到绝缘子劣化程度与各变量的拟合关系。

由T值和显著性检验可知，此模型的拟合优度比较高，拟合效果良好。

4.3 实验验证

为了进一步验证该拟合关系式的可靠性，选取对照组中的正常、低值、零值绝缘子各10例进行测试，将测试结果代入关系式进行劣化程度评价，输出结果为劣化程度的百分数，部分测试样本和计算结果见表4。从劣化程度检测结果上看，运用该方法评估的绝缘子劣化等级与实际劣化等级基本一致，能够作为绝缘子在线监测的有效判据。

表3 三元二次方程的回归系数检验表Tab.3 Regression coefficient test table of ternary quadratic equation

表4 对照组绝缘子实验验证Tab.4 Experiment on control group insulators

5 结论

本文通过理论分析和实验验证，检测绝缘子紫外脉冲的方法对其劣化程度进行判断，并制作了基于“日盲”紫外脉冲检测的变电站绝缘子劣化程度在线监测装置。通过实验数据，以距离、紫外脉冲数、环境湿度为变量，以百分数形式定量分析了绝缘子的劣化程度，运用非线性回归分析建立了劣化程度与以上变量的数学关系式。对照组的实验结果表明，该方法能有效在线定量判断某一型号的变电站绝缘子劣化程度。由于不同型号的绝缘子存在材料与介电性能的差异，下一步的工作就是进行大量的对比实验，进一步总结各特征量与劣化程度的相关关系，使该系统能分辨不同材料、不同信号的绝缘子的劣化程度，为绝缘子故障在线预警给出有效判据。

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Research on Faulty Insulators in Transformer Substation Detection Based on UV-C Pulse

CHENG Jiangzhou1，2，WANG Zhuoyuan1，HUANG Jingguang1，LI Xiaomin1，FANG Xuan1，NIE Deyu1
（1.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorge University，Yichang 443002，Hubei，China;2.Hubei Key Laboratory of Cascaded Hydropower Stations Operation&Control，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

Due to environmental factors，the performance of insulators under outdoor conditions deteriorates，and when the deterioration reaches to a certain point，the insulation performance will be degraded and then the operation status of insulators should be checked.In this paper，we design a faulty detecting device based on"Solar Blind"UV pulse detection for transformer substation insulators and put forward a multivariate nonlinear regression analysis method to find the mathematical expression between degree of faulty insulators and distance，UV pulse and environment humidity.Through establishment of the test model for faulty insulators，we rank the level of faulty insulators in the form of a percentage，which makes the test result clear and direct.Experiment results show that this mathematical expression can be a criterion for judgment of faulty insulators.The result can provide research methods and ideas for real-time condition monitoring of the transformer substation insulators.

transformer substation;insulator;deterioration degree;on-line monitoring;UV pulse;regression analysis

户外工况下的绝缘子由于环境因素的作用导致性能劣化，当劣化到一定程度时，绝缘性能就会降低，需要对绝缘子的运行状况进行检测。设计一种基于“日盲”紫外脉冲检测的变电站绝缘子劣化程度远距离检测装置，并提出运用非线性回归方法寻找绝缘子劣化程度与距离、紫外脉冲数、环境湿度间的关系式，将绝缘子劣化程度以百分数的形式表示并划分等级，使得检测结果清晰直观。测试结果证明，该系统能够判断绝缘子的劣化程度，推导的劣化程度数学关系式能作为绝缘子劣化程度判断的准确依据。此研究结果可为在线评估变电站绝缘子劣化程度提供方法和思路。

变电站；绝缘子；劣化程度；在线监测；紫外脉冲；回归分析

国家自然科学基金项目（51477090）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51477090）.

1674-3814（2017）09-0021-05

TM83

A

2017-03-07。

程江洲（1979—），男，副教授，主要从事电力设备状态在线监测技术和力电子技术方向的研究。

（编辑 冯露）