一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统及方法与流程

本发明涉及电网系统安全监测技术领域，具体涉及一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统及方法。

背景技术：

绝缘子是一种连接于带电体和大地间的一种绝缘器件，在架空输电线路与地电位间起到重要的电位隔离作用。架空输电线路在运行过程中，空气中的尘土、盐碱、工业烟尘等各种微粒或鸟粪都会堆积在绝缘子外表面形成污秽层。随着我国经济的快速发展，同时带来了严重的环境污染。通常在线运行的绝缘子大多处于大气环境中，表面会逐渐沉积一层污秽物，当遇到潮湿天气时，绝缘子表面附着的污秽物在潮湿条件下，其可溶物质溶于水后，在绝缘表面形成一层导电膜，使绝缘子的绝缘水平大大降低，这样就会有泄露电流沿绝缘子表面流过，流过的电流大小主要取决于脏污程度和受潮程度。当脏污和受潮较严重时，局部电弧会逐步发展，最终贯穿两极，形成污闪。

复合绝缘子闪络对电力系统影响较大，且比较频繁的事故是在正常运行电压下输变电设备复合绝缘子的闪络事故，研究复合绝缘子“不明闪络”的原因意义重大，目前新兴的绝缘子污闪预警方法采用泄漏电流在线监测方式，这种预警方式根据绝缘子闪络的表征量一一闪络电流进行实时在线监测，但该方式预警效果作用是有限的，仅依靠监测泄漏电流难以对突发性事故预先做出反应。

如中国专利cn106093718a，公开日2016年11月9日，一种绝缘子闪络预警方法，包括以下步骤：(1)获取空气盐度值；(2)根据步骤(1)中获取的盐度值，确定盐雾等级；(3)获取绝缘子表面盐密值和灰密值；(4)根据步骤(3)获取的绝缘子表面盐密值和灰密值，确定绝缘子污秽等级；(5)根据步骤(2)中获得的盐雾等级和步骤(4)中获得的污秽等级，确定污湿等级；(6)当污湿等级超过预定阈值时，发出绝缘子闪络警报。该发明提出了一种基于绝缘子表面积污与空气盐雾程度的污湿等级划分方法，用来评价绝缘子表面积污和海洋盐雾对外绝缘的影响，进而根据污湿等级明确外绝缘配置情况和防污闪措施使用情况。但其存在仅依靠监测泄漏电流难以对突发性事故预先做出反应，预警效果有限的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：目前的绝缘子闪络预警方法采用的泄漏电流在线监测方式存在预警效果有限的技术问题。提出了一种能够有效监测预警绝缘闪络的基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统，包括线路充电电容功率在线监测单元、输电线路谐波频次监测单元和绝缘子闪络临界条件预警单元，所述线路充电电容功率在线监测单元和所述输电线路谐波频次监测单元均与输电线路连接，所述绝缘子闪络临界条件预警单元分别接收来自所述线路充电电容功率在线监测单元和所述输电线路谐波频次监测单元的信号。一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统，包括线路充电电容功率在线监测单元、输电线路谐波频次监测单元和绝缘子闪络临界条件预警单元，通过线路充电电容功率在线监测单元和输电线路谐波频次监测单元对输电线路的充电电容值进行监测和计算，通过输电线路谐波频次监测单元对输电线路中的谐波频次进行测量和采集，线路充电电容功率在线监测单元和输电线路谐波频次监测单元将计算数据和采集数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元，绝缘子闪络临界条件预警单元对数据进行分析，当数据中谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值满足谐波谐振条件时，绝缘子闪络临界条件预警单元对电力线路监控中心发送预警信息，实现对电网系统中绝缘闪络情况的有效监测预警。

作为优选，所述线路充电电容功率在线监测单元包括分别位于输电线路两侧的无功功率采集变送器、用于检测输电线路不同位置环境状况的若干个雨雪天环境监测传感器和功率差分计算机，所述无功功率采集变送器将采集到的输电线路数据输送给所述功率差分计算机。无功功率采集变送器分别位于输电线路的两侧即输电线路的首端和末端，无功功率采集变送器的输入信号来自于母线电压互感器pt和线路的电流互感器ct，雨雪天环境监测传感器用于根据输电线路的环境状况设定雨雪天修正参数。

作为优选，所述功率差分计算机将数据传输给所述绝缘子闪络临界条件预警单元。功率差分计算机将线路首端的无功功率值和线路末端的无功功率值差值计算后，得出线路的充电电容值并将数据送至预警单元。

作为优选，所述每个雨雪天环境监测传感器均将数据无线传输给所述绝缘子闪络临界条件预警单元。雨雪天环境监测传感器安装于线路的铁塔上，通过无线通信信号将数据传送至预警单元中。

作为优选，所述输电线路谐波频次监测单元包括分别位于输电线路首端和末端的谐波频次检测仪器，所述谐波频次检测仪器将获取的输电线路信息输送给所述绝缘子闪络临界条件预警单元。输电线路谐波频次监测单元由安装于线路首端和末端的谐波频次检测仪器组成，并将获取的信息由通信机终端发往预警单元。

作为优选，所述绝缘子闪络临界条件预警单元包括嵌入式计算机和通信终端，所述通信终端将接收的来自所述雨雪天环境监测传感器、所述谐波频次检测仪器和所述功率差分计算机的数据传输给所述嵌入式计算机。绝缘子闪络临界条件预警单元由一台嵌入式计算机与通信终端组成，将谐波频次分析后，计算谐波源的内电抗和变压器电抗，将线路电抗值组合后，与输电线路的充电功率变化轨迹进行分析，当达到预先按变化曲线设定的谐波谐振的过电压条件时，即进行绝缘子闪络预警报警的输出信号，将预警信号传输给电力线路监控中心。

一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警方法，利用上述绝缘子闪络预警系统，包括如下步骤：

s1：监测输电线路的充电电容值变化的大小和过程；

s2：对输电线路中的谐波频次进行测量和采集；

s3：通过绝缘子闪络临界条件预警单元对谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值进行分析；

s4：当谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值满足谐波谐振条件时，绝缘子闪络临界条件预警单元对电力线路监控中心发送预警信息。首先监测线路的充电电容c变化的大小和过程，然后是对输电线路中的谐波频次进行测量和采集，由预警单元对上述参数按照谐波谐振关系式进行分析测算，当其中谐波源频率f及输电线路的组合等效电抗l、线路的充电电容c满足谐波谐振条件时，则装置有可能会发生谐波谐振的报警信号以引起线路管理部门的注意，并采取相应的行动，防止绝缘子的闪络引起的跳闸事故。

作为优选，所述谐波谐振条件包括谐波谐振关系式，所述谐波谐振关系式为：

其中，f为谐波源频率，l为输电线路上各点的组合等效电抗，c为输电线路的充电等效电容。

作为优选，所述步骤s1包括如下步骤：

s11：采集输电线路首端和末端的无功功率；

s12：根据雨雪天环境监测传感器确定雨雪天修正参数；

s13：计算不同时刻输电线路的充电电容值的大小；

s14：根据输电线路的充电电容值的数值变化绘制输电线路充电电容值的变化曲线；

s15：将计算数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元。由无功功率变送器测量线路两侧的无功量值，其充电功率为q＝q1-q2，由功率差分计算机对线路的充电功率q＝q1-q2进行差分计算后，可计算出线路的充电电容值。

作为优选，所述步骤s2包括如下步骤：

s21：通过谐波频次检测仪器对输电线路第3、5、7、9、11、13、15次谐波进行测量和采集；

s22：将采集到的输电线路中的谐波频次数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元。根据谐波监测仪中监测的谐波分量将采集到的谐波频次传输给绝缘子闪络临界条件预警单元。

本发明的实质性效果是：本发明包括线路充电电容功率在线监测单元、输电线路谐波频次监测单元和绝缘子闪络临界条件预警单元，通过线路充电电容功率在线监测单元和输电线路谐波频次监测单元对输电线路的充电电容值进行监测和计算，通过输电线路谐波频次监测单元对输电线路中的谐波频次进行测量和采集，线路充电电容功率在线监测单元和输电线路谐波频次监测单元将计算数据和采集数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元，绝缘子闪络临界条件预警单元对数据进行分析，当数据中谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值满足谐波谐振条件时，绝缘子闪络临界条件预警单元对电力线路监控中心发送预警信息，实现对电网系统中绝缘闪络情况的有效监测预警。

附图说明

图1为本实施例的整体结构示意图；

图2为本实施例的结构示意图；

图3为本实施例实施步骤的流程图；

图4为本实施例的防闪络风险预警系统配置示意图；

图5为本实施例的谐波源干扰系统结构示意图；

图6为本实施例的谐波源等效电路示意图。

其中：1、线路充电电容功率在线监测单元，2、输电线路谐波频次监测单元，3、绝缘子闪络临界条件预警单元，4、无功功率采集变送器，5、雨雪天环境监测传感器，6、功率差分计算机，7、谐波频次检测仪器。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警系统，如图1所示，包括线路充电电容功率在线监测单元1、输电线路谐波频次监测单元2和绝缘子闪络临界条件预警单元3，线路充电电容功率在线监测单元1和输电线路谐波频次监测单元2均与输电线路连接，线路充电电容功率在线监测单元1包括分别位于输电线路两侧的无功功率采集变送器4、用于检测输电线路不同位置环境状况的若干个雨雪天环境监测传感器5和功率差分计算机6，如图2所示，无功功率采集变送器4将采集到的输电线路数据输送给功率差分计算机6。无功功率采集变送器4分别位于输电线路的两侧即输电线路的首端和末端，无功功率采集变送器4的输入信号来自于母线电压互感器pt和线路的电流互感器ct，雨雪天环境监测传感器5用于根据输电线路的环境状况设定雨雪天修正参数。每个雨雪天环境监测传感器5均将数据无线传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3。雨雪天环境监测传感器5安装于线路的铁塔上，通过无线通信信号将数据传送至预警单元中。功率差分计算机6将数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3。功率差分计算机6将线路首端的无功功率值和线路末端的无功功率值差值计算后，得出线路的充电电容值并将数据送至预警单元。

输电线路谐波频次监测单元2包括分别位于输电线路首端和末端的谐波频次检测仪器7，谐波频次检测仪器7将获取的输电线路信息输送给绝缘子闪络临界条件预警单元3。输电线路谐波频次监测单元2由安装于线路首端和末端的谐波频次检测仪器7组成，并将获取的信息由通信机终端发往预警单元。

绝缘子闪络临界条件预警单元3分别接收来自线路充电电容功率在线监测单元1和输电线路谐波频次监测单元2的信号，绝缘子闪络临界条件预警单元3包括嵌入式计算机和通信终端，通信终端将接收的来自雨雪天环境监测传感器5、谐波频次检测仪器7和功率差分计算机6的数据传输给嵌入式计算机。绝缘子闪络临界条件预警单元3由一台嵌入式计算机与通信终端组成，将谐波频次分析后，计算谐波源的内电抗和变压器电抗，将线路电抗值组合后，与输电线路的充电功率变化轨迹进行分析，当达到预先按变化曲线设定的谐波谐振的过电压条件时，即进行绝缘子闪络预警报警的输出信号，将预警信号传输给电力线路监控中心。

一种基于谐波谐振监测量的绝缘子闪络预警方法，如图3所示，利用上述绝缘子闪络预警系统实施，包括如下步骤：

s1：监测输电线路的充电电容值变化的大小和过程；步骤s1包括如下步骤：

s11：采集输电线路首端和末端的无功功率；

s12：根据雨雪天环境监测传感器5确定雨雪天修正参数；

s13：计算不同时刻输电线路的充电电容值的大小；

s14：根据输电线路的充电电容值的数值变化绘制输电线路充电电容值的变化曲线；

s15：将计算数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3。由无功功率变送器测量线路两侧的无功量值，其充电功率为q＝q1-q2，由功率差分计算机6对线路的充电功率q＝q1-q2进行差分计算后，可计算出线路的充电电容值。

s2：对输电线路中的谐波频次进行测量和采集；步骤s2包括如下步骤：

s21：通过谐波频次检测仪器7对输电线路第3、5、7、9、11、13、15次谐波进行测量和采集；

s22：将采集到的输电线路中的谐波频次数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3。根据谐波监测仪中监测的谐波分量将采集到的谐波频次传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3，监测的谐波分量可以是输电线路中第3、5、7、9、11、13、15次谐波中的几个。

s3：通过绝缘子闪络临界条件预警单元3对谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值进行分析；

s4：当谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值满足谐波谐振条件时，绝缘子闪络临界条件预警单元3对电力线路监控中心发送预警信息。谐波谐振条件包括谐波谐振关系式，谐波谐振关系式为：

其中，f为谐波源频率，l为输电线路上各点的组合等效电抗，c为输电线路的充电等效电容。首先监测线路的充电电容c变化的大小和过程，然后是对输电线路中的谐波频次进行测量和采集，由预警单元对上述参数按照谐波谐振关系式进行分析测算，当其中谐波源频率f及输电线路的组合等效电抗l、线路的充电电容c满足谐波谐振条件时，则装置有可能会发生谐波谐振的报警信号以引起线路管理部门的注意，并采取相应的行动，防止绝缘子的闪络引起的跳闸事故。

针对输电线路绝缘子“不明原因闪络”的故障原因查找已经是一个沉积多年的技术难题。本发明从电力系统谐波理论角度进行分析和监测，具有理论与实际发生现象相一致的条件，设用户d为带有5～11次的高次谐波源en运行中具有发生5次、7次谐波的干扰能力，如图4所示，b2为10kv终端用户变电站的降压变压器，将电压由110kv/10kv等级，由a至b点为110kv线路，设计长度l为60公里，如图5的系统元件参数图，折算到等效电气图的图6后可知：谐波源en经由降压变b2，对输电线路的充电等效电容c，将构成一个谐波电压的闭合回路，由雨天原因输电线路因为电晕的产生和介电常数的变化，线路的充电电容值可视为一个等效的可变电容器c来替代。在实际中由于用户谐波源的频率范围存在不确定性，由于线路中的充电电容c是一个变量值，当符合满足公式时，l·c阻抗呈最低值，将发生串联谐振现象。发生串联谐振时回路中的电流将非常大，同时在线路中的某一点u2电压值为u2＝ihdxc↑，将变得非常高即形成谐波过电压的特征。当这个很高的过电压某一点作用于线路上最相近的绝缘子上时，就会发生绝缘子闪络现象。由于谐波谐振过电压是一种随机现象，因此，测量绝缘子泄漏电流的作用不大，同时谐波源和充电电容值，均在发生变化，运行中很难确定将在线路上具体的哪一个点会发生谐振过电压，即绝缘子闪络现象，这就是绝缘子“不明闪络”现象的真正理论原因。

将上述参数进行系统监测的方法为：首先监测线路的充电电容c变化的大小和过程；对输电线路中的谐波频次进行测量和采集；由预警单元对上述参数按照谐波谐振关系式进行分析测算，当其中谐波源频率f及线路上各点的组合等效电抗、容抗即电感l、电容器c满足谐波谐振条件时，则装置有可能会发生谐波谐振的报警信号以引起线路管理部门的注意，并采取相应的行动，防止绝缘子的闪络引起的跳闸事故。

输电线路的长度越长，由谐波源产生的谐波放大频率越低，即谐振频率越低。这是因为线路分布电容cn与系统电抗发生的谐振条件，并联分布电容值越大，谐波源谐振频率则越低，即满足谐波谐振关系式的条件。

对谐波谐振的计算过程为：

假设输电线路为110kv线路，线路长度为60km，导线型号为lgj-240mm2，其电容值为0.904μf/110km，即c0＝0.0082μf/1km，线路电抗值为nl＝0.391ω/1km，线路的电阻值r＝0.132ω/km。线路上的总电容值c1＝0.0082×60＝0.492μf，降压变压器b2的参数，型号sfs7-20000kva/110kv，额定容量20000kva，阻抗电压％高→低，ud＝17.5％，电抗值nb2＝78.7ω。设谐波的电压值为额定电压的4％计算，uh＝110kv×0.04＝4.4kv。

取线路长度在60km时，雨天电容增大的变化参数k＝2.8计算，

c1＝0.492×2.8＝1.378μf，

当谐波源为5次谐波时，f5＝5×50＝250hz，设5次的幅值为基波的4％时，u5次＝0.04×110kv＝4.4kv。

b2变压器电感为：xb2＝78.7ω＝2πfl，f＝50hz时，l＝0.25h，设谐波源的内阻抗为0.06h，总电感l1＝0.25+0.06h＝0.31h，总电容c＝0.492×2.8＝1.3776μf。

设谐波源为5次谐波时：

在此条件下的串联谐波频率：

次谐波，若此时，谐振点位于离b点1公里的线路上时，r＝0.132ω，

求点电压值

ub-1＝i5次·xc，

ub-1＝33.3ka×462.3ω＝15384kv，这个电压要比额定电压110kv高140倍，如此高的电压值势必会将该点位置的绝缘子立即击穿放电。由上述计算可知，由谐波引起的谐振过电压是绝缘子“不明闪络”起因的一个主要的和常见的原因，随着线路在晴天时，由于电容值c减少，谐振频率会向着高次波方向振荡，其起振的条件与谐波源的频率成关联性。

设谐波源为7次谐波时，此时天气呈现为晴天时，电容变小了，设此时雨雪天修正参数取k＝1.35倍时，线路中充电电容量c2＝0.442×1.35＝0.664

倍次谐波，

晴天条件下，若此时用电负荷有谐波干扰时，即会有7次的谐波源时，将会产生7次谐波的谐振过电压情景，其产生的高电压值也是可以发生绝缘闪络的故障事故。

由上述可知，由于雨天条件线路上的电容器实际上是一个等效的可变电容器c，在这种情况，若是用户含有多次丰富的谐波源时，根据频率与l、c关系的极有可能当有合适的电容值，电感与此用户的谐波源的频率会满足谐波谐振条件，这样就极易发生谐振过电压，从而发生绝缘子闪络的故障，这就是众多数量的绝缘子“不明闪络”的真实的原因所在。

本实施例包括线路充电电容功率在线监测单元1、输电线路谐波频次监测单元2和绝缘子闪络临界条件预警单元3，通过线路充电电容功率在线监测单元1和输电线路谐波频次监测单元2对输电线路的充电电容值进行监测和计算，通过输电线路谐波频次监测单元2对输电线路中的谐波频次进行测量和采集，线路充电电容功率在线监测单元1和输电线路谐波频次监测单元2将计算数据和采集数据传输给绝缘子闪络临界条件预警单元3，绝缘子闪络临界条件预警单元3对数据进行分析，当数据中谐波源频率、输电线路的组合等效电抗和充电电容值满足谐波谐振条件时，绝缘子闪络临界条件预警单元3对电力线路监控中心发送预警信息，实现对电网系统中绝缘闪络情况的有效监测预警。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。