1、电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：针对高压（HV）玻璃绝缘子均匀与非均匀污染检测难度大、风险评估不准确等问题，提出了一种基于新型泄漏电流指标Rhi的高压玻璃绝缘子风险评估方法。该新型泄漏电流指标Rhi由泄漏电流的第3次、第5次和第7次谐波推导出来，并根据测量到的临界电压梯度（Ec），采用两串33 kV的帽针式玻璃绝缘子，在不同的上下表面比（J）和润湿率下对受污染绝缘子进行临界电压应力试验，以评估其风险水平。此外，还分析了等效盐沉积密度（ESDD）与不可溶沉积密度（NSDD）之比对绝缘子闪络发生的影响。最后，通过实验验证了该
2、新型指标能更准确地预测绝缘子的危险程度和闪络发生的概率。关键词：污染绝缘子；风险评估；泄漏电流谐波；快速傅里叶变换；玻璃绝缘子中图分类号：TM28文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd23503A Risk Assessment Method for Glass Insulators with a New Leakage Current IndexWANG Jie1，JIN Weigang2（1.College of Electric Power Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shangha
3、i 200090，China；2.Central China Branch of State Grid Corporation of China，Wuhan 430077，Hubei，China）Abstract:In view of the difficulty in detecting the uniform and non-uniform contamination of high voltage（HV）glass insulators and the inaccuracy of risk assessment，a risk assessment method for HV glass
4、insulatorsbased on a new leakage current indicator Rhiwas proposed.The new leakage current index Rhiwas derived by theleakage current of the 3rd，5th and 7th harmonics，according to the measured critical voltage gradient（Ec），usingtwo bunch of 33 kV cap glass pin type insulator，the critical voltage str
5、ess test of polluted insulator in different topand bottom surface ratio（J）and wetting rate was carried out to evaluated the level of risk.In addition，theinfluence of the ratio of the equivalent soluble deposit density（ESDD）to that of non soluble deposite dentisty（NSDD）on insulator flashover was also
6、 analyzed.Finally，the experimental results show that the new index canpredict the risk degree of insulator and the probability of flashover more accurately.Key words:polluted insulators；risk assessment；leakage current harmonics；fast Fourier transform；glassinsulator基金项目：国家自然基金（51777082）作者简介：王节（1996），
7、男，硕士研究生，Email：王节，等计及新型泄漏电流指数的玻璃绝缘子风险评估方法王节1，金维刚2（1.上海电力大学 电气工程学院，上海 200090；2.国家电网公司华中分部，湖北 武汉 430077）室外绝缘子是电力系统输配电的关键设备之一。它用于绝缘导体与接地塔、辅助电力线路与机械支持。室外绝缘子的性能受到材料类型、安装配置、表面污染程度等不同的机械和环境因素的显著影响1。污染的环境使得绝缘子容易受到泄漏电流的影响，并增加绝缘子表面的电弧活动。这些情况可能会导致闪络现象，而闪络现象反过来又会触发断路器中断电力传输2。因此，为了克服这一问题，监测泄漏电流成为一个重要的预防方面，以确保绝缘子的
8、整体健康。电弧和电晕活动改变了绝缘子表面特性，导致绝缘子过早老化3-4。这些现象都增加了绝缘子表面泄漏电流（leakage current，LC）的大小。户外绝缘子性能及其长期性能的评价是众多研究者研究的热点5。其中，特别值得关注的问题是，在绝缘子使用期间，建立LC和污染严重程度之间的准确关系。文献6-7通过分析LC的统计值，如平均值、最大值和标准偏差（standard82王节，等：计及新型泄漏电流指数的玻璃绝缘子风险评估方法电气传动 2023年 第53卷 第3期deviation，STD），估计了绝缘子污染层的大小和严重程度。文献8利用泄漏电流和电压信号之间的相位角来研究预测污染的严重程度。
9、结果表明，相角余弦（位移因子）的变化是判断绝缘子表面污染程度的良好指标。文献9的研究结果表明，闪络测量方法可用于预测绝缘子的污染严重程度。然而，该方法假定一些参数为已知的，如干燥带；另一种评估方法为LC提取技术10-11。该方法是利用快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）对绝缘子的LC进行了频域分析，从频率来看，可以通过测量其奇次谐波分量来量化LC。对于50 Hz的电力系统，需要关注的谐波是第3次（150 Hz）和第5次（250 Hz）。这些谐波的增强增加了总谐波失真（total harmonic distortion，THD），这取决于污染级别。根据这一观察结
10、果，文献12-15提出了一个反映绝缘子健康状况的指数。另外，利用频率分解的概念，提出了LC的5次至3次谐波比率，以预测绝缘子闪络发生情况。对硅橡胶和瓷绝缘子的研究结果表明，污染的严重程度与该比值的大小密切相关。尽管上述方法在一定程度上提升了预测精度，但评价指数中未含高次谐波，基于此，本文提出了一种评估串状玻璃绝缘子风险状态的新指标Rhi，该指标是由LC的第3次、5次和7次谐波分量组合而成。为了验证这一新指标的有效性，本文在不同污染条件下对33 kV绝缘子串进行了实验测试，实验条件包括润湿条件和可溶沉积物密度与不可溶沉积物密度之比，采用正态分布函数和概率分布函数（probability dist
11、ribution functions，PFD）计算绝缘子串风险指标，深入分析剖面对闪络电压梯度Ec和闪络发生概率程度的影响。最后，研究结果表明，所提方法可有效用于监测和诊断现场串式绝缘子的风险水平。1评估方法与实验材料1.1实验设置及试样本文选取了两组不同结构的绝缘子串，分别用A型和B型表示。它们的参数如表1所示。表1测试绝缘子参数Tab.1Test insulator parameters绝缘子型号AB高度/cm14.614.6直径/cm25.528.0泄露距离/cm32.034.0下边长/cm20.521.5上边长/cm11.512.5图1为测试绝缘子的实验设置示意图和实物图。图1a为测试
12、绝缘子的实验设置示意图。图1b为实验设置实物图，实验设备包含一个高压变压器C给绝缘体供电（220 kV，5 kVA，50 Hz）、一个保护电阻（2 400，因太小图中没有显示）、一个电容分压器F（100，25.000 pF）和一个泄漏电流（因太小图中没有显示）和闪络电压梯度测量器G。试验按照 IEC 60507 标准进行13，采用蒸汽发生器装置E和润湿速率控制器对绝缘子的润湿进行了模拟。图1实验图Fig.1Experimental diagram1.2污染和润湿条件首先，用酒精和自来水彻底清洗测试绝缘子，以确保它们完全没有污垢和油脂的痕迹。然后，让绝缘子自然干燥。采用固体层法在被测绝缘子表面均
13、匀或不均匀地形成污染层。以不同的可溶性沉积物密度即等效盐沉积密度（equivalent salt depositdensity，ESDD）制 作 了 三 种 污 染 浆 料。根 据ESDD 值，将污染程度分为低（0.03 mg/cm2）、中（0.09 mg/cm2）、高（0.15 mg/cm2）和严重（0.24mg/cm2）四个污染程度级别。这个分类符合IEC60507标准。测试室的墙壁是由聚碳酸酯材料制成。墙的尺寸是50 cm50 cm75 cm。采用空气-水压缩机和雾发生器对试验绝缘子进行高压水雾喷射。为了产生润湿，沿室内壁安装了 8 个喷嘴。这些喷嘴是通过高压管道从空气-水压缩机输入的。
14、试验绝缘子用三级净83王节，等：计及新型泄漏电流指数的玻璃绝缘子风险评估方法电气传动 2023年 第53卷 第3期雾浸湿：轻度、中度和重度。湿润率近似为2.50.1 rh，50.2 rh，7.50.3 rh。室内温度在2730。雾发生器的相对湿度在81%85%之间变化。气压保持在101 kPa左右。1.3闪络压力测量不同工况下的闪络电压应力试验如图 2 所示。图2试验串绝缘子运行条件Fig.2Operating conditions for tested string insulators图2中，Wr为湿润率，J为绝缘子下、上表面的盐沉积密度之比，z为ESDD/NSDD，NSDD为非可溶性沉积
15、物密度（non-soluble deposit density，NSDD）。通电电压以3 kV/s的速率增加。在每个润湿率和污染水平下进行至少4次闪络试验，间隔3 min。4次闪络试验的平均闪络电压应力Ec可表示如下：Ec=14i=14Ei（1）Ec=Uc/L（2）而闪络电压应力的标准偏差（%）计算公式为%=1Eci=14(Ei-Ec)23 100（3）式中：Ei为闪络电压应力；Uc为连续工作电压；L为爬电距离。1.4污染严重程度（ESDD）计算为了测量被测绝缘子表面污层的等效盐沉积密度（ESDD），将污层从绝缘子表面（金属部分除外）提取出来。提取的污染物溶解在0.5 L去离子水中。使用电导率
16、计HI8733，在室温下测量溶液的电导率，校正系数b计算公式如下：b=0.9 10-52-0.8 10-3+0.0353（4）这里取b=0.022 8。溶液的盐度 Sa按 IEC 60507 标准可由下式表示：Sa=5.7 1.0320（5）根据测定的室温电导率，20 时的电导率为20=1-b(-20)（6）ESDD可表示为ESDD=(Sa V)/Amg/cm2（7）式中：20，A分别为假设污秽层在20 时的电导率（S/m）、体积电导率（）、溶液温度（）、绝缘子表面积（cm2）；Sa为溶液的盐度（kg/m3）；V为溶液体积（cm3）。当污染分布不均匀时，绝缘子表面上、下面的ESDD平均值可满足为ESDDav=(ESDDU SU+ESDDL SL)/(SU+SL)（8）J=ESDDL/ESDDU（9）式中：ESDDU，ESDDL分别为绝缘子上、下表面的盐沉积密度；SU，SL分别为绝缘子的上、下表面积。不溶性污秽物质密度，即非可溶性沉积物密度（NSDD）可表示为NSDD=(wf-wi)103/Amg/cm2（10）式中：wf，wi分别为有污染物滤纸的重量及干燥条件下滤纸的初始重量。可溶性沉