（电气工程专业论文）组合电器局部放电非线性鉴别特征提取与模式识别方法研究.pdf

中文摘要 摘要 气体绝缘组合电器( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ，简称g i s ) 具有占地面积小、运行 安全可靠、维护工作量少、检修周期长等突出优点，在城市电网建设和改造中得 到广泛应用。 运行经验表明，与敞开式变电站相比，尽管g i s 的运行可靠性高，但其内部 不可避免的缺陷仍可能引起事故，而且在g i s 各类故障中，绝缘故障占有较大比 例。g i s 电气故障最通常的故障特征是在绝缘完全击穿前发生局部放电( p d ) ，通过 对o i s 局部放电的在线监测，可以及时发现g i s 内存在的缺陷，避免重大事故的 发生因此，深入研究g i s 局部放电检测及其模式识别的方法，对于保证g i s 的 安全可靠运行、诊断g i s 的绝缘状况和缺陷类型特征以及指导g i s 的检修工作有 着十分重要的意义。 本文在分析国内外g i s 局部放电检测及其模式识别研究成果基础上，对适用 于g i s 局部放电现场检测的外置传感方法进行了深入研究，在p d 模式识剐中引入 了f i s h e r 鉴别分析及其推广算法，丰富了局部放电模式识别中有关特征提取的理 论及方法。取得的主要成果有： ( 1 ) 对g i s 局部放电信号的外置传感检测技术进行了深入研究，研制成功了适 用于g i s 现场监测微带贴片天线传感器，其中：采用选择天线基板材料、厚度和 形状、附加阻抗匹配网络等方法馒微带天线频带展宽，达至了宽频带天线范围： 工作频带3 4 0 4 4 0 m h z 、中心频率3 9 0m h z ，相对带宽2 5 6 ，实测增益达到了 5 3 8 d b ；在结构上，对m p a 天线背面和部分侧面采用金属材料屏蔽封装设计，提 高了m p a 天线的抗干扰能力。 ( 2 ) 根据o i s 中p d 信号特征研制出了模拟内部缺陷的4 种单一缺陷和3 种混 合缺陷物理模型，在实验室里采用微带天线传感器和高速局部放电采集系统获得 了这7 种绝缘缺陷产生局部放电的大量样本，构建出g i s 局部放电p q 一刀谱图及 其灰度图像。 ( 3 ) 通过对f o l e y - s a m m o n 最佳鉴别变换算法和统计不相关鉴别矢量集算法的 深入研究，提出了一种局部放电三维谱图的主分量分析一f i s h e r 线性鉴别( p c a s u o d v ) 方法：其p c a 算法将数据从超高维空间降至低维空间，在解决维数危机 的同时，消除类内散度矩阵的奇异性，并且最大限度的保持了原有样本模式的结 构分布；s u o d v 提取统计不相关的特征量集，消除了特征分量之间的相关性，从 而有效地提高了p d 模式识别的精度。 ( 4 ) 提出了一种基于核的统计不相关鉴别矢量集( k s u o d v ) 的p d 模式识别方 重庆大学博士学位论文 法：首先采用基于图像矩阵的主分量分析算法( m a t p c a ) ，降低协方差矩阵的维数， 使特征提取速度大大提高；然后以k s u o d v 解决在用线性方法对非线性分布的局 部放电分类问题时识别率不够高的问题，其p d 模式识别精度高于线性特征提取算 法。 ( 5 ) 针对局部放电图像识别领域中的维数问题和类内散布矩阵的奇异性阎题， 提出了一种压缩映射的子空间特征提取方法，不仅降低了特征提取维数，而且保 证了映射后空间内总体散布矩阵的非奇异，从而使得f i s h e r 鉴别分析及其推广算 法在保证识别率的同时可提高算法效率。 ( 6 ) 提出了一种基于小波变换的核特征提取方法：首先对原始p d 三维谱图进 行了三层小波分解，选用第三层的低频子图、水平方向子图和垂直方向子图的小 波特征进行核特征提取；然后采用作者提出的串行特征融合方法，将三个子图的 特征进行融合进行模式识别，提高了p d 模式识别的精度。 关键诃：气体绝缘组合电器，局部放电，外置传感器，f i s h e r 鉴别分析，核， 模式识别 n 英文摘要 c o m p a r e dw i t ho p t r f ls u b s t a t i o n , g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ( g i s ) h a st h ea d v a n t a g e s o fc o v e r i n gt h es m a l l e ra f e a ， r u n n i n g n l o r e s a f e l y a n d r e l i a b l y , l e s s c o n s t a n t r n a i n t e n a n c o , o v e r h a u l i n gi nal o n g e rp e r i o da n ds oo n g i sh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h ec o n s t r u c t i o na n dr e c o n s t r u c t i o no f u r b a ne l e c t r i cn e t w o r k s o p e r a t i o ne x p e r i e n c e ss h o wt h a t i n t r i n s i cd e f e c t si ng i ss t i l lc a u s ea c c i d e n t s t h o u g hi t sh i g hr e l i a b i l i t y i n s u l a t i o nb r e a k d o w ni sp r i m a r yr e s o nf o rg i sf a i l u r e s p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) p h e n o m e n ai sm o s tc o r n a m o nc h a r a c t e r i s t i cb e f o r ei n s u l a t i o n b r e a k d o w ni ng i s b yp do n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e m s ，g i si n t e r n a ld e f e c t sc a nb e d i s c o v e r e di nt i m et oa v o i dt h eo c c i = l n g n c oo ff a t a lf a i l u r e s ot h er e s e a r c ho fp d d e t e c t i o na n di t sp a t t e r nr e c o g n i t i o nf o rg i si sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e ei t ss a f e o p e r a t i o n , f i n do u ti t si n s u l a t i o nc o n d i t i o na n dd e f e c t st y p ei nt i m ea n dg l a d ei t s m a i n t e n a n c e i nt h i sp a p e r , t h ee x t e r n a ls e n s i n gm e t h o d sf o rp d - s i t et e s t i n gi ng i sa r ed e e p l y s t u d i e db a s e do na n a l y z i n gr e s e a r c h e sa b o u tp dd e t e c t i o ni ng i sa n di t sp a t t e r n r e c o g n i t i o nh o m ea n da b r o a d ，a l s of i s h e rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i sa n dt h ee x t e n d i n g a l g o r i t h mi np dp a t t e r nr e c o g n i t i o na r ei n t r o d u c e d , w h i c hc a l lr i c ht h et h e o r yo ft h e r e l e v a n tf e a t u r ee x t r a c t i o ni np dp a t t e mr e c o g n i t i o n t h em a i na c h i e v e m e n t sa r e 舔 f o l l o w s ， ( 1 ) t h em i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n as e n s o ra p p l i c a b l ef o rp d - s i t et e s t i n gi ng i si s d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yt h r o u g ht h ed e 印r e s e a r c ho nt h ee x t e r n a ls e n s i n gt e c h n i q u e sf o r p ds i g n a li ng i s , d u r i n gt h ep r o c e s s ，t h em e a s u r e so fo p ta n t e n n as u b s t r a t em a t e r i a l ， t h i c k n e s sa n ds h a p ea n da d d i t i o n a li m p e d a n c em a t c hn e t w o r ka l eu s e dt oe x p a n d b a n d w i d t h , f r o mw h i c ht h es c o p eo ft h eb r o a d b a n da n t e n n ai sr e a c h e d ，t h a t st os a y w o r k i n gb a n do ft h em i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n as e n s o rr e a c h e s3 4 0 4 4 0 m h z , i t s c e n t e rf r e q u e n c yi s3 9 0m h z , r e l a t i v eb a n d w i d t hi s2 5 6 a n dt e s t i n gg a i no fm p ai s 5 3 9 d b i ns t r u c t u r e m e t a lm a t e r i a l ss h i e l d e dp a c k a g i n go nt h eb a c ka n dp a r ts i d eo f t h e m p aa n t e n n ai sd e s i g n e dt oe n h a n c et h ea b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ( 2 ) p h y s i c a lm o d e lo ff o u rs i n g l ed e f e c t sa n dt h r e eh y b r i dd e f e c t si ns i m u l a t i o no f i n t e r n a ld e f e c t sa r ed e v e l o p e d ，a c c o r d i n gt op ds i 印a lf e a t u r ei ng i s i nt h el a b o r a t o r y m i c r o s t r i pp a t c ha n t e n n as e n s o ra n dh i g h - s p e e dp da c q u i s i t i o ns y s t e mi sa d o p t e dt o a c c e s sal a r g en u m b e r so fp dp a t t e r n sf r o mv a r i o u si n s u l a t i o nd e f e c t sa n dc o n s t r u c tt h e i i i 重庆大学博士学位论文 伊一g 一口d i s t r i b u t i o n sa n dg r a yi m a g eo f p di ng i s ( 3 ) t h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n df i s h e rl i n e a rd i s e r i m i n a n t 口c a s u o d v ) m e t h o du s e df o rp d3 ds p e c t r o g r a mi sa d v a n c e dt h r o u g ht h ed e e ps t u d yo f f o l e y s a m m o nb e s t i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h ma n ds t a t i s t i c a lu n c o r r e l a t e do p t i m u m d i s c r i m i n a n tv e c t o r sa l g o r i t h m ，a n di t sp c aa l g o r i t h mc o n d e n s e sd a t af r o mt h e h i g h - d i m e n s i o n a ls p a c et o t h el o w - d i m e n s i o n a ls p a c e ，e l i m i n a t e st h es i n g u l a r i t yo f w i t h i n - c l a s ss c a t t e rm a t r i x ，s o l v e st h ed i m e n s i o nc r i s i sa lt h es a m et i m e ，a n dm a i n t a i n e s t h es t r u c t u r eo ft h eo r i g i n a ls a m p l ep a t t e r n sg r e a t l y , s u o d v g a l le x t r a c tf e a t u r es e t so f s t a t i s t i c a lu n c o r r e l a t e da n dc a n c e lt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nf e a t u r ec o m p o n e n t ss ot h a th e a c c u r a c yo f p dp a t t e r nr e c o g n i t i o ni si m p r o v e de f f e c t i v e l y ( 4 ) t h em e t h o dc a l l e dp dp a t t e mr e c o g n i t i o nb a s i n go nt h ek e r n e ls t a t i s t i c a l u n c o r r e l a t e do p t i m u md i s c r i m i n a n tv e c t o r si sp r o p o s e d f i r s tm a t p c ab a s i n go n i m a g em a t r i xi s u s e dt oc o n d e n s et h ed i m e n s i o no fc o v a r i a n c em a t r i xa n dg r e a t l y e n h a n c ef e a t u r ee x t r a c t i o ns p e e d t h e nk s u o d vi su s e dt os o l v et h el i n e a rm e t h o df o r n o n l i n e a rs t r t l c t u r eo ft h eh i o a yc o m p l e xi s s u eo fc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c yw h i c hi sn o t 1 1 i g he n o u g hs o t h a tp dp a t t e r nr e c o g n i t i o na c c u r a c yh i g h e rt h a nl i n e a rf e a t u r e e x t r a c t i o na l g o r i t h m ( 5 ) t h es u b - s p a c ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o do fc o m p r e s s i o nm a p p i n gi sa d v a n c e d t ot h ep r o b l e mo fd i m e n s i o ni np di m a g er e c o g n i t i o nf i e l da n ds i n g “a r i t yo f w i t h i n - c l a s ss c a t t e rm a t r i x i tn o to n l yr e d u c e st h ef e a t u r ee x t r a c t i o nd i m e n s i o n , b u ta l s o f r i g a t e st h en o n - s i n g u l a ro ft o t a ls c a t t e rm a t r i xi ns p a c ea f t e rm a p p i n g ，a sar e s u l l f i s h e rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i sa n de x t e n d i n gr e c o g n i t i o na l g o r i t h m si m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f t h ea l g o r i t h ma n dg u a r a n t e ed i s c r i m i n a t i o nr a t e ( 6 ) t h e k e r n e lf e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o di sa d v a n c e d b a s i n g o nw a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n e x a c t l ys p e a k i n g , t h e r ea r et w os t e p s ，f i r s t l yp r o c e e d i n gat h r e e - l a y e r w a v e l e ta n a l y s e sf o ro r i g i n a lp d3 ds p e c t r o g r a ma n du s i n gw a v e l e tf e a t u r eo ft h e l o w - f r e q u e n c ys u b - g r a p ho fl e v e l3 ，h o r i z o n t a ls u b - g r a p h ，v e r t i c a ls u b g r a p hf o rk e r n e l f e a t u r ee x t r a c t i o n , t h e na d o p t i n gt h es e r i a lf e a t u r ef u s i o nm e t h o ds u g g e s t e di nt h ep a p e r t op r o c e e dc o n f l u e n c ew i mt h r e es u b - g r a p hf e a t u r ef o rp a t t e r nr e c o g n i t i o na n di m p r o v e t h ea c c u r a c yo f t h ep dp a t c e mr e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：g a s i n s u l a t e d s u b s t a t i o n , p a r t i a ld i s c h a r g e ，e x t e m a ls e n s o r , f i s h e r d i s e r i m i n a n t a n a l y s i s ，k e r n e l ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名张哌彩签字日期 2 “年f 胡7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞塞堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名张煅 签字日期：2 6 年i 胡7 日 导师签名：秒7 他 签字日期：卵二年c 多月 日 1 绪论 l 绪论 l ，l 研究g 1 s 局部放电检测及其模式识别的意义 气体绝缘组合电器( c a si n s u l a t e ds w i t c h g e a t ，简称g i s ) 是2 0 世纪6 0 年代中期 才出现的一种新型电器装置，它是把变电所里各种电气设备除变压器外全部组合 装配在一个封闭的金属外壳里，常充以o 4 o 5 m p a 的s f 6 气体，以实现导体对 外壳、相间以及断1 ：3 间的可靠绝缘i l 】。g i s 是由若干相互直接联结在一起的单独元 件，如母线、断路器、隔离开关、接地开关、避雷器、互感器等构成。气体绝缘 组合电器与传统敞开式高压配电装置相比，具有占地面积小、结构非常紧凑、安 装快、不受外界环境的影响( 如污染等) 、运行可靠性高、检修周期长、安装方便等 优点n 埘。 图1 1 重庆大溪沟2 2 0 k vg i s f i g1 1 2 2 0k vg i si nd a x i g o uc h o n g q i n g 随着城市建设规模的不断扩大和现代化发展，建设敞开式的变电站已显得困 难，由于g i s 结构非常紧凑，整个装置的占地空问大为缩小，其占地面积可4 , n 户外变电站的3 0 t 那，且随电压升高占地显著减小。因此国内大城市近年来在主 城区新建的变电站基本上都采用g i s ，以缓解城市建设用地紧张的矛盾，特别在城 市高密度建筑群中，更是受到使用者的青睐。 在现场安装后，经验收投运的g i s ，总的来说运行情况是良好的，但运行经验 重庆大学博士学位论文 表明【l 4 】，尽管g i s 设备运行的可靠性非常高，因其内部不可避免的缺陷仍会引发 故障并逐步扩大，常常导致重大事故的发生。根据c i g r e2 3 1 0t 作组国际调查 报告的统计数据【5 】，1 9 8 5 年以前日本投运的g i s5 6 2 次故障中绝缘故障占6 0 ， 1 9 8 5 年以后投入的g i s 的2 4 7 次故障中绝缘故障占5 l ，而且绝缘故障又较多发 生在较高电压的设备中g i s 电压等级越高，停电造成的损失越大，维修成本也越 高。 对于g i s 内部，由于制造时可能在电极上出现金属毛刺、绝缘介质中存在空 隙、安装运输时部件松动或接触不良引起电极电位浮动、运行中的绝缘老化、以 及各种情况下可能出现金属自由微粒等各种缺陷，都可能导致不同程度的局部放 电。长期的局部放电使绝缘劣化并逐步扩大，甚至造成整个绝缘击穿或沿面闪络， 从而对设备的安全运行造成威胁，导致设备在运行时出现故障，以至引起系统停 电旧 g i s 最通常的电气故障特征是在绝缘完全击穿或闪络前产生局部放电( p a r t i a l d i s c h a r g e ，简称p d ) p 朋。由于g i s 事故主要由绝缘故障引起，而绝缘故障早期的 主要表现形式是p d ，它既是引起绝缘劣化的主要原因，又是表征绝缘状况的特征 量。因此，通过开展对g i s 的p d 在线监测，可以在一定程度上发现许多内部存在 的缺陷，对保证g i s 的安全可靠运行具有重要的现实意义。 由于g i s 自身的特点，对其进行有效地局部放电检测有着很大的难度。如何 在现场伴有强大的电磁干扰情况下设法接收和传输这些微弱的局部放电信号，从 而进行g i s 内的局部放电检测的研究，显得非常重要唧。从s o 年代以来，如何提 供足够灵敏度的局部放电测量系统，并对缺陷类型进行分类以及故障定位，已成 为各国绝缘领域关注的热点。掌握g i s 内缺陷类型特征，区分各种缺陷类型，研 究其严重程度，这对于g i s 的检修工作有着十分重要的意义。 要准确地了解和掌握g i s 内缺陷类型性质和特征，有效的方法是对获得的局 部放电信号进行模式识别。大量的研究表明，不同的放电模式对绝缘的危害程度 不同。对于g i s 来说，内部的电晕放电和金属微粒虽然会导致瓯气体的分解，但 是由于绝大部分分解气体又复合成瓯和新的瓯气体不断补充，对其绝缘性能影 响并不大，只有缓慢的老化作用；但是发生在盆式绝缘子处的气隙、金属污染的 放电将会给绝缘造成不可恢复的损伤，甚至使整个绝缘系统在短时间内失效。因 此，g i s 局部放电检测及其模式识别的研究，对于保证g i s 的安全可靠运行，掌 握g i s 的绝缘状况及指导g i s 的检修工作有着十分重要的意义。国内外对g i s 局 部放电在线监测进行了大量的研究，并成为各国绝缘诊断领域研究关注的热点 1 1 0 - 1 6 。 2 l 绪论 1 2g i s 内部缺陷类型分析 造成g i s 内发生局部放电的原因是多方面的，引发绝缘故障的缺陷类型及故 障的平均分布1 7 1 如图1 2 所示。 图1 2g 1 s 内不同缺陷类型引发的绝缘故障率 f i g1 2 i n s u l a t i o nf a u l tr a t ec a u s e db yd i f f e r e n td e f e c ti ng i s o l s 中影响介质性能的缺陷主要有严重的装配错误、自由金属微粒、导体之间 电气或机械接触不良、固定微粒、绝缘子缺陷、s f 6 中混有水蒸汽等几类i l s ，下面 对这些缺陷分别进行分析 ( 1 ) 自由导电微粒 自由导电微粒是气体绝缘装置中最常见的缺陷，它是导致g i s 绝缘故障的主 要原因。这些微粒可能是制造或装配过程中未清洗干净而产生的遗留物，也可能 是机械装置动作过程中金属磨擦而产生的金属粉末。自由导电微粒的形状有粉末 状或片状或大尺寸固体颗粒等，它们能够在外电场作用下感应电荷以获得足够的 电场能量，并在电场力的作用下发生跳动或位移，如果电场足够强，自由导电微 粒获得的能量足够大，就完全有可能越过外壳和高压导体之间的间隙或移动到有 损绝缘的地方金属微粒运动的程度既取决于材料和形状，又取决外电场的强度 和作用时间等因素。当金属微粒接近而未接触到高压导体时，最容易表现的电气 特征是产生p d 现象。同时，金属微粒在迁移过程中和附着在绝缘子表面时也会产 生p d 现象，只是不同的运动形式所产生的p d 指纹谱图各异【1 9 , 2 0 l 。 ( 2 ) 固定金属突出物 固定金属突出物通常有两种存在形式：一是金属突起毛刺，二是金属微粒附 着在固体绝缘表面。它是因加工不良、机械破坏或装配时的相互擦刮而产生，通 常异常尖锐，以致在尖头突出部位形成绝缘气体中的高场强区。在稳态工作条件 3 重庆大学博士学位论文 下，这些高场强区所产生的电晕有时显得较为稳定，不一定会引起击穿。然而， 在快速暂态过电压下，譬如在操作过电压或雷电过电压下，往往会引发故障。另 外，绝缘子表面吸附的固体金属微粒，若是暂时粘在绝缘子表面，通常会移动到 低场强区而不发生p d ，但在某些情况下会长期地固定在绝缘子表面，作为固定金 属微粒，它粘贴在绝缘表面的作用类似于金属突起物。然而，绝缘子表面微粒有 以下几个主要不同特征： 绝缘子上的微粒有时在交接时并不存在，而是过一段时间才出现。有些微 粒起初可能并不危险，但由于机械振动和操作过电压引起的静电力，会有轻微的 运动并最终朝着危险的方向发展。 绝缘子表面的微粒会形成表面电荷聚集，从而在某种程度上加大了故障的 可能性。 微粒处的放电会导致绝缘子表面损伤，在工频场下产生表面树痕，最终出 现故障。 ( 3 ) 绝缘子缺陷 绝缘子缺陷有可能发生在绝缘子表面或内部。表面缺陷是由其它的缺陷类型 引起的二次效应，比如p d 产生的分解物、金属微粒或者绝缘气体中可能过多的水 气引起的破坏；在现场测试时，闪络产生的树痕在某种情况下也可以被视为绝缘 表面缺陷【1 1 1 。内部缺陷通常很小，常常是一些在制造过程中形成但又很难检测到 的缺陷，比如在制造过程中渗入的金属微粒、环氧树脂在固化过程中的收缩以及 环氧树脂和金属电极不同的热膨胀系数而出现的内部空隙和层离；由于装配误差， 导体的机械运动也可能给绝缘子造成损伤。 ( 4 ) 悬浮电位体 在g i s 内部，被广泛地用来改善危险部位的电场分布的屏蔽电极与高压导体 或接地导体间的电气连接通常是所谓轻负载接触( 即连接部分只传输很小的容性电 流) ，然而，一些连接部件在最初安装时虽然接触良好，但随着开关电器操作所产 生的机械振动会导致移位或随时间推移带来的老化，都有可能造成静电屏蔽体的 接触不良，从而出现浮动电位。同时，静电屏蔽体或导体连接点机械上的不良接 触又会加剧因静电力引起的机械振动，从而进一步导致接触不良，最终出现电极 电位浮动。对于大多数电位浮动的电极，所形成的等效电容在充电过程中会产生 p d ，并伴有较强的电磁辐射和超声波，同时，放电还会形成腐蚀性的分解物和微 粒，从而加速恶化，污染附近的绝缘表面直致造成绝缘故障。 ( 5 ) 微水含量 在实际设计中，g i s 中的高气压s f 6 绝缘气体添加某些少量其它气体( 如n 2 ) 有利于提高s f 6 的气体介质绝缘性能，但少量的微水混入会使s f 6 的绝缘性能大大 4 l 绪论 下降【l l 研。当温度下降时，微水就会出现凝露，结合其它混合物附着在固体绝缘表 面，影响绝缘表面的导电性 此外，有些影响绝缘性能的装配错误在交接试验时可能会被漏检，比如，只 做运输途中使用的袋装干燥剂，在组装时却忘了从g i s 部件中取出来。交接试验 时又没有被检测到，它虽然不会立即引起故障，但却对今后g i s 的运行带来隐患。 1 3g i s 局部放电检测的研究状况 在电场作用下，绝缘系统只有部分区域发生放电，两没有贯穿旅加电压的导 体之间，郾尚未击穿，这种现象称之为局部放电。对于被气体包围的导体附近发 生的局部放电，也可称之为电晕。 对g i s 局部放电现阶段研究结果表明：其放电脉冲具有非常快的上升前沿， 所激发的电磁能量在g i s 气室内来回传播；同时，微小的火花或电晕放电会使电 离气体通道发生扩散，产生超声压力波，出现被激励的原子发光致使s f 6 气体产生 化学分解物1 4 。因此，对应g i s 产生的p d 所诱发的许多物理和化学效应有很多检 铡的方法，大致可分为电检测法和非电检测法两大类1 2 1 矧。 1 3 1 非电检测法 非电检测法主要包括超声波测检测法、光检测法和化学检测法。 ( 1 ) 超声波检测法 g i s 的p d 超声波检测法是利用安装在g i s 外壳上的传感器来检测内部缺陷放 电时电子闻剧烈碰撞产生的超声波信号【, 2 3 1 。由于该方法对g i s 的运行没有任何 影响，因此，可对运行中的g i s 进行在线监测。超声波传感器主要有加速度和声 发射两种。超声波检测法的灵敏度不仅取决于p d 产生的能量，而且主要取决于信 号的传播路径。由于气体、绝缘子、外壳、导体及其它部件对超声波信号的传播 特性各不相同，声信号在g i s 中的传播相当复杂；同时，p d 形成的超声波所产 生的震动加速度很小，且信号随距离衰减很快，检测频率也低，在现场存在各 种强烈干扰的情况下，检测的灵敏度不高，但主要优点是可在g i s 外部进行测量， 适用于委托试验和周期性运行检查。 ( 2 ) 光检测法 光学方法是利用安装在g i s 中的光电传感器如光电二极管或光电倍增器进行 光测量来评价局部放电的强弱。由于光检测探头安装在g i s 内部，p d 火花伴随着 强烈的光辐射，检测系统几乎不受各种电磁干扰，灵敏度较高，因此，其主要优 点是能检测放电的位置。但s f 6 气体的光吸收能力随着气体密度的增大而提高， g i s 内壁光滑而引起的反射会带来影响，以及会出现检测“死角”，因此，这种方法 的准确性较低【2 ”。另外，对实际g i s 因有许多气室，所以需要大量传感器，检测 重庆大学博士学位论文 的成本高；同时，由于光检测法的技术复杂，g i s 的生产厂家一般不配备故障诊断 的光检测系统，用户不可能在运行的g i s 内部加装光检测传感器。因此，这种方 法不适合对已投运的g i s 进行p d 在线监测。 ( 3 ) 化学检测法 在局部电弧和放电的作用下，s f 6 气体将产生分解物。放电初期，分解物为金 属氟化物、s f 4 以及低氟化硫，它们极易与氧发生反应，在极短的时间内形成氟氧 化物，最稳定的是s o f 2 和s o , f 2 ，当放电发生在环氧材料附近时还会产生c f 4 4 ，6 1 。 由于s o f + 和s 0 2 f 2 很稳定，可用容器将气体样本带到实验室进行分析，也可在现 场用便携式气相色谱仪进行分析，检测出的分解气体灵敏度约在0 0 3 p p m 左右1 6 | 。 这种方法最初显得很有吸引力，在小容量的实验室测试中，大约5 0 小时后可 以测到1 0 到1 5 p c 的放电量【2 2 1 。但是，在g i s 中发生p d 时，诊断气体会被s f 6 气体强烈地稀释；g i s 中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量灵敏度；断 路器动作时产生的电弧又会引起误判断。因此，化学检测法只能反映g i s 中p d 的总体程度，加上无法精确测定p d 量，且测定时间较长，仅适合在实验室对 s f 6 气体特性进行研究。 1 3 2 电气测试法 电气测试方法包括常规的测量方法和超高频( u h f ) 方法。 ( 1 ) 常规的测量方法 1 ) i e c 6 0 2 7 0 标准推荐的方法 众所周知的i e c 6 0 2 7 0 标准推荐的方法刚，也称耦合电容法，是测量局部放电 的最常用方法。该方法要获得最大的灵敏度，测试系统必须良好屏蔽，且需要合 适的电容相匹配，这在进行单元测试时还可行，但对一个完整的g i s 来说很不方 便，另外，它不能进行局部放电定位且抗干扰能力差，不适宜现场使用。 2 ) 外被电极法 就是用贴于g i s 外壳上的电容电极来耦合由于内部放电而在导电芯上所引起 的电压变化【叫。优点是结构简单、易实现，但最小检测量受地线影响。 3 ) 测量通过地线的电流 当g i s 内部发生p d 时，在接地线上有高频微电流流过，因而可以在接地线上 安装高频微电流传感器对信号进行检测【叫该方法的优点是精心制作的传感器可 以在很宽的频率范围内保持很好的传输特性。由于g i s 通常是多处接地，流过接 地点的电流信号很小，加之接地处有时又不便安装电流传感器，给现场使用带来 不便；地线也会引入干扰。因此，实际中不宜采用在g i s 外壳接地线上安装高频 微电流传感器感应脉冲电流的方法来检测p d 信号。 4 ) 在绝缘子内预埋电极 6 i 绪论 可利用事先已经埋在绝缘子里的电极作为探头进行内部局部放电的测量1 2 5 1 。 因为预先埋入的电极处于金属容器内，所以抗干扰性能好、灵敏度高但必须在 制造时设计预埋电极，而且必须考虑预埋电极对绝缘子绝缘性能的影响。 ( 2 ) 超高频法 常规的电气测试方法用于g i s 局部放电检测时，或是干扰信号缺乏识别依据， 或是影响g i s 的正常运行，或者兼而有之。于是，超高频法应运而生，由于其突 出优点，目前已经成为研究者关注的热点，许多国家就此开展了广泛的研究，并 取得了较满意的结果。 超高频( d t r a - h i g hf r e q u e n c y , 简称法是近年来发展起来的一项新技术。 u h f 法测量的频率范围3 0 0 m h z 3 g h z 【拍删。随着p d 诊断技术的不断发展，u h f 法在英国、法国和德国进行了部分理论分析和实验研究，尤其是瑞士a b b 高电压 技术公司在5 5 0 k v 的g i s 试验装置中对删f 法的适用性与灵敏度进行了深入的研 究唧】，并与常规的脉冲电流法作了对比结果表明u h f 法具有灵敏度高、抗干扰 能力强、能进行局放源定位和识别绝缘缺陷类型等诸多优点。我国在近几年才开 展对g i s 局部放电u h f 法检测研究 6 , 9 - 1 0 ，并已取得了初步成果，但还未见较为满 意的装景投入现场使用 u h f 法的原理是利用装设的天线传感器接收由p d 陡脉冲所激发并传播的 u ：电磁波来检测p d 信号 3 4 - 3 7 1 。在g i s 高气压的s f 6 气体中，p d 总是在很小的 范围内发生，具有极快的放电时间特性，快速上升时沿的p d 陡脉冲含有从低频到 到微波频段的频率成分娜1 ；电力系统中的电晕放电脉冲持续时间较长、陡度较缓， 其等值频率一般在1 5 0 m h z 以下，同时在空气中传播时衰减很快因此，当g i s 中发生p d 时，可通过检测其发出的电磁波中3 0 0 3 0 0 0 m h z 信号来评价p d 情况， 从而避开常规电气测试方法中难以避开的电晕放电等最大的干扰，以提高检测系 统的信噪比。 g i s 的同轴结构对于电磁波的传播可等同于一个良好的波导，信号在其内部传 播时衰减很，j 、【3 9 1 。采用u h f 法检测g i s 中p d 信号的基础是p d 陡脉冲所激发的 u h f 电磁波在等效同轴波导中传播时，不仅以横向电磁波( t e m ) 形式传播，而且 还会建立横电波( t e ) 和横磁波( t m ) 【2 刀。由于u h f 电磁波可以从支撑g i s 内导体的 盆式绝缘子处泄漏出来，因此，在此处用外置u h f 天线可接收到泄漏出的电磁信 号( 图1 3 ) 。 7 重庆大学博士学位论文 图1 3g i s 的p d 外置天线检测示意图 f i g1 3 s k e t c ho f p dd e t e c t i o nu s i n go u t e ru h fa n t e n n a 在g i s 装置上用多个u h f 传感器检测接收到同一放电源产生的u h f 信号时 间差，然后根据这些时差和电磁波的传播速度可进行定位基于这一原理进行g i s 的p d 定位法，所要测量的信号时差通常在纳秒数量级，这不仅要求测量记录设备 具有很高的频带和采样率，还要求被测信号本身具有很陡的起始沿，方能读取纳 秒量级的信号起始时刻，u h f 及以上频段的信号正好满足这一要求。因此，采用 u l 盯法对p d 源进行定位的准确度是其它方法所不及的。 u h f 法的关键技术是研制高灵敏度的传感器，其传感方式有g i s 内置传感和 外置传感两类。内置传感器主要有圆盘传感器 1 6 , 4 1 1 、锥形传感器 2 9 , 4 2 等，具 有比较高的传感效率，同时，也有利于抗g i s 体外的干扰外置传感器主要有 屏蔽谐振环传感器 3 7 1 、双螺旋传感器【1 们、环型传感器【4 2 】、缝隙传感器1 4 3 l 、振 子传感器】等，它们在性能上各有优劣，使用上各有方便，国外研究的比较多 的是内置传感方法，传感器在g i s 制造时就已经安装好。 针对g i s 体内传感方法的局限，国内外研究了g i s 外置传感的方法。g i s 上通常有很多盆式绝缘子，置于连接法兰之间，使连接法兰之间存在绝缘缝隙， 宽度在几个厘米左右g i s 内部的超高频信号在经过法兰传播时，可以通过该 缝隙辐射到g i s 体外。因此在g i s 体外可以接收到这一信号，实现局部放电信 号传感化。g i s 体外传感方式，其检测系统独立于g i s ，检测时不需打开g i s 的任何部件，因此特别适合于