CN103558528B - 一种局部放电超高频检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部放电超高频检测系统及方法，该系统包括上下配合安装的高压套管和盘式绝缘子，安装在所述盘式绝缘子一侧的传感器，安装在所述盘式绝缘子另一侧的充放气装置，依次连接在所述高压套管和盘式绝缘子与传感器之间的水电阻、高压试验变压器、同步变压器和局部放电检测仪，以及连接在所述高压套管和水电阻的公共端与地之间的分压器。本发明所述局部放电超高频检测系统及方法，可以克服现有技术中可靠性低、错判率高和适用范围小等缺陷，以实现可靠性高、错判率低和适用范围广的优点。

Description

一种局部放电超高频检测系统及方法

技术领域

本发明涉及三相共筒式气体绝缘开关设备(GIS)技术领域，具体地，涉及一种局部放电超高频检测系统及方法。

背景技术

气体绝缘开关设备(Gas lnsulated Switchgear，简称GIS)是特高压电网中的重要组成设备之一，它将一座变电站中的断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、隔离开关、接地开关、母线、电缆终端、进出线套管等优化设计后分别装在各自密封间中最后集中组装在一个充以SF6作为绝缘介质的整体外壳中。

GIS内部影响绝缘介质性能的缺陷主要有:严重的安装错误、导体之间接触不良、高压导体突出物、固定微粒、绝缘子缺陷、蒸气等。对GIS缺陷检测的主要方法为超高频法，GIS的电场强度为几十甚至几百kV/cm，在局部放电发生瞬间的du/dt很大。因此，GIS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(Ultra High Frequency-UHF)范围(300MHz～3GHz)，而且会激发出电磁波。由于GIS的同轴结构，电磁波不仅可以在GIS内部传播，而且可以透过盆式绝缘等非金属部件泄漏到GIS外面。超高频法的基本原理就是使用UHF天线来检测GIS局部放电产生的电磁波。它最主要的优点是灵敏度高，抗干扰能力强，并能够根据电磁波从放电源到不同传感器的时间差对放电源进行定位。它对传感器的设计、阻抗匹配、放大器的带宽和噪声抑制要求很高，同时要求有多通道宽带数据采集系统。

GIS的发展趋于三相共筒化、复合化和智能化，由于实现了小型化，可在工厂内进行整机装配和试验合格后以间隔的形式运达现场，因此可缩短现场安装工期，同时可靠性又得到了提高。三相共筒式GIS在内部结构，电场分布等方面与共轴式GIS有着明显的不同，现有技术研究主要集在共轴式GIS，但对于三相共筒式超高压GIS局部放电检测模式识别的研究较少。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可靠性低、错判率高和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种局部放电超高频检测系统，以实现可靠性高、错判率低和适用范围广的优点。

本发明的第二目的在于，提出一种局部放电超高频检测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种局部放电超高频检测系统，包括上下配合安装的高压套管和盘式绝缘子，安装在所述盘式绝缘子一侧的传感器，安装在所述盘式绝缘子另一侧的充放气装置，依次连接在所述高压套管和盘式绝缘子与传感器之间的水电阻、高压试验变压器、同步变压器和局部放电检测仪，以及连接在所述高压套管和水电阻的公共端与地之间的分压器。

进一步地，以上所述的局部放电超高频检测系统，还包括与所述局部放电检测仪连接的监测显示装置；

所述监测显示装置，用于对三相共筒式GIS局部放电参数设置、参数列表显示、数据分析、报警、缺陷类型模式识别、数据保存及历史查询进行显示。

进一步地，所述监测显示装置包括数据分析模块和模式识别模块，其中；

所述数据分析模块，基于相位分析模式提取三相共筒式GIS局部放电信号特征量；所述三相共筒式GIS局部放电信号特征量，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值数Pe，并在数据分析界面显示分析结果；

所述模式识别模块，是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别；在模式识别模块中采取的是特征参数法，通过提取特征参数来判断缺陷；所述特征参数，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值Pe。

进一步地，所述局部放电仪，包括依次连接在所述同步变压器与传感器之间的存储模块、信号处理模块、数据采集模块和高频放大模块，以及与所述信号处理模块连接的通信模块。

进一步地，所述分压器，包括串联在所述高压套管和水电阻的公共端与地之间的第一电容和第二电容。

同时，本发明采用的另一技术方案是：一种与以上所述的局部放电超高频检测系统相匹配的局部放电超高频检测方法，包括以下步骤：

步骤1：检查高压电源能够正常工作、且在使用前处于关闭状态，并检查局部放电超高频检测系统完好无损、且在检测前已可靠接地；

步骤2：将待检测绝缘缺陷模型放置到局部放电超高频检测系统内部，密封装配后，对充放气装置进行充气处理，对局部放电超高频检测系统接线；

步骤3：对局部放电检测仪进行标定，视在局部放电量为5pC或50pC；通过监测显示装置设置局部放电检测仪的参数；

步骤4：缓慢升高电压，根据局部放电情况进行处理；当出现局部放电时停止加压，记录起始电压与视在局部放电量；

步骤5：检测结束时，缓慢降压，关闭高压电源，拆除系统接线；回收充放气装置中GIS缺陷气室的SF6气体，取出GIS内部的绝缘缺陷模型。

进一步地，在步骤2中，所述对充放气装置进行充气处理的操作，具体包括：

将充放气装置进行清洁干燥处理，抽真空，再充入氮气进行清洗，清洗结束后充入4个标准大气压SF6，静置一段时间使其稳定后即可进行试验，使用SF6气体回收充放气装置对GIS各个气室抽真空至100Pa以下，对充放气装置中GIS各个气室充入高纯度的SF6气体至0.4-0.6Mpa。

进一步地，在步骤2中，所述对局部放电超高频检测系统接线的操作中，接线顺序为：先接地线侧，后接高压侧，先接主回路，后接测量回路。

进一步地，在步骤4中，所述根据局部放电情况进行处理的操作，具体包括：

如果能够保持相对较为稳定的局部放电，则及时用局部放电检测仪保存检测的数据；若局部放电很快消失，则再升高电压，至局部放电出现；

记录局部放电数据，将局部放电数据上传至监测显示装置，监测显示装置进行特征参数计算和模式识别；所述特征参量包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值数Pe；所述模式识别是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别。

进一步地，在步骤5中，所述拆除系统接线的操作中，拆线顺序为：先拆高压侧，后拆接地侧，先拆测量系统，后拆高压系统。

本发明各实施例的局部放电超高频检测系统及方法，由于该系统包括上下配合安装的高压套管和盘式绝缘子，安装在盘式绝缘子一侧的传感器，安装在盘式绝缘子另一侧的充放气装置，依次连接在高压套管和盘式绝缘子与传感器之间的水电阻、高压试验变压器、同步变压器和局部放电检测仪，以及连接在高压套管和水电阻的公共端与地之间的分压器；可以克服现有技术的缺陷，提高三相共筒式超高压GIS局部放电检测的准确性；从而可以克服现有技术中可靠性低、错判率高和适用范围小的缺陷，以实现可靠性高、错判率低和适用范围广的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明局部放电超高频检测系统的结构示意图；

图2为本发明局部放电超高频检测系统中局部放电检测仪的工作原理示意图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-水电阻；2-高压试验变压器；3-同步变压器；4-传感器；5-盘式绝缘子；6-高压套管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中存在的缺陷，根据本发明实施例，如图1和图2所示，提供了一种局部放电超高频检测系统及方法，即三相共筒式气体绝缘开关设备局部放电超高频检测系统及方法。

系统实施例

本实施例的局部放电超高频检测系统，包括高压试验变压器(如高压试验变压器2)、水电阻(如水电组1)、分压器、同步变压器(如同步变压器3)、三相共筒式气体绝缘组合电器(GIS，即高压套管6和盘式绝缘子5)、传感器(如传感器4)、局部放电检测仪、监测显示装置和充放气装置，高压试验变压器通过水电阻连接分压器和三相共筒式气体绝缘组合电器，传感器采集的局部放电信号接入局部放电检测仪；监测显示装置与局部放电检测仪通信连接，监测显示装置包括数据分析模块和模式识别模块，监测显示装置用于对三相共筒式GIS局部放电监测显示、参数设置、参数列表显示、数据分析、报警、缺陷类型模式识别、数据保存及历史查询等功能，并且最大限度地实现易维护性、运行稳定性和安全可靠性；充放气装置与三相共筒式气体绝缘组合电器连接，用于对GIS进行充放气操作。为保证试验顺利安全进行，每次做完缺陷试验后需要进行SF6处理，通过充放气装置单独对SF6进行充放气操作，做局部放电试验时三相共筒式GIS腔体内充以0.5MPa的SF6气体。

其中，气体绝缘组合电器，包括高压套管、盘式绝缘子。局部放电检测仪，包括依次连接的外置传感器、超高频放大器、高速数据采集系统、信号处理单元、存储单元、通信单元以及多根同轴电缆，信号处理单元通过通信单元将检测数据上传至监测显示装置。

在上述实施例中，局部放电检测仪可以进行局部放电信号的电压、频率测量，且同时将检测数据上传至监测显示装置，在监测显示装置显示局部放电值、测量图形、测量频率、电压；利用局部放电检测仪完成三相共筒式GIS典型绝缘缺陷的局部放电检测试验，对每种放电记录多组局部放电信号。外置传感器可以采用圆盘式结构，试验中传感器紧紧贴在图1中的盘式绝缘子外侧，这样可以很好地接收到绝缘子连接处泄露出来的超高频信号。

在上述实施例中，监测显示装置能实现对三相共筒式GIS局部放电监测显示、参数设置、参数列表显示，数据分析报警，缺陷类型识别，数据保存及历史查询等功能；并且最大限度地实现易维护性、运行稳定性和安全可靠性。监测显示功能，读取局部放电检测仪的检测数据在主界面上显示监测数据波形；设置功能，在监测显示装置中，用户可以对局部放电检测仪进行参数设置，如设置采样频率等；数据分析功能和报警功能，数据分析模块，基于相位分析模式提取三相共筒式GIS局部放电信号特征量，如偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc、局部峰值数Pe等，并在数据分析界面显示分析结果。模式识别模块，在模式识别模块中采取的是特征参数法，通过提取特征参数来判断缺陷，这些参数包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc、局部峰值Pe等；模式识别模块是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别。若设备发生异常，则软件自动报警。此外，用户还可以对进行、历史查询、设置密码等操作。

监测显示装置，在得到特征参数后利用基于簇思想的K近邻分类法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别。K最近邻方法其基本思想是：给出测试文档，系统在已经分类好的训练集中查找与其最近的K个邻居，根据这些邻居的类别分布情况获得测试文档的类别。其中可以用这些邻居与测试文档的相似度进行加权，从而获得较好的分类效果。所谓簇，意思就是一类具有相似性质的文本的集合，本实施例把训练集中属于同一类别的文本之间距离最大的那些局部放电信号数据子集合认为是一个簇，因此，算法可以描述如下：

Step1：在训练集中，首先将所有局部放电数据进行预处理映射成为空间向量；

Step2：从第一个类开始，对属于这个类别的所有信号数据进行两两相似度计算，可以设定一个最小阈值，根据统计可以获得相似度十分接近的一个个簇；

Step3：对于每一个簇，将其中的所有信号数据合并，然后计算它的中心向量，此外，计算簇个数/类别总数，这个值代表此簇对这个类的贡献系数，记作C；

Step4：当新文本到来后，进行预处理取得它的向量空间；

Step5：将新文本的空间向量与Step3所生成的每一簇的中心向量计算距离，选取K个，将这些距离与对应簇的贡献系数相乘，属于同一类别的簇计算的结果相加，比较得到最大的那一类别被认为就是待分类典型缺陷局部放电所属类别。

这个算法的基础是如何找出同一类别中的哪些文本属于同一簇，以下给出找出同一类别簇的生成簇算法思想：假设类别：

c＝{d1，d2，……，dm}

Step1：设定一个相似度的阈值a；

Step2：首先创建一个簇，记作T0，用Ki记录簇内所包含的文档数量，total记录创建的簇数量，初始化已处理文档i＝2；

Step3：从di开始；

Step4：与Tn中的第一个文本进行相似度计算得到值s；

Step5：如果s>＝a，且Tn中还有未与此样本进行比较的样本，那么继续进行相似度计算并更新s；如果没有未比较样本，那么将此数据加入到簇Tn中去；如果s<a，如果有其它未比较的簇，则n++，返回Step4；如果没有未比较的簇，那么创建新簇，记为T++total；将此文档归为T++total簇中；

Step6：如果i！＝m，那么i++；返回Step3；否则，结束。

为了克服最近邻法错判率较高的缺陷，将最近邻推广到K近邻，K近邻法不是选取一个最近邻进行分类，而是选取离待分类文本最近的K个代表点，然后根据这K个代表点的类别信息来确定待分类文本的类别。

对于特征参数矩阵，一半样本用于训练K近邻分类器，另一半用于测试分类器的性能。本发明在C语言软件环境下编写了程序文件，实现分类器的设计、训练及分类识别测试。由于本发明设计的分类器的输出并不象BP神经网络一样以某点为中心呈分散状分布，而是对应于4类GIS缺陷类型，输出取值仅包括4种结果[1，2，3，4]，所以模式识别结果仅以识别正确率表示，如表所示。

表1：K近邻算法模式识别正确率

缺陷类型	K近邻法识别正确率
		高压导体金属突出物	92％
自由金属微粒	91.5％
		绝缘子表面固定金属	88％
绝缘子气隙缺陷	90％

方法实施例

本实施例的局部放电超高频检测方法，包括以下步骤：

S101：确认高压电源正常工作，GIS试品完好；

S102：确认高压电源关闭，GIS试品已可靠接地；

S103：将设计的绝缘缺陷模型放置到GIS内部，并装配密封完毕；

S104：将GIS装置进行清洁干燥处理，抽真空，再充入氮气进行清洗，清洗结束后充入4个标准大气压SF6，静置一段时间使其稳定后即可进行试验，使用SF6气体回收充放气装置对GIS各个气室抽真空至100Pa以下，对GIS各个气室充入高纯度的SF6气体(纯度99.99％)至0.4-0.6MPa；

S105：试验系统接线，接线顺序为先接地线侧，后接高压侧，先接主回路，后接测量回路；

S106：对局部放电检测仪进行标定，视在局部放电量为5pC或50pC；通过监测显示装置设置局部放电检测仪的参数；

S107：缓慢升高电压，当出现局部放电时停止加压，记录起始电压与视在局部放电量；

S108：如果可以保持相对较为稳定的局部放电，则及时用局部放电检测仪保存检测的数据；若局部放电很快消失，则再升高电压，至局部放电出现；

S109：记录局部放电数据，将局部放电数据上传至监测显示装置，监测显示装置进行特征参数计算和模式识别；特征参量包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值数Pe；模式识别模块是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别；

S110：缓慢降压，关闭高压电源，拆除系统接线，顺序为先拆高压侧，后拆接地侧，先拆测量系统，后拆高压系统；回收GIS缺陷气室的SF6气体，取出GIS内部的绝缘缺陷模型；

S111：整理、清扫试验现场，检测完毕。

综上所述，本发明上述各实施例的局部放电超高频检测系统及方法中，该系统包括高压试验变压器、水电阻、分压器、三相共筒式气体绝缘组合电器(GIS)、传感器、局部放电检测仪、监测显示装置和充放气装置，高压试验变压器通过水电阻连接分压器和三相共筒式气体绝缘组合电器，传感器采集的局部放电信号接入局部放电检测仪；监测显示装置与局部放电检测仪通信连接，监测显示装置包括数据分析模块和模式识别模块，监测显示装置用于对三相共筒式GIS局部放电参数设置、参数列表显示、数据分析、报警、缺陷类型模式识别、数据保存及历史查询；充放气装置与三相共筒式气体绝缘组合电器连接，用于对GIS进行充放气操作。该局部放电超高频检测系统及方法可以达到的有益效果是：克服了现有技术的缺陷，提高了三相共筒式超高压GIS局部放电检测的准确性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种局部放电超高频检测系统，其特征在于，包括上下配合安装的高压套管和盘式绝缘子，安装在所述盘式绝缘子一侧的传感器，安装在所述盘式绝缘子另一侧的充放气装置，依次连接在所述高压套管与传感器之间的水电阻、高压试验变压器、同步变压器和局部放电检测仪，以及连接在所述高压套管和水电阻的公共端与地之间的分压器；还包括与所述局部放电检测仪连接的监测显示装置；

所述监测显示装置，用于对三相共筒式GIS局部放电参数设置、参数列表显示、数据分析、报警、缺陷类型模式识别、数据保存及历史查询进行显示；

所述监测显示装置包括数据分析模块和模式识别模块，其中；

所述数据分析模块，基于相位分析模式提取三相共筒式GIS局部放电信号特征量；所述三相共筒式GIS局部放电信号特征量，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值数Pe，并在数据分析界面显示分析结果；

所述模式识别模块，是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别；在模式识别模块中采取的是特征参数法，通过提取特征参数来判断缺陷；所述特征参数，包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值Pe。

2.根据权利要求1所述的局部放电超高频检测系统，其特征在于，所述局部放电检测仪，包括依次连接在所述同步变压器与传感器之间的存储模块、信号处理模块、数据采集模块和高频放大模块，以及与所述信号处理模块连接的通信模块。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的局部放电超高频检测系统，其特征在于，所述分压器，包括串联在所述高压套管和水电阻的公共端与地之间的第一电容和第二电容。

4.一种与权利要求1所述的局部放电超高频检测系统相匹配的局部放电超高频检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：检查高压电源能够正常工作、且在使用前处于关闭状态，并检查局部放电超高频检测系统完好无损、且在检测前已可靠接地；

步骤2：将待检测绝缘缺陷模型放置到局部放电超高频检测系统内部，密封装配后，对充放气装置进行充气处理，对局部放电超高频检测系统接线；

步骤3：对局部放电检测仪进行标定，视在局部放电量为5pC或50pC；通过监测显示装置设置局部放电检测仪的参数；

步骤4：缓慢升高电压，根据局部放电情况进行处理；当出现局部放电时停止加压，记录起始电压与视在局部放电量；

步骤5：检测结束时，缓慢降压，关闭高压电源，拆除系统接线；回收充放气装置中GIS缺陷气室的SF6气体，取出GIS内部的绝缘缺陷模型；

在步骤2中，所述对充放气装置进行充气处理的操作，具体包括：

将充放气装置进行清洁干燥处理，抽真空，再充入氮气进行清洗，清洗结束后充入4个标准大气压SF6，静置一段时间使其稳定后即可进行试验，使用SF6气体回收充放气装置对GIS各个气室抽真空至100Pa以下，对充放气装置中GIS各个气室充入高纯度的SF6气体至0.4-0.6Mpa；

在步骤2中，所述对局部放电超高频检测系统接线的操作中，接线顺序为：先接地线侧，后接高压侧，先接主回路，后接测量回路；

在步骤4中，所述根据局部放电情况进行处理的操作，具体包括：

如果能够保持相对较为稳定的局部放电，则及时用局部放电检测仪保存检测的数据；若局部放电很快消失，则再升高电压，至局部放电出现；

记录局部放电数据，将局部放电数据上传至监测显示装置，监测显示装置进行特征参数计算和模式识别；所述特征参量包括偏斜度Sk、陡峭度Ku、放电因数Q、相互关系数Cc和局部峰值数Pe；所述模式识别是利用基于簇思想的K近邻分类法法对GIS绝缘缺陷类型进行模式识别；具体步骤如下：

Step1：在训练集中，首先将所有局部放电数据进行预处理映射成为空间向量；

Step2：从第一个类开始，对属于这个类别的所有信号数据进行两两相似度计算，设定一个最小阈值，根据统计获得相似度十分接近的一个个簇；

Step3：对于每一个簇，将其中的所有信号数据合并，然后计算它的中心向量，此外，计算簇个数/类别总数，这个值代表此簇对这个类的贡献系数，记作C；

Step4：当新文本到来后，进行预处理取得它的向量空间；

Step5：将新文本的空间向量与Step3所生成的每一簇的中心向量计算距离，选取K个计算所得的距离，将这些距离与对应簇的贡献系数相乘，属于同一类别的簇相乘计算的结果相加，通过对相加结果进行比较，结果最大的那一类别是待分类典型缺陷局部放电所属类别。

5.根据权利要求4所述的局部放电超高频检测方法，其特征在于，在步骤5中，所述拆除系统接线的操作中，拆线顺序为：先拆高压侧，后拆接地侧，先拆测量系统，后拆高压系统。