基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜絕緣診斷裝置研制應(yīng)用

摘要：高壓開關(guān)柜的絕緣性能直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)絕緣故障診斷的難題，文章提出了一種基于脈沖電流法的新型診斷技術(shù)，結(jié)合熵權(quán)法、層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)的智能評(píng)估和深度分析。通過設(shè)計(jì)并行優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）算法與ODPS擴(kuò)展MapReduce模型，顯著提升了局部放電信號(hào)特征的提取精度和處理效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠在不同故障場(chǎng)景下準(zhǔn)確識(shí)別絕緣狀態(tài)并預(yù)測(cè)故障發(fā)展趨勢(shì)，為電力系統(tǒng)的智能化運(yùn)維提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：脈沖電流法；高壓開關(guān)柜；絕緣故障診斷

中圖分類號(hào)：TP311 "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著電力系統(tǒng)在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，高壓開關(guān)柜在電力系統(tǒng)中的作用也日益凸顯。作為電力系統(tǒng)中常見的設(shè)備，高壓開關(guān)柜用于控制和保護(hù)高壓電器設(shè)備，其在保障系統(tǒng)安全運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。開關(guān)柜內(nèi)部的絕緣性能對(duì)其正常運(yùn)行具有重要影響。當(dāng)高壓開關(guān)柜發(fā)生絕緣故障時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備跳閘、電路故障，甚至引發(fā)火災(zāi)等危險(xiǎn)情況，因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除絕緣故障至關(guān)重要［1］。然而，由于開關(guān)柜在設(shè)計(jì)、制造、裝配和運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)存在不同程度的問題，事故率相對(duì)較高。在各種類型和程度的開關(guān)柜事故中，10 kV及以上電壓等級(jí)的絕緣事故發(fā)生頻率較高，且事故后果十分嚴(yán)重。特別是在開關(guān)柜的電纜室和斷路器室，絕緣事故的發(fā)生率更高，且事故一旦發(fā)生，往往會(huì)波及相鄰柜體［2］。

目前，開關(guān)柜絕緣故障的判斷主要通過在高壓開關(guān)柜檢修時(shí)，在一次高壓電纜室的柜壁上獨(dú)立安裝局部放電傳感器，利用傳感器對(duì)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化進(jìn)行間接采樣，從而進(jìn)行故障預(yù)警。然而，這種傳統(tǒng)測(cè)量方法受限于配電開關(guān)設(shè)備的檢修停電計(jì)劃和其自身原理，無法直觀且準(zhǔn)確地測(cè)量絕緣變化過程。此外，大多數(shù)傳感器采用低功耗設(shè)計(jì)，定時(shí)檢測(cè)，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)絕緣數(shù)據(jù)的變化過程和信號(hào)的時(shí)域特性的準(zhǔn)確性，無法有效提升運(yùn)維效率。本文創(chuàng)新性地提出基于脈沖電流法的絕緣故障診斷方法，相較于傳統(tǒng)的空間傳導(dǎo)間接測(cè)量法，具有故障原因定位準(zhǔn)確、故障類型智能分析、故障演變過程預(yù)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。

1 脈沖電流法原理簡(jiǎn)介

當(dāng)電路中的某個(gè)部分發(fā)生狀態(tài)變化或故障時(shí)，通常會(huì)伴隨產(chǎn)生脈沖電流。這些脈沖電流信號(hào)具有特定的幅值、脈寬、上升時(shí)間、下降時(shí)間以及周期等參數(shù)，這些參數(shù)能夠反映電路的工作狀態(tài)和性能。脈沖電流法常用于電路測(cè)試、線路診斷、信號(hào)跟蹤和局部放電檢測(cè)等場(chǎng)景。脈沖電流法通過羅氏線圈或測(cè)量阻抗獲取由各種絕緣缺陷產(chǎn)生的局部放電脈沖電流信號(hào)［3］，其原理如圖1所示。圖1中，Cx代表試樣電容；Z為檢測(cè)阻抗；D為局部放電檢測(cè)儀；Ck為耦合電容，在電路中為Cx與Z之間提供一個(gè)低阻抗的通道；L為接在電源與測(cè)量回路間的低通濾波器，其作用為阻止被測(cè)的高頻脈沖或電源中的高頻分量通過，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部的缺陷在高電壓下產(chǎn)生局部放電時(shí)，與耦合電容Cx構(gòu)成的回路會(huì)產(chǎn)生頻率高達(dá)10 kHz以上的脈沖電流，由于低通濾波器L的存在，高頻的脈沖電流只有很少一部分通過低通濾波器L所在的回路，主要的電流都施加在了檢測(cè)阻抗Z所在的回路里，這樣局放檢測(cè)裝置就可以有效捕捉到局部放電信號(hào)［4-6］。

上述脈沖電流檢測(cè)方法須要安裝昂貴的電容傳感器。為了節(jié)約成本，本文通過將一個(gè)母線支撐絕緣子等效為電容器，與LED燈串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三相母線帶電情況的指示。將該等效電容器用作脈沖電流法中局部放電測(cè)試的耦合電容器，無須再增設(shè)額外的電容傳感器，從而降低了安裝成本和布線復(fù)雜度。此外，該技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)三相信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理。先通過硬件濾波器將電網(wǎng)中的高次諧波干擾及其他共模干擾濾除，然后經(jīng)過包絡(luò)檢波，得到用于分析的信號(hào)波形。

2 基于脈沖電流法的絕緣故障診斷系統(tǒng)方案

整套系統(tǒng)采用先進(jìn)的傳感技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代通信自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)柜絕緣故障的診斷和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)采集設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和智能診斷，將結(jié)果上報(bào)至后臺(tái)進(jìn)行集中管理。同時(shí)，系統(tǒng)提供與遠(yuǎn)程通信裝置的接口，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、故障報(bào)警與信號(hào)傳輸以及遙控、遙測(cè)、遙信等功能。該系統(tǒng)為電力系統(tǒng)的生產(chǎn)管理和設(shè)備狀態(tài)檢修提供了重要的信息和依據(jù)，幫助實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維。方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜絕緣診斷裝置由絕緣狀態(tài)檢測(cè)傳感器、高壓開關(guān)柜絕緣診斷系統(tǒng)、通信網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。絕緣狀態(tài)檢測(cè)傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)耦合支撐絕緣子式電容傳感器的絕緣狀態(tài)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)局部放電數(shù)值，經(jīng)濾波和信號(hào)調(diào)理處理后，確保對(duì)局部放電狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控。高壓開關(guān)柜絕緣診斷裝置負(fù)責(zé)對(duì)絕緣狀態(tài)檢測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步遠(yuǎn)傳。檢測(cè)到的局部放電幅值、頻次、放電點(diǎn)相對(duì)位置、峰值、均值、噪聲水平以及脈沖周期等信息直接上傳至變電輔助設(shè)備集中監(jiān)控系統(tǒng)或輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（OMDS系統(tǒng)）。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的告警閾值進(jìn)行對(duì)比，觸發(fā)故障報(bào)警提示并向管理人員推送信息，以便進(jìn)行故障排查。該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)開關(guān)柜絕緣故障的診斷，確保了設(shè)備正常運(yùn)行，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

3 故障診斷分析算法

設(shè)計(jì)中利用熵權(quán)法、層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行權(quán)重分配，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法自動(dòng)挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在特征，最終實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)柜整體運(yùn)行狀態(tài)的畫像模型。故障診斷模型算法由3部分組成：上層的畫像層、中間的維度層和底層的指標(biāo)層。指標(biāo)層由絕緣狀態(tài)檢測(cè)傳感器收集到的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成。在Spark平臺(tái)下設(shè)計(jì)了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的集合方法（EEMD）的并行優(yōu)化算法，得出Epoch級(jí)和Trial級(jí)2種不同的并行化算法。通過對(duì)EEMD算法處理波形信號(hào)的并行性進(jìn)行分析，提取局部放電波形信號(hào)的特征，計(jì)算固有模態(tài)分量的能量參數(shù)和樣本熵作為特征量，得到中間層—維度層的故障情況及開關(guān)柜健康狀態(tài)結(jié)果。EEMD算法的基本步驟如下所述。

若原始信號(hào)為X（t），通過計(jì)算IMF與X（t）之間的標(biāo)準(zhǔn)差，用以判定插入白噪聲的次數(shù)K，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如式（1）所示。

SD=AK（1）

式（1）中，SD為標(biāo)準(zhǔn)差；A為白噪聲的幅值；K為加入白噪聲次數(shù)。

Xk（t）=X（t）+nk（t）（2）

式（2）中，Xk（t）為加入噪聲后的原始信號(hào)；nk（t）是K次高斯白噪聲。

首先，對(duì)K組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行EMD分解，得到K組IMF分量，然后對(duì)這些IMF分量進(jìn)行平均計(jì)算，最終得到一組IMF分量。最后，通過采用ODPS擴(kuò)展MapReduce模型，設(shè)計(jì)了“Map-Reduce-Reduce”方式的局放信號(hào)宏觀特征提取方法，提出了并行化數(shù)據(jù)相位圖譜分析（ODPS-PRPD）算法，實(shí)現(xiàn)了大量局部放電信號(hào)的并行基本參數(shù)提取、統(tǒng)計(jì)特征計(jì)算與放電類型識(shí)別，最終得到上層—畫像層的評(píng)價(jià)結(jié)果。通過結(jié)合畫像層和維度層的結(jié)果，可以實(shí)時(shí)掌握配電開關(guān)柜的運(yùn)行狀態(tài)。

4 裝置試驗(yàn)結(jié)果

常規(guī)情況下，能夠引起高壓開關(guān)柜發(fā)生局部放電的故障缺陷主要包括以下幾個(gè)方面。

4.1 絕緣件表面長(zhǎng)期使用過程中容易積塵

由于絕緣件長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，表面會(huì)積累灰塵和污垢，特別是在工業(yè)環(huán)境或頻繁使用的情況下。這些污染物會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，進(jìn)而引發(fā)局部放電現(xiàn)象。特別是在雨季或濕度較高的環(huán)境下，這些污染物吸濕后會(huì)使絕緣電阻下降，更易發(fā)生閃絡(luò)放電。

4.2 高壓母線連接處或斷路器觸頭接觸不良

高壓母線連接處或斷路器觸頭在長(zhǎng)期使用中，可能因機(jī)械應(yīng)力、熱膨脹或腐蝕等因素導(dǎo)致接觸不良。接觸電阻增加會(huì)引起局部過熱，進(jìn)一步導(dǎo)致電弧或放電現(xiàn)象。

4.3 導(dǎo)體表面存在金屬突起或毛刺

在高壓電氣設(shè)備的制造和加工過程中，如果導(dǎo)體表面存在金屬突起或毛刺，這些區(qū)域會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)集中，進(jìn)而引發(fā)放電現(xiàn)象。

4.4 柜體內(nèi)存在可移動(dòng)的金屬微粒

可移動(dòng)的金屬微粒在電場(chǎng)作用下，可能會(huì)移動(dòng)并撞擊絕緣件或?qū)w表面，造成瞬時(shí)電場(chǎng)集中，進(jìn)而引起放電。

4.5 開關(guān)絕緣件內(nèi)部存在雜質(zhì)或氣泡

由于制造和澆鑄工藝不良，絕緣材料內(nèi)部可能會(huì)形成氣泡或夾雜雜質(zhì)，這些缺陷區(qū)域容易發(fā)生電場(chǎng)集中，導(dǎo)致內(nèi)部放電，進(jìn)而造成絕緣損傷甚至擊穿。

本文針對(duì)10 kV及以上電壓等級(jí)的開關(guān)柜，進(jìn)行了懸浮顆粒物放電、尖端毛刺放電、自由導(dǎo)體放電和絕緣件老化放電的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

通過測(cè)試可以得出，基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜絕緣診斷裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓開關(guān)柜絕緣狀態(tài)的檢測(cè)，并將檢測(cè)信息上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)和工作人員的移動(dòng)端，同時(shí)能夠發(fā)出聲光報(bào)警以提醒工作人員。

5 結(jié)語

本文通過在傳感器側(cè)采用信號(hào)分離提取和檢波方法，對(duì)信號(hào)的時(shí)域變化過程及脈沖電流消噪進(jìn)行分析，研究了脈沖電流在不同絕緣故障狀態(tài)下的變化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓開關(guān)柜局部放電狀態(tài)的感知。創(chuàng)新性地提出了絕緣故障分析診斷算法模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法挖掘絕緣故障的深層特征，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)柜絕緣故障類型的智能識(shí)別和絕緣變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。最終，設(shè)計(jì)了基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜絕緣診斷裝置。與傳統(tǒng)的空間傳導(dǎo)間接測(cè)量法相比，本設(shè)計(jì)具有故障定位精準(zhǔn)、故障類型智能分析、故障演變過程預(yù)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓開關(guān)柜絕緣故障的預(yù)診斷和主動(dòng)預(yù)警，提升了檢修人員巡檢的針對(duì)性，節(jié)省了大量的人力和物力。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Development and application of high-voltage switchgear insulation diagnostic device based on pulse current method

LIN" Zhibing， CHEN" Youheng， KE" Yongqin， JIANG" Zuli， GUO "Shiwei

（State Grid Fujian Electric Power Co.， Ltd. Putian Power Supply Company， Putian 351100， China）

Abstract：" The insulation performance of high-voltage switchgear directly impacts the safety and stability of the power system. To address the challenges of insulation fault diagnosis， this paper proposes a novel diagnostic technology based on the pulse current method， integrating the entropy weight method， analytic hierarchy process， and neural network algorithm to achieve intelligent evaluation and in-depth analysis of switchgear operating conditions. By designing a parallel optimized empirical mode decomposition （EEMD） algorithm and ODPS extended MapReduce model， this study significantly enhances the precision and efficiency of partial discharge signal feature extraction. Experimental results demonstrate that this technology can accurately identify insulation conditions in various fault scenarios and predict fault development trends， providing robust technical support for the intelligent operation and maintenance of power systems， with broad application prospects.

Key words： pulsed current method; high voltage switchgear; insulation fault diagnosis