基于聲發(fā)射特性的玻璃絕緣子污閃預(yù)測(cè)模型

王遠(yuǎn)東，史文江，韓興波，蔣興良，張超，張志勁

(1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古通遼市 028000；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，重慶市 400044)

0 引 言

在電力系統(tǒng)輸電線路中，絕緣子起著至關(guān)重要的作用。在大氣環(huán)境下，在線運(yùn)行的絕緣子表面會(huì)沉積污穢并受潮，導(dǎo)致污閃事故，造成大面積停電和巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因而污穢閃絡(luò)是電力系統(tǒng)的主要災(zāi)害之一[1-5]。染污絕緣子在局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，相關(guān)的研究包括絕緣子局部放電聲發(fā)射特性和局部電弧的聲波檢測(cè)等。作為一種無損、非電量的監(jiān)測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)已運(yùn)用于電力設(shè)備局部放電的檢測(cè)與定位，聲信號(hào)中包含的信息量非常豐富，提取聲信號(hào)中的有用部分，并對(duì)提取的特征量進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，從而研究音頻信號(hào)特征和絕緣子污穢放電發(fā)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)絕緣子外絕緣狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者在絕緣子污穢放電聲信號(hào)的采集、特征量的選擇和提取以及相關(guān)診斷預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的建立方面做了大量的研究和探索。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為絕緣子污穢放電主要分為電暈放電、干區(qū)形成、局部電弧、穩(wěn)定電弧至閃絡(luò)4個(gè)階段，各個(gè)放電階段的聲發(fā)射特征不同。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)不同放電階段的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)染污絕緣子聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度及波形變化和局部放電強(qiáng)弱存在一定聯(lián)系，局部放電強(qiáng)度越大，聲發(fā)射信號(hào)幅值越大，脈沖頻率越高。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]將絕緣子外絕緣狀況分為安全、危險(xiǎn)、報(bào)警三級(jí)，設(shè)計(jì)了基于最小二乘支持向量機(jī)的分類器，并運(yùn)用了聲發(fā)射信號(hào)的處理。類似的，為了進(jìn)一步高效地提取聲發(fā)射信號(hào)中的有效信息，文獻(xiàn)[10-12]嘗試了多種數(shù)值分析方法，包括(核)主成分分析法、模糊推理法、隨機(jī)森林分類、BP和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其模型結(jié)果在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)絕緣子污穢放電發(fā)展階段的預(yù)測(cè)，但就絕緣子污穢度和污穢成分對(duì)模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和靈敏度的影響則缺乏針對(duì)性研究。

為探索絕緣子污穢放電聲發(fā)射信號(hào)變化發(fā)展的影響因素，本文從絕緣子染污成分和污穢度2個(gè)角度出發(fā)，在人工霧室內(nèi)開展不同污穢和不同污穢度下的絕緣子帶電聲發(fā)射試驗(yàn)研究，同步采集放電過程中的聲發(fā)射信號(hào)典型特征量。分析聲發(fā)射信號(hào)特征量隨污穢成分和污穢度的變化規(guī)律。以此為基礎(chǔ)建立絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度的廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(general regression neural network，GRNN)預(yù)測(cè)模型，并對(duì)不同染污條件下模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試品與試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)分別選取LXY4-160玻璃絕緣子作為試品。玻璃絕緣子均采用三片串，絕緣子基本結(jié)構(gòu)為：高度H為146 mm；盤徑D為280 mm；爬電距離L為400 mm，其外形如圖1所示。

圖1 玻璃絕緣子試品外觀

試驗(yàn)在多功能人工氣候內(nèi)進(jìn)行，其配套有1.5 t低壓鍋爐提供蒸汽霧。試驗(yàn)工頻電源由150 kV/900 kV·A交流試驗(yàn)變壓器提供，最大短路電流為30 A。對(duì)試品外施的試驗(yàn)電壓值通過ZXYF型電容式分壓器測(cè)量，其分壓比為1∶10 000。為模擬絕緣子在污穢濕潤條件的放電過程，使用的電氣接線如圖2所示。試驗(yàn)傳感器采用小體積、高靈敏的壓電式聲傳感器，采集得到的聲發(fā)射信號(hào)通過放大、濾波等后續(xù)處理后輸入計(jì)算機(jī)保存。

圖2 多功能人工氣候室試驗(yàn)接線圖

1.2 試驗(yàn)程序及方法

1)準(zhǔn)備工作。先將事先準(zhǔn)備好的玻璃絕緣子反復(fù)清洗干凈，保證絕緣子上下表面足夠清潔。之后讓其在實(shí)驗(yàn)室自然環(huán)境條件下陰干1 h，以備染污。

2)人工染污。使用IEC 60507推薦的固體層法(定量涂刷法)對(duì)絕緣子進(jìn)行染污[13]，其中可溶物用NaCl、CaSO4進(jìn)行模擬，不溶物用硅藻土和高嶺土進(jìn)行模擬。采取固定灰密(non soluble deposite dentisty，NSDD)ρNSDD或固定可溶污穢附著密度(soluble contamination density，SCD)ρSCD的污穢配制方法，分別制定3種污穢度，設(shè)定為低、中、高SCD和低、中、高NSDD，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 絕緣子污穢度

3)加壓方法。控制好蒸汽霧的速率為(0.05±0.01)kg/(h·m3)，并通過霧室底部周圍均勻布置的多個(gè)放氣孔均勻放出。當(dāng)試品絕緣子表面污穢層充分濕潤約1 min后，采用均勻升壓法以一定的速率升高電壓直至閃絡(luò)，得到該污穢度下絕緣子的閃絡(luò)電壓。

換相同污穢度的另一串試品，按所得閃絡(luò)電壓10%～20%的速度升壓，當(dāng)達(dá)到需要的電壓值(如20、30、40 kV)時(shí)停止加壓并耐壓1 min，然后繼續(xù)升壓，每一種污穢度按照此方式升壓至試品閃絡(luò)，得到各階段放電的聲發(fā)射信號(hào)波形。為保證結(jié)果的有效性，每串絕緣子限做3個(gè)電壓梯度。

對(duì)同種絕緣子的每種污穢度做3次試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域波形特征

聲發(fā)射信號(hào)的幅值、頻率變化可以間接反映絕緣子表面污穢放電的強(qiáng)弱。本文試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)外施電壓逐步接近其污閃電壓Uf時(shí)，絕緣子聲發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)出三階段式的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 不同危險(xiǎn)度等級(jí)下玻璃絕緣子聲發(fā)射信號(hào)波形

階段1：當(dāng)電壓較小(0～0.4Uf)時(shí)，絕緣子表面泄漏電流很小，幾乎監(jiān)測(cè)不到聲波信號(hào)；

階段2：繼續(xù)升高電壓(0.4Uf～0.6Uf)，絕緣子表面開始出現(xiàn)間歇性的電弧和局部放電，此時(shí)聲波信號(hào)幅值也隨著電弧的產(chǎn)生而增大；

階段3：當(dāng)外施電壓接近試品污閃電壓(0.6Uf～Uf)時(shí)，電弧產(chǎn)生頻率大大增加，間歇時(shí)間縮短，最后直至閃絡(luò)，對(duì)應(yīng)聲波信號(hào)幅值和頻率也顯著提高。

定義污穢絕緣子外施電壓與污閃電壓的比值為絕緣子接近閃絡(luò)的危險(xiǎn)度系數(shù)α，其表達(dá)式為：

(1)

式中：Ua、Uf分別表示絕緣子外施電壓和污閃電壓，kV。

按照聲發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)出三階段特征，將其絕緣子外絕緣狀況分為三級(jí)危險(xiǎn)度，如表2所示。

表2 絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度分級(jí)

2.2 聲發(fā)射信號(hào)有效特征量與SCD的關(guān)系

聲發(fā)射信號(hào)的有效特征量很多，包括最大幅值、幅值平均值、均方根值、最大工頻半周包絡(luò)線面積、最小工頻半周包絡(luò)線面積、工頻半周包絡(luò)線面積平均值、平均振鈴次數(shù)、平均事件數(shù)等[14-17]。

為研究絕緣子表面的污穢成分對(duì)放電聲信號(hào)變化的影響，本文選取聲信號(hào)幅值平均值A(chǔ)avg和工頻半周包絡(luò)線面積最大值Smax這2個(gè)典型特征量進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)在不同SCD數(shù)值的NaCl和CaSO4條件下玻璃絕緣子的聲發(fā)射特征量數(shù)值，如表3所示，繪制特征量平均振幅、最大工頻半周期包絡(luò)線面積隨著SCD的變化曲線，如圖4、5所示。

表3 不同SCD條件下LXY4-160絕緣子聲發(fā)射特征量統(tǒng)計(jì)

圖4 絕緣子污穢放電聲信號(hào)平均振幅與SCD的關(guān)系

結(jié)合表3和圖4、5可得：

1)隨著絕緣子表面SCD的增加，不同危險(xiǎn)度下的污穢放電聲發(fā)射信號(hào)的平均振幅Aavg和最大半周期包絡(luò)線面積Smax都有所增長。危險(xiǎn)度等級(jí)越高，SCD對(duì)特征量Aavg和Smax的影響越為明顯。一級(jí)危險(xiǎn)度條件下，特征量Aavg在低、中、高SCD下的值分別是0.008 7、0.009 3、0.022 1 V/s，最大相差0.013 V/s。三級(jí)危險(xiǎn)度下，特征量Aavg在高、低SCD下的值相差0.074 V/s，相對(duì)于一級(jí)危險(xiǎn)度大幅度提高。

2)在同等SCD、相同危險(xiǎn)度等級(jí)條件下，使用不同種類的鹽染污得到的絕緣子聲發(fā)射信號(hào)特征量變化規(guī)律差異較大。本文中使用NaCl得到的特征量Aavg值明顯大于CaSO4。二級(jí)危險(xiǎn)度下，高、中、低3種SCD下的特征量Aavg值分別相差71%、50%、65%。這是由于絕緣子在飽和濕潤條件下，NaCl易溶于水形成離子，使得污穢電導(dǎo)率增加，放電強(qiáng)度提高，聲發(fā)射信號(hào)隨之增強(qiáng)。CaSO4微溶于水，相同濕潤條件下污穢放電聲發(fā)射信號(hào)較弱。這種現(xiàn)象隨著絕緣子危險(xiǎn)度等級(jí)的提高而更加明顯。

3)使用CaSO4模擬不溶物質(zhì)時(shí)，特征量最大半周期包絡(luò)線面積Smax隨著SCD的增加具有一定的飽和特性。如圖5所示，在二、三級(jí)危險(xiǎn)度條件下，當(dāng)SCD>0.15 mg/cm2，特征量Smax增長的趨勢(shì)明顯放緩。原因也可歸于CaSO4微溶于水的特性，對(duì)應(yīng)地，放電產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)幅值和頻率的增長速率也在降低。

圖5 絕緣子污穢放電聲信號(hào)最大工頻半周期包絡(luò)線面積與SCD的關(guān)系

2.3 聲發(fā)射信號(hào)有效特征量與灰密的關(guān)系

大量研究表明：灰密是通過對(duì)水分的吸收和保持影響絕緣子表面的污層電導(dǎo)率，進(jìn)而影響污穢放電的強(qiáng)弱和污閃電壓的大小。為探索在灰密改變時(shí)，絕緣子聲發(fā)射信號(hào)典型特征量對(duì)污穢放電強(qiáng)度的反映情況，固定可溶物NaCl的可溶污穢附著密度為0.15 mg/cm2，改變不溶物硅藻土和高嶺土的等值密度。得到聲發(fā)射特征量Aavg和Smax的變化曲線如圖6、7所示。

圖6 絕緣子污穢放電聲信號(hào)平均振幅與灰密的關(guān)系

圖7 絕緣子污穢放電聲信號(hào)最大工頻半周期面積與灰密的關(guān)系

由圖6、7可知：

1)在同一危險(xiǎn)度下，使用硅藻土和高嶺土染污均出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)特征量Aavg、Smax隨著灰密的增大而緩慢增長，增長幅度都較小。這說明相對(duì)于SCD，灰密對(duì)聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度變化的影響較小。

2)不溶物的種類對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)特征量Aavg、Smax的影響顯著。在相同危險(xiǎn)度、相同等值灰密條件下，高嶺土得到的特征值大于硅藻土，且危險(xiǎn)度等級(jí)越高，2種不溶物染污得到的特征量值相差越大。

3 基于聲發(fā)射信號(hào)典型特征量的絕緣子外絕緣危險(xiǎn)狀況的預(yù)測(cè)模型

3.1 廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種，具有很強(qiáng)的非線性映射能力和柔性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及高度的容錯(cuò)性和魯棒性，適合于解決非線性回歸問題，被廣泛運(yùn)用于模式識(shí)別、故障診斷及趨勢(shì)預(yù)測(cè)等方面[18-21]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。因此，本文采用GRNN模型來預(yù)測(cè)不同污穢成分下絕緣子外絕緣的危險(xiǎn)度狀況。

圖8 廣義回歸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 污穢絕緣子絕緣危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)模型

1)訓(xùn)練樣本的選擇。

為了充分利用聲發(fā)射信號(hào)的特征信息，除上述2個(gè)典型特征量外，補(bǔ)充選取另外5個(gè)特征量：聲發(fā)射信號(hào)最大振幅Amax、振幅均方根值q、最小工頻半周包絡(luò)線面積Smin、工頻半周包絡(luò)線面積平均值Savg和平均振鈴次數(shù)N[9-10]。選取的玻璃絕緣子聲發(fā)射特征量總共為7個(gè)。聲發(fā)射信號(hào)具有隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，為了保證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，必須提高樣本數(shù)據(jù)量。在每種污穢度下收集80組數(shù)據(jù)，再從這80組數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取50組數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，選取玻璃絕緣子的危險(xiǎn)度系數(shù)α作為GRNN模型的輸出，剩余的30組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

2)GRNN模型的訓(xùn)練。

由于特征量之間在數(shù)值方面大小不一，為避免由于輸入輸出數(shù)值相差過大而影響預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度，在GRNN模型訓(xùn)練前先將所有輸入輸出量進(jìn)行歸一化處理。GRNN預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練過程大致如圖9所示。在訓(xùn)練過程中通過循環(huán)調(diào)試的方法調(diào)整光滑因子σ使每一個(gè)污穢度下的預(yù)測(cè)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖9 玻璃絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)GRNN模型流程

3.3 不同污穢成分GRNN預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度對(duì)比

不同污穢成分、不同污穢度下，玻璃絕緣子聲發(fā)射信號(hào)的特征量隨著絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度變化的規(guī)律不同，特征量的值相差也較大。將不同污穢成分和污穢度的特征量數(shù)據(jù)按照?qǐng)D9所示的GRNN預(yù)測(cè)流程進(jìn)行多次學(xué)習(xí)訓(xùn)練和驗(yàn)證，將多次預(yù)測(cè)的結(jié)果取平均值，得到如表4所示的預(yù)測(cè)結(jié)果。其中，ρdiatomite、ρNaCl、ρCaSO4分別表示硅藻土、NaCl、CaSO4在絕緣子表面的涂敷密度。準(zhǔn)確數(shù)據(jù)一欄表示30組驗(yàn)證數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合的個(gè)數(shù)(預(yù)測(cè)得到的危險(xiǎn)度系數(shù)與實(shí)際危險(xiǎn)度等級(jí)對(duì)比)。

表4 不同污穢度玻璃絕緣子危險(xiǎn)度GRNN預(yù)測(cè)結(jié)果

使用NaCl和CaSO4的6種污穢度下預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度都可以達(dá)到60%以上，2種鹽染污都呈現(xiàn)出SCD越高，GRNN模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度越高，低SCD和高SCD的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度相差近20%。這與玻璃絕緣子聲發(fā)射典型特征量Aavg、Smax等隨SCD的變化規(guī)律相吻合，低SCD條件下，不同危險(xiǎn)度等級(jí)得到的聲發(fā)射信號(hào)特征量值相差不大，且隨機(jī)性較強(qiáng)，導(dǎo)致GRNN模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度低。SCD越高，絕緣子聲發(fā)射信號(hào)隨危險(xiǎn)度變化的線性度提高，從聲發(fā)射信號(hào)中提取特征量的隨機(jī)性降低，GRNN的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度增大。

使用不同可溶物染污得到的預(yù)測(cè)結(jié)果也不同，由于CaSO4的微溶性，絕緣子聲發(fā)射信號(hào)特征量值對(duì)污穢放電的反映靈敏度不如NaCl。相同SCD下，NaCl染污得到的GRNN預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度要大于CaSO4。玻璃絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比如圖10所示，在高SCD下，玻璃絕緣子危險(xiǎn)度系數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)基本吻合，30組數(shù)據(jù)中有28組預(yù)測(cè)成功，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度達(dá)到93.3%。

圖10 玻璃絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果對(duì)比(ρNaCl=0.25 mg/cm2)

4 結(jié) 論

1)玻璃絕緣子污穢放電聲發(fā)射信號(hào)典型特征量振幅平均值A(chǔ)avg和最大工頻半周包絡(luò)線面積Smax能較好地反映出絕緣子表面的可溶物污穢度和外絕緣危險(xiǎn)度；相同危險(xiǎn)度等級(jí)下，特征量值隨著SCD的增大而遞增；相同SCD下，危險(xiǎn)度等級(jí)越高，特征量值越大。

2)玻璃絕緣子污穢放電聲發(fā)射特征量值A(chǔ)avg和Smax對(duì)不溶物污穢度的反映靈敏度較差，低灰密和高灰密下特征量值相差較小，但使用不同種類的不溶物染污時(shí)，Aavg和Smax變化明顯。

3)針對(duì)玻璃絕緣子污穢放電聲發(fā)射現(xiàn)象，本文建立了基于GRNN的絕緣子放電危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)模型，模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度在60%以上。使用不同SCD的NaCl和CaSO4進(jìn)行染污，得到的平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度分別是83%和71%。

4)本文絕緣子外絕緣危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度受到SCD的影響，SCD越大，污穢放電聲發(fā)射特征量的隨機(jī)性越小，危險(xiǎn)度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度越高。且相同SCD條件下，不同種類的可溶物因?yàn)槿芙馓匦浴?dǎo)電特性的差異，得到預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度也不同。