基于空間電場特征的復合絕緣子運行狀態(tài)識別方法研究

韓學春,宋恒東,陳 軒,馮欣欣

(國網(wǎng)江蘇超高壓公司,南京 211102)

0 引言

作為電力系統(tǒng)中使用最多的電氣設備之一,架空線路絕緣子[1-4]的運行狀況直接影響電網(wǎng)的安全運行[5]。在污染、雨、霧、濕等環(huán)境的影響下,其絕緣性能可能降低,可能引起表面閃絡,威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[6-8]。雖然具有憎水性表面的復合絕緣子提高了耐污閃性能,但隨著運行年限的增加,老化將影響其絕緣,進而發(fā)生嚴重沿面放電甚至閃絡。隨著特高壓電網(wǎng)的建設,如何防止污閃一直是輸配電設備絕緣研究的重點[9-10]。

為保證輸配電外絕緣的安全穩(wěn)定運行,國內(nèi)外相關科研機構對絕緣子的運行狀態(tài)監(jiān)測[11-12]開展了大量研究,并在污穢度預測[13-15]、污閃研究、局部放電監(jiān)測[16-18]、污閃預警等方面的運用中取得了很多成果[22-23]。目前工程實際中運用較多的絕緣子運行狀態(tài)監(jiān)測方法主要有:泄漏電流法、紫外脈沖法、紅外成像法、局部放電檢測法、聲發(fā)射檢測技術、圖像識別技術等。例如,文獻[24]選取泄漏電流有效值、波形、功率譜為特征量建立區(qū)段污閃預警。但該方法依舊存在一定不足,例如泄漏電流信號特征參量選擇、污穢度評估算法及其對應的預警閾值設定尚無統(tǒng)一的定論,且泄漏電流監(jiān)測使用傳感器需要接觸式安裝等。

一些學者提出了非接觸式電場檢測方法并進行了相關研究[25],研究表明此為一種有效的方法,但目前針對污穢絕緣子空間電場特性的研究多基于數(shù)值仿真計算的方法[26-30]。例如,文獻[26]以南方電網(wǎng)技術中心提供的±800 kV直流復合絕緣子樣品模型為例,建立了一系列三維電場計算模型。結果表明:當污物變濕時,復合絕緣子的電壓和電場分布特性嚴重畸變。文獻[30]通過有限元計算研究發(fā)現(xiàn)瓷絕緣子的電場最大值隨著污染電導率的增大而增大,使瓷絕緣子容易發(fā)生閃絡。因此,通過空間電場的在線監(jiān)測有望成為復合絕緣子污閃過程監(jiān)測與預警的有效手段[26,29],但現(xiàn)階段缺乏通過空間電場進行監(jiān)測的有效試驗成果。

為此,基于仿真和試驗的基礎上,提出空間電場的峰值、有效值和標準差,并結合溫度、相對濕度組成五個特征量作為運行狀態(tài)分類的特征量,建立一種基于空間電場特征的污穢絕緣子運行狀態(tài)識別方法。

1 污穢絕緣子空間電場信號采集試驗

1.1 試品

本試驗采用人工污穢試驗研究污穢絕緣子,染污方法選擇固體層污法,選擇FXBW-35/70復合絕緣子作為染污試品,試品的傘型結構如圖1所示。試品參數(shù)如表1所示。

表1 試品參數(shù)Table 1 Test sample parameters mm

圖1 試品Fig.1 Test sample

1.2 試驗原理及接線圖

圖2 試驗原理接線圖Fig.2 Test principle wiring diagram

復合絕緣子周圍空間中的電場強度通過D-dot傳感器進行測量;此外,通過1歐姆的無感采樣電阻增加泄漏電流測量用于與空間電場特征信號進行對比。

1.3 試驗方法及程序

選取恒壓升降法進行試驗,通過超聲波霧發(fā)生器對絕緣子傘裙表面的污穢層進行濕潤。將電壓均勻升至絕緣子的額定電壓(20.2 kV),控制相對濕度大于95%,霧室溫度在30 ℃～35 ℃。試驗整個過程通過FDR-AX700型高清攝像機進行拍攝,實時記錄樣品從干燥、濕潤到試品表面的電弧發(fā)展時的現(xiàn)象,同時記錄對應示波器的波形數(shù)據(jù)。如果耐壓40 min內(nèi)未發(fā)生閃絡,則測試停止。本試驗中,泄露電流、空間電場和高清攝像同步觸發(fā),通過采樣時間對比將三者試驗結果關聯(lián)。

2 污穢絕緣子空間電場時域特征分析

2.1 空間電場信號峰值特征

在試驗過程中,保持超聲波霧發(fā)生器和作用電壓的穩(wěn)定,空間電場信號通過示波器連續(xù)采樣記錄,圖3為空間電場信號全體圖。污閃過程中空間電場信號的監(jiān)測從開始加壓到耐壓40 min結束,整個過程大致分為3個區(qū)段,干燥區(qū)、濕潤區(qū)、局部電弧區(qū)。本試驗以35 kV復合絕緣子試品、鹽密為0.08 mg/cm2為例,每兩分鐘記錄一次空間電場信號直到試驗結束,在試驗耐壓的40 min內(nèi)電場信號變化情況如圖3所示。

圖3 空間電場信號全體圖Fig.3 Overall view of space electric field signal

圖4為空間電場信號局部圖?？蓪⑽坶W放電過程空間電場峰值變化分為3個區(qū)段:分別為干燥區(qū),濕潤區(qū),和局部電弧區(qū)。3區(qū)段的劃分對于深入研究空間電場分布特性及研究局部電弧、電弧放電等過程提供一定的借鑒。

圖4 空間電場信號局部放大圖Fig.4 Partial enlarged view of space electric field signal

在試驗加壓的前幾分鐘內(nèi),空間電場峰值數(shù)值很小且處于干燥區(qū),此時無放電發(fā)生(此時未打開霧化發(fā)生器);在進入濕潤區(qū)后,伴隨著污層的逐漸濕潤,能聽到微弱的電暈聲,濕潤區(qū)的空間電場信號峰值波動增大,其數(shù)值都大于10 mV(此時已打開霧化發(fā)生器,絕緣子傘裙表面已完全濕潤);在局部電弧區(qū)可以觀測到電弧時明時滅,此時空間電場信號峰值均大于50 mV,直至耐壓試驗結束(此時,傘裙表面已產(chǎn)生局部電弧)。

在3種不同鹽密試驗中(0.08 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.28 mg/cm23種鹽密狀態(tài)),其空間電場信號峰值的發(fā)展均明顯存在這3個區(qū)段,并且鹽密的僅僅影響3區(qū)段持續(xù)時間,不會導致區(qū)段類數(shù)的增加。即放電發(fā)展過程總是分為干燥區(qū)、濕潤區(qū)、局部放電區(qū),如圖4所示,其中,始終是局部電弧區(qū)持續(xù)時間較長。建立空間電場信號的特征參數(shù)與絕緣子表面鹽分密度,濕潤程度和放電程度之間的關系,并提出相應的污染閃絡預警措施才能有效地防止污閃。

2.2 空間電場波形特征

空間電場信號峰值變化可以劃分為3個區(qū)段。以鹽密0.08 mg/cm2為例,提取該鹽密下對應3區(qū)段的空間電場波形圖,如圖5所示。

由于河道疏浚后相關配套工作未能及時跟上，部分建筑物老化、破損，加上原設計標準低，阻水、束水現(xiàn)象突出，極大影響了河道整體引排水功能，影響了農(nóng)業(yè)增收、農(nóng)民增效。

圖5 鹽密為0.08 mg/cm2的試品污閃放電部分區(qū)段波形Fig.5 Partial section waveform of pollution flashover discharge of test sample with salt density of 0.08 mg/cm2

由圖5可知,(a)圖反映了干燥區(qū)空間電場信號波形的發(fā)展變化,(b)～(d)圖反映了濕潤區(qū)空間電場信號波形變化,(e)～(f)圖反映進入局部電弧區(qū)的波形片段。從圖5(a)中可以看出在干燥區(qū)內(nèi)峰值小于10 mV。當傘裙表面開始濕潤進入濕潤區(qū)時,有效值大小不一,此時有許多脈沖疊加。當隨試驗時間發(fā)展,波峰處尖峰更陡。進入局部電弧區(qū)后,其波形峰值明顯增大至50 mV以上,波形特征大致與濕潤區(qū)保持相似,但試驗過程伴有間斷的放電聲且出現(xiàn)零休現(xiàn)象。

所有不同鹽密在試驗過程中采樣記錄的空間電場信號波形均呈現(xiàn)圖5所示的波形特性,即明顯的區(qū)段特性。反復試驗結果表明,污閃過程中空間電場波形特不因鹽密的改變而變化。掌握3區(qū)段空間電場波形的變化特點,可直接直觀判斷污穢絕緣子污閃放電階段。

綜上所述,在干燥區(qū),空間電場波形基本為周期性正弦波,峰值小于10 mV;在濕潤區(qū),波形呈現(xiàn)近似三角波或尖利三角波,峰值大于10 mV且小于50 mV;在局部電弧區(qū),波形特性近似濕潤區(qū),峰值很大且大于50 mV?？臻g電場時域波形的區(qū)段特征明顯,為污穢絕緣子污閃放電發(fā)展過程提供不同區(qū)段的參考和幫助,有一定的推廣性。

3 基于空間電場特征的污穢絕緣子運行狀態(tài)識別方法

3.1 特征值選取

污穢閃絡發(fā)展的各個階段都可以反映在空間電場信號的變化之中,通常污穢越重,則空間電場信號有效值越大。

隨著污穢層進一步濕潤,傘裙表面的泄漏電流加大,污穢表面出現(xiàn)干帶且局部電弧產(chǎn)生,空間電場畸變加重,反映在空間電場上就是脈沖的大小,也即空間電場信號的峰值大小,污穢越重則空間電場峰值也就越大。

空間電場有效值標準差則反映脈沖數(shù)目的多少,脈沖數(shù)目越多則標準差就越大。為此提出空間電場信號峰值、有效值和標準差3個特征量,即

(1)

(2)

Eemax=max(Ee(i))

(3)

(4)

式中:e(t)是空間電場時域瞬時值;T為采樣周期;t為采樣時刻值;N為采樣點數(shù);Ee(i)為有效值;Em為有效值均值;σ為標準偏差;Eemax為各采樣周期內(nèi)的空間電場峰值。σ從另外角度對比空間電場采樣值與均值的偏差程度,也即試驗過程中空間電場的分布離散程度。3個特征量互為補充,從不同角度描述當前空間電場的分布特性。除此之外還受溫度℃、相對濕度RH的影響,綜上,本研究選取空間電場信號峰值、有效值、標準差、溫度和相對濕度五個特征量作為算法輸入特征量,輸出為污穢絕緣子運行狀態(tài),特征提取以形成樣本數(shù)據(jù)的流程如圖6所示。

圖6 特征值樣本數(shù)據(jù)處理流程Fig.6 Processing flow of characteristic value sample data

隨著耐壓試驗的進行,空間電場信號由正弦波向三角波變化,幅值增長較快。提取污穢絕緣子原始特征量作為狀態(tài)識別樣本的輸入,并將污穢絕緣子運行狀態(tài)分成干燥區(qū)、濕潤區(qū)、局部電弧區(qū)3個階段,作為污穢絕緣子運行狀態(tài)識別的輸出。

根據(jù)復合絕緣子污穢放電的發(fā)展過程,將其運行狀態(tài)分為3種模式,即1為干燥模式,2為濕潤模式,3為局部放電模式。通過絕緣子污穢放電試驗,收集801組污穢絕緣子運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)樣本,其中1類樣本80組,2類樣本200組,3類樣本521組?；跇颖緮?shù)據(jù),由隨機森林算法隨機選取100組樣本數(shù)據(jù)作為訓練和測試的樣本數(shù)據(jù),其中1類樣本20組,2類樣本40組,3類樣本40組。樣本數(shù)據(jù)的80%進行分類器的訓練,20%的數(shù)據(jù)測試污穢絕緣子運行狀態(tài)分類模型的準確性,具體分類流程如圖7所示。

圖7 隨機森林數(shù)據(jù)分類流程Fig.7 Classification process of random forest data

運行狀態(tài)輸出量為復合絕緣子污閃放電3個階段,對應的輸出域為Y={1,2,3}。

3.2 識別結果及分析

通過MATLAB運行科羅拉多大學開發(fā)的randomforest-matlab開源工具箱進行隨機森林算法運算,如表2所示為20%的測試樣本數(shù)據(jù)。

表2 算法測試樣本Table 2 Algorithm test samples

圖8為隨機森林下真實值與測試值的對比,以20%樣本數(shù)據(jù)(共計100個特征量)作為測試樣本投入訓練過的隨機森林分類器中,得到每個樣本的運行狀態(tài)作為輸出結果。

圖8 隨機森林下真實值與測試值對比圖Fig.8 Comparison between real value and test value under random forest

由圖8可知,輸出{1,2,3}分別代表干燥區(qū)、濕潤區(qū)、局部電弧區(qū),比較其分類結果可以發(fā)現(xiàn),在20組樣本數(shù)據(jù)中,共有1個樣本被預測錯誤(1個濕潤區(qū)被錯分為干燥區(qū)),預測正確率為95%。整體上可以實現(xiàn)對污穢絕緣子運行狀態(tài)的高準確分類,也表明隨機森林用于分類及模式識別問題中具有較好的性能。

4 結論

為實現(xiàn)污穢絕緣子運行狀態(tài)分類,提出一種基于空間電場特征的污穢絕緣子運行狀態(tài)識別方法。主要內(nèi)容與結論如下:

1)試驗研究發(fā)現(xiàn)污穢閃絡整個放電過程中空間電場信號峰值有3個明顯的變化區(qū)間:干燥區(qū)、濕潤區(qū)、局部放電區(qū)。且鹽密大小只改變了3區(qū)段持續(xù)時間的長短,并沒有改變3區(qū)段存在的事實。

2)污閃過程中空間電場波形特征不因鹽密的改變而變化,且空間電場時域波形的區(qū)段特征明顯。因此掌握3區(qū)段空間電場波形的變化特點,為污穢絕緣子污閃放電發(fā)展過程提供不同區(qū)段的參考和幫助。

3)基于不同運行狀態(tài)下空間電場波形的區(qū)別,提出基于空間電場的峰值、有效值和標準差,并結合溫度、相對濕度組成五個特征量作為運行狀態(tài)分類的特征量。結合隨機森林算法和運行狀態(tài)的特征量,提出運行狀態(tài)分類的隨機森林分類流程。

4)在MATLAB中運行空間電場特征的識別算法,并按8∶2的比例形成訓練樣本和測試樣本,結果表明本研究提出的空間電場特征的識別方法對污穢絕緣子運行狀態(tài)可以進行可靠的分類,正確率為95%。