CN104237750A - 一种gis绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法 - Google Patents

一种gis绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱的绘制方法，用于展现局部放电的特征从而利于故障诊断及模式识别。本发明通过局放在线监测系统获得的局放脉冲相位和放电量信息，建立一个固定时长的队列存放局放脉冲特征量序列，根据局放脉冲相位信息对其进行自适应分类，然后求取每个类的特征参数，并将其分步绘制于极坐标系得到故障图谱。本发明提出的极坐标故障图谱绘制方法，能够更好的描绘局放脉冲的相位及幅值分布特征，从而为故障诊断及识别提供依据。

Description

一种GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法
技术领域
本发明专利涉及一种局部放电故障图谱绘制方法，特别是一种用于封闭式组合电器(GIS)绝缘缺陷局部放电的故障图谱绘制方法。
背景技术
气体绝缘全封闭式组合电器(Gas-Insulated metal-enclosed switchgear，简称GIS)把断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线和出线套管等组合在一起，把高压带电体密封在充满0.3～0.4MPa的SF6气体绝缘介质的金属容器内。因此，同传统敞开式高压配电装置相比，其结构非常紧凑、整个装置的占地面积大为缩小，且不受外界环境的影响，运行可靠性高，检修周期长，所以GIS得到了广泛应用，尤其是在城市变电站中应用更为普遍。
由于GIS具有结构复杂、制造质量要求高、全封闭、对检修工艺要求十分精细等特点，一旦出现问题，其停电影响范围较大，进而会影响到电力系统的安全运行。因此，在GIS发生故障之前，如果能够检测并判断其内部缺陷状态，从而实现计划检修，就显得非常重要。目前发生的GIS故障中，绝缘缺陷故障是其主要故障，因此可以通过检测绝缘缺陷局部放电来获知GIS的健康状况，从而为GIS检修提供可靠依据，为其安全运行提供保障。
目前对于GIS绝缘缺陷局部放电进行检测的方法主要有：(1)脉冲电流法，该方法需要高质量的高压电源与耦合电容器，通常在GIS出厂试验中用到，在现场应用受电磁噪声影响较大，灵敏度低；(2)化学检测法，该方法通过在线分析SF6分解产生的SOF2和SO2F2浓度，判断内部放电严重程度，但该方法受吸附剂、干燥剂及断路器动作影响，准确度较差；(3)超声波法，该方法通过检测放电产生的振动脉冲，从而诊断局部放电，效果较好，但其更适合于便携带电检测；(4)超高频法，是目前的主流方法，通过内置或者外置超高频传感器检测放点产生的电磁波，从而判定放电类型及严重程度。但目前还没有完善的在线监测系统。
目前对于GIS绝缘缺陷故障图谱的绘制方法，主要有三种，一是脉冲序列相位分析模式(即PRPSA谱图)；在PRPSA谱图中，采用平面坐标系绘制，横轴为放电脉冲发生的时刻ts，纵轴为局放脉冲的放电量qs，通常同时将工频信号画出，通过PRPSA谱图可以看出局放脉冲随时间的变化情况。第二种方法为局部放电相位分析模式(即PRPD谱图)，主要为在二维平面坐标系中，绘制出放电次数与放电相位之间的谱图放电量与放电相位之间的关系放电次数与放电量之间的关系N-q；以及三维谱图φ-q-n；PRPD谱图是一种统计分析模式，但均在平面坐标系下展示局放脉冲的分布情况；第三种方法为基于统计算子的指纹谱图，是对PRPD谱图中的部分二维图形状做进一步分析的基础上得出的。以上故障图谱绘制方法在识别故障缺陷类型时均存在一些问题，例如将分布于工频周期开始和结束阶段的局放脉冲割裂成距离很远的两部分，而实际情况该两部分局放脉冲相距很近，因此不能很好的帮助运行人员进行故障模式识别。为了提高GIS的智能化水平，为其状态评估和检修提供可靠依据，急需一种能够帮助运行人员进行故障模式识别的故障图谱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于封闭式组合电器(GIS)的绝缘缺陷局部放电的故障图谱绘制方法，该故障图谱绘制方法，能够实现对封闭式组合电器绝缘缺陷局部放电的图谱绘制与分析，帮助运行人员准确识别故障缺陷类型。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，包括以下步骤：
1)实时采集局放脉冲信号，获取每个局放脉冲对应的工频相位φ和放电量(或表示放电大小的幅值信息)q；
2)对局放脉冲信号放电量q进行归一化处理，得到范围为0～1的放电量信息qnorm，将工频相位φ转换为0～2π之间的数值，得到局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)；
3)每秒完成一次如下工作：将该秒获得的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)放入先入先出队列L中，同时将位于队尾的早期局放脉冲特征量(最先进入队列的一秒钟内局放脉冲特征量)从队列L中剔除，保持队列中保留最新T秒的局放脉冲特征量，T可以根据实际情况选择；
4)对队列L中的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)，按照工频相位φ进行自适应分类，获得m个“局放集中类”和1个“局放游离类”；
5)对每个局放集中类的局放脉冲，计算其特征参数，并分步绘制到极坐标系，得到表征局部放电的极坐标故障图谱。
所述的局放脉冲可以从脉冲电流法、超声波法、超高频法等任意一种方法中获取。
所述自适应分类的具体步骤如下：
1)将工频相位的0°和360°重合，实现工频周期的首尾相接；
2)将工频相位0°～360°细分为360份，每度为1个基准点θ(i),0≤i<360；
3)计算每个基准点θ(i)处的局放脉冲密度值：以基准点θ(i)为中心，以r为半径，统计所在区间局放脉冲数量，获得该基准点的密度值d(i)；
4)选择类最小脉冲数量nmin；类间最小距离φmin；类内最大距离φmax；分类基准点密度阈值αd；
5)以密度最高的基准点为中心，向两侧延伸，直到同时满足(1)基准点密度小于分类基准点密度阈值αd；(2)连续小于分类基准点密度阈值αd的区间距离大于类内最大距离φmax，获得类边界，判定该边界内的脉冲数量是否大于等于类最小脉冲数量nmin，若满足则相位处于该边界内的脉冲序列形成一个“局放集中类”；
6)在剩余的区间内，重复执行步骤5)，直到无新的类产生；共产生m个“局放集中类”；
7)将所有未分类的脉冲序列归入“局放游离类”；
8)得到每个类的分类标识。
所述步骤4.3)的具体步骤为：以基准点θ(i)为中心，以r为半径，统计所在区间局放脉冲数量，获得该基准点的密度值d(i)。
所述的绘制极坐标故障图谱的具体步骤如下：
1)对经自适应分类获得的每个“局放集中类”，获取该类所包含的所有局放脉冲特征值序列(φ,φnorm,qnorm)的以下特征参数：相位中值φnorm50，相位四分位值φnorm25、φnorm75，放电量幅值中值qnorm50，放电量幅值75％分位值qnorm75，计算方法如下：
φnorm50＝median(φnorm)，φnorm25＝prctile(φnorm,25)，φnorm75＝prctile(φnorm,75)，
qnorm50＝median(qnorm)，qnorm75＝prctile(qnorm,75)，
其中median为取序列的中值运算，prctile为取序列中某一特定百分位数值的运算；
2)绘制极坐标系
3)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的相位中值线，即以φnorm50为角度，以半径为1的直线线段；
4)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的放电量幅值中值线和放电量幅值75％分位线，即分别画出以起止角度为φnorm25、φnorm75，半径分别为qnorm50和qnorm75的圆弧线段；
5)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm25≤φnorm≤φnorm75；
6)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm>φnorm75或φnorm<φnorm25；
7)绘制未分类的局放脉冲，即绘制“局放游离类”中的点。
半径r取1°～3°；类最小脉冲数量nmin设置为队列L中所有局放脉冲总数的10％～30％；类间最小距离φmin设置为5°～15°；类内最大距离φmax设置为2°～5°；分类基准点密度阈值αd设置为队列L中所有局放脉冲总数的0.05％～0.2％。
本发明提出的GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法至少具有以下优点：本发明采用极坐标系绘制图谱，将工频信号的相位的起始点和结束点重合，实现首尾相接，更好的观察局部放电脉冲的相位分布情况，尤其是观察相位分布、幅值分布的对称特性；采用自适应分类方法将局方脉冲划分为多个类，根据类数目、类特征及类之间对比可以更好的对局部放电情况进行分析；通过给出的相位中值，及相位四分位值Φ25、Φ75可以清晰的观察每个局放集中类的相位分布特点；通过给出的幅值中值及幅值75％分位值q75可以清晰的观察每个局放集中类的幅值分布特点；本发明可对封闭式组合电器绝缘缺陷局部放电的模式识别提供帮助，为设备的安全运行提供了技术保障，为智能变电站的建设要求奠定基础。
附图说明
图1为本发明提出故障图谱绘制方法流程图；
图2为典型绝缘缺陷(绝缘子表面金属颗粒污秽)的极坐标故障图谱
具体实施方式
下面结合附图对本发明提出的用于封闭式组合电器(GIS)绝缘缺陷局部放电极坐标故障图谱绘制方法做详细描述：
一种GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，包括以下步骤：
1、实时采集局放脉冲信号，获取每个局放脉冲对应的工频相位φ和放电量(或表示放电大小的幅值信息)q；
2、对局放脉冲信号放电量q进行归一化处理，得到范围为0～1的放电量信息qnorm，将工频相位φ转换为0～2π之间的数值，得到局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)；
3、每秒完成一次如下工作：将该秒获得的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)放入先入先出队列L中，同时将位于队尾的早期局放脉冲特征量(最先进入队列的一秒钟内局放脉冲特征量)从队列L中剔除，保持队列中保留最新T秒的局放脉冲特征量，T可以根据实际情况选择；
4、对队列L中的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)，按照工频相位φ进行自适应分类，获得m个“局放集中类”和1个“局放游离类”；
5、对每个局放集中类的局放脉冲，计算其特征参数，并分步绘制到极坐标系，得到表征局部放电的极坐标故障图谱。
步骤4所述自适应分类的具体步骤如下：
4.1、将工频相位的0°和360°重合，实现工频周期的首尾相接；
4.2、将工频相位0°～360°细分为360份，每度为1个基准点θ(i),0≤i<360；
4.3计算每个基准点θ(i)处的局放脉冲密度值：以基准点θ(i)为中心，以r为半径，统计所在区间局放脉冲数量，获得该基准点的密度值d(i)
4.4、选择类最小脉冲数量nmin；类间最小距离φmin；类内最大距离φmax；分类基准点密度阈值αd；
4.5、以密度最高的基准点为中心，向两侧延伸，直到同时满足(1)基准点密度小于分类基准点密度阈值αd；(2)连续小于分类基准点密度阈值αd的区间距离大于类内最大距离φmax，获得类边界，判定该边界内的脉冲数量是否大于等于类最小脉冲数量nmin，若满足则相位处于该边界内的脉冲序列形成一个“局放集中类”；
4.6、在剩余的区间内，重复执行步骤5)，直到无新的类产生；共产生m个“局放集中类”；
4.7、将所有未分类的脉冲序列归入“局放游离类”；
4.8、得到每个类的分类标识。
步骤5所述的绘制极坐标故障图谱的具体步骤如下：
5.1、对经自适应分类获得的每个“局放集中类”，获取该类所包含的所有局放脉冲特征值序列(φ,φnorm,qnorm)的以下特征参数：相位中值φnorm50，相位四分位值φnorm25、φnorm75，放电量幅值中值qnorm50，放电量幅值75％分位值qnorm75，计算方法如下：
φnorm50＝median(φnorm)，φnorm25＝prctile(φnorm,25)，φnorm75＝prctile(φnorm,75)，
qnorm50＝median(qnorm)，qnorm75＝prctile(qnorm,75)，
其中median为取序列的中值运算，prctile为取序列中某一特定百分位数值的运算；
5.2、绘制极坐标系
5.2.1、在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的相位中值线，即以φnorm50为角度，以半径为1的直线线段；
5.2.2、在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的放电量幅值中值线和放电量幅值75％分位线，即分别画出以起止角度为φnorm25、φnorm75，半径分别为qnorm50和qnorm75的圆弧线段；
5.2.3、在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm25≤φnorm≤φnorm75；
5.2.4、在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm>φnorm75或φnorm<φnorm25；
5.2.5、绘制未分类的局放脉冲，即绘制“局放游离类”中的点。
所述半径r取1°～3°；类最小脉冲数量nmin设置为队列L中所有局放脉冲总数的10％～30％；类间最小距离φmin设置为5°～15°；类内最大距离φmax设置为2°～5°；分类基准点密度阈值αd设置为队列L中所有局放脉冲总数的0.05％～0.2％。
相位中值φnorm50，是用于标识某一个“局放集中类”中心相位的最佳参数，可以不受各种干扰因素的影响，真实的描述局放脉冲的相位特征；相应的，相位四分位值φnorm25、φnorm75可以清晰的画出以相位中值为中心，两侧各延伸25％的局放脉冲总数量，表征该局放集中类中的脉冲分布特点。
放电量幅值中值qnorm50，是用于标识某一个“局放集中类”中心放电量(放电幅值)的最佳参数，可以作为评估该类放电严重程度的一个具有较好稳定性的参数。放电量幅值75％分位值qnorm75可以划分出该局放集中类中包含75％的局放脉冲的幅值界限，可以对局放放电幅值的变动情况进行评估。
为了更好的在故障图谱中描绘放电特征，在绘制图谱过程中，采用不同的颜色，不同的标识符进行区分，从而更加利于分布特征的对比。以某220kv GIS试验工装为例，给出本发明的一个具体应用。在该GIS试验工装中采用金属颗粒制造绝缘子表面金属污秽缺陷，为监测该GIS的局部放电情况，该GIS配备了基于超高频传感器的局放在线监测系统，能够实时的捕获局放脉冲、采集局放脉冲信号，并给出局放脉冲的幅值q及对应工频相位φ信息。
请参照图1所示，本发明提出的GIS局部放电极坐标故障图谱绘制方法，按以下步骤执行：
首先对局放脉冲信号放电量q按照以下公式进行归一化处理，得到范围为0～1的放电量信息；其中q为通过局放在线监测系统获取的超高频信号幅值；qmin为超高频传感器信号量程下限，取背景噪声信号幅值；qmax为超高频传感器信号上限，取最大放电量信号幅值。将局放脉冲的相位φ转换为0～2π之间的数值，
设置一个先入先出缓冲队列L，在队列L中只保留最近T秒的局放脉冲特征量(本实例中，共获得11858个局放脉冲)，T参数选择为10秒(即对应500工频周期)，每秒将获得的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)放入先入先出队列L中，同时将位于队尾的早期局放脉冲特征量(最先进入队列的一秒钟内局放脉冲特征量)从队列L中剔除。
对队列L中的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)，按照本发明专利提供的技术方案进行自适应分类，本实例中获得2个“局放集中类”；在分类过程中，选择半径r＝2o，类最小脉冲数量nmin设置为所有局放脉冲总数的10％；类间最小距离φmin一般设置为5°；类内最大距离φmax一般设置为2°；分类基准点密度阈值αd一般设置为所有局放脉冲总数的0.1％；
得到分类结果后，按照以下步骤进行绘制极坐标故障图谱：
首先对每个“局放集中类”，获取该类所包含的所有局放脉冲特征值序列(φ,φnorm,qnorm)的以下特征：相位中值φnorm50，相位四分位值φnorm25、φnorm75，放电量幅值中值qnorm50，放电量幅值75％分位值qnorm75。计算可以采用matlab软件的median函数和prctile函数计算获得。本实例中，对第一个局放集中类，φnorm50＝15.48°，φnorm25＝-9.93°(也即350.07°)，φnorm75＝38.68°，qnorm50＝0.1721，qnorm75＝0.2549；对第二个局放集中类，φnorm50＝194.90°，φnorm25＝169.63°，φnorm75＝219.06°，qnorm50＝0.1454，qnorm75＝0.2167；
然后绘制极坐标系，在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的相位中值线，即以φnorm50为角度，以半径为1的直线，采用红色虚线方式画出；接着绘制每个“局放集中类”的放电量幅值中值线和75％分位线，即分别画出以起止角度φnorm25、φnorm75，半径分别为qnorm50和qnorm75的圆弧，采用红色虚线方式画出；接下来绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm25≤φnorm≤φnorm75，采用绿色‘x’符号画出；接下来绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm>φnorm75或φnorm<φnorm25，采用蓝色‘x’符号画出；最后绘制未分类的局放脉冲，即绘制“局放游离类”中的点，以黑色‘x’符号画出。最终得到的绝缘子表面金属污秽极坐标故障图谱如图2所示(在图2中，我们对第一个类的各特征参数及位于不同区域的点进行了标注，便于对本发明具体实施过程的理解)。
从绘制的极坐标故障图谱中，我们可以看出绝缘子表面金属污秽这种绝缘缺陷其放电具有如下特征：放电脉冲可以分为两个大类，其中1个以15°为中心相位，另一类以195°为中心相位，两类之间出现完美对称(局放脉冲分布对称、中心箱体局放脉冲对称、中心相位对称)；局放游离类中的脉冲数量较少；幅值特征中，正半周所在类稍大于负半周所在类。
本发明提供的局部放电故障图谱绘制方法，可结合任意一种局部放电在线监测系统，利用先进的软件分析及绘图技术，实现对局部放电的准确图形化描述，能够为GIS模式识别提供有益参考，从而为大型设备的状态监控和状态检修提供依据。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)实时采集局放脉冲信号，获取每个局放脉冲对应的工频相位φ和放电量q；
2)对局放脉冲信号放电量q进行归一化处理，得到范围为0～1的放电量信息qnorm，将工频相位φ转换为0～2π之间的数值，得到局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)；
3)每秒完成一次如下工作：将该秒获得的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)放入先入先出队列L中，同时将位于队尾的早期局放脉冲特征量从队列L中剔除，保持队列中保留最新T秒的局放脉冲特征量；
4)对队列L中的局放脉冲特征量序列(φ,φnorm,qnorm)，按照工频相位φ进行自适应分类，获得m个“局放集中类”和1个“局放游离类”；
5)对每个局放集中类的局放脉冲，计算其特征参数，并分步绘制到极坐标系，得到表征局部放电的极坐标故障图谱。
2.如权利要求1所述的GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，其特征在于，所述自适应分类的具体步骤如下：
4.1)将工频相位φ的0°和360°重合，实现工频周期的首尾相接；
4.2)将工频相位0°～360°细分为360份，每度为1个基准点θ(i),0≤i<360；
4.3)计算每个基准点θ(i)处的局放脉冲密度值；
4.4)选择类最小脉冲数量nmin；类间最小距离φmin；类内最大距离φmax；分类基准点密度阈值αd；
4.5)以密度最高的基准点为中心，向两侧延伸，直到同时满足(1)基准点密度小于分类基准点密度阈值αd；(2)连续小于分类基准点密度阈值αd的区间距离大于类内最大距离φmax，获得类边界，判定该边界内的脉冲数量是否大于等于类最小脉冲数量nmin，若满足则相位处于该边界内的脉冲序列形成一个“局放集中类”；
4.6)在剩余的区间内，重复执行步骤5)，直到无新的类产生；共产生m个“局放集中类”；
4.7)将所有未分类的脉冲序列归入“局放游离类”；
4.8)得到每个类的分类标识。
3.如权利要求2所述的GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，其特征在于，步骤4.3)的具体步骤为：以基准点θ(i)为中心，以r为半径，统计所在区间局放脉冲数量，获得该基准点的密度值d(i)。
4.如权利要求1所述的GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，其特征在于，步骤5)中绘制极坐标故障图谱的具体步骤如下：
5.1)对经自适应分类获得的每个“局放集中类”，获取该类所包含的所有局放脉冲特征值序列(φ,φnorm,qnorm)的以下特征参数：相位中值φnorm50，相位四分位值φnorm25、φnorm75，放电量幅值中值qnorm50，放电量幅值75％分位值qnorm75；计算方法如下：
φnorm50＝median(φnorm)，φnorm25＝prctile(φnorm,25)，φnorm75＝prctile(φnorm,75)，
qnorm50＝median(qnorm)，qnorm75＝prctile(qnorm,75)，
其中median为取序列的中值运算，prctile为取序列中某一特定百分位数值的运算；
5.2)绘制极坐标系
5.2.1)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的相位中值线，即以φnorm50为角度，以半径为1的直线线段；
5.2.2)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”的放电量幅值中值线和放电量幅值75％分位线，即分别画出以起止角度为φnorm25、φnorm75，半径分别为qnorm50和qnorm75的圆弧线段；
5.2.3)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm25≤φnorm≤φnorm75；
5.2.4)在极坐标系中，绘制每个“局放集中类”中满足以下条件的点：φnorm>φnorm75或φnorm<φnorm25；
5.2.5)绘制未分类的局放脉冲，即绘制“局放游离类”中的点。
5.如权利要求2或3所述的GIS绝缘缺陷局部放电故障图谱绘制方法，其特征在于：半径r取1°～3°；类最小脉冲数量nmin设置为队列L中所有局放脉冲总数的10％～30％；类间最小距离φmin设置为5°～15°；类内最大距离φmax设置为2°～5°；分类基准点密度阈值αd设置为队列L中所有局放脉冲总数的0.05％～0.2％。
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