基于大數(shù)據(jù)的局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及診斷研究

龔鵬

摘要：GIS設(shè)備對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要，介紹了GIS設(shè)備及局部放電的基本情況，對(duì)局部放電的產(chǎn)生機(jī)理及檢測(cè)方法進(jìn)行介紹，并對(duì)目前局部放電監(jiān)測(cè)存在的不足進(jìn)行梳理，在此基礎(chǔ)上利用大數(shù)據(jù)模型分析對(duì)局部放電的變化趨勢(shì)和故障檢測(cè)進(jìn)行介紹，通過(guò)介紹可以看出利用大數(shù)據(jù)模型分析可以滿(mǎn)足局部放電監(jiān)測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);局部放電;在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

一、引言

局部放電主要發(fā)生在兩個(gè)電極之間，還未完全形成貫穿電流。根據(jù)GIS設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)判斷，出現(xiàn)局部放電的原因關(guān)鍵是絕緣系統(tǒng)內(nèi)部存在某種故障從而影響了設(shè)備的絕緣特性，導(dǎo)致性能減弱甚至直接消失，同時(shí)電極表面出現(xiàn)了凸起，接地不良的情況。另外，GIS設(shè)備內(nèi)部放電的原因還有可能是由于制造和安裝設(shè)備時(shí)造成有金屬微粒殘留。短時(shí)間的局部放電一般不會(huì)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)較大影響，但局部放電的長(zhǎng)期存在會(huì)導(dǎo)致固體絕緣材料老化擊穿、SF6絕緣放電，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生電氣設(shè)備的爆炸，造成較為惡劣的電氣事故，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，可以較為準(zhǔn)確地找到故障點(diǎn)，同時(shí)還能對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，提前找到故障點(diǎn)，保證供電線(xiàn)路的可靠性。

二、局放機(jī)理

局部放電過(guò)程是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物理過(guò)程，在此過(guò)程中還伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗，同時(shí)還伴隨著產(chǎn)生電磁輻射、光、熱等能量。在絕緣中如果存在氣泡，高頻電壓施加在絕緣體的兩端，如果作用在氣泡上的電壓低于其擊穿電壓，此時(shí)氣泡上的壓力隨著外加電壓的變化而變化，如果氣泡上的電壓高于擊穿電壓，氣泡則會(huì)發(fā)生放電，放電過(guò)程中使得中性氣體分子發(fā)生電離，產(chǎn)生大量的帶有相反電荷的氣體分子，并在外加電壓的作用下發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，遷移到氣泡壁上，形成與外加電場(chǎng)相反方向的內(nèi)部電壓，此時(shí)的電壓則是內(nèi)部電壓和外部施加電壓的疊加結(jié)果，當(dāng)氣泡上的實(shí)際電壓低于其擊穿電壓時(shí)，此時(shí)放電暫停，氣泡上的電壓隨著外加電壓的升高而升高，直至增加至擊穿電壓時(shí)，此時(shí)則會(huì)發(fā)生第二次放電過(guò)程，周而復(fù)始，則會(huì)出現(xiàn)多次放電。當(dāng)試品中的氣隙放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生失去電荷，導(dǎo)致端電壓下降，導(dǎo)致一個(gè)微伏級(jí)的脈沖電壓施加在千伏級(jí)別的外加電壓上，局部放電檢測(cè)設(shè)備主要是對(duì)此電壓脈沖進(jìn)行檢測(cè)。

局部放電的機(jī)理可以等效為放電氣隙與非放電組合電容的回路，電極之間存在絕緣物，對(duì)其回路施加交流電壓時(shí)，會(huì)在電極之間出現(xiàn)局部的放電現(xiàn)象，主要可以看作為導(dǎo)體之間串聯(lián)兩個(gè)以上的電容器，如圖1所示。

圖1中Cg為存在放電氣隙的電容，Cb為回路中串聯(lián)的其他絕緣電容，Cm為電極其他電容。此時(shí)的Cg電容的兩端電壓可以表征為：

Vg高于擊穿電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)局部放電的情況，Vg會(huì)降低至擊穿后的熄滅電壓時(shí)，如果外加的電壓Vt高于Vg時(shí)，會(huì)再次給Cg電容器進(jìn)行充電，直至Vg再次高于擊穿電壓，進(jìn)行放電。局部放電的進(jìn)行伴隨著Vt的變化而持續(xù)進(jìn)行。

三、局放監(jiān)測(cè)方式

局部放電的監(jiān)測(cè)方式主要可以分為以下幾種：電荷法、高頻法、聲測(cè)法、泄漏電流法等。

電荷法：主要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，通過(guò)放電量的不斷變化監(jiān)測(cè)試品的局部放電量，測(cè)試的精度較高，但容易受到背景噪音的影響，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用難度較高。

高頻法：在進(jìn)行局部放電檢測(cè)過(guò)程中，會(huì)伴隨產(chǎn)生高頻電波現(xiàn)象。特高頻檢測(cè)技術(shù)就是通過(guò)檢測(cè)局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的高頻電波信號(hào)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。超聲波的測(cè)試聲波頻率處于300-3000MHz區(qū)間。利用特高頻檢測(cè)手段進(jìn)行局部缺陷的定位檢測(cè)，近幾年應(yīng)用比較廣泛，該方法的優(yōu)點(diǎn)是敏感度高、對(duì)低頻電暈的干擾屏蔽效果好，能夠有效的識(shí)別缺陷的類(lèi)型和位置，該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中容易受到環(huán)境中的相同頻率的電波影響。采用該方法進(jìn)行缺陷檢測(cè)不能準(zhǔn)確做到量化描述。

聲測(cè)法：在進(jìn)行局部放電檢測(cè)過(guò)程中，會(huì)伴隨產(chǎn)生聲波發(fā)射現(xiàn)象。超聲波檢測(cè)技術(shù)就是通過(guò)檢測(cè)局部放電過(guò)程中產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，對(duì)設(shè)備內(nèi)部的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。超聲波的測(cè)試聲波頻率處于20-200KHz區(qū)間。利用超聲波檢測(cè)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)電磁干擾造成的干擾進(jìn)行屏蔽、具有定位準(zhǔn)和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。因?yàn)槌暡ㄔ谠O(shè)備的內(nèi)部的產(chǎn)生和傳遞比較復(fù)雜，存在超聲波的反射和折射作用，會(huì)隨著折射和反射的進(jìn)行，超聲波的能量會(huì)出現(xiàn)衰減，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。

四、基于數(shù)據(jù)分析的高壓電氣故障診斷

局部放電信號(hào)屬于高頻放電信號(hào)，目前現(xiàn)有的傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集后，通過(guò)區(qū)間放電統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算一定的時(shí)間間隔內(nèi)大于一定比例的局部信號(hào)值，因此最終得到的數(shù)據(jù)是一定時(shí)間間隔內(nèi)的放電量，可用的信息相對(duì)較少，只能用于局部信息的判斷，很難滿(mǎn)足目前故障處理和分析的需求?；诖朔N情形，本文基于大數(shù)據(jù)分析，對(duì)局部放電量的變化趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以提升故障預(yù)判和預(yù)處理的目的。

局部放電趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型監(jiān)測(cè)

本模型采取的間隔時(shí)間為1s，某秒內(nèi)的局部放電量數(shù)值以此時(shí)間內(nèi)采集到的左右數(shù)據(jù)均方根進(jìn)行表示，通過(guò)對(duì)不同時(shí)間內(nèi)的局部放電量進(jìn)行分析，對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)某地區(qū)一35kv整流變壓器為例，進(jìn)行局部放電量監(jiān)測(cè)，由數(shù)據(jù)的趨勢(shì)圖可以看出，整體性的波動(dòng)較小，為了實(shí)現(xiàn)更好的無(wú)人監(jiān)護(hù)，本模型采取放電量高于2倍閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

其中，Tp為放電量變化趨勢(shì)差量，p為閾值。當(dāng)Tp高于閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)警;若高于2倍閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

局部放電故障診斷

局部放電的類(lèi)型主要可以分為懸浮電位放電、高壓導(dǎo)桿尖刺放電、沿面放電及自由金屬顆粒放電。不同的故障類(lèi)型產(chǎn)生的放電頻譜具有一定的特征性，對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用人工智能算法 Xgboost 算法進(jìn)行分類(lèi)訓(xùn)練，采用訓(xùn)練后模型對(duì)現(xiàn)有局放數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以診斷局放故障。此智能算法具有正則化、并行處理、高度靈活性、缺失值處理、剪枝、內(nèi)置交叉驗(yàn)證特點(diǎn)。采用 Xgboost 算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，訓(xùn)練集與測(cè)試集比例為 8∶2。通過(guò)測(cè)試，模型的局放檢測(cè)對(duì)局放識(shí)別的準(zhǔn)確率為 98.15%，能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用。

五、結(jié)語(yǔ)

GIS 設(shè)備的局部放電檢測(cè)主要使用超聲波檢測(cè)技術(shù)和高頻檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于設(shè)備局部放電監(jiān)測(cè)只能對(duì)故障發(fā)生后的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不能對(duì)局部放電量的變化趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此本文在大數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)模型對(duì)局部放電量的趨勢(shì)變化和故障類(lèi)型進(jìn)行在線(xiàn)模型監(jiān)測(cè)，可以更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證供電穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳貢強(qiáng)， 徐超， 高穎. 基于低溫的GIS局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)研究[J]. 全文版：工程技術(shù)， 2016， 000（006）：P.282-284.

[2]陳昆鵬. 基于超高頻的局部放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D]. 蘭州理工大學(xué)， 2014.

[3]李子龍. 基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與預(yù)警診斷系統(tǒng)研究[D].