程 林，楊 旭，劉正陽(yáng)，張 靜，聶德鑫，張曉星

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 4300742；3.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211006)

我國(guó)能源與需求分布的不均以及高速發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)電力傳輸提出了更高的要求，超、特高壓輸電技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生[1,2]。作為輸變電系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，超、特高壓電壓等級(jí)、大容量變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行是保障輸電系統(tǒng)安全的必要條件[3]。

電壓等級(jí)的提升往往意味著變壓器體積的增大，然而，在超、特高壓變壓器的設(shè)計(jì)時(shí)，由于生產(chǎn)、運(yùn)輸以及安裝等諸多現(xiàn)實(shí)條件的限制，保有的絕緣裕度往往比低電壓等級(jí)的小，導(dǎo)致其內(nèi)部高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域比低電壓等級(jí)的多[4,5]。在超、特高壓變壓器出廠和交接試驗(yàn)中，出現(xiàn)了多起與以往局部放電發(fā)展異同的案例，其從出現(xiàn)局部放電信號(hào)到擊穿只需短短的數(shù)分鐘，這種現(xiàn)象被稱為“快速發(fā)展型”故障[6,7]。

針對(duì)變壓器的“快速發(fā)展型”放電現(xiàn)象，文獻(xiàn)[8]研究了油紙絕緣在極不均勻電場(chǎng)下的放電過程，提出了采用外加電壓與擊穿時(shí)間特性曲線來(lái)區(qū)分“普通型”和“快速發(fā)展型”放電模式的方法。文獻(xiàn)[9]研究了恒定電壓下的油紙絕緣的“快速發(fā)展型”放電現(xiàn)象，通過閾值電壓和電壓耐受指數(shù)等參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了界定并研究了各個(gè)放電發(fā)展階段的放電形態(tài)。但是，目前關(guān)于變壓器“快速發(fā)展型”放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。

針對(duì)輸變電設(shè)備故障診斷與狀態(tài)評(píng)估已有很多學(xué)者進(jìn)行了研究[10]。高頻脈沖電流能有效避免現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的電磁干擾，準(zhǔn)確反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部的狀態(tài)，因而適合用來(lái)對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估[11]。針對(duì)變壓器局放信號(hào)的非線性問題，構(gòu)建基于隨機(jī)向量函數(shù)鏈接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，其能通過對(duì)每個(gè)隱藏層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類而去除敏感節(jié)點(diǎn)，從而提高故障診斷準(zhǔn)確率[12]。采用多層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在不丟失診斷分辨率的情況下處理測(cè)量不確定性同時(shí)融合獨(dú)立的油中溶解氣體法，能有效提升變壓器運(yùn)行狀態(tài)在線評(píng)估的能力[13]。

本文通過搭建“快速發(fā)展型”沿面放電試驗(yàn)平臺(tái)，獲取了其不同階段下的高頻脈沖電流信號(hào)，并構(gòu)建了降噪自編碼聯(lián)合支持向量機(jī)的模型對(duì)放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行評(píng)估，取得了良好的效果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)介紹

本文采用圖1所示的針-板缺陷來(lái)模擬變壓器中油紙絕緣“快速發(fā)展型”沿面放電缺陷。其中，高壓電極由針電極組成，其材質(zhì)為銅，針尖長(zhǎng)8mm,曲率半徑為30μm；低壓電極由絕緣紙板和板電極組成，板電極是直徑60mm、厚3mm的銅板，邊緣進(jìn)行了打磨，紙板是直徑100mm、厚1mm的圓片，其能完全覆蓋住板電極以防止高低壓電極間發(fā)生閃絡(luò)，確保放電沿著絕緣紙板表面進(jìn)行；高壓電極位于絕緣紙板的上方5mm處，且與其夾角為30°。

圖1 沿面放電缺陷模型Fig.1 Creeping Discharge Defect Model

圖2所示為本文的試驗(yàn)平臺(tái)。調(diào)壓器為柱式調(diào)壓器，其可將220 V的工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成0～250 V的可調(diào)交流電壓，輸出至下一級(jí)的無(wú)局放變壓器；工頻試驗(yàn)保護(hù)電阻阻值為10千歐，用來(lái)限制試品擊穿時(shí)的短路電流；分壓器的分壓比為1000:1；通過羅高夫斯基線圈(HFCT-49)采集高頻脈沖電流信號(hào)，頻率帶寬為1-30MHz；數(shù)據(jù)采集所用示波器型號(hào)為Tektronix MS044，模擬寬帶1.5 GHz，最大采樣率為6.25 GS/s，存儲(chǔ)深度可達(dá)50 M。

圖2 沿面放電試驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Creeping discharge test platform

1.2 試驗(yàn)步驟

本文進(jìn)行變壓器“快速發(fā)展型”沿面放電試驗(yàn)步驟：(1)將絕緣紙板在120 ℃下烘干48 h；25號(hào)變壓器油在90 ℃下真空干燥24 h；(2)將油和缺陷置于油罐中，密封靜置24 h；(3)采用逐步升壓法進(jìn)行加壓，升壓速度為0.5 kV/s，分別記錄其起始局放電壓和擊穿電壓，分別進(jìn)行5組試驗(yàn)；(4)在起始局放電壓和擊穿電壓間選取電壓梯度為1 kV的電壓值進(jìn)行局放試驗(yàn)，采集不同時(shí)間段的高頻脈沖電流信號(hào)，同時(shí)記錄其擊穿時(shí)間；(5)根據(jù)圖1所示的模型尺寸分別制備4組相同的缺陷，每組7個(gè)，記為A，B，C，D組，每組的缺陷分別在7個(gè)不同電壓值下進(jìn)行局放試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沿面放電電壓與擊穿時(shí)間分析

圖3所示為5次試驗(yàn)測(cè)量得到的沿面放電起始電壓和擊穿電壓，可以看到，5次試驗(yàn)的起始局放電壓和擊穿電壓的差別均不大，因此選定20 kV為起始局放電壓，27 kV為擊穿電壓。局放試驗(yàn)在起始放電電壓和擊穿電壓之間以1 kV的電壓梯度取值，分別為20.5，21.5，22.5，23.5，24.5，25.5和26.5 kV 7個(gè)電壓值。

圖3 沿面放電起始局放電壓和擊穿電壓Fig.3 Creeping discharge initial partial discharge voltage and breakdown voltage

在7個(gè)電壓值下分別進(jìn)行沿面放電試驗(yàn)，得到的擊穿時(shí)間如表1所示。

對(duì)于油紙絕緣體系而言，其擊穿時(shí)間t和外加電壓U之間存在如下關(guān)系[14]：

t=AU-n

(1)

式中，t為油紙絕緣沿面擊穿的時(shí)間；U是外加電壓的大小；n表示體系的耐壓指數(shù)，為常數(shù)；A為累積損傷值。

根據(jù)表1中的結(jié)果，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制外加電壓和擊穿時(shí)間的特性曲線，然后分別進(jìn)行擬合，得到了如圖4所示的不同外加電壓與擊穿時(shí)間關(guān)系特性曲線?？梢钥吹?，四組試驗(yàn)得到的特性曲線均呈折線形式，存在一個(gè)拐點(diǎn)，其中，A、B、C 3組試驗(yàn)的拐點(diǎn)均在電壓為23.5 kV處，而第四組的拐點(diǎn)在24.5 kV處，拐點(diǎn)存在差異主要是因?yàn)榇嬖陔S機(jī)性。外加電壓和擊穿時(shí)間特性曲線發(fā)生變化，說明放電類型出現(xiàn)了本質(zhì)的變化。當(dāng)外加電壓大于24.5 kV時(shí)，缺陷能在短短幾分鐘內(nèi)擊穿，屬于“快速發(fā)展型”缺陷。

表1 沿面放電擊穿時(shí)間Tab.1 Breakdown time of creeping discharge

t/s圖4 沿面放電缺陷電壓與擊穿時(shí)間特性曲線Fig.4 Characteristic curve of creeping discharge defect voltage and breakdown time

2.2 “快速發(fā)展型”沿面放電信號(hào)分析

根據(jù)2.1小節(jié)的分析，當(dāng)外加電壓大于24.5 kV時(shí)，所有缺陷試樣均處于“快速發(fā)展型”放電模式。因此，這里選取25.5 kV時(shí)所采集的高頻脈沖電流信號(hào)進(jìn)行分析。根據(jù)不同時(shí)間段得到的高頻脈沖電流信號(hào)圖譜的差異，將“快速發(fā)展型”沿面放電分為3個(gè)階段，分別為：S1“前期”(稀疏放電)；S2“中期”(大幅值劇烈放電)；S3“后期”(小幅值密集放電)。3個(gè)階段相位—幅值、相位—放電次數(shù)的PRPD圖譜如圖5所示。

在S1階段，圖譜中的放電主要集中在0°～90°，放電幅值大多都小于1 200 mV,其余相位放電較為稀疏，累計(jì)次數(shù)均在10次以下。在S2階段，放電信號(hào)在0°～90°，180°～270°以及360°附近均有較為劇烈的放電，且放電幅值分布均勻，最大的能達(dá)到6 000 mV。在S3階段，放電信號(hào)呈現(xiàn)區(qū)域性密集，整體主要集中在0°～90°，180°～270°以及360°附近，但在其余相位也有稀疏的放電信號(hào)，相較于S2階段，

因此，本文嘗試將OPNET運(yùn)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，提高教師的教研水平。

(a) S1階段相位-幅值

(b) S2階段相位-幅值

(c) S3階段相位-幅值

(d) S1階段相位-放電次數(shù)

(e) S2階段相位-放電次數(shù)

(f) S3 相位-階段放電次數(shù)圖5 沿面放電高頻脈沖電流PRPD圖譜Fig.5 High frequency pulse current PRPD spectrum of creeping discharge

放電幅值有所衰減，但是放電次數(shù)顯著增加，是缺陷沿面擊穿的前兆。因此，S1階段放電次數(shù)少且放電幅值較低，為稀疏放電；S2階段放電幅值大但放電次數(shù)相對(duì)較少，為劇烈放電；S3階段放電次數(shù)多但幅值較S2階段小，為小幅值密集放電。

2.3 沿面放電信號(hào)特征量提取

對(duì)放電信號(hào)的特征量進(jìn)行提取,是對(duì)放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行評(píng)估的前提。本文針對(duì)“快速發(fā)展型”沿面放電的高頻脈沖電流信號(hào)的相位-幅值和相位-放電次數(shù)圖譜，提取兩組特征量，每組9個(gè)，共18個(gè)，分別為表征信號(hào)整體的正負(fù)半周偏斜度Sk+/-、陡峭度Ku+/-、均值μ、偏差σ以及表征信號(hào)正負(fù)半周之間差異的正負(fù)半周互相關(guān)系數(shù)Cc、放電量因數(shù)Q和相位不對(duì)稱度Asy。

(3)

(4)

式中，xi表示譜圖中的第i個(gè)取值窗口的中間相位值；w表示正負(fù)半周內(nèi)窗口總目；yi為譜圖中的放電幅值；pi，u，σ分別表示第i個(gè)相位窗內(nèi)事件發(fā)生的概率、均值和方差，計(jì)算公式如下

(5)

(6)

(7)

放電量因數(shù)Q是指圖譜在正負(fù)半周內(nèi)放電量的區(qū)別

(8)

正負(fù)半周互相關(guān)系數(shù)Cc的計(jì)算公式為

(9)

相位不對(duì)稱度Asy計(jì)算公式為

(10)

2.4 “快速發(fā)展型”沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估

為準(zhǔn)確評(píng)估“快速發(fā)展型”沿面放電的S1、S2和S3三個(gè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，本文構(gòu)建了基于棧式降噪自編碼器(Stacked Denoising Autoencoder，SDAE)聯(lián)合支持向量機(jī)(Support Vector Machines,SVM)的狀態(tài)評(píng)估方法。棧式降噪自編碼器是一個(gè)性能優(yōu)良的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它可以加深自編碼器的網(wǎng)絡(luò)深度，具有比自編碼器更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)壓縮和特征提取能力，能在模式識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮良好的性能[15]。

SDAE網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)子降噪自編碼(Denoising Autoencoder,DAE)組成，通過預(yù)訓(xùn)練和微調(diào)兩個(gè)步驟訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。預(yù)訓(xùn)練階段，先隨機(jī)初始化各DAE子網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，各DAE子網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)之間相互獨(dú)立，掩蓋噪聲參數(shù)也各不影響；然后采用逐層貪婪訓(xùn)練方式訓(xùn)練每個(gè)DAE網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，前一層網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練按照上述DAE網(wǎng)絡(luò)的方式訓(xùn)練好，并將其參數(shù)固定，以隱藏層結(jié)果作為下一層待訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的輸入，依次完成每層DAE子網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。微調(diào)階段，將各DAE子網(wǎng)絡(luò)按照前一層隱藏為下一層輸入的結(jié)構(gòu)依次連接，各層參數(shù)按預(yù)訓(xùn)練時(shí)對(duì)應(yīng)的參數(shù)取值，以原始數(shù)據(jù)為輸入，網(wǎng)絡(luò)最后一層的輸出作為原始數(shù)據(jù)的重構(gòu)，并將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)誤差最小值為優(yōu)化目標(biāo)依次調(diào)整各層網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。SDAE網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練完畢后，最后一個(gè)DAE網(wǎng)絡(luò)的隱藏層結(jié)果作為壓縮得到的特征信息。

基于SDAE-SVM的“快速發(fā)展型”沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估流程如圖7所示。在對(duì)高頻脈沖電流的相位-幅值和相位-放電次數(shù)圖譜進(jìn)行了特征量提取以后，進(jìn)行歸一化處理，然后采用SDAE算法壓縮特征信息，尋找不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和噪聲水平下得到的最大信息增益；當(dāng)最大信息增益小于0.5時(shí)，目標(biāo)特征對(duì)信息分類貢獻(xiàn)率小于1%，所以選定最大信息增益大于0.5的目標(biāo)特征作為空間坐標(biāo)，構(gòu)成最終的特征空間，最后采用支持向量機(jī)進(jìn)行識(shí)別。

在試驗(yàn)過程中，針對(duì)24.5，25.5和26.5 kV下的“快速發(fā)展型”沿面放電高頻脈沖電流信號(hào)，在每個(gè)階段下分別采集了300組數(shù)據(jù)，選取其中每個(gè)電壓值每個(gè)階段下的200組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，共計(jì)1800組，剩下的900組作為測(cè)試樣本。先分別測(cè)試3個(gè)電壓等級(jí)下的300組測(cè)試樣本，再測(cè)試混合后的900組樣本。

圖6 SDAE-SVM沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估流程Fig.6 SDAE-SVM creeping discharge development state evaluation process

表2所示為“快速發(fā)展型”沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)的評(píng)估準(zhǔn)確率。每個(gè)電壓值下的評(píng)估準(zhǔn)確率均在94%以上，而混合后的測(cè)試樣本的評(píng)估準(zhǔn)確率稍有下降，為91.3%，主要是因?yàn)楫?dāng)外加電壓較大時(shí)，其S1階段的信號(hào)幅值等參數(shù)可能會(huì)接近外加電壓較小時(shí)的S2階段，從而出現(xiàn)交叉干擾。因此，后續(xù)還應(yīng)從可否這種交叉干擾的角度來(lái)提升變壓器“快速發(fā)展型”放電狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確率。

表2 “快速發(fā)展型”沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估準(zhǔn)確率Tab.2 Assessment accuracy of "rapidly developing" creeping discharge development state

3 結(jié)論

本文通過搭建變壓器“快速發(fā)展型”沿面放電測(cè)試平臺(tái)，獲取了不同階段下的高頻脈沖電流信號(hào)，提取了相關(guān)特征量以后，采用SDAE-SVM方法對(duì)沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行了評(píng)估，主要結(jié)論如下：

(1)變壓器“快速發(fā)展型”沿面放電主要有3個(gè)階段，第一階段放電稀疏，第二階段放電幅值大但放電次數(shù)低，第三階段幅值較小且密集。

(2)針對(duì)“快速發(fā)展型”沿面放電的高頻脈沖電流信號(hào)，對(duì)其相位-幅值和相位-放電次數(shù)PRPD圖譜提取了共18個(gè)特征量。

(3)基于SDAE-SVM算法構(gòu)建了變壓器“快速發(fā)展型”沿面放電發(fā)展?fàn)顟B(tài)的評(píng)估模型，總體評(píng)估準(zhǔn)確率達(dá)到91.3%。