CN103558534A - 高压电缆放电信号的二维威布尔参数谱聚类分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，该方法包括步骤：（1）高速采集卡采集高频电压互感器耦合得到的电缆放电信号；（2）计算机对采集信号的检测设定及保存；（3）建立N-Q分布曲线图；（4）获得聚类特征分布图；（5）放电类型结果判断。本发明提出的二维威布尔参数谱图聚类分析方法可对高压交联聚乙烯电力电缆局部放电特征进行准确提取，通过建立放电频度(N)-放电量(Q)的关联曲线，计算出二维威布尔参数在α-β平面上的分布谱图，通过区分不同放电类型的特征点聚类特征，识别各类放电缺陷。
Description
技术领域
本发明属于高压交联聚乙烯电缆放电信号处理技术领域，特别是一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法。
背景技术
近年来，交联聚乙烯电力电缆以其优越的电气性能，良好的热、机械效应，安装维护方便等特点被广泛应用于电力系统。由于在电缆生产、运输、安装及运行过程中引入的杂质、气泡、毛刺、凸起等缺陷原因，或长期受到水分、潮气、化学物质的侵蚀渗透，引发电缆绝缘老化，严重影响电缆运行寿命。在相当长的一段时期内，国内对高压交联聚乙烯电力电缆绝缘的检测多采用周期性的耐压试验。该方法对明显缺陷较有效，但是对于那些需发展数年才逐步显现老化迹象的绝缘薄弱点来说却无能为力。近年来，基于局部放电在线监测或检测技术的交联聚乙烯电力电缆绝缘诊断技术已越来越受到关注。局部放电指发生在电缆本体绝缘或附件中的非贯穿性放电现象。在局部放电过程中，电离出的电子、正负离子在电场力作用下获得较大能量，当它们撞击到绝缘材料时，可造成材料的化学键断裂，引发材料降解，绝缘加速老化。此外，放电点处的介质发热严重，可使绝缘材料烧焦或融化，导致介质电导及损耗增加，同样加速绝缘老化。局部放电过程还会产生许多活性生成物，腐蚀绝缘体，使介质性能劣化。而连续爆破性的放电以及由放电产生的高压气体都会使绝缘形成微裂，形成电树枝老化。可见，电力电缆的局部放电行为与其安全状态密切相关。通过在线监测或检测方法测量电缆的局部放电信息、进而判断电缆绝缘所处的工作状态对于电力运行部门意义重大。
对于交联聚乙烯电力电缆绝缘局部放电的检测研究开展已久，在上世纪60年代，已有研究人员和工程技术人员在此领域开展探索性工作。但是，由于110kV及以上电压等级的高压交联聚乙烯电力电缆开发成功时间较晚，服役时间至今不过30余年，不像充油电缆有50年以上成熟的使用经验并且具备完善的绝缘老化检测方法。因此，对于目前在我国已成为主流应用的交联聚乙烯电力电缆来讲，研制其相应的局部放电在线监测或检测手段，具有更加明显的工程意义。
交联聚乙烯电力电缆的局部放电检测与传感器技术的发展密不可分。经过近半个世纪的发展，局部放电的检测手段大为进步。事实上，工程人员在进行局部放电信号的检测时，总是利用局部放电发生时所产生的各类物理现象，包括声、光、电、热和化学效应等。目前，已被广泛应用的局部放电检测手段有脉冲电流法，电桥法，无线电干扰电压法，以及超声波法、红外测量等非电检测法。近年来，国内外研究人员和工程技术人员的关注点主要放在交联聚乙烯电力电缆局部放电的在线监测或检测技术。由于局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没，设计一种可有效抑制电磁噪声、拾取理想局部放电信号的传感器是进行局部放电在线检测的基础。目前，基于罗氏线圈原理的高频电流互感器已被广泛应用，通过合理选取铁氧体磁芯材料，优化绕线工艺和参数，已能够获得高信噪比的局部放电信号采集传感器。
在交联聚乙烯电力电缆系统中，由于电缆附件结构相对复杂，其电场分布很不均匀，是易于引发局部放电的薄弱点。研究表明，电力电缆的局部放电行为大多集中在附件中。因此，对交联聚乙烯电力电缆附件进行局部放电在线检测对认知电缆系统的安全性有着重要意义。目前，已有研究人员将电缆附件中发生的局部放电类型归为三大类，即电晕放电、沿面放电和内部放电。而每种放电类型对电缆绝缘的损害程度不同，如何简便快捷的区分放电属于哪一种类型，是运行人员十分关心的实际工程问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提出一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，该方法包括步骤如下：
（1）高速采集卡采集高频电压互感器耦合得到的电缆放电信号；
（2）计算机对采集信号的检测设定及保存；
（3）建立放电频度N-放电量Q分布曲线图；
（4）获得聚类特征分布图；
（5）放电类型结果判断。
而且，所述步骤（1）中采集的具体方法为：
①高速采集卡使用采样频率为60MHz至100MHz的采样频率进行采样，单次采样长度为10个周期波形，采样组数最少20组；
②高速采集卡通过PCI接口将采集到的局部放电信号数据发送到计算机的硬盘中。
而且，所述步骤（2）中检测设定及保存的具体方法为：
①计算机通过高速数据采集卡对经高频电流互感器耦合到的局部放电模拟信号进行采集，通过人机界面控制采集过程，设定触发阈值、采样频率和存储位置；
②计算机将检测后得到数字信号存储在计算机硬盘中。
而且，所述步骤（3）建立放电频度N-放电量Q分布曲线图的具体方法为：
①将采集到的数字信号按触发阈值进行划分，低于触发阈值的置0，其他信号取绝对值；
②通过判断某数据点两侧导数乘积小于0，确立放电峰值信号点；
③使放电量Q从0至最大放电峰值Qmax，遍历步骤②中所有放电峰值点，统计出以步长为5%Qmax的不同峰值区间放电峰值个数N，建立放电频度N-放电量Q分布曲线。
而且，所述步骤（4）获得聚类特征分布图的具体方法为：
①根据放电频度N-放电量Q分布序列，采用最小二乘法估计二维威布尔参数的尺度参数α和形状参数β；
②对采集到最少20组的全部数据分别进行步骤①中的估计计算，将得到的二维参数结果绘制在α-β图中，得到聚类特征。
而且，所述步骤（5）放电类型结果判断的具体方法为：
①对于电晕放电，[α,β]=[0.01-0.05,0.2-3.2]；
②对于内部气隙放电，[α,β]=[0.02-0.04,3.1-4.4]；
③对于沿面放电，[α,β]=[0.07-0.18,0.8-3]。
本发明的优点和积极效果是
本发明提出的二维威布尔参数谱图聚类分析方法可对高压交联聚乙烯电力电缆局部放电特征进行准确提取，通过建立放电频度(N)-放电量(Q)的关联曲线，计算出二维威布尔参数在α-β平面上的分布谱图。通过区分不同放电类型的特征点聚类特征，识别各类放电缺陷。
附图说明
图1是此方法采用的高频电流互感器示意图；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明方法获得的聚类特征分布图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，该方法所应用的硬件系统如图1所示，包括基于罗氏线圈原理制造的高频电压互感器，如图1所示，该互感器响应频率100kHz-30MHz，灵敏度不小于10mV，分辨率不低于1mV，工作时卡接在高压电缆附件接地线上，用以耦合局部放电产生的高频电流信号；包括高速采集系统，该系统由前置运算放大单元、带通滤波单元和高速信号采集卡组成，高速采集卡与计算机通过PCI接口连接，最高采样频率应达到100MHz，单次采样长度为10个周期波形，采样组数最少为20组；包括由计算机及人机界面构成的控制及信号处理系统；如图2所示，该方法的步骤如下：
（1）高速采集卡采集高频电压互感器耦合得到的电缆放电信号；具体方法为，
①高速采集卡使用采样频率为60MHz至100MHz的采样频率进行采样，单次采样长度为10个周期波形，采样组数最少20组；
②高速采集卡通过PCI接口将采集到的局部放电信号数据发送到计算机的硬盘中；
（2）计算机对采集信号的检测及保存；具体方法为，
①计算机通过高速数据采集卡对经高频电流互感器耦合到的局部放电模拟信号进行采集，通过人机界面控制采集过程，可设定触发阈值、采样频率和存储位置；
②计算机将检测后得到数字信号存储在计算机硬盘中；
（3）建立放电频度N-放电量Q分布曲线图；具体方法为，
①将采集到的数字信号按触发阈值进行划分，低于触发阈值的置0，其他信号取绝对值；
②通过判断某数据点两侧导数乘积小于0，确立放电峰值信号点；
③使放电量Q从0至最大放电峰值Qmax，遍历步骤②中所有放电峰值点，统计出以步长为5%Qmax的不同峰值区间放电峰值个数N，建立N-Q分布曲线；
（4）获得聚类特征分布图；具体方法为，
①根据放电频度N-放电量Q分布序列，采用最小二乘法估计二维威布尔参数的尺度参数α和形状参数β；
②对采集到最少20组的全部数据分别进行步骤①中的估计计算，将得到的二维参数结果绘制在α-β图中，如图3所示，得到聚类特征；
（5）放电类型结果判断；具体方法为：
①对于电晕放电，[α,β]=[0.01-0.05,0.2-3.2]；
②对于内部气隙放电，[α,β]=[0.02-0.04,3.1-4.4]；
③对于沿面放电，[α,β]=[0.07-0.18,0.8-3]。
Claims (6)
1.一种高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于该方法包括步骤如下：
（1）高速采集卡采集高频电压互感器耦合得到的电缆放电信号；
（2）计算机对采集信号的检测设定及保存；
（3）建立放电频度N-放电量Q分布曲线图；
（4）获得聚类特征分布图；
（5）放电类型结果判断。
2.根据权利要求1所述的高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于所述步骤（1）中采集的具体方法为：
①高速采集卡使用采样频率为60MHz至100MHz的采样频率进行采样，单次采样长度为10个周期波形，采样组数最少20组；
②高速采集卡通过PCI接口将采集到的局部放电信号数据发送到计算机的硬盘中。
3.根据权利要求1所述的高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于所述步骤（2）中检测设定及保存的具体方法为：
①计算机通过高速数据采集卡对经高频电流互感器耦合到的局部放电模拟信号进行采集，通过人机界面控制采集过程，设定触发阈值、采样频率和存储位置；
②计算机将检测后得到数字信号存储在计算机硬盘中。
4.根据权利要求1所述的高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于所述步骤（3）建立放电频度N-放电量Q分布曲线图的具体方法为：
①将采集到的数字信号按触发阈值进行划分，低于触发阈值的置0，其他信号取绝对值；
②通过判断某数据点两侧导数乘积小于0，确立放电峰值信号点；
③使放电量Q从0至最大放电峰值Qmax，遍历步骤②中所有放电峰值点，统计出以步长为5%Qmax的不同峰值区间放电峰值个数N，建立放电频度N-放电量Q分布曲线。
5.根据权利要求1所述的高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于所述步骤（4）获得聚类特征分布图的具体方法为：
①根据放电频度N-放电量Q分布序列，采用最小二乘法估计二维威布尔参数的尺度参数α和形状参数β；
②对采集到最少20组的全部数据分别进行步骤①中的估计计算，将得到的二维参数结果绘制在α-β图中，得到聚类特征。
6.根据权利要求1所述的高压电缆放电信号的二维威布尔参数聚类分析方法，其特征在于所述步骤（5）放电类型结果判断的具体方法为：
①对于电晕放电，[α,β]=[0.01-0.05,0.2-3.2]；
②对于内部气隙放电，[α,β]=[0.02-0.04,3.1-4.4]；
③对于沿面放电，[α,β]=[0.07-0.18,0.8-3]。
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