（高电压与绝缘技术专业论文）基于uhf方法的gis局部放电检测与仿生模式识别.pdf

p h d d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y g i sp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o na n db i o m i m e t i c p a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e do nu h fm e t h o d a u t h o r ：d a - p e n gd u a n a d v i s o r ：p r o f c a i x i ns u n p r o f x i u c h e nj i a n g s p e c i a l t y ：h i g hv o l t a g ee n g i n e e r i n ga n d i n s u l a t i o nt e c h n o l o g y s c h o o lo fe l e c t r o n i c s ，i n f o r m a t i o na n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y s h a n g h a i ，p r c h i n a a p r i l2 0 ，2 0 0 9 1 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 6 ：) 1 屿 醐：_ ) 年1 日 r 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密阢 ( 请在以上方框内打“”) 学位敝储躲渺鸭 日期：户刁“月彳日 指导教师签名：秀压 啸1 “月7 日 上海交通大学学位论文答辩决议书 所往 姓名 段人鹏学，0 0 6 0 31 2 0 0 3 岛也爪与绝缘技术 z 科 孙卅新络衔 备跚 指吁教l j | i i2 0 0 9 0 6 2 9 i ：潍企通人。弘u 价 * 楼| - 3 3 4 i i 秀i ：i f ! j f j j 地，j i 论文题h墟j ju h f 办法的g i sj t 郧披l l ：! 榆洲j f j 乍模式诌：则 投浆表决维粜：亏6 与( 川怠禁数吱，l j 委数j 移州委泌数)络坼绌沦：嘶匝过 _ 术通过 件；f 嗣i 决议： 论文以g i s 局放的u h f 检测及缺陷类型模式谚! 别为研究主题，论文的选题具有重要的 理论意义和潜在的戍j 丰| 价值。论文取得的土要创新成果如+ 卜： ( 1 ) 探；寸了g i s 巾热7 i ! 绝缘缺陷局部放电的放l 乜过程及表现形式。应埘p r o e 、x f d t d 、 m a t l a b 软件仿真研究了蝎放真实l 皂流信，激励作川卜g i s 中的虢式绝缘子、屏蔽电极、 冲日j l 筒以及断路器n 勺实酗：结构中电磁波的传橘特性，发现4 4 l 订j 绝缘缺陷激发的i b 磁波的幅 值、振荡衰减、包络波形等疗面存在明漫的笮异。 f2 ) 壤丁u h fj 0 放也络f ，j - ，i 了i ，提i j jj ，新的特征审问构造厅法降维算法。红时域波形。 特“e 、频域以及分和域j 0 挺墩j 7u h f 局放包络信i ，i 的3 7 个特i l ：参数捉j - ，u h f 瞄放包 络信号的牛善i i l = 一! 州构造乃法。以进的f _ | 通膨小波蚓倩滤波饽法减小j 7 滤波结累时信号序州k 度的敏感“_ c f 。提3j ，j ij j k p c a 疗法的新州核嘲数放粜优j - 观仃卡j ( 两数j j ：提出j ，相天 系毂陪降维锋汪：， ( 3 ) 首次将仿乍模式 。1 、1 制乃。- t ，4 l 入j i j 部放l 乜模式识别。洋细i f 论j ，j e 理论坫础0 实现方 法，r 将其一川j ig l s 绝缘缺陷类，弘f i 勺模式让：驯，取得r 较女，的谚坳俐i 聚。 沦文条理清楚格式规范理沦无误，仿真用l 实验结果i 可信。论史反映作者具有一竖实的 理论蘑础和i 系统的专、i 殳知吸，爿：具“较姓的独立：从书科研的能力。 答辩过科闱述清晰，f i i f 答问题正确。 经答辩委员会投票，| 叫意通过博- h ：学何论文答辩，建议授予i ：学睥十学f i 7 ：。 夕胪7 年易月 ) 日 i| 职务刎j 私小：称甲f 书签红 m 亿f ! i ii 州于 敦授 i ：海食通人。z 侥垓 答 獭凇伤 _ 。 蚕次 郁枞培 教授1 仁巧、i 也j 跌驰埘究院 增 委 委员i f ：i u j教授1 # 尔l 也) i 式翰1 ) j 歹c 院 g 钦豫 i ， w 厶 委员金之伶教授 ：海交通人。 籴乏彳幼 一 成 翟龛 i 委员竹焚 教授j ：海交通人。 见 签 委员 名 委员 秘i5于_ 二乍 讲师i ：海交通人 z 为饬 上海交通大学博士学位论文摘要 基于u h f 方法的g i s 局部放电检测与仿生模式识别 摘要 气体绝缘金属封闭开关设备( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r - g i s ) 也称作气体绝缘变电站 ( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n g i s ) ，以其结构紧凑、运行可靠、易于维护等优点而在电力 系统中得到广泛应用。但由于g i s 结构复杂、制造与检修工艺精细，使部分常规的预防 性试验方法难以有效实施，因此，g i s 一旦发生故障后果相当严重。为了及时掌握g i s 的绝缘状态，保证g i s 的安全可靠运行，国内外对g i s 局部放电检测技术开展了大量的 研究，其中超高频( u l t r ah i g hf r e q u e n c y - u h f ) 局部放电( p a r t i a ld i s c h a r g e p d ) 检测 方法具有优越的抗干扰性能与较高的检测灵敏度，成为近年来的研究热点。然而，到目 前为止，g i s 中的u h fp d 检测还是一个尚待深入研究的前沿课题，其难点主要包括： g i s 中p d 机理及其电磁波传播特性、稳定可靠的检测系统研制、u h fp d 信号特征空 间的构造与降维以及合理的缺陷类型模式识别方法等。 论文从g i s 局部放电机理、p d 实际电流激发的电磁波以及g i s 实际结构条件下电 磁波传播特性出发，通过g i sp d 检测试验，应用自主开发的u h fp d 检测系统获得了 大量试验数据，并在此基础上提出了u h fp d 包络信号的特征空间构造与降维方法，应 用仿生模式识别理论对g i s 中的典型绝缘缺陷类型进行了成功识别。 论文首先对g i s 中u h fp d 检测的国内外研究与应用现状进行了综述，概括阐述了 g i s 内部电磁波传播特性、u h fp d 信号分析模式、缺陷类型模式识别以及u h fp d 检 测系统的研究与应用等方面的研究进展及存在的问题。然后详细分析了g i s 中典型绝缘 缺陷引发的p d 的放电机理，并应用时域有限差分算法，以p d 实际电流脉冲作为激励 源，研究了g i s 实际结构对电磁波传播的影响。仿真结果表明，p d 实际电流脉冲与理 想高斯脉冲激励的电磁波在上升时间、振荡衰减以及频率成分方面都具有明显差异，而 且g i s 中的盆式绝缘子、三相共筒以及断路器等实际结构均会对电磁波产生幅值、频率 第1 页 一1 - 海交通大学博i ：学位论文 摘要 等方面的影响。然后，论文共设计制作了5 种典型绝缘缺陷模型，并分别在正泰公司生 产的1 2 6 k vg i s 与s i e m e n s 公司生产的2 5 2 k vg i s 上进行了局部放电u h fp d 检测试 验，应用自主研制的g i su h fp d 检测系统录取了大量试验数据。进而，论文以u h fp d 时域包络信号为分析对象，提出了改进的自适应小波去噪算法及特征空间构造方法，将 w e i b u l 分布参数及m e l 复倒谱系数引入特征空间，在时域、频域与分布域共提取3 7 个 特征参数。在此基础上，提出了改进的核主成分分析法与基于相关系数矩阵的降维算法， 同时引入基于粗糙集理论的属性约简方法，用于特征空间的降维。并指出了三种降维算 法的适用场合。 最后，论文将仿生模式识别理论首次引入局部放电模式识别领域，用于g i s 典型绝 缘缺陷类型的模式识别。该方法以“认识”及“同源连续性”为基点，完全打破了以往 基于“划分”的模式识别思想，具有崭新的特色。本文详细论述了仿生模式识别的基本 思想、理论基础与实现方法，在前人研究的基础上提出了新颖的理论解释与计算方法， 并与传统的b p 神经网络及支持向量机分类方法进行了比较，显示了仿生模式识别方法 的优越性。论文结尾，对全文进行了总结，并对下一步的研究工作作了展望。本文的研 究成果对于g i s 中局部放电机理、u h fp d 检测与缺陷类型模式识别及其对g i s 运行与 检修的指导都具有重要理论价值与现实意义。 关键词：g i s ，p d 检测，u h f ，特征空间，相关系数矩阵，降维，仿生模式识别 第页 譬 上海交通大学博士学位论文a b s t r a c t g i sp a r t i a ld i s c h a r g ed e t e c t i o na n db i o m i m e t i c p a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e do n u h fm e t h o d a bs t r a c t g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a ro rg a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n ) h a sb e e nw i d e l yu s e di n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s s u c ha s c o m p a c ts t r u c t u r e ，r e l i a b l e o p e r a t i o na n de a s ym a i n t e n a n c e a tt h es a m et i m e ，t h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e so fg i s i n c l u d i n gc o m p l e xs t r u c t u r e ，p r e c i o u sm a n u f a c t u r ea n dm a i n t e n a n c et e c h n o l o g i e sa n dt h e i n t e g r a t e dw a yt o i n s t a l lo fv a r i o u se q u i p m e n t s s ot h a tt h ec o n v e n t i o n a lp r e v e n t i v et e s t m e t h o d sa r eh a r dt oe f f e c t i v l yi m p l e m e n t t h e r e f o r e ，i nc a s eo fg i sf a i l u r ee v e n t ，i tw o u l db e v e r ys e r i o u s i no r d e rt oe n s u r et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fg i s ，as u b s t a n t i a la m o u n to f r e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h eg i sp d ( p a r t i a ld i s c h a r g e ) d e t e c t i o nt e c h n i q u e s a th o m ea n da b r o a d o n eu h f ( u l t r a - h i g hf r e q u e n c y ) p dd e t e c t i o nm e t h o d ，w h i c hh a s s u p e r i o ra n t i d i s t u r b a n c ep e r f o r m a n c ea n dh i g hs e n s i t i v i t y , h a sb e c o m et h er e s e a r c hf o c u si n r e c e n ty e a r s s of a r , u h fp dd e t e c t i o no fg i si ss t i l laa d v a n c i n gf r o n ti s s u et ob er e s e a r c h e dm o r e t h o r o u g h l y t h ed i f f i c u l t i e sm a i n l yi n c l u d et h ep dm e c h a n i s ma n dt h ep r o p a g a t i o no fe m w ( e l e c t r o m a g n e t i cw a v e ) i ng i s ，d e v e l o p m e n to fs t a b l ea n dr e l i a b l e d e t e c t i o n s y s t e m ， c o n s t r u c t i o na n dd i m e n s i o nr e d u c t i o no ff e a t u r es p a c eb a s e do nu h fp ds i g n a l s ，r e a s o n a b l e m e t h o d so fp a t t e r nr e c o g n i t i o nf o rd e f e c t st y p ei ng i s ，a n dl o n g - t e r ma c c u m u l a t i o no fd a t a f r o me x p e r i m e n t sa n dl o c a ls i t e s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep dm e c h a n i s ma n dt h e p r o p a g a t i o no fe m w e x c i t e db yp dc u r r e n tp u l s ei nr e a lc o n d i t i o no fg i s ，al a r g en u m b e ro f e x p e r i m e n t a ld a t aw e r ea c q u i r e db yt h ed e v e l o p e du h fp dd e t e c t i o ns y s t e mi n12 6 k va n d 2 5 2 k vg i sr e s p e c t i v e l y a f t e r w a r d s ，u s i n gt h ee v e l o p eo fu h fp ds i g n a l s ，t h ef e a t u r es p a c e c o n s t r u c t i o na n dd i m e n s i o nr e d u c t i o nm e t h o d sw e r ep r o p o s e d a tl a s t ，t h eb i o m i m e t i cp a t t e r n r e c o g n i t i o nw a su s e dt oc l a s s i f yt h et y p i c a li n s u l a t i o nd e f e c t s f i r s t l y , t h ec u r r e n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fu h fp dd e t e c t i o ni ng i sw a s r e v i e w e d t h er e s e a r c hs t a t u sa n dp r o b l e m sw e r es u m m a r i z e di n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i c so f 第页 上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t e m w p r o p a g a t i o nw i t h i ng i s ，u h fp ds i g n a la n a l y s i sm o d e l ，d e f e c t sp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，a s w e l la sd e t e c t i o ns y s t e mr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n a f t e r w a r d s ，t h ep dm e c h a n i s me x c i t e db y t y p i c a li n s u l a t i o nd e f e c t si ng i s w a sa n a l y z e d ，a n dt h ef d t d ( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ) w a su s e dt os i m u l a t e dt h ep r o p a g a t i o no fe m we x c i t e db ya c t u a lp dc u r r e n tp u l s ei nt h e a c t u a lg i sc o n s t r u c t u r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n c e so fr i s et i m e ，o s c i l l a t i o n a t t e n u a t i o n ，a sw e l la sf r e q u e n c yc o m p o n e n te x i s t e db e t w e e np dc u r r e n tp u l s ee x c i t i n ga n d i d e a lg a u s sp u l s ee x c i t i n g i na d d i t i o n ，t h ee x i s t e n c eo fb a s i ns p a c e r s h i e l d sa n dt h r e e c o n d u c t o r si na c t u a lg i ss h o u l de f f e c tt h ee w mp r o p a g a t i o ns u c h 鹳m o d e lt r a n s f e r s u b s e q u e n t l y , f i v ed e f e c tm o d e l sw e r ed e s i g n e da n ds e t i n12 6 k vg i sa n d2 5 2 k vg i s r e s p e c t i v e l y , t h r o u g hp de x p e r i m e n t s ，al a r g en u m b e ro fu h fp dd a t aw a sa c q u i r e db yt h e d e v e l o p e dd e t e c t i o ns y s t e m a f t e rt h a t ，a ni m p r o v e da d a p t i v ew a v e l e tt h r e s h o l dw a sp r o p o s e d t of i l t e rt h ew h i t en o i s ei nu h fp ds i g n a l s a tt h es a m et i m e ，an o v e lf e a t u r es p a c ew e r e p r e s e n t e dw i t h3 7f e a t u r ep a r a m e t e r s t or e d u c et h ed i m e n s i o no ft h ef e a t u r es p a c e ，t h e i m p r o v e dk p c a ( k e r n e lp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) a n dt h ep r o p o s e dc c m d r ( c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i xd i m e n s i o nr e d u c t i o n ) ，a sw e l la st h er s t ( r o u g hs e tt h e o r y ) w e r eu s e dt od e p r e s st h es a p a c ed i m e n s i o n t h et h r e ea l g o r i t h m sh a v et h e i ro w na d v a n t a g e s a n da c h i e v e do u t s t a n d i n ge f f e c t s f i n a l l y , t h eb p r ( b i o m i m e t i cp a t t e mr e c o g n i t i o n ) w a si n t r o d u c e df o rt h ef i r s tt i m ei n t o t h ef i e l d so fp dp a t t e r n r e c o g n i t i o n e v e ni n t oe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g b a s e do nt h e “u n d e r s t a n d i n g a n d “h o m o l o g o u sc o n t i n u i t y ”，b p rc o m p l e t e l yb r o k et h et r a n d i t i o n a l p a t t e mr e c o g n i t i o nm e t h o d sb a s e do n “d i v i s i o n ”w i t hn e wf e a t u r e s a f t e rt h ed i s c u s s i o no f b a s i ci d e a ，t h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no fb p r , an o v e la l g o r i t h mw a si m p r o v e dt or e a l i z e b p ra n dw a su s e dt oc l a s s i f yt h et y p i c a ld e f e c t s t h ec o m p a r i s o nw i t hb pn e u r a ln e t w o r ka n d s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ed e m o n s t r a t e st h es u p e r i o r i t yo fb p r f u r t h e rm o r e ，c o n c l u s i o na n d p r o s p e c tw e r ep r e s e n t e d t h er e s e a r c hr e s u l t s i nt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u e a n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rp dm e c h a n i s m ，u h fp dd e t e c t i o n ，d e f e c t sr e c o g n i t i o nr e s e a r c h a sw e l la sg u i d a n c eo fg i so p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e k e y w o r d s ：g i s ，p dd e t e c t i o n ，u l t r ah i g hf r e q u e n c y ，c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tm a t r i x ， d i m e n s i o nr e d e c t i o n ，b i o m i m e t i cp a t t e r nr e c o g n i t i o n 第页 上海交通大学博士学位论文 目录 摘要 目录 a b s 陌r a c t 第一章绪论 1 1 1 1 1g i s 局部放电及检测方法2 1 1 1g i s 的绝缘缺陷2 1 1 2g i s 局部放电的检测方法3 1 2g i s 局部放电u h f 检测及模式识别的研究现状。4 1 2 1g i s 局部放电u h f 检测系统一5 1 2 2u h fp d 信号的分析模式。1 3 1 2 3u h fp d 信号特征空间的构造与降维1 4 1 2 4 模式识别分类器的设计1 6 1 3 本文主要研究内容1 8 1 3 1 问题的提出1 8 1 3 2 课题来源1 8 1 3 3 本文主要研究内容与创新点1 9 第二章g i s 局部放电机理及g i s 实际结构对电磁波传播的影响 2 1s f 6 中的气体放电机理2 0 2 2g i s 典型绝缘缺陷的局部放电机理2 l 2 3g i s 局部放电实际电流信号激励条件下的电磁波传播特性。2 4 2 3 1f d t d 算法2 5 2 3 2g i s 局部放电电流实测信号。2 7 2 3 3g i s 局部放电电流实测信号激励条件下的电磁波传播特性2 9 2 4g i s 实际结构对电磁波传播的影响3 2 2 4 1 盆式绝缘子对电磁波传播的影响3 2 2 4 2 屏蔽电极对电磁波传播的影响3 4 2 4 3 电磁波在三相共筒g i s 中的的传播3 5 2 4 4 电磁波在g i s 断路器中的传播3 6 2 5 本章小结3 9 第三章g i s 典型绝缘缺陷的u h fp d 检测试验 上海交通大学博士学位论文 目录 3 1 试验系统设置。4 0 3 1 1 试验系统设置4 0 3 1 2 基于包络检波的u h f 放大器4 3 3 2g i s 典型绝缘缺陷的设计4 4 3 2 1g i s 筒底部的自由金属微粒。4 4 3 2 2 金属突出物4 4 3 2 3 环氧绝缘子内部气泡4 5 3 2 4 绝缘子表面的金属污秽4 6 3 2 5 浮动电极4 6 3 3g i s 局部放电u h f 检测试验4 7 3 3 1 试验步骤与注意事项4 8 3 3 2s i e m e n s 公司2 5 2 k vg i s 试验结果与分析4 8 3 3 3 正泰公司1 2 6 k vg i s 试验结果与分析5 l 3 4 本章小结5 4 第四章u h fp d 包络信号的特征空间构造 4 1 改进的小波阈值滤波算法5 5 4 1 1 小波阈值滤波的基本思想5 5 - 4 1 2 小波阈值滤波算法。5 6 4 1 3 小波阈值滤波算法的改进5 8 4 2u h fp d 包络信号特征参数的选取。6 l 4 2 1 时域脉冲波形特征参数6 2 4 2 2 频域特征参数6 3 4 2 3 新型分布特征参数“ 4 3u h fp d 包络信号特征空间的构造6 8 4 4 本章小结6 8 第五章特征空间的降维算法研究 5 5 上海交通大学博士学位论文 目录 5 3 基于相关系数矩阵的降维算法7 9 5 3 1 相关系数矩阵降维算法的基本思想7 9 5 3 2 相关系数矩阵降维算法的理论方法8 0 5 3 3 相关系数矩阵降维算法的实现。8 2 5 4 本章小结8 3 第六章仿生模式识别的理论基础与实现方法 6 1 仿生模式识别的基本思想8 4 6 2 仿生模式识别的理论基础8 5 6 2 1 事物的同源连续性规律8 5 6 2 2 高维欧氏几何学8 6 6 2 3 高维空间中的膨胀积运算8 9 6 3 仿生模式识别的实现方法9 0 6 3 1 超平面的求解9 l 6 3 2 超曲面与超多面体的求解9 l 6 3 3 仿生模式识别的实现步骤9 4 6 4 本：章小结9 6 第七章g i s 绝缘缺陷类型的仿生模式识别与比较 7 1 基于b p 神经网络的g i s 绝缘缺陷类型模式识别9 7 7 2 基于s v m 的g i s 绝缘缺陷类型模式识别1 0 0 7 3 基于b p r 的g i s 绝缘缺陷类型模式识别与比较分析1 0 1 7 4 本章小结1 0 3 第八章结论与展望1 0 4 8 1 本文主要结论1 0 4 8 2 研究展望1 0 5 参考文献。 攻读博士学位期间已发表或录用的论文 攻读博士学位期间参与的科研项目 致谢 1 0 6 1 1 9 1 2 1 1 2 2 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 以s f 6 为绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r - g i s ) 也 称封闭式组合电器或气体绝缘变电站( g a si n s u l a t e ds u b s t a t i o n - g i s ) 。它将断路器、隔 离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、部分母线、套管和电缆终端等 电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，用环氧树脂材料的盆式绝缘子作为绝缘支撑， 从而取代了以前的变电站内以裸导线连接各种电气设备、用空气作为绝缘的方法，其作 用相当于一个开关站。图1 1 ( a ) 、( b ) 分别为2 2 0 k v 敞开式变电站与2 2 0 k vg i s 变电站。 可见g i s 设备具有占地面积少、结构紧凑、电磁兼容性能好、运行安全可靠、易于维 护等一系列优点【l 儿2 1 。同时，g i s 的广泛应用也带来了一些新问题【3 】：结构复杂、 制造质量要求高；检修时间长，停电影响范围较大：检修工艺要求十分精细【4 】【胡； 因采用封闭式结构，使很多传统的预防性试验项目无法进行。 ( a ) 2 2 0 k v 敞开式变电站( b ) 2 2 0 k v g i s 变电站 图1 - l2 2 0 k v 敞开式与g i s 变电站 f i g 1 1 2 2 0 k vu n i v e r s a lo p e n - t y p ea n dg i ss u b s t a t i o n 绝缘缺陷与绝缘故障是影响g i s 安全稳定运行的最大威胁，通过局部放电 ( p a r t i a l d i s c h a r g e p d ) 检测发现g i s 的绝缘缺陷是一种科学有效的方法【6 】【7 】。对g i s 进 行p d 检测可以弥补耐压试验的不足【8 】，能够有效地发现其内部早期的绝缘缺陷，并能 对缺陷点进行定位，以指导检倒9 1 2 1 ，提高g i s 的可靠性。因此，g i sp d 检测，对保证 g i s 的安全可靠运行具有重要的现实意义。e q u a t i o nc h a p t e rls e c t i o nl 第l 页 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 1g i s 局部放电及检测方法 1 1 1g i s 的绝缘缺陷 表1 1 为投运的g i s 的故障统计情况，其中日本的情况是c i g r e2 3 1 0 工作组国际 调查报告的统计数据。由表中统计结果可见，绝缘故障是g i s 事故的主要原因，而且绝 缘故障多数发生在较高电压的设备中，绝缘击穿的后果比较严重，因而受到国内外的广 泛关注1 1 3 1 4 1 。 表1 1g i s 的故障统计情况与绝缘故障率 t a b l e1 1g i sf a u l ts t a t i s t i c sa n di n s u l a t i o nf a i l u r er a t e 地区时间故障次数绝缘故障率 1 9 8 5 年以前投运5 6 26 0 日本 1 9 8 5 年以后投运2 4 75 1 中国2 0 0 2 年51 0 0 上海2 0 0 5 年 6 5 1 l 接触不良 2 金属微粒 3 绝缘子缺陷 4 绝缘配合 5 与绝缘无关 6 受潮 7 固定突出物 8 未知故障 一 图l - 2g i s 内部不同缺陷类型引发的故障率 f i g 1 - 2 t h er a t eo ff a u l t sc a u s e db yd i f f e r e n td e f e c t si ng i s 引发g i s 故障的缺陷类型分布如图1 2 所示【1 5 儿怕l 。可见故障当中自由微粒及异物故 障、接触不良发生的故障、由于潮湿引起的故障以及绝缘子上发生的故障占多数。通常 情况下，g i s 中绝缘故障的发生发展过程都是从局部放电开始的，而局部放电则是由于 局部电场畸变引起的。g i s 中有可能引起电场畸变的主要绝缘缺陷包括：自由金属微粒、 第2 页 口凸口一 腓啷 骗慨弧帆 矾 3 3 2 2 l l 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 金属突出物、绝缘子气隙、绝缘子表面金属污染物、悬浮电极等【1 1 ，其示意图如图1 3 所示。因此，局部放电检测是g i s 绝缘状态监测与评估的有效手段。 图1 3g i s 中几种绝缘缺陷的示意图 f i g 1 - 3s e v e r a li n s u l a t i o nd e f e c t si n s i d eg i s 1 1 2g i s 局部放电的检测方法 局部放电发生时伴随有物理的、化学的、光的、电以及磁的效应。从原理上讲，上 述任何一种现象都可以用来揭示局部放电现象【l 7 1 。实用的g i s 的局部放电检测方法大致 可以分为以下五种： ( 1 ) 耦合电容法 又称为脉冲电流法，其基本原理是i e c 6 0 2 7 0 推荐的方法。该方法需要高质量的高 压电源与耦合电容器，通常作为g i s 的出厂试验及验收试验方法。而将该方法用于g i s p d 在线监测时，通过用贴在g i s 外壳上的电容电极来耦合由于局部放电而在导体芯上 引起的电压变化。该方法结构简单，便于实现，但应用于现场测量时，环境的电磁噪声 使局部放电信号难以识别，灵敏度也低，因此这种方法的推广受到了很大限制【1 8 】【1 9 】。 ( 2 ) 超高频法 g i s 的电场强度为几十甚至几百k v c m ，在局部放电发生瞬间的d u d r 很大。因此， g i s 局部放电的一个显著特点是电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒级，等值频率在 超高频( u l t r ah i g hf r e q u e n c y u h f ) 范围( 3 0 0 m h z