CN111308288B - 一种考虑油中水分的油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法，首先设计了一种能同时对油纸绝缘的局部放电和油中水分含量进行测试的装置，其中采用的测试电极为柱板电极，使用加压装置对油纸绝缘进行加压，分别通过局部放电测试仪和油中水分测定仪对油纸绝缘的局部放电发展过程和油中水分含量进行监测，将所测得的数据传输给计算机，最终在对局部放电发展阶段进行划分后根据所取时间段内PRPD谱图所测特征参量判断油纸绝缘局部放电发展阶段。本方法中涉及的装置考虑了绝缘油中水分对局部放电发展过程的影响，因而该方法能更准确地对油纸绝缘局部放电发展阶段进行判断，有助于提前预知油纸绝缘严重缺陷的存在。

Description

一种考虑油中水分的油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法

技术领域

本发明属于油纸绝缘的绝缘试验领域，具体涉及一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法。

背景技术

调查数据显示，每年我国由于电气设备而导致的电力系统事故占比在50％左右，而电力变压器是输配电网络中最核心的电气设备之一，因而其运行的安全可靠性直接关系到电力系统的安全与稳定。电力变压器运行过程中，部分油纸绝缘结构的薄弱环节会因连续承受局部过高场强而产生放电，局部放电所引起的绝缘损坏继续发展，最终将导致绝缘事故发生。

沿面放电是变压器油纸绝缘中常见的典型缺陷之一，油纸绝缘的固–液交界面易发生沿面闪络。工频局部放电试验可以获取大量不同电压等级下的绝缘局部放电信息，但目前大多数针对局部放电试验的分析研究仍停留在定性分析层面上或者偏向于故障识别方面，对于局部放电发展阶段的划分与判断的研究尚少，因此急需一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法，通过将测试样本点与划分完成的聚类匹配来判断在测试电压下油纸绝缘所处的局部放电发展阶段，有助于提前预知严重缺陷的存在。

发明内容

本发明为了在考虑绝缘油中水分影响的情形下更准确地判断油纸绝缘局部放电发展阶段，提供一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法。

一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法包含以下步骤：

步骤一，搭建局部放电综合实验平台

a)油纸绝缘样品的处理：

将同一批次的3张同尺寸绝缘纸放入110℃/50Pa的真空干燥箱中干燥72h，以去除绝缘纸板中的初始水分，之后将干燥后的绝缘纸分别放入含水量为10mg/L、15mg/L、20mg/L的绝缘油中真空浸渍48小时，得到3组油纸绝缘样品；

b)连接设备与装置：

设备与装置包括：绝缘实验箱、电极固定装置、柱板电极、高压引线、接地线、油中水分测定仪、加压装置、电流传感器、滤波器、局部放电测试仪、计算机；

注油口和取油口分别开在绝缘实验箱的侧壁高度90％和10％处；

绝缘实验箱内部装有电极固定装置、柱板电极、绝缘纸、绝缘油，绝缘油完全浸没电极固定装置、柱板电极、绝缘纸；

柱板电极通过高压引线、接地线、接线柱与加压装置相连；

电流传感器环绕在接地线上，将测得的电流信号传导给滤波器滤去环境噪声，处理过的信号传导给局部放电测试仪；

油中水分测定仪通过取油口和细径输油管提取绝缘油试样进行油中水分含量测定；

计算机与局部放电测试仪和油中水分测定仪连接，以获取实时局部放电信号与油中水分含量进而进行后续处理分析

步骤二，划分油纸绝缘局部放电发展阶段

使用加压装置对油纸绝缘样品进行加压，每隔5s升高电压500V，记录初次重复产生放电量大于50pC局部放电的电压为局部放电起始电压Ui，分别对3组油纸绝缘样品持续施加120％Ui的电压直至油纸绝缘击穿，使用局部放电测试仪记录放电发展全过程；

a)提取特征参量

从3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中以2分钟为时间间隔抽取200个样本，共600个样本，从每组样本提取17个特征参量：1)最大放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_1，+；2)最大放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_1，-；3)平均放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_2,+；4)平均放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_2,-；5)放电次数—相位谱图各自的正半周偏斜度Sk_3，+；6)放电次数—相位谱图各自的负半周偏斜度Sk_3，-；7)最大放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_1，+；8)最大放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_1，-；9)平均放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_2,+；10)平均放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_2,-；11)放电次数—相位谱图各自的正半周陡峭度Ku_3，+；12)放电次数—相位谱图各自的负半周陡峭度Ku_3，-；13)最大放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₁；14)平均放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₂；15)放电次数—相位谱图的放电互相关系数CC₃；16)放电波动度Fq＝最大放电量/(平均放电量*油中水分含量)；17)放电频度F_n＝放电次数/油中水分含量；

b)基于主成分分析降维

①一共有600个样本，每个样本有17个特征参量，样本的原始数据矩阵如下所示，其中矩阵行数m为样本数，列数n为样本的特征参量数：

其中，X₁…X_n为矩阵的特征向量；

②为使新的行向量均值为0，使每一个行向量都减去该行向量的均值

得到新矩阵X^*：

③求取X^*的协方差矩阵Cov(X^*)，并求出协方差矩阵的特征值λ_i和所对应的单位特征向量e_i：

其中，E为单位矩阵，x_i为特征向量；

④按照特征值从大到小的顺序，将单位特征向量排列成矩阵，得到转换矩阵P，并按PX^*计算出主成分矩阵Y：

⑤用特征值λ_i计算主成分Y_k的方差贡献率g和前k个主成分的方差累计贡献率Δg，客观上取方差累计贡献率Δg超过85％的前k个主成分，从而实现数据降维：

c)K均值聚类算法划分阶段

①由于沿面放电发展阶段可划分为放电起始阶段、平稳发展阶段、预击穿阶段，故将整个放电阶段以记录时间为衡量单位平均分为3段各选取1个样本点作为初始的聚类中心

②计算每个样本点与3个聚类中心之间的二范数‖a-b‖₂，把每个样本点分配给距离它最近的聚类中心：

式中，a、b分别指两个不同的点，a_i、b_i指a、b对应的第i种规范化特征参量，共k种；

③聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类，一旦全部样本点都被分配了，每个聚类的聚类中心会根据聚类中现有样本点的平均值来重新计算，完成一次迭代；

④计算新聚类中心

与之前的聚类中心

的偏移值Δd₁、Δd₂、Δd₃，若其偏移值均大于0.1则跳转步骤二c)的第②步继续执行，否则聚类结束，此时的3个聚类中心

即为沿面放电的3个阶段所对应的聚类中心；

式中，j为迭代次数，s为聚类数，s＝1,2,3；

步骤三，判断油纸绝缘局部放电发展阶段

从步骤二中3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中等时间间隔抽取50个与步骤二所抽取样本不重合的测试样本，共150个样本，计算这些样本点与步骤二c)中得出的3个聚类中心

分别的二范数之和E₁、E₂、E₃：

式中，n为聚类中心数，n＝1,2,3，i指代第i个样本点，i＝1,2,…,150；

通过将测试样本点与划分完成的聚类匹配，即测试样本点所属聚类选取最小E_n所对应聚类来判断在测试电压下油纸绝缘所处的局部放电发展阶段。

本发明的优点在于：

本发明提供了一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法，首先搭建局部放电综合实验平台，然后处理油纸绝缘样品，进而提取在油纸绝缘沿面放电发展全过程中油中水分含量不同时的局部放电特征参量，利用主成分分析法对提取特征参量进行降维处理以便于后续计算，最后采用K均值聚类算法对局部放电发展阶段进行划分和判断。该判断方法中涉及的装置考虑了绝缘油中水分对局部放电发展过程的影响，因而该方法能更准确地对油纸绝缘局部放电发展阶段进行判断，有助于提前预知油纸绝缘严重缺陷的存在。

附图说明

图1为一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法流程图。

图2为一种判断油纸绝缘局部放电发展阶段的实验装置示意图。

其中，绝缘实验箱(1)、绝缘油(2)、电极固定装置(3)、柱板电极(4)、绝缘纸(5)、高压引线(6)、接地线(7)、接线柱(8)、注油口(9)、取油口(10)、细径输油管(11)、油中水分测定仪(12)、加压装置(13)、电流传感器(14)、滤波器(15)、局部放电测试仪(16)、计算机(17)。

具体实施方式

如图1所示为一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法流程图，可知一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法主要包括以下步骤：

步骤一，搭建局部放电综合实验平台

a)油纸绝缘样品的处理：

将同一批次的3张同尺寸绝缘纸放入110℃/50Pa的真空干燥箱中干燥72h，以去除绝缘纸板中的初始水分，之后将干燥后的绝缘纸分别放入含水量为10mg/L、15mg/L、20mg/L的绝缘油中真空浸渍48小时，得到3组油纸绝缘样品；

b)连接设备与装置：

设备与装置包括：绝缘实验箱、电极固定装置、柱板电极、高压引线、接地线、油中水分测定仪、加压装置、电流传感器、滤波器、局部放电测试仪、计算机；

注油口和取油口分别开在绝缘实验箱的侧壁高度90％和10％处；

绝缘实验箱内部装有电极固定装置、柱板电极、绝缘纸、绝缘油，绝缘油完全浸没电极固定装置、柱板电极、绝缘纸；

柱板电极通过高压引线、接地线、接线柱与加压装置相连；

电流传感器环绕在接地线上，将测得的电流信号传导给滤波器滤去环境噪声，处理过的信号传导给局部放电测试仪；

油中水分测定仪通过取油口和细径输油管提取绝缘油试样进行油中水分含量测定；

计算机与局部放电测试仪和油中水分测定仪连接，以获取实时局部放电信号与油中水分含量进而进行后续处理分析

步骤二，划分油纸绝缘局部放电发展阶段

使用加压装置对油纸绝缘样品进行加压，每隔5s升高电压500V，记录初次重复产生放电量大于50pC局部放电的电压为局部放电起始电压Ui，分别对3组油纸绝缘样品持续施加120％Ui的电压直至油纸绝缘击穿，使用局部放电测试仪记录放电发展全过程；

a)提取特征参量

从3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中以2分钟为时间间隔抽取200个样本，共600个样本，从每组样本提取17个特征参量：1)最大放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_1，+；2)最大放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_1，-；3)平均放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_2,+；4)平均放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_2,-；5)放电次数—相位谱图各自的正半周偏斜度Sk_3，+；6)放电次数—相位谱图各自的负半周偏斜度Sk_3，-；7)最大放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_1，+；8)最大放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_1，-；9)平均放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_2,+；10)平均放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_2,-；11)放电次数—相位谱图各自的正半周陡峭度Ku_3，+；12)放电次数—相位谱图各自的负半周陡峭度Ku_3，-；13)最大放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₁；14)平均放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₂；15)放电次数—相位谱图的放电互相关系数CC₃；16)放电波动度Fq＝最大放电量/(平均放电量*油中水分含量)；17)放电频度F_n＝放电次数/油中水分含量；

b)基于主成分分析降维

①一共有600个样本，每个样本有17个特征参量，样本的原始数据矩阵如下所示，其中矩阵行数m为样本数，列数n为样本的特征参量数：

其中，X₁…X_n为矩阵的特征向量；

②为使新的行向量均值为0，使每一个行向量都减去该行向量的均值

得到新矩阵X^*：

③求取X^*的协方差矩阵Cov(X^*)，并求出协方差矩阵的特征值λ_i和所对应的单位特征向量e_i：

其中，E为单位矩阵，x_i为特征向量；

④按照特征值从大到小的顺序，将单位特征向量排列成矩阵，得到转换矩阵P，并按PX^*计算出主成分矩阵Y：

⑤用特征值λ_i计算主成分Y_k的方差贡献率g和前k个主成分的方差累计贡献率Δg，客观上取方差累计贡献率Δg超过85％的前k个主成分，从而实现数据降维：

c)K均值聚类算法划分阶段

①由于沿面放电发展阶段可划分为放电起始阶段、平稳发展阶段、预击穿阶段，故将整个放电阶段以记录时间为衡量单位平均分为3段各选取1个样本点作为初始的聚类中心

②计算每个样本点与3个聚类中心之间的二范数‖a-b‖₂，把每个样本点分配给距离它最近的聚类中心：

式中，a、b分别指两个不同的点，a_i、b_i指a、b对应的第i种规范化特征参量，共k种；

③聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类，一旦全部样本点都被分配了，每个聚类的聚类中心会根据聚类中现有样本点的平均值来重新计算，完成一次迭代；

④计算新聚类中心

与之前的聚类中心

的偏移值Δd₁、Δd₂、Δd₃，若其偏移值均大于0.1则跳转步骤二c)的第②步继续执行，否则聚类结束，此时的3个聚类中心

即为沿面放电的3个阶段所对应的聚类中心；

式中，j为迭代次数，s为聚类数，s＝1,2,3；

步骤三，判断油纸绝缘局部放电发展阶段

从步骤二中3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中等时间间隔抽取50个与步骤二所抽取样本不重合的测试样本，共150个样本，计算这些样本点与步骤二c)中得出的3个聚类中心

分别的二范数之和E₁、E₂、E₃：

式中，n为聚类中心数，n＝1,2,3，i指代第i个样本点，i＝1,2,…,150；

通过将测试样本点与划分完成的聚类匹配，即测试样本点所属聚类选取最小E_n所对应聚类来判断在测试电压下油纸绝缘所处的局部放电发展阶段。

Claims (1)

1.一种油纸绝缘局部放电发展阶段的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，搭建局部放电综合实验平台

a)油纸绝缘样品的处理：

将同一批次的3张同尺寸绝缘纸放入110℃/50Pa的真空干燥箱中干燥72h，以去除绝缘纸板中的初始水分，之后将干燥后的绝缘纸分别放入含水量为10mg/L、15mg/L、20mg/L的绝缘油中真空浸渍48小时，得到3组油纸绝缘样品；

b)连接设备与装置：

设备与装置包括：绝缘实验箱(1)、电极固定装置(3)、柱板电极(4)、高压引线(6)、接地线(7)、油中水分测定仪(12)、加压装置(13)、电流传感器(14)、滤波器(15)、局部放电测试仪(16)、计算机(17)；

注油口(9)和取油口(10)分别开在所述绝缘实验箱(1)的侧壁高度90％和10％处；

所述绝缘实验箱(1)内部装有所述电极固定装置(3)、所述柱板电极(4)、绝缘纸(5)、绝缘油(2)，所述绝缘油(2)完全浸没所述电极固定装置(3)、所述柱板电极(4)、所述绝缘纸(5)；

所述柱板电极(4)通过所述高压引线(6)、所述接地线(7)、接线柱(8)与所述加压装置(13)相连；

所述电流传感器(14)环绕在所述接地线(7)上，将测得的电流信号传导给所述滤波器(15)滤去环境噪声，处理过的信号传导给所述局部放电测试仪(16)；

所述油中水分测定仪(12)通过所述取油口(10)和细径输油管(11)提取所述绝缘油(2)试样进行油中水分含量测定；

所述计算机(17)与所述局部放电测试仪(16)和所述油中水分测定仪(12)连接；

步骤二，划分油纸绝缘局部放电发展阶段

使用加压装置对油纸绝缘样品进行加压，每隔5s升高电压500V，记录初次重复产生放电量大于50pC局部放电的电压为局部放电起始电压Ui，分别对3组油纸绝缘样品持续施加120％Ui的电压直至油纸绝缘击穿，使用局部放电测试仪记录放电发展全过程；

a)提取特征参量

从3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中以2分钟为时间间隔抽取200个样本，共600个样本，从每组样本提取17个特征参量：1)最大放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_1，+；2)最大放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_1，-；3)平均放电量—相位谱图的正半周偏斜度Sk_2,+；4)平均放电量—相位谱图的负半周偏斜度Sk_2,-；5)放电次数—相位谱图各自的正半周偏斜度Sk_3，+；6)放电次数—相位谱图各自的负半周偏斜度Sk_3，-；7)最大放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_1，+；8)最大放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_1，-；9)平均放电量—相位谱图的正半周陡峭度Ku_2,+；10)平均放电量—相位谱图的负半周陡峭度Ku_2,-；11)放电次数—相位谱图各自的正半周陡峭度Ku_3，+；12)放电次数—相位谱图各自的负半周陡峭度Ku_3，-；13)最大放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₁；14)平均放电量—相位谱图的放电互相关系数CC₂；15)放电次数—相位谱图的放电互相关系数CC₃；16)放电波动度Fq＝最大放电量/(平均放电量*油中水分含量)；17)放电频度F_n＝放电次数/油中水分含量；

b)基于主成分分析降维

①一共有600个样本，每个样本有17个特征参量，样本的原始数据矩阵如下所示，其中矩阵行数m为样本数，列数n为样本的特征参量数：

其中，X₁…X_n为矩阵的特征向量；

②每一个行向量都减去该行向量的均值

得到新矩阵X^*：

③求取X^*的协方差矩阵Cov(X^*)，并求出协方差矩阵的特征值λ_i和所对应的单位特征向量e_i：

其中，E为单位矩阵，x_i为特征向量；

④按照特征值从大到小的顺序，将单位特征向量排列成矩阵，得到转换矩阵P，并按PX^*计算出主成分矩阵Y：

⑤用特征值λ_i计算主成分Y_k的方差贡献率g和前k个主成分的方差累计贡献率Δg，客观上取方差累计贡献率Δg超过85％的前k个主成分，从而实现数据降维：

c)K均值聚类算法划分阶段

①由于沿面放电发展阶段可划分为放电起始阶段、平稳发展阶段、预击穿阶段，故将整个放电阶段以记录时间为衡量单位平均分为3段各选取1个样本点作为初始的聚类中心

②计算每个样本点与3个聚类中心之间的二范数‖a-b‖₂，把每个样本点分配给距离它最近的聚类中心：

式中，a、b分别指两个不同的点，a_i、b_i指a、b对应的第i种规范化特征参量，共k种；

③聚类中心以及分配给它们的对象就代表一个聚类，一旦全部样本点都被分配了，每个聚类的聚类中心会根据聚类中现有样本点的平均值来重新计算，完成一次迭代；

④计算新聚类中心

与之前的聚类中心

的偏移值Δd₁、Δd₂、Δd₃，若其偏移值均大于0.1则跳转步骤二c)的第②步继续执行，否则聚类结束，此时的3个聚类中心

即为沿面放电的3个阶段所对应的聚类中心；

式中，j为迭代次数，s为聚类数，s＝1,2,3；

步骤三，判断油纸绝缘局部放电发展阶段

从步骤二中3组记录局部放电发展全过程的PRPD图谱中等时间间隔抽取50个与步骤二所抽取样本不重合的测试样本，共150个样本，计算这些样本点与步骤二c)中得出的3个聚类中心

分别的二范数之和E₁、E₂、E₃：

式中，n为聚类中心数，n＝1,2,3，i指代第i个样本点，i＝1,2,…,150；

通过将测试样本点与划分完成的聚类匹配，即测试样本点所属聚类选取最小E_n所对应聚类来判断在测试电压下油纸绝缘所处的局部放电发展阶段。

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