基于多傳感器的1000kv 氣體絕緣組合電器局部放電在線檢測(cè)技術(shù)

馬延柯 程偉然

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000）

局部放電是氣體絕緣組合電器的一類常見(jiàn)故障，根據(jù)故障原因的不同，又可分為電暈放電、自由微粒放電等若干種類型。局部放電故障除了會(huì)造成設(shè)備自身的損壞，還有可能影響到整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，因此做好局部放電的在線檢測(cè)與故障類型的準(zhǔn)確識(shí)別尤為重要。傳統(tǒng)的1000kV氣體絕緣組合電器局部放電檢測(cè)還是以單一類型的傳感器為核心，由于采集到的信息具有局限性，因此檢測(cè)結(jié)果的精確性并不高，漏報(bào)、誤報(bào)的情況時(shí)有發(fā)生。在這一背景下，探究基于多傳感器信息融合的局部放電在線檢測(cè)技術(shù)，對(duì)確保1000kV 氣體絕緣組合電器的可靠運(yùn)行有積極幫助。

1 氣體絕緣組合電器（GIS）局部放電檢測(cè)技術(shù)

1.1 超聲波局部放電檢測(cè)

組合電器在出現(xiàn)局部放電故障時(shí)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生縱波、橫波、表面波等不同形式的聲波。利用超聲波傳感器采集聲波信號(hào)，然后由工控機(jī)進(jìn)行分析，即可檢測(cè)到組合電器的局部放電故障?；诔暡ǖ木植糠烹娫诰€檢測(cè)流程如圖1 所示。

圖1 超聲波在線檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

在技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)超聲傳感器，將其放置在不同的位置。然后利用多個(gè)傳感器接收同一放電聲波的時(shí)間差異，對(duì)局部放電故障進(jìn)行空間定位。其中，超聲傳感器與放電源距離（S）之間的關(guān)系為：

式中t 表示局部放電處聲波傳導(dǎo)超聲傳感器的時(shí)間，單位為s；C 表示組合電器上橫波的傳播速度，單位為m/s。這樣就可以根據(jù)多個(gè)超聲傳感器分別計(jì)算得到S1、S2…Sn，綜合分析判斷故障點(diǎn)位。

1.2 超高頻局部放電檢測(cè)

當(dāng)氣體絕緣組合電器出現(xiàn)局部放電故障時(shí)，在故障部位會(huì)出現(xiàn)明顯的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并形成毫秒級(jí)的電流脈沖以及多種頻率的電磁信號(hào)。利用超高頻法可以檢測(cè)到100-5000MHz 頻段的電磁信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的在線檢測(cè)。該檢測(cè)技術(shù)中有以下幾個(gè)核心指標(biāo)：第一是駐波比（VSWR），用于表示天線與饋線的匹配情況，計(jì)算方法為：

上式中 Γ表示反射系數(shù)，用于衡量反射損耗的大小，與天線的總阻抗有關(guān)。駐波比越大，表明天線與饋線的匹配越好，超高頻傳感器對(duì)外界電磁干擾的屏蔽效果越高，從而使檢測(cè)結(jié)果越精確。第二是增益，天線增益越強(qiáng)，檢測(cè)范圍越大，其計(jì)算公式如下：

式（3）中Pt 和Pr 分別表示天線的發(fā)射與接收功率，L1和L2分別表示發(fā)射端與接收端的損耗，L0為波長(zhǎng)。

1.3 基于多傳感器信息融合的局部放電在線檢測(cè)

單一使用超聲波傳感器或超高頻傳感器進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，具有容易受到電氣或電磁干擾、檢測(cè)結(jié)果精確性不高等缺陷，特別是對(duì)于局部間歇性放電經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別的情況。多傳感器信息融合是使用多種類型、兩個(gè)及以上的傳感器，并將每1 臺(tái)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并、分析，能夠自動(dòng)修正數(shù)據(jù)誤差、提高檢測(cè)精度的一種技術(shù)。其信息融合流程為：首先將前端傳感器采集到的模擬信號(hào)（如振動(dòng)、溫度等）加以轉(zhuǎn)換，得到對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)做降噪、放大等預(yù)處理，最后將處理完畢的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)完成信息融合與特征提取，得到最終的局部放電故障檢測(cè)結(jié)果。

2 1000kV 氣體絕緣組合電器局部放電檢測(cè)模型試驗(yàn)

2.1 局部放電模擬試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

某特高壓變電站1000kV 氣體絕緣組合電器的局部放電在線監(jiān)測(cè)裝置存在誤報(bào)、漏報(bào)情況，為查明其原因搭建了氣體絕緣組合電器高壓試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)的核心設(shè)備包括局放儀、示波器、UHF 放大器、UHF 檢測(cè)分析儀、調(diào)壓器、限流濾波阻抗等，結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)

2.2 氣體絕緣組合電器局部放電故障缺陷模型

在構(gòu)建的氣體絕緣組合電器模型中，人為設(shè)置4 種常見(jiàn)的絕緣缺陷，具體如下：第一種是在導(dǎo)電桿上纏繞數(shù)圈細(xì)銅絲，模擬金屬尖端突出物缺陷；第二種是剪下一段長(zhǎng)度5cm 左右的透明膠帶，粘上一條直徑為0.3mm、長(zhǎng)度為2cm 的銅絲，然后將透明膠帶粘在絕緣子表面，用于模擬附著物缺陷；第三種是選擇一個(gè)環(huán)氧樹脂絕緣板，使用電鉆從一端鉆孔，孔深約為6-8cm，再用樹脂膠將孔口堵住，使內(nèi)部中空，模擬絕緣子氣隙缺陷；第四種是在氣體絕緣組合電器內(nèi)殼表面放置2mm×2mm的若干薄鋁片，模擬微粒缺陷。

2.3 氣體絕緣組合電器局部放電缺陷的特性分析

將人為設(shè)置了不同缺陷的氣體絕緣組合電器模型放入到上文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)中。首先對(duì)該模型做清潔處理，并抽取空氣使之真空。然后用氮?dú)馇逑?，并沖入0.5MPa 的SF6氣體。靜置約30min 后，利用升壓器提高試驗(yàn)電壓，并密切觀察此時(shí)示波器中的信號(hào)及波形。

在超聲波檢測(cè)法中，絕緣子氣隙缺陷灰度圖中，在相位的正半周與負(fù)半周上均表現(xiàn)出放電現(xiàn)象。絕緣子附著污染物缺陷灰度圖中，放電特點(diǎn)不明顯。自由金屬微粒灰度圖中，放電次數(shù)明顯集中，并且正半周和負(fù)半周均發(fā)現(xiàn)了放電現(xiàn)象。金屬突出物缺陷灰度圖中，負(fù)半周的120-180°放電明顯。

在超高頻檢測(cè)法中，絕緣子氣隙缺陷的工頻相位上，正半周和負(fù)半周均出現(xiàn)了少量放電現(xiàn)象，并且隨著電壓的升高，放電次數(shù)也有增加的趨勢(shì)。絕緣子表面附著物缺陷上，只在負(fù)半周附近有少量放電現(xiàn)象。金屬物突出缺陷方面，放電現(xiàn)象集中在工頻正負(fù)半周的峰值處。自由金屬微粒缺陷方面，工頻周期內(nèi)放電次數(shù)無(wú)明顯規(guī)律。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為該1000kV 氣體絕緣組合電器局部放電檢測(cè)裝置誤報(bào)、漏報(bào)的原因?yàn)椋海?）超高頻檢測(cè)方法下，由于絕緣子氣隙和表面附著物缺陷的圖譜特征具有極高的相似性，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)容易出現(xiàn)混淆、誤判的情況。（2）在超聲波檢測(cè)方法中，故障氣室內(nèi)有明顯的放電現(xiàn)象，并且放電較為強(qiáng)烈，對(duì)聲波傳播造成了干擾，導(dǎo)致局部放電檢測(cè)時(shí)容易出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的情況。

3 多傳感信息融合檢測(cè)系統(tǒng)的局部放電定位

3.1 選擇符合系統(tǒng)需求的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

氣體絕緣組合電器局部放電在線檢測(cè)分為兩個(gè)基本步驟：第一是運(yùn)用TDOA 定位算法，確定出局部放電故障的大體發(fā)生位置；然后再運(yùn)用DS 證據(jù)理論決策級(jí)融合；第二是將初步檢測(cè)結(jié)果與SF6氣體分解物組分檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行二級(jí)融合，最終實(shí)現(xiàn)故障的精確定位。在局部放電故障定位時(shí)，選擇合適的數(shù)學(xué)模型對(duì)提高定位結(jié)果的精度和故障識(shí)別的速率有直接影響。本文選擇BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為3 層：

輸入層有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，表示3 個(gè)超聲波傳感器與超高頻傳感器接收局部放電信號(hào)時(shí)的時(shí)間差。

隱含層共有18 個(gè)節(jié)點(diǎn)，神經(jīng)元函數(shù)選擇雙極性S 型函數(shù)，其公式為：

輸出層共有3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，為最終定位目標(biāo)的空間坐標(biāo)。

3.2 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型

對(duì)選定的基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局部放電定位模型進(jìn)行樣本訓(xùn)練，通過(guò)深度學(xué)習(xí)提高其檢測(cè)結(jié)果的精確性，該模型的訓(xùn)練流程如圖3 所示。

圖3 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型的算法流程

本文選擇Matlab7.3 中自帶的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行定位仿真。首先確定訓(xùn)練函數(shù)，該函數(shù)可從Matlab7.3 軟件的函數(shù)庫(kù)中選擇，函數(shù)名為traingdx，格式為：

[net,TR，AC,E1] =traingdx (net,Pd,T1,Ai,Q,TS,VV,TV)

inf 0=traingdx(code)

隨機(jī)選出50 組數(shù)據(jù)作為樣本，用于該模型的訓(xùn)練。為提高定位仿真結(jié)果的精度，對(duì)每一組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行3 次仿真，然后以仿真次數(shù)做x 軸、以誤差值做y 軸，繪制訓(xùn)練誤差變化曲線。如果該曲線最后的誤差穩(wěn)定在10-3以下，即精度達(dá)到0.001，說(shuō)明定位仿真精度滿足要求。

3.3 基于DS 證據(jù)理論決策級(jí)融合的局部放電定位

為驗(yàn)證DS 證據(jù)理論在局部放電檢測(cè)中的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：構(gòu)建一個(gè)有4 個(gè)氣室的1000kV 氣體絕緣組合電器模型，并在第2 個(gè)氣室中放置1 塊金屬，使其成為故障氣室。構(gòu)建故障氣室位置識(shí)別框架，以集合形式表示：

上式中，Y1～Y4依次為4 個(gè)氣室，而λ 表示不確定性。對(duì)該模型分別使用超聲波法、超高頻法、SF6氣體分解物組分檢測(cè)法，以及DS 融合法進(jìn)行檢測(cè)，所得結(jié)果如表1所示。

結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，單一使用超聲波、超高頻和氣體分解物組分檢測(cè)法，對(duì)1000kV 氣體絕緣組合電器局部放電故障檢測(cè)結(jié)果的不確定性較高，可信度偏低；相比之下，基于DS 融合的局部放電檢測(cè)結(jié)果不確定性較低，可信度較好。

表1 3 種單一方法及融合方法的檢測(cè)結(jié)果可信度分配表

4 多傳感器信息融合檢測(cè)系統(tǒng)局部放電故障類型識(shí)別

通過(guò)上文分析可知，基于多傳感器的1000kV 氣體絕緣組合電器局部放電檢測(cè)中，運(yùn)用D-S 證據(jù)理論決策級(jí)融合方法，相比于常規(guī)的超聲波、超高頻等方法，檢測(cè)結(jié)果的可信度更高。從氣體絕緣組合電器的運(yùn)行管理角度來(lái)看，除了要做到局部放電故障的在線監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)對(duì)故障類型進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，從而為設(shè)備維修人員制定應(yīng)急預(yù)案、確定維修策略提供必要的依據(jù)?；贒S 證據(jù)理論的決策級(jí)識(shí)別，能夠?qū)植糠烹姽收系某Ｒ?jiàn)類型（如絕緣放電、電暈放電等）進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。為驗(yàn)證其識(shí)別精度，設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)：

建立1 個(gè)故障識(shí)別集合，該集合形式表示為：

上式中，Z1～Z4分別代表氣體絕緣組合電器局部放電的常見(jiàn)類型。同樣選擇4 種方法對(duì)4 種局部放電故障進(jìn)行檢測(cè)，并求出可信度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 3 種單一方法及DS 融合后的檢測(cè)結(jié)果可信度分配表

結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，超聲波法、超高頻法以及氣體分解物組分檢測(cè)法3 種單一方法對(duì)局部放電類型的識(shí)別不確定值較高，說(shuō)明識(shí)別精度較差。相比之下，基于DS融合的局部放電類型識(shí)別不確定值較低，說(shuō)明識(shí)別精度較高。另外，橫向?qū)Ρ? 種故障的檢測(cè)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)3種單一方法和DS 融合方法下Z3值明顯高于Z1、Z2和Z4，即4 種方法都認(rèn)為金屬突出物缺陷的概率較高，與最初設(shè)置的故障類型一致，說(shuō)明該故障識(shí)別方法切實(shí)可行。

結(jié)束語(yǔ)

為解決超聲波或超高頻等單一檢測(cè)方法在1000kV氣體絕緣組合電器局部放電檢測(cè)方面存在的不確定性高、結(jié)果精度差等問(wèn)題，本文提出了一種基于DS 證據(jù)理論的多傳感器信息融合檢測(cè)技術(shù)。以BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為核心，將超聲波、超高頻、SF6氣體分解物組分三種傳感器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行決策級(jí)融合。從試驗(yàn)效果來(lái)看，這種基于多傳感器信息融合的在線檢測(cè)技術(shù)，能夠使組合電器局部放電檢測(cè)結(jié)果精度得到顯著提升，并且能準(zhǔn)確判斷局部放電故障的具體類型，對(duì)1000kV 氣體絕緣組合電器的日常檢測(cè)與檢修維護(hù)提供了必要的參考。