電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)研究

張政訓(xùn)

（國(guó)網(wǎng)淳安縣供電公司，浙江 杭州 311700）

0 引言

近些年來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各行業(yè)在所屬領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展也越來(lái)越快，電氣系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)更是如此[1]。電氣系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使其作用不斷突顯，對(duì)電氣系統(tǒng)的絕緣故障進(jìn)行診斷對(duì)電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義，由此電氣系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)研究應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者就已經(jīng)開始開發(fā)電氣系統(tǒng)的絕緣裝置，至今已取得了質(zhì)的飛躍[2]。雖然目前國(guó)內(nèi)在電氣系統(tǒng)絕緣檢測(cè)的研究中積累了大量的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是與大多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在很大差距。

王滌等人[3]根據(jù)概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理，針對(duì)電氣系統(tǒng)的局部放電現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種絕緣故障融合診斷方法，通過(guò)故障特征提取和故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理，利用概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)絕緣故障數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練處理，在融合證據(jù)理論的基礎(chǔ)上，模擬故障放電現(xiàn)象，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在故障識(shí)別測(cè)試中該方法速度比傳統(tǒng)方法快。嚴(yán)浩等人[4]基于開關(guān)振蕩理論，以多頻率特征的逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，提出一種故障診斷方法，引入電壓傳感器和電流傳感器，提取出故障信號(hào)的特征，結(jié)合濾波器的工作原理，對(duì)絕緣故障信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)計(jì)算驅(qū)動(dòng)電機(jī)在單個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的電流幅值均值，得到故障診斷結(jié)果，結(jié)果顯示，當(dāng)絕緣故障嚴(yán)重時(shí)，該方法可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的絕緣故障進(jìn)行有效診斷。

基于以上研究背景，本文針對(duì)電氣系統(tǒng)的絕緣故障，提出一種診斷方法，從而保證電氣系統(tǒng)在運(yùn)行中的穩(wěn)定性和安全性。

1 電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征參數(shù)

在提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)特征參數(shù)的過(guò)程中，引入小波包分解技術(shù)，對(duì)絕緣故障信號(hào)的頻帶進(jìn)行劃分，根據(jù)絕緣故障信號(hào)的特征，選擇絕緣故障信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻帶。將小波包系數(shù)作為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征[5]，利用小波分解將電氣系統(tǒng)原始絕緣信號(hào)分解成w層，重構(gòu)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征矩陣，表示為：

式中：m和s為小波包系數(shù)；ψ為電氣系統(tǒng)原始絕緣信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)；?為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。

假設(shè)W是m×s階矩陣，在絕緣故障信號(hào)的奇異值分解過(guò)程中，存在正交矩陣P和Q，當(dāng)W=PVQT時(shí)，，其中，為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征向量。按照從上到下的順序?qū)仃嘩的奇異值進(jìn)行排序，使不等于0的奇異值構(gòu)成電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征向量，表示為：

根據(jù)小波分解中奇異值的性質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，電氣系統(tǒng)中絕緣故障信號(hào)特征向量可以表征出小波系數(shù)的矩陣

引入小波包分解技術(shù)，劃分電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的頻帶，通過(guò)重構(gòu)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征矩陣，得到電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征向量，進(jìn)而提取出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征參數(shù)。

1.2 分析電氣系統(tǒng)絕緣故障信息

電氣系統(tǒng)絕緣故障中，如果將故障的回路電流定義為I，在脈沖磁場(chǎng)下的磁勢(shì)為S，故障信號(hào)的基波分量會(huì)影響電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在忽略電氣系統(tǒng)高次諧波的前提下，得到電氣系統(tǒng)的脈振磁勢(shì)表達(dá)式：

式中：f為電氣系統(tǒng)中電流的基波頻率；T為電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間；?為電氣系統(tǒng)中設(shè)備的極對(duì)數(shù)；β為電氣系統(tǒng)的機(jī)械角度。

當(dāng)電氣系統(tǒng)中絕緣裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)，氣隙磁密B與磁勢(shì)S和磁導(dǎo)U0的乘積為正比關(guān)系，絕緣設(shè)備的安裝會(huì)導(dǎo)致電氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，從而影響電氣系統(tǒng)絕緣裝置的氣隙磁導(dǎo)[7]，經(jīng)過(guò)一系列變化之后，電氣系統(tǒng)絕緣裝置的磁導(dǎo)為：

式中：fr為電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率；Ug和Ue為電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備磁導(dǎo)的分量，正常情況下，Ug＞Ue。

電氣系統(tǒng)絕緣設(shè)備的磁力與B2為正比關(guān)系，那么電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備的磁力可以通過(guò)下式計(jì)算，即：

式中：ξ和γ為比例系數(shù)。

將公式（6）和（7）代入到公式（8）中，計(jì)算出絕緣設(shè)備故障信號(hào)的最大諧波分量，絕緣設(shè)備的電磁力波可以促使轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)程中，頻率和絕緣設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率存在一定關(guān)系，振動(dòng)信號(hào)能夠反映出電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備故障的諧波分量。

利用電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備的電流基波頻率和極對(duì)數(shù)，計(jì)算絕緣設(shè)備的脈振磁勢(shì)，考慮到絕緣設(shè)備的安裝會(huì)影響電氣系統(tǒng)絕緣裝置的氣隙磁導(dǎo)，通過(guò)計(jì)算電氣特征[6]，利用該特征反映出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特性，根據(jù)絕緣故障信號(hào)的特征向量，提取出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征參數(shù)，表示為：系統(tǒng)絕緣設(shè)備的磁力，來(lái)完成對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障信息的分析。

1.3 設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷算法

以電氣系統(tǒng)絕緣故障信息的分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行20 min內(nèi)的穩(wěn)定性提出要求，此時(shí)需要滿足如下條件：

式中：U*為電氣系統(tǒng)的電源電壓；ΔUEG為電氣系統(tǒng)的電壓誤差；UEG為電氣系統(tǒng)的電壓。

電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備的電壓波紋系數(shù)可以判斷電源是否穩(wěn)定運(yùn)行，那么電壓波紋含量φ的計(jì)算公式為：

式中：ΔUe為電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備電壓的最大波動(dòng)分量。

電壓波紋含量會(huì)影響電氣設(shè)備絕緣體的極化[8]，因此電壓波紋系數(shù)需要滿足如下條件：

假設(shè)電氣系統(tǒng)的電源回路電阻可以等效為R*，分布式電容為C*，那么電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備的電容充電時(shí)間常數(shù)為：

在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中，對(duì)兆歐表的容量進(jìn)行定量的指標(biāo)就是電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備A到Z端短路時(shí)的輸出電流，表示為：

I'的數(shù)值越大，說(shuō)明兆歐表對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷性能越好。當(dāng)I'=1 mA時(shí)，能夠滿足電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷要求。

綜上所述，根據(jù)電氣系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的約束條件，計(jì)算了電氣系統(tǒng)的電壓波紋含量，基于電氣設(shè)備的電容充電時(shí)間常數(shù)，引入兆歐表實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的可行性，在Linux系統(tǒng)下，搭建了絕緣故障診斷平臺(tái)，主要由電流互感器、絕緣故障信號(hào)采集裝置、信號(hào)處理器、PCI-1716/L多功能數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)組成，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 絕緣故障診斷平臺(tái)示意圖

圖1的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要在電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)采集絕緣故障信號(hào)，才能保證絕緣故障診斷的準(zhǔn)確性。

2.2 建立電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫(kù)

本文選用的絕緣故障樣本來(lái)自電氣系統(tǒng)中多條配電線路，利用信號(hào)采集裝置，一共采集38 579個(gè)絕緣信號(hào)，包括25 386個(gè)故障信號(hào)和13 193個(gè)正常信號(hào)。

根據(jù)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的采集結(jié)果，引入LabelImg技術(shù)對(duì)絕緣故障信號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，依據(jù)標(biāo)記結(jié)果，建立電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫(kù)。

按照7:3的比例，將電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫(kù)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集，利用labelimage labelme數(shù)據(jù)標(biāo)注工具對(duì)絕緣故障訓(xùn)練樣本進(jìn)行標(biāo)注，建立絕緣故障訓(xùn)練樣本集，一共包括15 386個(gè)絕緣故障信號(hào)，其余10 000個(gè)絕緣故障信號(hào)為測(cè)試樣本集。電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫(kù)的組成如表1所示。

表1 電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫(kù)的組成

2.3 設(shè)置評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了更好地驗(yàn)證文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的性能，引入召回率、準(zhǔn)確率指標(biāo)衡量電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷性能，計(jì)算公式為：

式中：TP為正確診斷的絕緣故障信號(hào)數(shù)量；FP為錯(cuò)誤診斷的絕緣故障信號(hào)數(shù)量；FN為遺漏的絕緣故障信號(hào)數(shù)量。

2.4 性能對(duì)比結(jié)果分析

為了突出文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的優(yōu)越性，引入基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)和基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)作對(duì)比，測(cè)試了電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率和準(zhǔn)確率，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率測(cè)試結(jié)果

圖3 電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果

從圖2的結(jié)果可以看出，隨著電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)數(shù)量的增加，三種技術(shù)對(duì)絕緣故障診斷的召回率減小，其中：

（1）采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)時(shí)，絕緣故障診斷召回率最低，在70%以下；

（2）采用基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)時(shí)，對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率在50%～80%，雖然高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)，但是無(wú)法滿足故障診斷要求；

（3）采用文中技術(shù)時(shí)，對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率是最高的，在85%以上，可以保證電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)圖3的結(jié)果可知：

（1）采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)時(shí)，由于概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法準(zhǔn)確提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號(hào)的特征參數(shù)，電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準(zhǔn)確率偏低，在60%～80%；

（2）采用基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)時(shí)，對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準(zhǔn)確率同樣在60%～80%，但是高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)；

（3）采用文中技術(shù)時(shí)，對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準(zhǔn)確率最高，在90%以上，較高的準(zhǔn)確率可以避免電氣系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)進(jìn)行了研究，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中具有更高的召回率和準(zhǔn)確率。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以引入激光探測(cè)技術(shù)，對(duì)電氣系統(tǒng)的絕緣故障進(jìn)行識(shí)別，為電氣系統(tǒng)的絕緣可靠性提供有力依據(jù)。