高壓開關(guān)柜局部放電故障缺陷診斷技術(shù)分析

劉嘉欣，于 浩，莫中岳

(國網(wǎng)遼寧省電力公司阜新供電公司，遼寧 阜新 123000)

高壓開關(guān)柜是指由高壓斷路器、負(fù)荷開關(guān)、高壓熔斷器、接觸器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、站用電變壓器以及控制、測(cè)量、保護(hù)、調(diào)節(jié)裝置和內(nèi)部連接件、輔件、外殼、支持件等組成的成套配電裝置，元器件內(nèi)部以空氣、復(fù)合絕緣材料或SF6氣體等絕緣物質(zhì)作為介質(zhì)，接收和分配電網(wǎng)的三相電能。在安裝使用過程中，由于開關(guān)設(shè)備內(nèi)元器件加工、裝配工藝不規(guī)范及現(xiàn)場安裝技術(shù)、外在因素等問題，開關(guān)設(shè)備帶電運(yùn)行過程中會(huì)形成不均勻電場，產(chǎn)生懸浮電位而發(fā)生局部放電現(xiàn)象?，F(xiàn)場運(yùn)行中，高壓開關(guān)設(shè)備外絕緣不良、現(xiàn)場維護(hù)不完善等都是產(chǎn)生放電現(xiàn)象的主要原因。高壓開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備發(fā)生局部放電會(huì)造成柜內(nèi)的相關(guān)絕緣材料受損且不可恢復(fù)，嚴(yán)重的多種局部放電會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生接地、短路等故障，因此需要對(duì)高壓開關(guān)柜設(shè)備及時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，排除存在的問題，以防發(fā)生大范圍停電等重大事故。

為了提高高壓開關(guān)柜運(yùn)行的安全可靠性,本文討論了多種局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)在高壓開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部放電缺陷診斷中的應(yīng)用，為開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部多種局部放電故障的檢測(cè)提供建議[1]。

1 針對(duì)局部放電的三維聲紋檢測(cè)技術(shù)

對(duì)高壓開關(guān)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè)是保證設(shè)備可靠運(yùn)行的重要技術(shù)手段。傳統(tǒng)的高壓開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)及方法還不夠成熟，加之現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、存在電暈放電及多種局部放電等干擾源，檢測(cè)結(jié)果精確度不高[2]。三維聲紋狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的聲紋信號(hào)在檢測(cè)過程中可以不受高電壓設(shè)備及強(qiáng)電磁場的影響，提高了檢測(cè)結(jié)果的精度[3]。針對(duì)局部放電的三維聲紋檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 針對(duì)局部放電的三維聲紋檢測(cè)流程示意圖

由圖1可知，采集的多個(gè)聲音流媒體經(jīng)小波處理后，再進(jìn)行傅里葉處理，將處理后的信息數(shù)據(jù)輸入到六階多項(xiàng)式深度迭代回歸節(jié)點(diǎn)模式的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊矩陣，或者聲音流媒體也可直接經(jīng)傅里葉變換后，輸入六階多項(xiàng)式深度迭代回歸節(jié)點(diǎn)模式的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊矩陣，形成的多列模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊輸出的多項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，經(jīng)二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)變換，即可得到該技術(shù)中所需多列預(yù)警結(jié)果[4]。

三維聲紋檢測(cè)技術(shù)需要對(duì)三維聲紋數(shù)據(jù)進(jìn)行多次計(jì)算變換，計(jì)算公式如下。

小波變換基函數(shù)為：

(1)

式中：X(a,b)為小波數(shù)據(jù)函數(shù)；a為數(shù)據(jù)尺度；b為數(shù)據(jù)移量；x(t)為函數(shù)時(shí)間；Ψ為基本小波；t為時(shí)間。尺度a控制小波函數(shù)的伸縮，尺度和頻率成反比。在進(jìn)行信息數(shù)據(jù)處理時(shí)，使用小波變換處理過的輕量化數(shù)據(jù)可以通過傅里葉變換形成反饋波形特征矩陣，從而為后續(xù)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供足夠豐富的待統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[5]。

傅里葉變換基函數(shù)為：

(2)

式中：f(ω)為傅里葉變換的輸出函數(shù)，ω為頻率變量的遍歷指針；T為時(shí)序序列的遍歷指針；A為探測(cè)精度修正變量；f(T)為傅里葉變換的輸入函數(shù)；i為虛數(shù)；e為自然常數(shù)。經(jīng)過傅里葉變換的反饋波形特征矩陣中包含了反饋波形中主要疊加波形的強(qiáng)度，可以用于高壓開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部放電缺陷的綜合診斷與分析[6]。

基于六階多項(xiàng)式深度迭代回歸節(jié)點(diǎn)模式的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基函數(shù)y為：

(3)

二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基函數(shù)Y為：

(4)

式中：B，C為待回歸函數(shù)；e為自然常數(shù)，此處取近似值2.718 281 828。多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)據(jù)在[0,1]區(qū)間內(nèi)，這些數(shù)據(jù)缺少分布規(guī)律，因此需要進(jìn)行二值化處理，二值化函數(shù)的基函數(shù)可針對(duì)每套方案設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，形成二值化多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊[8]。

2 針對(duì)局部放電的三維紫外建模技術(shù)

針對(duì)局部放電的三維紫外建模流程如圖2所示。

圖2 針對(duì)局部放電的三維紫外建模流程

Smart3D是一款全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)，它可以幫助用戶快速輸入圖像數(shù)據(jù)，100億像素圖像數(shù)據(jù)也可輸入應(yīng)用，借助于高分辨率Smart3D模型及真實(shí)鏡頭TDOM、數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)DSM可以實(shí)現(xiàn)圖像迅速輸入，使用中可以輕松顯示柵格圖層；LOD(levels of detail，多細(xì)節(jié)層次)技術(shù)根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)位置和重要程度決定物體在渲染時(shí)的資源分配，降低物體非重要的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而進(jìn)行高效率的渲染運(yùn)算。局部放電的三維紫外建模技術(shù)，能夠針對(duì)光攝像頭采集的信息數(shù)據(jù)，通過Smart3D系統(tǒng)模塊輸入LOD后，實(shí)施多層次分析，完成電弧模型構(gòu)建[9-11]。

構(gòu)建電弧模型后，使用空間卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模型判讀，電弧模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘基函數(shù)Z為：

(5)

針對(duì)局部放電檢測(cè)技術(shù)的三維建模應(yīng)用中，經(jīng)過空間卷積后的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過六階多項(xiàng)式深度迭代回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充分卷積，然后使用多列二值化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出預(yù)警結(jié)果[12-13]。

3 診斷敏感度與特異度統(tǒng)計(jì)

在MATLAB下加載Simulink組件構(gòu)建仿真系統(tǒng)，根據(jù)局部放電三維聲紋檢測(cè)技術(shù)計(jì)算流程在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行模擬應(yīng)用，以阜新供電公司36臺(tái)高壓開關(guān)柜2020年及2021年全年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，以記錄的開關(guān)報(bào)警、預(yù)警信息作為參照組(開關(guān)自帶軟件組)，以仿真軟件給出的報(bào)警、預(yù)警信息為觀察組(局部放電的三維聲紋檢測(cè)技術(shù)計(jì)算流程仿真軟件組)，相關(guān)的檢測(cè)敏感度統(tǒng)計(jì)比較信息見表1，相關(guān)的檢測(cè)特異度比較信息見表2。檢測(cè)過程中輸入值分別為小于0.3 V、0.3～0.5 V、0.5～0.8 V和大于0.8 V。在數(shù)據(jù)對(duì)比中采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS21.0實(shí)施數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料實(shí)施t檢驗(yàn)，兩組相比較，t<10.000，P<0.050。說明數(shù)據(jù)對(duì)比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[14-16]。

表1 檢測(cè)敏感度統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，觀察組在輸入值小于0.3 V、0.3～ 0.5 V、0.5～0.8 V和大于0.8 V的情況下，爬電、非擊穿放電、擊穿放電的敏感度均優(yōu)于參照組。

由表2可看出，參照組的爬電、非擊穿放電、擊穿放電的特異度和觀察組相比較低。兩組相比較，t<10.000，P<0.050，均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[16-18]。

表2 檢測(cè)特異度統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)束語

本文在針對(duì)高壓開關(guān)柜設(shè)備內(nèi)部放電缺陷的綜合診斷與分析中，運(yùn)用局部放電的三維聲紋檢測(cè)技術(shù)、局部放電的三維紫外技術(shù)等多種局部放電帶電檢測(cè)技術(shù)完成模型構(gòu)建，并針對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)融合與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)多種局部放電檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)敏感度與特異度均優(yōu)于自帶軟件高壓開關(guān)柜檢測(cè)結(jié)果，說明運(yùn)用多種局部放電檢測(cè)技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)開關(guān)柜內(nèi)局部放電情況，有助于及時(shí)排除設(shè)備缺陷，對(duì)提高供電可靠性具有重要意義[19-20]。