基于空间电场特征的复合绝缘子运行状态识别方法研究

韩学春,宋恒东,陈 轩,冯欣欣

(国网江苏超高压公司,南京 211102)

0 引言

作为电力系统中使用最多的电气设备之一,架空线路绝缘子[1-4]的运行状况直接影响电网的安全运行[5]。在污染、雨、雾、湿等环境的影响下,其绝缘性能可能降低,可能引起表面闪络,威胁电力系统的安全稳定运行[6-8]。虽然具有憎水性表面的复合绝缘子提高了耐污闪性能,但随着运行年限的增加,老化将影响其绝缘,进而发生严重沿面放电甚至闪络。随着特高压电网的建设,如何防止污闪一直是输配电设备绝缘研究的重点[9-10]。

为保证输配电外绝缘的安全稳定运行,国内外相关科研机构对绝缘子的运行状态监测[11-12]开展了大量研究,并在污秽度预测[13-15]、污闪研究、局部放电监测[16-18]、污闪预警等方面的运用中取得了很多成果[22-23]。目前工程实际中运用较多的绝缘子运行状态监测方法主要有:泄漏电流法、紫外脉冲法、红外成像法、局部放电检测法、声发射检测技术、图像识别技术等。例如,文献[24]选取泄漏电流有效值、波形、功率谱为特征量建立区段污闪预警。但该方法依旧存在一定不足,例如泄漏电流信号特征参量选择、污秽度评估算法及其对应的预警阈值设定尚无统一的定论,且泄漏电流监测使用传感器需要接触式安装等。

一些学者提出了非接触式电场检测方法并进行了相关研究[25],研究表明此为一种有效的方法,但目前针对污秽绝缘子空间电场特性的研究多基于数值仿真计算的方法[26-30]。例如,文献[26]以南方电网技术中心提供的±800 kV直流复合绝缘子样品模型为例,建立了一系列三维电场计算模型。结果表明:当污物变湿时,复合绝缘子的电压和电场分布特性严重畸变。文献[30]通过有限元计算研究发现瓷绝缘子的电场最大值随着污染电导率的增大而增大,使瓷绝缘子容易发生闪络。因此,通过空间电场的在线监测有望成为复合绝缘子污闪过程监测与预警的有效手段[26,29],但现阶段缺乏通过空间电场进行监测的有效试验成果。

为此,基于仿真和试验的基础上,提出空间电场的峰值、有效值和标准差,并结合温度、相对湿度组成五个特征量作为运行状态分类的特征量,建立一种基于空间电场特征的污秽绝缘子运行状态识别方法。

1 污秽绝缘子空间电场信号采集试验

1.1 试品

本试验采用人工污秽试验研究污秽绝缘子,染污方法选择固体层污法,选择FXBW-35/70复合绝缘子作为染污试品,试品的伞型结构如图1所示。试品参数如表1所示。

表1 试品参数Table 1 Test sample parameters mm

图1 试品Fig.1 Test sample

1.2 试验原理及接线图

图2 试验原理接线图Fig.2 Test principle wiring diagram

复合绝缘子周围空间中的电场强度通过D-dot传感器进行测量;此外,通过1欧姆的无感采样电阻增加泄漏电流测量用于与空间电场特征信号进行对比。

1.3 试验方法及程序

选取恒压升降法进行试验,通过超声波雾发生器对绝缘子伞裙表面的污秽层进行湿润。将电压均匀升至绝缘子的额定电压(20.2 kV),控制相对湿度大于95%,雾室温度在30 ℃～35 ℃。试验整个过程通过FDR-AX700型高清摄像机进行拍摄,实时记录样品从干燥、湿润到试品表面的电弧发展时的现象,同时记录对应示波器的波形数据。如果耐压40 min内未发生闪络,则测试停止。本试验中,泄露电流、空间电场和高清摄像同步触发,通过采样时间对比将三者试验结果关联。

2 污秽绝缘子空间电场时域特征分析

2.1 空间电场信号峰值特征

在试验过程中,保持超声波雾发生器和作用电压的稳定,空间电场信号通过示波器连续采样记录,图3为空间电场信号全体图。污闪过程中空间电场信号的监测从开始加压到耐压40 min结束,整个过程大致分为3个区段,干燥区、湿润区、局部电弧区。本试验以35 kV复合绝缘子试品、盐密为0.08 mg/cm2为例,每两分钟记录一次空间电场信号直到试验结束,在试验耐压的40 min内电场信号变化情况如图3所示。

图3 空间电场信号全体图Fig.3 Overall view of space electric field signal

图4为空间电场信号局部图。可将污闪放电过程空间电场峰值变化分为3个区段:分别为干燥区,湿润区,和局部电弧区。3区段的划分对于深入研究空间电场分布特性及研究局部电弧、电弧放电等过程提供一定的借鉴。

图4 空间电场信号局部放大图Fig.4 Partial enlarged view of space electric field signal

在试验加压的前几分钟内,空间电场峰值数值很小且处于干燥区,此时无放电发生(此时未打开雾化发生器);在进入湿润区后,伴随着污层的逐渐湿润,能听到微弱的电晕声,湿润区的空间电场信号峰值波动增大,其数值都大于10 mV(此时已打开雾化发生器,绝缘子伞裙表面已完全湿润);在局部电弧区可以观测到电弧时明时灭,此时空间电场信号峰值均大于50 mV,直至耐压试验结束(此时,伞裙表面已产生局部电弧)。

在3种不同盐密试验中(0.08 mg/cm2、0.15 mg/cm2、0.28 mg/cm23种盐密状态),其空间电场信号峰值的发展均明显存在这3个区段,并且盐密的仅仅影响3区段持续时间,不会导致区段类数的增加。即放电发展过程总是分为干燥区、湿润区、局部放电区,如图4所示,其中,始终是局部电弧区持续时间较长。建立空间电场信号的特征参数与绝缘子表面盐分密度,湿润程度和放电程度之间的关系,并提出相应的污染闪络预警措施才能有效地防止污闪。

2.2 空间电场波形特征

空间电场信号峰值变化可以划分为3个区段。以盐密0.08 mg/cm2为例,提取该盐密下对应3区段的空间电场波形图,如图5所示。

由于河道疏浚后相关配套工作未能及时跟上，部分建筑物老化、破损，加上原设计标准低，阻水、束水现象突出，极大影响了河道整体引排水功能，影响了农业增收、农民增效。

图5 盐密为0.08 mg/cm2的试品污闪放电部分区段波形Fig.5 Partial section waveform of pollution flashover discharge of test sample with salt density of 0.08 mg/cm2

由图5可知,(a)图反映了干燥区空间电场信号波形的发展变化,(b)～(d)图反映了湿润区空间电场信号波形变化,(e)～(f)图反映进入局部电弧区的波形片段。从图5(a)中可以看出在干燥区内峰值小于10 mV。当伞裙表面开始湿润进入湿润区时,有效值大小不一,此时有许多脉冲叠加。当随试验时间发展,波峰处尖峰更陡。进入局部电弧区后,其波形峰值明显增大至50 mV以上,波形特征大致与湿润区保持相似,但试验过程伴有间断的放电声且出现零休现象。

所有不同盐密在试验过程中采样记录的空间电场信号波形均呈现图5所示的波形特性,即明显的区段特性。反复试验结果表明,污闪过程中空间电场波形特不因盐密的改变而变化。掌握3区段空间电场波形的变化特点,可直接直观判断污秽绝缘子污闪放电阶段。

综上所述,在干燥区,空间电场波形基本为周期性正弦波,峰值小于10 mV;在湿润区,波形呈现近似三角波或尖利三角波,峰值大于10 mV且小于50 mV;在局部电弧区,波形特性近似湿润区,峰值很大且大于50 mV。空间电场时域波形的区段特征明显,为污秽绝缘子污闪放电发展过程提供不同区段的参考和帮助,有一定的推广性。

3 基于空间电场特征的污秽绝缘子运行状态识别方法

3.1 特征值选取

污秽闪络发展的各个阶段都可以反映在空间电场信号的变化之中,通常污秽越重,则空间电场信号有效值越大。

随着污秽层进一步湿润,伞裙表面的泄漏电流加大,污秽表面出现干带且局部电弧产生,空间电场畸变加重,反映在空间电场上就是脉冲的大小,也即空间电场信号的峰值大小,污秽越重则空间电场峰值也就越大。

空间电场有效值标准差则反映脉冲数目的多少,脉冲数目越多则标准差就越大。为此提出空间电场信号峰值、有效值和标准差3个特征量,即

(1)

(2)

Eemax=max(Ee(i))

(3)

(4)

式中:e(t)是空间电场时域瞬时值;T为采样周期;t为采样时刻值;N为采样点数;Ee(i)为有效值;Em为有效值均值;σ为标准偏差;Eemax为各采样周期内的空间电场峰值。σ从另外角度对比空间电场采样值与均值的偏差程度,也即试验过程中空间电场的分布离散程度。3个特征量互为补充,从不同角度描述当前空间电场的分布特性。除此之外还受温度℃、相对湿度RH的影响,综上,本研究选取空间电场信号峰值、有效值、标准差、温度和相对湿度五个特征量作为算法输入特征量,输出为污秽绝缘子运行状态,特征提取以形成样本数据的流程如图6所示。

图6 特征值样本数据处理流程Fig.6 Processing flow of characteristic value sample data

随着耐压试验的进行,空间电场信号由正弦波向三角波变化,幅值增长较快。提取污秽绝缘子原始特征量作为状态识别样本的输入,并将污秽绝缘子运行状态分成干燥区、湿润区、局部电弧区3个阶段,作为污秽绝缘子运行状态识别的输出。

根据复合绝缘子污秽放电的发展过程,将其运行状态分为3种模式,即1为干燥模式,2为湿润模式,3为局部放电模式。通过绝缘子污秽放电试验,收集801组污秽绝缘子运行状态的数据样本,其中1类样本80组,2类样本200组,3类样本521组。基于样本数据,由随机森林算法随机选取100组样本数据作为训练和测试的样本数据,其中1类样本20组,2类样本40组,3类样本40组。样本数据的80%进行分类器的训练,20%的数据测试污秽绝缘子运行状态分类模型的准确性,具体分类流程如图7所示。

图7 随机森林数据分类流程Fig.7 Classification process of random forest data

运行状态输出量为复合绝缘子污闪放电3个阶段,对应的输出域为Y={1,2,3}。

3.2 识别结果及分析

通过MATLAB运行科罗拉多大学开发的randomforest-matlab开源工具箱进行随机森林算法运算,如表2所示为20%的测试样本数据。

表2 算法测试样本Table 2 Algorithm test samples

图8为随机森林下真实值与测试值的对比,以20%样本数据(共计100个特征量)作为测试样本投入训练过的随机森林分类器中,得到每个样本的运行状态作为输出结果。

图8 随机森林下真实值与测试值对比图Fig.8 Comparison between real value and test value under random forest

由图8可知,输出{1,2,3}分别代表干燥区、湿润区、局部电弧区,比较其分类结果可以发现,在20组样本数据中,共有1个样本被预测错误(1个湿润区被错分为干燥区),预测正确率为95%。整体上可以实现对污秽绝缘子运行状态的高准确分类,也表明随机森林用于分类及模式识别问题中具有较好的性能。

4 结论

为实现污秽绝缘子运行状态分类,提出一种基于空间电场特征的污秽绝缘子运行状态识别方法。主要内容与结论如下:

1)试验研究发现污秽闪络整个放电过程中空间电场信号峰值有3个明显的变化区间:干燥区、湿润区、局部放电区。且盐密大小只改变了3区段持续时间的长短,并没有改变3区段存在的事实。

2)污闪过程中空间电场波形特征不因盐密的改变而变化,且空间电场时域波形的区段特征明显。因此掌握3区段空间电场波形的变化特点,为污秽绝缘子污闪放电发展过程提供不同区段的参考和帮助。

3)基于不同运行状态下空间电场波形的区别,提出基于空间电场的峰值、有效值和标准差,并结合温度、相对湿度组成五个特征量作为运行状态分类的特征量。结合随机森林算法和运行状态的特征量,提出运行状态分类的随机森林分类流程。

4)在MATLAB中运行空间电场特征的识别算法,并按8∶2的比例形成训练样本和测试样本,结果表明本研究提出的空间电场特征的识别方法对污秽绝缘子运行状态可以进行可靠的分类,正确率为95%。