采用泄漏电流递归图分析的盘形悬式玻璃绝缘子性能诊断

王玉巧，杨亚丽

（黄河科技学院，郑州450063）

采用泄漏电流递归图分析的盘形悬式玻璃绝缘子性能诊断

王玉巧1，杨亚丽2

（黄河科技学院，郑州450063）

主要采用递归图（recurrence plot，RP）分析法对架空输电线路盘形悬式玻璃绝缘子进行性能诊断，分别对绝缘子设置不同长度的污秽层，通过加压测量得出不同情况下的泄漏电流（leakage current，LC）。提取泄漏电流中的高频分量，并在相空间进行递归图重构。实验设置污秽程度为IV级，即严重污秽情况。结果表明，随着污秽层长度的不断增加，递归图中的回归点密度也相应升高，即绝缘子表面局部放电发生强度也相应升高。同时当污秽层长度超过一定数值后，递归图出现白色带状，即绝缘子表面产生电弧放电。

盘形悬式玻璃绝缘子；递归图；泄漏电流；电弧放电

0 引言

在电力系统中，绝缘子作为输电线路与杆塔相连接的部分，成为了最广泛使用的一次设备之一。绝缘子污秽是影响输电线路安全稳定运行的一个重要问题，环境污染十分容易对绝缘子产生影响。通常，污秽会在绝缘子表面形成一个导电层，特别在潮湿或下雨的气候条件下，极易发生局部放电。在较为严重的污秽情况下甚至会产生电弧放电现象，引发绝缘子沿面闪络。因此，国内外学者对绝缘子的监测诊断，以及抑制污秽沿面放电方面做了大量研究工作。

放电现象主要是由绝缘表面一个较大的电流产生，该电流即称作泄漏电流。较为频繁的放电现象会大大降低设备的使用寿命，并有可能产生击穿，进而导致电力系统故障。因此，有较多文献对泄漏电流信号的分析进行了研究[1－2]。在时域下对泄漏电流进行了信号提取分析，通过分析有效值，峰值，标准差等参数对绝缘子放电情况进行监测[3－5]。则对泄露电流进行了频域分析，经过傅里叶变换得出多次谐波分量，并对盐雾条件下绝缘硅橡胶的老化过程进行了研究[6－7]。对泄漏电流波形进行离散小波变换，以分析其在污秽条件下的性能变化；并对两端电压波形进行连续小波变换，研究其闪络特性。然而，泄漏电流的时域和频域信号均需要精确的分析方法，虽然上述这些经典变换能够提供大量数据参数，但无法对污秽绝缘子状态进行快速精确的诊断[8]。

笔者提出采用递归图法对污秽绝缘子进行性能诊断，采用绝缘子模型进行实验分析得出泄漏电流波形数据，污秽层采用含盐蒸馏水。通过离散小波变换提取泄漏电流的高频分量，并计算得出不同污秽长度的递归拓扑图，分析泄漏电流的强度和放电情况。该方法能够有效监测绝缘子运行状态，从而对抑制和避免绝缘子沿面闪络的发生具有重要意义。

1 递归图理论

递归图法是一种图形化分析工具，1987年由XX瑞士学者Eckman提出[9]。将给定时域空间下的数据转换成相空间的轨迹图，以表明动态系统的性能特性。为得到递归图，需对时域波形数据进行相空间重构。根据塔肯斯嵌入定理，若x为需要重构的时间序列，则重构的x→由下式表示

式中：i=（0，1，2，…，N），N 为时间序列的长度；m为嵌入尺度，为采样间隔。根据文献[10]，m和τ分别设为 5，20。

因此，重构信号的递归图由矩阵Ri，j计算得出

根据文献[10]，直接对泄漏电流数据进行重构计算，得出的递归图结果准确性较差。而从泄漏电流中提取出高频分量后，得出的递归图效果良好，准确性提高。因此，笔者采用离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）对泄漏电流波形数据进行计算，提取其高频分量进行分析，得出在25－50 kHz范围内的高频信号。利用该高频信号进行上述相空间重构计算，得到该分量下的递归图表。

2 实验结构

笔者实验采用采用一台额定参数为300kV/50kVA，50 Hz的高压试验变压器，以及220/500 V，50 kVA，50 Hz的升压变压器。为记录泄漏电流波形数据，采用500 MHz的泰克数字示波器进行波形记录，如图1所示，示波器接于2电阻两端。实验绝缘子模型采用玻璃平板，大小为500 mm×30 mm×0.003 mm。由铝箔作为两端电极，分别接于玻璃平板的高压侧与接地端，电极大小为500 mm×500 mm×5 mm。污秽物采用盐溶液，由NaCl与蒸馏水混合组成，其表面导电率恒定为1.2mS/cm，该导电率对应污秽程度为最高IV级，旨在检验严重污秽下的绝缘子泄漏电流的发展过程和诊断效果。污秽主要分布于高压电极侧，污秽长度分别为 5，10，15，20，25cm。采用南京电气集团生产的盘形悬式玻璃绝缘子，型号为LXY－120，该绝缘子主要用于220kV架空输电线路杆塔，设置电极两端垂直距离与该型号爬电距离一致，为320mm，实验主要结构图见图1。

图1 实验测试结构Fig.1 Experimental test structure

3 实验结果

3.1 泄漏电流分析结果

本节对不同污秽长度下的泄漏电流波形分别进行了分析，实验样品根据交流耐压试验标准，施加恒定电压27 kVrms，图2为泄漏电流及其高频分量波形。

从图中可以看出，在5 cm长度的污秽情况下，泄漏电流波形除了在4 000采样点附近外，并无明显畸变。相应高频分量的幅值均较小，基本无突增脉冲，表明在该长度下绝缘子表面无放电现象。在10 cm长度的污秽情况下，通过对高频分量的分析可以看出，其中有少量的突增脉冲发生，其强度也较小，表明在绝缘子表面存在强度较低的局部放电现象，该现象在正弦基波下无法看出，说明了提取高频分量的必要性。对于15 cm长度的污秽情况，在4 000与9 000采样点附近出现了较为明显的放电脉冲，强度与正常高频分量相差数倍，表明绝缘子表明出现小电弧放电现象，该现象在正弦基波图也同样明显。

当污秽长度增加到20 cm后，泄漏电流波形与前述情况完全不同，不再呈现基本的正弦波形，而是在1 500，4 000，6 500和9 000采样点附近产生多个幅值很大的脉冲。在高频分量图中同样可以看出，其脉冲幅值可达1 mA以上，表明了电弧的发展与延长。最后，在25 cm长度的污秽情况下，泄漏电流波形在6 000-8 000以及8 500-9 000采样点范围内，发生严重畸变，高频脉冲幅值可到2 mA以上，表明绝缘子表面发生频繁的高强度电弧。

图2 不同污秽长度的泄漏电流及其高频分量波形Fig.2 Leakage current and the high frequency component for different polluted layer lengths

3.2 递归图分析结果

由于对泄漏电流的时域和频域分析过程较为繁琐，且对实验结果和绝缘子状态的判断不够精确。本节介绍了对泄漏电流进行高频分量提取，并在相空间重构的工作。递归图矩阵通过式（2）计算得出，实验结果如图3所示。

图3（a）为污秽长度5 cm的实验情况，可见回归点密度较为稀疏，表明绝缘子并无较明显的放电现象。当污秽长度增加到10 cm，从图3（b）可以看出回归点数量和密度显著增加，表明绝缘子表面存在一定数量的局部放电现象。当污秽长度继续增加到15 cm，如图3（c），回归点更为密集，局部放电的数量和强度大幅升高。上述3种情况可以看出，在5，10和15 cm污秽长度下，所得的递归图仅由随机分布的回归点组成，绝缘子表面仅存在局部小范围放电情况。此外，这种均匀且随机的回归点分布表明泄漏电流基本呈正弦的动态特性，绝缘子处于安全运行状态。

然而，将污秽长度增加至20 cm后，如图3（d）所示，回归点密度十分巨大，几乎填满整个递归图，且出现白色带状。密集的回归点分布表明绝缘子表面存在大量局部放电，较窄的白色带状现象则表明绝缘子表面出现了小电弧放电。图3（e）为绝缘子污秽长度25 cm情况下的递归图，回归点密度较20 cm情况稍低，而白色带状的宽度大大增加，显示有更多的局部放电发展为电弧，放电现象更为严重。上述两种情况，即20 cm和25 cm污秽长度下，出现白色带状，说明回归点不再呈均匀分布特性，泄漏电流波形发生严重畸变，白带宽度增加说明电弧放电越剧烈，并可能导致沿面闪络击穿。

图3 不同污秽长度泄漏电流高频分量的递归图Fig.3 Recurrent plot diagrams of leakage current high frequency component for different polluted lengths

4 结论

笔者采用了递归图分析法，对盘形悬式玻璃绝缘子严重污秽情况下的运行情况进行了分析诊断。实验采用玻璃平板的绝缘子模型，通过施加恒定电压获得其泄漏电流的波形数据。通过离散小波变换提取波形中的高频分量，并在相空间进行重构。在不同程度污秽条件下，通过计算得出表征绝缘子放电情况的递归图，每种污秽条件均对应一个特定的回归点分布拓扑。在污秽长度不大于15 cm时，递归图中的回归点密度较低，并未出现白色带状情况，说明仅存在少量局部放电。而当污秽长度超过15 cm后，递归图中存在非常密集的回归点，并出现白色带状，说明盘形悬式玻璃绝缘子表明局部放电和电弧放电现象均十分明显。

综上所述，递归图分析法可以较为直观地对泄漏电流的特性进行分析。基于泄漏电流的递归图分析法是监测污秽绝缘子运行状态的有效手段，对避免沿面闪络以及电力系统故障的发生具有重要意义。

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Performance Diagnose of Cap and Pin Glass Insulators Based on Leakage Current Recurrence Plot Analysis

WANG Yuqiao1，YANG Yali2
（Huanghe Science and Technology College，Zhengzhou 450063，China）

Recurrence plot analysis method is adopted to diagnose the performance of insulators.Different length of polluted layer is set to measure the corresponding leakage current under a constant applied voltage.The high frequency element is extracted to reconstruct a recurrence plot in phase space.The results show that，with the increase of the polluted layer length the regression point density of the recurrence plot also increase.It indicates that the partial discharge strength on the insulator surface also rises relatively.Moreover，when the polluted layer length exceeds the certain value，some white bands appear in the recurrence plot.This phenomenon indicates the occurrence of arc discharges on the surface of insulator.

cap and pin glass insulator；recurrence plot；leakage current；arc discharge

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.035

2016－12－13

王玉巧（1980—），女，副教授，研究方向：电力系统及电子信息工程。

河南省科技攻关计划项目（编号：142102210550）；郑州市重点建设实验室（编号：ZZLG201414）。