張利，屈斌，王永寧，陳榮，劉寶穩(wěn)，張少杰，韓斌，馬宏忠

(1. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384；2. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司檢修公司，天津 300230；3. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；4. 國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城東供電分公司，天津 300250)

0 引言

氣體絕緣組合電器(GIS)具有占地面積小、可靠性和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。制造安裝、運(yùn)行維護(hù)和在線診斷等方面存在技術(shù)欠缺導(dǎo)致GIS故障時(shí)有發(fā)生，故障后果嚴(yán)重。與閃絡(luò)和擊穿不同，局部放電(partial discharge, PD)是局部微小區(qū)域的放電現(xiàn)象，PD存在意味著絕緣缺陷的初步顯現(xiàn)。PD監(jiān)測(cè)是診斷高壓設(shè)備絕緣故障最有效的方法之一[1-5]。

根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)的不同，PD診斷方法分為脈沖電流法[6-8]、特高頻(ultra-high frequency, UHF)法[9-11]、超聲波法[12-14]、振動(dòng)法[15-16]、氣體分解法[17-18]等。

1979年日本學(xué)者將振動(dòng)法最早應(yīng)用于GIS絕緣擊穿的故障診斷[19]。文獻(xiàn)[20]研究了PD引發(fā)的超聲和振動(dòng)的時(shí)域和頻域特征。文獻(xiàn)[21-23]開(kāi)展基于振動(dòng)信號(hào)的GIS機(jī)械故障的研究。但是，尚缺少聯(lián)合機(jī)械和電信號(hào)進(jìn)行PD引發(fā)GIS殼體機(jī)理研究和診斷技術(shù)。

本文首先建立GIS感應(yīng)渦流及其電磁力的分布模型，并搭建GIS局部放電模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和機(jī)電多信號(hào)聯(lián)合采集分析系統(tǒng)，獲取不同放電程度下的振動(dòng)頻譜特征。融合殼體振動(dòng)與放電脈沖的聯(lián)合特征論證了PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)的機(jī)理。基于粒子群優(yōu)化(PSO)的支持向量機(jī)(SVM)實(shí)現(xiàn)放電程度的識(shí)別，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 GIS感應(yīng)電流和電磁振動(dòng)分布模型

目前，對(duì)GIS外殼中感應(yīng)渦流的研究認(rèn)識(shí)尚有偏差。文獻(xiàn)[24]認(rèn)為GIS外殼中的渦流是橫向電流。文獻(xiàn)[25]未考慮集膚效應(yīng)影響和GIS變電站中漏磁在外殼激發(fā)的渦流分布情況。對(duì)此，分析母線電流激發(fā)磁場(chǎng)和漏磁2種情況下GIS外殼感應(yīng)電流分布。

導(dǎo)電桿電流感應(yīng)GIS外殼渦流原理如圖1所示。其中GIS導(dǎo)電桿與外殼屬于同軸放置，根據(jù)畢奧薩瓦爾定律，磁路方向與外殼橫截面平行，磁場(chǎng)穿過(guò)GIS金屬外殼時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)渦流，在集膚效應(yīng)的作用下，渦流集中于外殼的內(nèi)外表面，方向與導(dǎo)電桿軸向相同，內(nèi)外側(cè)的電流相同，由于GIS外表面面積大于內(nèi)表面，感應(yīng)電流在外表面的電流密度稍小于內(nèi)表面。漏磁在GIS外殼感應(yīng)渦流原理如圖2所示。GIS外部漏磁場(chǎng)也會(huì)在GIS外殼感應(yīng)出電流。使外部漏磁場(chǎng)強(qiáng)大致均勻，但是GIS的外殼是圓柱形，軸線處的漏磁場(chǎng)強(qiáng)最大，兩側(cè)的漏磁場(chǎng)強(qiáng)緩慢減小。外部漏磁在GIS外殼上的感應(yīng)渦流也與導(dǎo)電桿軸向方向一致。

圖1 導(dǎo)電桿電流感應(yīng)GIS外殼渦流原理Fig. 1 Principle of eddy current induced by conducting rod current

圖2 漏磁在GIS外殼感應(yīng)渦流原理Fig. 2 Eddy current principle induced by magnetic flux leak in GIS shell

根據(jù)安培力的計(jì)算法則，GIS殼體在感應(yīng)電流作用下受到的安培力F為

式中：Iυ為電流大小；Bτ為磁感應(yīng)強(qiáng)度大小；kυ為電流系數(shù)；kτ為磁感應(yīng)強(qiáng)度系數(shù)； ω為工頻；t為時(shí)間。

GIS運(yùn)行狀態(tài)下受到安培力的頻率是工頻的2倍。感應(yīng)電流引發(fā)電磁振動(dòng)的分布如圖3所示。

圖3 感應(yīng)電流引發(fā)電磁振動(dòng)分布Fig. 3 Electromagnetic vibration distribution caused by induced current

根據(jù)GIS外殼中的感應(yīng)渦流分布情況，同時(shí)結(jié)合安培力的運(yùn)算法則，得到渦流引發(fā)電磁振動(dòng)分布。從圖3可以看出，導(dǎo)電桿在外殼激發(fā)的渦流在漏磁場(chǎng)中的電磁力垂直于外殼內(nèi)外表面且方向相反，漏磁在外殼激發(fā)的渦流在漏磁場(chǎng)中的電磁力垂直于外殼上下外表面且方向相反，2種安培力均呈拉伸壓縮狀。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了更真實(shí)地模擬GIS內(nèi)部尖刺放電故障，采用252 kV ZF-16型GIS為本體搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)主要有試驗(yàn)GIS本體、故障模型和多信號(hào)同步采集系統(tǒng)3部分，試驗(yàn)電路原理如圖4所示。局部放電回路設(shè)置滿足IEC 60 270標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)GIS為三相分箱式結(jié)構(gòu)，整體呈L型，包含試驗(yàn)電壓控制臺(tái)、升壓器、分壓器、保護(hù)電阻、耦合電容、高壓套管、252 kV GIS 腔體。

圖4 試驗(yàn)電路原理Fig. 4 Schematic diagram of test circuit

2.2 多信號(hào)同步采集系統(tǒng)

信號(hào)傳感與檢測(cè)裝置型號(hào)為CTC AC102-1 A的加速度傳感器，靈敏度為100 mV/g±10%(25℃)，頻響為 0.5 Hz～15 000 Hz。

檢測(cè)電阻型號(hào)為HCPD-1-2，調(diào)諧范圍為25 pF～400 pF(內(nèi)部集成了濾波器、前置放大器和峰值檢測(cè)器等)。

數(shù)字式局部放電巡檢儀型號(hào)為H C P D-2 622，采樣頻率為20 MHz，放電測(cè)量靈敏度為0.1 pC，放電量量程為0.1 pC～10 000 pC。

振動(dòng)信號(hào)采集儀型號(hào)為IOtech 652 U，分析軟件為IOtech eZ-TOMAS。

為了定量分析GIS殼體振動(dòng)與局部放電電氣信號(hào)之間的關(guān)系，同步采集振動(dòng)加速度信號(hào)和脈沖電流信號(hào)。每5 s保存一個(gè)工頻周期的脈沖電流信號(hào)，每10 s保存一次振動(dòng)加速度信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)采集時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為2.5 s。通過(guò)脈沖電流信號(hào)的測(cè)量獲取放電量、放電脈沖時(shí)域波形，通過(guò)振動(dòng)加速度信號(hào)的測(cè)量獲取PD引發(fā)GIS外殼振動(dòng)頻譜等信息。試驗(yàn)電壓采用逐步加壓的方式進(jìn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓控制放電程度。

3 PD引發(fā)GIS殼體特征與機(jī)理

3.1 PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)特征

試驗(yàn)獲取局部放電前后GIS殼體的振動(dòng)信號(hào)，提取不同放電程度下PD引發(fā)振動(dòng)的特征。GIS正常運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)主要集中在500 Hz以下的低頻振動(dòng)，振源為工頻電磁場(chǎng)作用下的電磁振動(dòng)和GIS低階固有頻率等。

不同放電程度下GIS殼體的振動(dòng)圖譜如圖5所示。由圖5可知，尖刺PD會(huì)引發(fā)GIS殼體發(fā)生異常振動(dòng)，異常振動(dòng)區(qū)域已在圖中標(biāo)紅。尖刺放電后會(huì)引發(fā)高頻振動(dòng)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)其能量主要集中在1.5 kHz～4.5 kHz，且PD引發(fā)異常振動(dòng)的能量和頻率范圍隨著放電程度的增大而增大。為了進(jìn)一步獲取GIS PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)特征，將振動(dòng)頻譜中異常頻率范圍放大。

圖5 不同放電程度下GIS殼體的振動(dòng)圖譜Fig. 5 Vibration spectrums of GIS under different discharge degrees

截取異常振動(dòng)能量較大的頻段，如圖6所示。尖刺PD的異常振動(dòng)能量主要集中在50 Hz倍頻的頻率段上，這一特征明顯區(qū)別于其他因素引發(fā)的振動(dòng)現(xiàn)象。因此，50 Hz倍頻的能量聚集現(xiàn)象是尖刺放電的主要特征。以上振動(dòng)特征與GIS運(yùn)行產(chǎn)生的100 Hz電磁振動(dòng)有著本質(zhì)的區(qū)別，這為基于振動(dòng)的PD診斷提供依據(jù)。

圖6 尖刺PD引發(fā)GIS殼體的能量聚集現(xiàn)象Fig. 6 Energy aggregation phenomenon of protrusion PD vibration

3.2 PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)機(jī)理

局部放電的電流以脈沖的形式存在，每個(gè)脈沖的形成、發(fā)展、減弱伴隨著電流的形成、發(fā)展、減弱。本文提出一個(gè)新的PD特征參量，即脈沖間隔頻率(pulse interval frequency, PIF)。對(duì)于一個(gè)放電周期內(nèi)，放電脈沖個(gè)數(shù)大于2個(gè)以上的，任意2個(gè)相鄰脈沖間隔時(shí)間的倒數(shù)即為脈沖間隔頻率。由以上定義可知，脈沖間隔頻率給定了任意2個(gè)相鄰脈沖之間的頻率，屬于微觀角度的放電特征分析手段。根據(jù)脈沖間隔頻率的定義，脈沖間隔頻率FT為

式中：TP為任意2個(gè)相鄰脈沖的間隔時(shí)間。

基于脈沖間隔頻率的內(nèi)涵，定義平均脈沖間隔頻率(average pulse interval frequency, APIF)為選定時(shí)間內(nèi)、任意2個(gè)相鄰脈沖間隔頻率的平均值。平均脈沖間隔頻率FA可表示為

式中：n為脈沖的個(gè)數(shù)；FTi為第i個(gè)脈沖間隔頻率。

考慮PD是具有隨機(jī)特性的物理現(xiàn)象，對(duì)于每種放電狀態(tài)測(cè)取了40組工頻周波的脈沖間隔頻率(PIF)和PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)的頻率，并分別給出其在1 000 Hz～4 000 Hz的概率密度分布情況，如圖7所示。

圖7 PIF和PD引發(fā)GIS殼體頻率的概率密度分布Fig. 7 Probability density distribution of PIF and PD vibration frequency

由圖7可知，PD引發(fā)的振動(dòng)頻率與脈沖間隔頻率的分布有著極強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律基本一致。由此，PD是通過(guò)放電脈沖激振的形式激發(fā)GIS結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，即每個(gè)脈沖的出現(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生一次振動(dòng)脈沖。

4 PSO優(yōu)化SVM的PD診斷與應(yīng)用

4.1 PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)機(jī)理

SVM是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理（SRM）基礎(chǔ)上，對(duì)輸入的樣本從原空間映射到一個(gè)高維特征空間，并構(gòu)造最優(yōu)分類超平面，使得結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化。核函數(shù)參數(shù)σ2和懲罰因子C是決定SVM分類器好壞最關(guān)鍵的參數(shù)[20]。核函數(shù)參數(shù)σ2決定了高維空間數(shù)據(jù)分布的復(fù)雜程度，誤差懲罰因子C用來(lái)調(diào)節(jié)置信范圍和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的比例。下文分析中令參數(shù)g=1/σ2，即通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)g優(yōu)化核函數(shù)參數(shù)的選取。PSO優(yōu)化SVM參數(shù)的算法流程如圖8所示。

圖8 PSO優(yōu)化SVM參數(shù)的算法流程Fig. 8 Flow chart of SVM parameters optimization algorithm based on PSO

粒子群算法是一種起源于人工生命和模擬鳥(niǎo)群捕食的群體智能優(yōu)化算法，采用共享機(jī)制尋求最優(yōu)解，具有收斂速度快、調(diào)整參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。PSO與GA相比，運(yùn)算更為簡(jiǎn)單，沒(méi)有選擇、交叉、變異等操作。

4.2 基于振動(dòng)信號(hào)的PD放電程度診斷

尖刺PD引發(fā)GIS殼體振動(dòng)的能量集中在1 200 Hz～4 500 Hz頻段，且振動(dòng)能量集中在50 Hz倍頻處?？紤]電力系統(tǒng)的頻率在±0.2 Hz范圍內(nèi)波動(dòng)， 故提取1 200 Hz ～4 500 Hz頻段之間50 Hz倍頻處±0.3 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)峰值為故障參量。另外，考慮現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲的影響，其中故障參量值大于0.05的認(rèn)定為有效值。試驗(yàn)設(shè)置了3種放電程度，每個(gè)放電程度采集了20組數(shù)據(jù)，共60組數(shù)據(jù)。選擇40組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，20組數(shù)據(jù)為測(cè)試樣本。

基于粒子群算法(PSO) 參數(shù)優(yōu)化的SVM分類器的初始種群數(shù)量設(shè)置為50，懲罰因子C的取值范圍為0＜C＜100，高斯核函數(shù)參數(shù)g的取值范圍為0＜g＜100，進(jìn)化迭代數(shù)為100，交叉驗(yàn)證折數(shù)K設(shè)置為5。SVM分類運(yùn)算時(shí)，先將故障參量進(jìn)行[0,1]區(qū)間歸一化，然后利用主成分分析(principal component analysis，PCA)對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維。PSO優(yōu)化SVM的尖刺PD放電程度分類識(shí)別的適應(yīng)度曲線如圖9所示。

圖9 尖刺PD放電程度分類識(shí)別的適應(yīng)度曲線Fig. 9 Fitness curve for classification and recognition of discharge degree of protrusion PD

由圖9可知， PSO優(yōu)化SVM的最優(yōu)參數(shù)C=13.270 8、g=0.993 32。最佳分類準(zhǔn)確率為96.625 6%。因此， PSO優(yōu)化SVM分類算法對(duì)基于振動(dòng)的尖刺PD放電程度識(shí)別具有較高的分類準(zhǔn)確度。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

基于本文研究成果開(kāi)發(fā)了基于振動(dòng)的GIS局部放電故障診斷樣機(jī)，故障檢測(cè)系統(tǒng)如圖10所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用壓電式振動(dòng)加速度傳感器，并將其固定在GIS關(guān)鍵部位的外殼表面，采集GIS運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。

圖10 GIS故障檢測(cè)系統(tǒng)Fig. 10 GIS fault detection system

5 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展GIS尖刺局部放電試驗(yàn)研究，建立GIS感應(yīng)電流和電磁振動(dòng)分布特征，研究GIS尖刺局部放電引發(fā)殼體振動(dòng)的頻譜特征、振動(dòng)機(jī)理和放電程度識(shí)別方法。

（1）GIS感應(yīng)渦流受集膚效應(yīng)分布在殼體表面，導(dǎo)電桿在外殼激發(fā)的渦流在漏磁場(chǎng)中的電磁力垂直于外殼內(nèi)外表面且方向相反。

（2）GIS尖刺放電會(huì)引發(fā)殼體振動(dòng)，能量主要集中于1.2 kHz～4.5 kHz頻段，且集中分布于50 Hz倍頻處。GIS尖刺PD引發(fā)的振動(dòng)頻率與脈沖間隔頻率的分布一致，放電脈沖形成的振源引發(fā)殼體振動(dòng)。

（3）不同放電程度下振動(dòng)頻譜特征為數(shù)據(jù)集，采用PSO優(yōu)化的SVM識(shí)別放電程度精度較高。