（电力系统及其自动化专业论文）gis局部放电在线监测和故障诊断技术的研究.pdf

时，它仍然可以分别提取出不同放电脉冲的特征参数，因此说这种方 法应用于提取局部放电脉冲的特征参数是十分有效的，其结果为故障 模式识别和故障定位奠定了良好的基础； 3 、 在实际g i s 局部放电模拟实验的基础上，通过对实验数据的分析，提 出了一种基于小波包分解和分形技术的绝缘缺陷特征提取方法。在一 致的信号采集长度和有效放电信号点数的情况下，分维数可以作为放 电信号的一种特征参数，因此对五种故障缺陷的实际放电数据进行分 形计算，从而得到分维数这个特征参数。考虑到其中两种绝缘缺陷的 分维数很接近，因而采用小波包分解技术，将时域内的信号进行4 层 小波包分解后，根据信号的采样频率和传感器的频带范围确定某几个 节点为特征节点，在这些特征节点上的分维数有很大的差别，从而可 以有效提取出分维数这个特征参数； 4 、提出了基于自适应谐振神经网络的g i s 内绝缘缺陷故障模式识别方 法。首先通过小波包和谱估计算法对采集信号去噪和抑制干扰，然后 用波形匹配算法提取出放电特征频率和衰减时问常数，再用小波包和 分形分析的算法提取出分形维数，结合检波信号中的放电次数、放电 相位和放电量等特征参数，综合作为自适应谐振神经网络的输入量， 实现g i s 绝缘缺陷故障模式识别。通过对五种g i s 绝缘缺陷实验中局 部放电数据的验证，可得到自适应谐振神经网络仅需要很少的样本数 量，就可以达到9 8 以上的准确识别率； 5 、设计了用于g i s 在线监测的实验室简易模型。系统包括u h f 传感器、 信号采集前端监测装置、光缆网络和后台服务器，该监测系统可以实 现确定g 1 s 绝缘故障的发生、故障模式识别和报警查询等功能。 综上所述，本论文从g i s 局部放电信号的去除噪声、抑制干扰、提取 特征参数、故障诊断、研究在线监测系统等方面做了较为系统的研究，取 得了。定的成果，在文章最后指出有待于进一步研究的问题。 关键词：局部放电，抑制干扰，特征提取，模式识别，超高频，g t s ，小波 包变换，波形匹配，谱估计，分形理论，神经网络，自适应喈振 r e s e a r c ho np a r t i a i ，d i s c i t a r g e o n l i n em o n i t o r 矾ga n dd e f e c td l a g n o s i s t e c h n o l o g yi ng i s a b s t r a c t 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 sb e e nw i d e l yu s e di np o w e re l e c t r i c a ls y s t e ma l l o v e rt h ew o r l db e c a u s eo fi t sc o m p a c ta n dc r e d i b l ec a p a b i l i t y , a n di t si n s u l a t i o n c o n d i t i o na f f e c t i n gt h es a f e t yo fe q u i p m e n ta n dt h es t a b i l i t yo fp o w e rs y s t e m p a r t i a l d i s c h a r g e ( p d ) c a nc a u s ep r o g r e s s i v ed e t e r i o r a t i o no fi n s u l a t i o na n de v e n t u a l l yl e a d t oc a t a s t r o p h i cf a i l u r eo f t h ee q u i p m e n t t h e r e f o r e ，o n l i n em o n i t o r i n go f p di so n eo f t h em o s te f i b c t i v em e a n st oi d e n t i f yw h e t h e ri n s u l a t i o nm a t e r i a l si sd e g r a d e di ne a r l y s t a g e h o w e v e r , p dp u l s es i g n a li s n o ta v a i l a b l ed i r e c t l yb e c a u s et h o s es i g n a l s c o l l e c t e df r o mg i si no p e r a t i o na r eu s u a l l ym i x e dw i t hc o n s i d e r a b l en o i s ea n d d i s t u r b a n c e si nd i f f e r e n tt y p e sa n dg e n e r a t e db yd i f f e r e n ts o u r c e s h e n c e ，i ti sd i f f i c u l t t oa n a l y z ep ds i g n a l s o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sn o te n o u g ht oe x t r a c tp dp u l s e so n l y ， w ew a n tt ok n o ww h a ti st h ep ds o u r c ea n dw h e r ei st h ep ds o u r c ei ng i s ，e v e nw a n t t ok n o wh o ws e r i o u si ti s a c c o r d i n gt ot h a ti n f o r m a t i o n ，w ec a nd e t e r m i n ew h e t h e r g i ss h o u l db eo u to fr u no rn o t b a s e do nm a n yk i n d so fm a t h e m a t i cm e t h o d s p ds i g n a l si ng i sa r ea n a l y z e d a n ds t u d i e di nt h i sp a p e r i tc o n c l u d e sm a i n l ys e v e r a la s p e c t ss u c ha ss u p p r e s s i n g i n t e r f e r e n c e s ，e x t r a c t i n gp dp u l s e s ，p a t t e mr e c o g n i t i o no fd e f e c t si ng i s ，a n ds oo n t h o s ea r ed e s c r i b e di nd e t a i la sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nt h em o d e ms p e c t r u me s t i m a t i o nt h e o r ya n dw a v e l e tp a c k e t sa n a l y s i s ，a n e wm e t h o di sp r o p o s e dt os u p p r e s sd i s c r e t es p e c t r a li n t e r f e r e n c e ( d s i ) w i t h i n p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l u s i n gt h ep r o p o s e dm e t h o d ，d s ic a nb es u p p r e s s e d e f f i c i e n t l ya n di t sp e r f o r m a n c ei sn o ta f f e c t e de v e nu n d e rt h e c o n d i t i o no f h a v i n gs a m ef r e q u e n c yo fd s ia n dp dp u l s e ，f u r t h e r m o r e ，a sl o n ga s d e t e r m i n e dt h ef r e q u e n c i e so fd s i ，t h ea s s u m i n gm o d e ld o e sn o ti n f l u e n c et h e s u p p r e s s i o ne f f e c t ，i e e v e nt h o u g ht h ea c t u a ld s i i su n k n o w n ，t h es u p p r e s s i o n e f f e c ti sa l s oi d e a l ，a n di tc a l lr e s e r v et h ec h a r a c t e r i s t i co f p dp u l s e s ，s u c ha st h e a m p l i t u d ea n dp o l a r i t yo fp d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h e c o r r e c t n e s sa n d e f f i c i e n c yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d ； ( 2 ) a n e we x t r a c t i o nm e t h o do f p dp u l s e su n d e r n o i s yc o n d i t i o ni sp r o p o s e d ，w h i c h u t i l i z e d m a t c h i n gp u r s u i t sw i t ht i m e - f r e q u e n c yd i c t i o n a r i e s t h ep r o p o s e d m e t h o di sb a s e d0 nl a p l a c ew a v e l e tw h i c hi st h eb e s tm a t c ho fp dp u l s e s t r u c t u r e s i nc o n t r a c tt ot h eo t h e rm e t h o d s ，t h ea p p r o a c hc a no b t a i nm a n y c h a r a c t e r i s t i c so fp d ，s u c ha st h et i m eo fo c c u r r e n c e ，f r e q u e n c yc o m p o n e n t ， a t t e n u a t i n gc o e f f i c i e n tb a s e do nw h i c hp dp u l s e sc a nb er e c o g n i z e dt ob ef r o m t h er e p e t i t i o u sd i s c h a r g eo fi d e n t i c a lp ds o u r c e ，o rt h er e s p e c t i v ed i s c h a r g eo f d i 仃e r e n tp ds o u r c e s t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e da s a t i s f a c t o r ye f f e c to f t h ee x t r a c t i o ns c h e m ef o rm u l t i p l ep ds o u r c er e c o g n i t i o n ； ( 3 ) c o m b i n i n gw a v e l e tt r a n s f o r mw i t hf r a c t a lt h e o r y , an e wm e t h o di sp u tf o r w a r d t oe x t r a c tc h a r a c t e r i s t i co fp ds i g n a li ng i s a c c o r d i n gt ot h et h r e s h o l dv a l u eo f e a c ht y p eo fi n s u l a t i o nd e f e c ti ne a c hf r e q u e n c yb a n d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et y p eo fi n s u l a t i o nd e f e c ta n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o ni se x p l o r e d ；a c c o r d i n g l y t h ee x t r a c t i o nc a nb er e a l i z e d f i v ed i f f e r e n td i s c h a r g em o d e l sa r ed e s i g n e dt o s i m u l a t ep do c c u r r i n gi n s i d eg i sa n dl a r g eq u a n t i t i e sd i s c h a r g es a m p l e sa r e a c q u i r e db yt h em o d e lt e s t s b ym e a n so ft h ew a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r ma n d f r a c t a l t h e o r y , h i g h e x t r a c t i o nd i s c r i m i n a t i v ee f f e c ti s a c h i e v e d ，m i l c h d e m o n s t r a t e st h ep r a e t i c a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d ； ( 4 ) a n e wo n l i n er e c o g n i t i o nm e t h o do fg i si n s u l a t i o nd e f e c ti sp r o p o s e db a s e do n a d a p t i v e r e s o n a n c et h e o r yn e u r a ln e t w o r k ( a r t n n ) c o m p a r e dw i t hb a c k p r o p a g a t i o n ( b p ) n n ，t h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha ss h o r t e r l e a r n i n gt i m e ，l e s st r a i n i n gs a m p l e s ，s t a b i l i z a t i o no fw e i g h t ，n ol o c a le x t r e m u m ， a n ds oo n t h ei n p u tv e c t o ri sc o m p o s e db yt h ec h a r a c t e r i s t i c s ：s u c ha st h e n u m b e r so fp d ，f r e q u e n c yo fp d ，q u a n t i t yo fp d ，p h a s eo fp da n dd a m p i n g c o e f f i c i e n to fp d t h es c h e m ei sv e r i f i e db yu t i l i z i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a d e r i v e df r o mt h ef i v es o r t so fg i si n s u l a f t o nd e f e c t s ，a n dt h ec o r r e c t n e s sc o u l d b eu pt o9 8 t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dc a nb ew i d e l ya p p l i e di no n l i n e r e c o g n i t i o no f g i si n s u l a t i o nd e f e c t s ( 5 ) a n o n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fg i si nl a bi s i m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r i t c o n t a i n su h fs e n s o r ，s i g n a lc o l l e c t i o nm o n i t o r i n ga p p a r a t u sa n db a c ks t a g e s e r v e r t h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mc a ni d e n t i f yt h et y p e so fi n s u l a t i o n d e f e c t si ng i s ，a n dg i v ea l a r m sa n dq u e r y a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，as y s t e m a t i c a ls u m m a r ya n df u t u r e s t u d ya r e g i v e n k e y w o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ，s u p p r e s sd i s t u r b a n c e ，c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o n ，p a t t e r n r e c o g n i t i o n ，u l t r a - h i g h 丘e q u e n c y ，g a s - i n s u l a t e d s w i t c h g e a gw a v e l e t p a c k e tt r a n s f o r m ，s p e c t r u m e s t i m a t i o nt h e o r y , w a v e f o r mm a t c h i n g ， f r a c t a lt h e o r y , n e u r a ln e t w o r k ，a d a p t i v er e s o n a n c et h e o r y 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： 裔蓖 日期：2 d 。6 年4 月f 日 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 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：菊燕 日期：2 6 年4 月5 - 日 指导教师虢研澎锯 日期：j n 名年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1g i s 在线监测和故障诊断的意义 六氟化硫( s f 6 ) 气体是一种具有高耐电强度和良好理化特性的绝缘气体，具备以下四 个特点：( 1 ) 耐电强度很高；( 2 ) 灭弧能力强：( 3 ) 通常不需要考虑液化的问题；( 4 ) 化学稳 定性好。由于s f 。气体具备以上四个显著的优势，近年来它在电力设备中越来越多地被 用作绝缘和灭弧介质，例如气体绝缘电缆( g i l ) 、气体绝缘变压器( g 1 t ) 、气体绝缘组合 电器( g i s ) 、中性点接地电阻器、标准电容器等等。 s r 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 ，g i s ) 是上世纪6 0 年代中期才出现的 。 一种新型电器装置，它将断路器、隔离开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、 避雷器、部分母线、套管和或电缆终端等电气元件封闭组合在接地的金属外壳中，以 s r 气体作为绝缘介质，g i s 内输电母线用环氧盆式绝缘子作为支撑绝缘，从而取代了 以前的变电所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，如图1 1 所示| 2 l 。 w w 希q s - - - - - - - - _ - t - - - 一 q s 斗斗 ol r j “i - - 。1 7 3 昕 ：# s 弘 l _ 川。 0 s 、u o l _ 1 厂_ 1 1 一母线w ：2 、7 一隔离开关q s ；3 、6 、8 地开关q ；仁断路器q f ； 5 一电流互感器t a ；9 电压互感器t v ；l o 一电缆终端 ( a ) 结构布置图；( b ) 主接线图 图1 - 12 2 0 k v 级g 1 s 的一个间隔 f i g 1 1ag i sc h a m b e ro f2 2 0 k v 由于g i s 具有空间体积小、占地面积少、不受外界环境影响、运行安全可靠、有 利于环境保护、配置灵活和维护简单、检修周期长等优点，加之在技术上的先进性和经 济上的优越性，现在已经广泛应用于城市供电、发电厂、大型： 矿企业、石油化工、冶 金和铁道电气化等高压输变电系统中1 3 j 0 第一章绪论 应用g i s 虽然有如上所述诸多的优点，但同时也带来了一些新的问题：f 1 ) g i s 结构复杂、质量要求高、制造及检修工艺繁多；( 2 ) g i s 虽然故障少，但是一旦发生 故障，后果相当严重；( 3 ) g i s 检修工作比较繁杂，时间长，其停电影响范围较大；f 4 1 g i s 检修工艺要求十分精细，稍有不慎就会造成检修质量问题5 1 。 因为g i s 在电力系统中起着重要的作用，它能否正常运行已经影响到整个电力系统 的安全和稳定，因此很有必要研究它的维修对策。为了提高高压电气设备运行的可靠 性，确保电力系统的正常稳定工作，各国都在竞相发展的故障检测及维修技术【6 】。纵 观历史，这项技术曾经历过故障维修( b r e a k d o w nm a i n t e n a n c e ，b m ) 丰i 定期维修( t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e ，t b m ) 的阶段。到上世纪5 0 年代，美国通用电气公司等提出要从 以时间为基准的维修方式发展到以状态为基准的维修方式，即状态维修( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ，c b m ) 。日本等国在7 0 年代左右也转向采用状态维修。c b m 的基 础就在于在线监测及诊断技术，既要通过各种检测手段来正确诊断被试设备的目前 状况，又要根据其本身特点及变化趋势等来确定相应的运行维修政策。 t b m 的基础是高压电气设备的预防性实验，而c b m 的基础是高压电气设备的 在线监测和诊断技术。在线监测可以提高电气设备的利用率，有助予t b m 向c b m 的转变，改善资产管理和设备寿命估计，利于故障原因分析。随着在线监测、模式 识别、计算机信息处理技术等的发展，g i s 从现行的t b m 向c b m 转变已成为必然 趋势8 1 。 目前在我国，g i s 的维修方式正在向状态维修c b m 方向发展，而在线监测和故 障诊断技术则是状态维修的重要依据，同时也是提高g i s 运行可靠性的基础。所谓 的g i s 在线监测是指g i s 在不停电、不脱离系统的运行状态下，利用技术手段对设 备绝缘等状况进行自动、连续的或定时的绝缘特性检测和监督，目的是为了了解和 掌握被监测设备是否处于正常运行状态，以便确定该设备是否需要检修，如何检修【9 】。 g i s 在线监测内容包括：( 1 ) 机械性能的在线监测。主要是监测g i s 中的断路器和 隔离开关的机械性能：( 2 ) s f 6 气体压力和密度的在线监测；( 3 ) 绝缘性能的在线监测等【1 0 】。 绝缘监测内容包括介质损耗、局部放电、漏电流等项目，但是由于g i s 结构上的特殊性， 很多监测项目无法实现，因此只有对g i s 局部放电的在线监测才能真正反映它的绝缘状 况【l “，国内外都对此进行了深入的研究。 根据c i g r e 2 3 1 0 工作组的国际调查报告，1 9 8 5 年以前投入的g i s 的5 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 1 ，绝缘击穿 的后果比较严重，因而受到国内外的关注i l ”。据2 0 0 2 年我国电力系统高压开关事故分 析报告所统计，5 起g i s 的事故均为绝缘事故，其中内绝缘对地闪络3 起、雷击过电压 1 起、拉杆断裂1 起，而且全部发生在1 1 0 k v 电压等级。 由以上的统计数据可以看出，在g i s 的事故中，绝缘事故占了很大的比重，因此要 第一章绪论 想对g 1 s 进行有效的在线监测，必须深入研究其绝缘性能以及对绝缘故障进行及时的蕊 测和诊断，才能真正实现状态维修，从而确保电力系统的安全可靠运行。 12g i s 局部放电及其在线监测技术 电力设备的绝缘系统中，只有部分区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间， 即尚未击穿，这种现象称之为局部放电i l “。它是由于局部电场畸变、局部场强集中，从 而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的l l ”。它可能发生在导体边上，也 可能发生在绝缘体的表面或内部。局部放电是种脉冲放电，它会在电力设备内部和周 围空间产生一系列的光、声、电气和机械的振动等物理现象和化学变化【l “。g i s 内部的 - 局部放电在空间产生电磁波，在接地线上流过高频电流，使外壳对地呈高频电压。同时 所产生的机械效应使管道内气体压力骤增，产生声波和超声波，并传到金属外壳上，使 外壳产生机械振动。另外，局部放电产生光效应和热效应可使绝缘介质分解。总之，这 些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以为监测电力设备内部绝缘状态提供 检测信号【l7 1 。 目前g i s 绝缘在线监测与诊断最有效的方法就是局部放电监测1 1 8 j 。局部放电既是 g i s 绝缘劣化的征兆和表现形式，又是绝缘进步劣化的原因i l 。由于绝缘击穿的后果 经常比较严重，因而受到国内外的关注1 2 0 】i 2 l j 。显然，对g i s 进行局部放电检测能够有 效地发现其内部早期的绝缘缺陷，以便采取措施，避免其进一步发展，提高g i s 的可靠 性。它还可以弥补耐压试验的不足，通过局部放电在线监测能发现g i s 制造和安装的“清 洁度”，能发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷、差错，并能确定故障位置，从而进 行有效的处理，确保设备的安全运行【2 “。因此，开展g i s 局部放电在线监测研究具有 十分重要的现实意义。 1 21 g i s 局部放电的产生原因 g i s 中有可能出现的主要绝缘缺陷如图1 2 所示，可以总结为以下几个方面【2 】【2 3 、g l s 高压导体 ( 导体袅面h气泡叫屯盆式 的裂纹等 绝缘于表面 4 7 地缘予绝缘于表面j 厂 腔壁表面跗游物7 。金属腔壁表面自由金属 翌!么! ! 1 2型兰堕壁， 图i 一2g i s 中几种绝缘缺陷的示意图 f i g i 一2s 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 第一章绪论 口 ( 1 ) 固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。 金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且较尖。在稳定的 工频状态下不引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压( v f t o ) 条件下则很 危险： ( 2 ) g i s 腔体内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和 运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，在 很大程度上运动与放电的可能性是随机的。当靠近高压导体且并未接触时，放电最 可能发生，且放电可能性比同样微粒但为导体上固定物时高1 0 倍左右； ( 3 ) 传导部分的接触不良。例如静电屏蔽和其它浮动部件。由松动或浮动部件产生的放 电可能大得多，通常易于检测，放电趋向于反复； ( 4 ) 绝缘子制造时造成的内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹，还包括或是因电极的表 。 面粗糙或是来自制造时嵌入的金属微粒。此外因环氧树脂与金属电极的收缩系数不 同，也会形成气泡和空隙。 这些g i s 的绝缘缺陷类型极有可能会在g i s 中产生局部放电现象【2 3 1 ，在绝缘体中 的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成电树枝，并最后导致绝缘击穿【2 。 1 2 2g i s 局部放电在线监测方法 g i s 的局部放电在线监测方法大致可以分为两大类型：电测法和非电测法，其具体 主要可分为以下五种方法： ( 1 ) 耦合电容法：又称为脉冲电流法【2 4 【2 5 1 ，它利用贴在g i s 外壳上的电容电极耦合探测 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。但是在 现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此这种方法的使 用推广受到了很大限制； ( 2 ) 超高频法1 2 6 j ：英国s t r a t h c l y d e 大学提出的超高频( u l t r ah i g hf r e q u e n c y ，u h f ) 法目前 已经成功应用到g i s 生产和运行中，它是一种利用超高频率信号进行局部放电监测 的方法。在u h f 法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收u h f 信号的天线， 所以u h f 法的原理与脉冲电流法是不同的”i 。它最主要的优点是高灵敏度，并能够 通过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行精确定位 2 8 1 。它对传感器的采集精 度和带宽要求很高，因此造价较高； ( 3 ) 超声波监测法1 2 9 1 ：由于g i s 内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声 音，因此可以用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。超声波法是 目前使用的除u h f 方法之外最成熟的局部放电监测方法。该方法抗电磁干扰性能 好，但是由于声音信号在s f 6 气体中的传输速率很低( 约1 4 0 m s ) ，且信号中的高频 部分衰减很快，信号通过不同介质的时候传播速率不同，且在不同材料的边界处会 产生反射，因此信号模式变得很复杂。它要求操作人员必须具有丰富经验或者受过 4 第章绪论 良好培训，另外长期监测时需要的传感器比较多，现场使用很不方便； ( 4 ) 化学监测法1 30 j ：通过分析g i s 中局部放电所引起的气体生成物的含量来确定局部放 电的严重程度，但是g i s 中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量；断路器 正常开断时产生的电弧产生的气体生成物，也会产生影响：脉冲放电产生的分解物 会被大量的s f 6 气体所稀释，因此就局部放电监测而言，化学方法的灵敏度很差； 另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用； ( 5 ) 光学监测法【3 l 】：光电倍增器可以监测到甚至一个光子的发射，但是由于射线被s f 6 气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现，该方法对于已知放电源位置的监测 比较有效，但不具备对故障的定位能力。并且由于g i s 内壁光滑而引起的反射所带 来的影响，造成灵敏度不高。 表1 - 1g i s 中局部放电监测方法的性能一览表 t a b 1 1c o m p a r i s o no f p d m o n i t o r i n gm e t h o d si ng i s 监测方法耦合电容法超滔频法超声波法化学法光学法 简单：灵敏度较灵敏艘高：可用灵敏度高；抗电磁 优点不受电磁干扰不受电磁干扰 曲于运行中设备二f 扰能力强 运行设备不能结构复杂；要求丰灵敏度差；不能长灵敏度差；需多 缺点造价高 使用；信噪比低富经验的人操作期临测个传感器 可达精度 5 p c 05 08 p c 5 0 0 k h z ： 夺手机干扰：窄带周期性干扰，频率为9 0 0 m h z 或1 8 g h z 等； 夺白噪声：包括各种随机噪声，如热噪声、地网噪声、配电线路以及继电保护信号线 路中由于耦合而进入的各种噪声等。 以上这些干扰信号主要通过2 种途径进入检测系统： 夺通过电磁耦合进入检测系统，因此检测系统应有很好的屏蔽，采用隔离或光电光纤 系统传输监测信号也可抑制干扰； 第一章绪论 口 夺检测系统本身产生的噪声，它和局部放电信号混叠在一起，用上述方法不可能抑制 这种干扰通道，而需采取其它措施。 干扰的抑制通常从干扰源、干扰途径、信号后处理三方面来考虑。直接消除干扰源 或切断相应的干扰路径是解决干扰问题最有效、最根本的方法。例如对于因系统设计不 当引起的各种噪音，可以通过改进系统结构、合理设计电路、增强屏蔽等加以消除；提 供一点接地，保证测试回路各部分良好连接，可以消除接触不良带来的干扰；清除现场 的孤立导体，可以消除浮动电位物体带来的干扰：通过电源滤波可以抑制电源带来的干 扰；屏蔽测试仪器，可以抑制因空间耦合造成干扰。但这些要求详细分析干扰源和干扰 途径，而现场一般不允许改变原有设备的运行方式，因此在这两方面所能采取的措施总 是很有限。而对于经电流传感器耦合进入监测系统的各种干扰，则需要通过各种信号处 理技术加以抑制。 现有的各种抗干扰技术主要可归纳为根据频域特征加以抑制的频域开窗法、根据脉 冲和干扰的时域特征加以抑制的时域开窗法和应用小波分析、根据放电脉冲和干扰沿小 波分解尺度的传播特性不同来提取放电信号的时频开窗法。在实际应用中往往更倾向于 根据干扰的类型来选择抗干扰方法。 ( 二) 数据的解释和绝缘故障模式识别 实际应用中，人们不仅关注能否从局部放电信号中诊断出g i s 综合绝缘状况，还希 望能从中获取更为详细的信息，例如绝缘劣化原因、故障类型、严重程度以及故障点位 置等等。因此必须识别出各种放电类型的特点，估算出放电强度，并进行局部放电点定 位。 如何从检测到的局部放电信号中判断局部放电类型以及g i s 的绝缘状况是在线监 测技术的难点之一。这方面国内外已经做了大量的研究工作，但是仍然没有很好的解决 这个问题。 1 3 课题的来源 宝山钢铁股份有限公司的变电站第一、二期工程使用日本东芝电气株式会社生 产的电气设备，其中包括2 2 0 k v 的g i s6 台和0 k v 的g i s4 5 台。自从1 9 8 2 年4 月投入使用到现在已经运行2 3 年的时间，按要求设备运行1 2 年之后就应该对其进 行解体检修，但是到目前为止只检修了其中的一小半部分，离全部g i s 解体检修完 毕的任务还差得很远。宝山钢铁公司变电站的三期工程投运了瑞典a b b 公司生产的 2 2 0 k vg i s6 台和1 1 0 k vg i s3 5 台，虽然投运时问不是很长，但也发生过p t 爆炸 事故，造成大面积的停电，给公司的生产运行造成了很大的经济损失。 目前第一、二期投运的1 1 0 千伏g i s 已经运行了2 3 年之久，虽然g i s 是耐用品， 第一章绪论 但是如何把握其工作状态还是一个令人头疼的问题。宝钢公司目前采用的维护方法 主要是每年随机抽检几台开关进行定期检查。根据定检的情况来判断和了解g i s 的 运行状态，这种维护方法随机性较大，检修项目的针对性比较差。同时由于没有早 期异常状态的检修手段，因此存在着对某些状态尚良好的设备进行过度维修、而某 些已经存在问题的设备缺乏维修的问题1 4 7 1 。g i s 的过度维修白白浪费人力和物力， 对设备只有害处没有好处。因此需要在第一、二期设备运行了2 3 年之后，逐渐向老 化状态过渡时，开展g i s 故障早期诊断技术的研究，为这些重要设备的安全运行配 备在线监测系统。通过监测确定设备的正确状态，方便维护和报警，这样就可以有 的放矢的安排检修，避免重大事故的发生。 g i s 从定期维护向状态维护方向发展是具有重要意义的【4 ”。目前随着故障诊断 技术的发展，电力设备状态检修逐步进入实用化，并由于存在巨大的经济效益而在 工业界引起了广泛的重视。国外已经在状态检修技术的研究和实践应用方面取得了 较为成功的经验，我国目前也在大力推荐和应用状态检修技术。要想实施状态检修 技术，设备的状态监测和故障早期诊断技术是关键所在。对于g 1 s 而言，目前我国 还处于起步阶段，g i s 监测系统还没有完善的产品可以提供，因此可能需要组合不同 的产品或者分步实施，同时因为g i s 在线监测系统耗资较大，动辄数百万的投资， 因此有必要进行改造前的可行性研究。由于供、配电系统的安全运行对于宝钢股份 公司的生产是至关重要的，因此该项目有着重要的生产意义和巨大的经济价值【4 。 鉴于以上问题，宝山钢铁股份有限公司与上海交通大学合作，共同研究】0 千 伏g i s 从定期维护向状态维护发展的相关技术，在对1 1 0 千伏g i s 调查、研究和试 验的基础上，研究状态在线监测方案。本论文就是研究其中的绝缘在线监测部分， 从局部放电信号的去噪、提取特征参数、故障模式识别几个方面入手研究g i s 的绝 缘在线监测和早期故障诊断技术。 1 4 本文的主要内容和章节安排 本论文对g 1 s 局部放电的在线监测做了一些数据采集、数据分析和绝缘故障模式识 别工作。 第一章是本论文总体的介绍，包括g i s 及其在线监测概述、产生g i s 局部放电的 原因、监测方法、近几年来国内外出现的新方法、新技术、在线监测中存在的问题、课 题的来源等；第二章主要内容是利用现代谱估计和小波包分析相结合的算法来对采集到 的信号中的周期性窄带干扰进行抑制，给出仿真和试验数据的抑制效果，并且与其他的 算法相比较，得出结论；第三章主要内容是利用波形匹配算法在混杂了噪声和干扰的信 号中提取局部放电脉冲的特征参数，包括精确的放电特征频率、放电发生时刻、阻尼衰 第一章绪论 减度等，并且分析了在多种放电同时存在的情况下，如何能够实现区分不同的放电源， 并且分离放电脉冲，从而为故障模式识别打下良好的基础；第四章主要内容是用分形技 术来计算各放电类型的分维数，得到的结果可以初步区分放电类型，同时还能够作为一 种特征参数输入到神经网络中精确识别放电类型：第五章是利用a r t 2 神经网络来明确 区分g i s 中绝缘故障的模式识别；第六章的主要内容是在一段g i s 实体上做绝缘缺陷 模拟试验，并且采集大量的超高频信号和检波信号，为各种算法奠定数据基础；第七章 给出了实验室内搭建的简易g i s 局部放电在线监测系统，其中包括整个系统的局部放电 数据的流向，详细讨论了在线监测系统的三大组成部分，给出了分布式监控系统方案， 最后还指出了目前系统存在的问题和后续的工作；最后一章是对整个论文的总结和有待 进一步研究的工作。 第二章窄带周期二f 扰的抑制方法 2 1 引言 第二章窄带周期干扰的抑制方法 局部放电在线监测是电力设备绝缘故障模式识别和诊断的基础，因此如何获得真实 有效的局部放电信号至关重要。设备运行现场存在各种干扰信号( 如1 2 4 所述) ，它 们给局部放电信号的提取带来很大困难，其中连续周期性窄带干扰( d i s c r e t es p e c t r a l i n t e r f e r e n c e ，o s 0 占：有很大成分，它包括无线电。播干扰( 频率范围 5 0 0 k - i z ) 、移动通 讯信号( 手机信号频率约为o 9 g h z 和1 8 g h z ) 等等。 针对这类干扰，国内外学者已提出了多种信号处理方法，如：快速傅立叶变换 ( f f t ) 1 5 0 1 、数字陷波器法【5 1 1 、自适应滤波法【” 1 5 3 i 、数学形态滤波法 5 4 i 、小波分析法、 基于熵阈值的小波包变换1 56 | 等。f f t 和数字陷波器方法虽然能在定程度