GIS局放在线监测测试系统模式识别定位与数据分析.docx
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GIS局放在线监测测试系统模式识别定位与数据分析
及时、准确发现局部放电并消除局部放电是一切工作的根本目的。
一、GIS局部放电在线监测方法概述
1、局放产生的原因
（1）绝缘体内部存在自由移动的金属微粒；
（2）绝缘体内或高压导体表面上存在针尖状或其他形状突出物；
（3）附近存在悬浮电位体或导体间连接点接触不好；
（4）轻微局放或制造时造成绝缘体内部或表面存在气隙、裂纹等。
2、监测方法
当介质中发生局部放电时，会产生电脉冲、电磁波、超声波、局部过热、一些新的化学产物、光等特征，与此相应的出现了下面五种监测方法。
2.1电测法
（1）耦合电容法，又称脉冲电流法。
利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测局放在导体芯上引起的电压变化。
该法结构简单，便于实现。
在现场测试时，无法识别与多种噪声混杂在一起的局放信号，因此此方法的使用推广受到限制。
（2）超高频法。
其主要优点是灵敏度高，并通过放电源到不同传感器的时间差对放电源精确定位。
但对传感器的要求很高，此法成本昂贵。
2.2非电测法
（1）超声波监测法。
由于GIS内部产生局放时会产生冲击振动及声音，因此可用腔体外壁上安装的超声波传感器测量局放量Q。
它是目前除UHF法外最成熟的PD监测方法，抗电磁干扰性能好，但由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低（约140m/s），信号通过不同物质时传播速率不同，不同材料的边界处还会产生反射，因此信号模式很复杂，且其高频部分衰减很快。
它要求操作人员须有丰富经验或受过良好的培训，另外，长期监测时需要的传感器较多，现场使用很不方便。
（2）化学监测法。
通过分析GIS中局放所引起的气体生成物的含量来确定局放的程度，但GIS中的吸附剂和干燥剂会影响化学方法的测量；断路器正常开断时产生的电弧的气体生成物也会产生影响；脉冲放电产生的分解物被大量的SF6气体稀释，因此用化学方法监测PD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。
（3）光学监测法。
光电倍增器可监测到甚至一个光子的发射，但由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现。
该法监测已知位置的放电源较有效，不具备定位故障能力，且由于GIS内壁光滑而引起反射带来的影响使灵敏度不高。
2.3上述五种监测方法对比
对于某种监测技术的性能评估，首先要考虑的要素是模式识别、定位、放电强度三个方面的信息的准确性。
监测技术是局部放电分析的基础，模式识别给出了导致发生局放的原因及类型，定位则给出了局放源的准确位置，放电强度给出了当前局放活动的剧烈程度，这三个方面信息的结合才能进行介质绝缘状态的合理准确评估。
监测方法
耦合电容法
超高频法
超声波法
化学法
光学法
一般优点
简单；灵敏度较高
灵敏度高；可用于运行中设备
灵敏度高；抗电磁干扰能力强
不受电磁干扰
不受电磁干扰
一般缺点
运行设备不能使用；信噪比低
造价高
结构复杂；需有经验人员操作
灵敏度差；不能长期监测
灵敏度差；需要多个传感器
可达精度
5pC
0.5-0.8pC
<2pC
很差
差
适用监测的放电源
固定微粒；
悬浮物；
气隙和裂纹
各种缺陷类型都适用
自由移动的微粒；悬浮物
放电情况严重时的缺陷
固定微粒；针状突出物
能否故障定位
不能
精确定位
±0.1m
苛刻条件
需传感器多
能判断放电气室
能粗略定位
故障类型判断
能
能
能
不能
不能
应用情况
早期较多
广泛
广泛
未应用
未应用
二、超高频法的测试系统
1、局部放电辐射特高频电磁波的产生机理
推荐文献：
JuddMD,FarishO,HamptonBF.TheexcitationofUHFsignalsbypartialdischargesinGIS[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,1996,3
（2）:
213-228.
JuddMD,FarishO,HamptonBF.BroadbandcouplersforUHFdetectionofpartialdischargeingas-insulatedsubstations[J].IEEpro-ceedings-Science,MeasurementandTechnology,1995,142（3）:
237-243
2、监测频带
300MHz-约3GHz以内。
局部放电所辐射的电磁波的频谱特性与局部放电源的几何形状以及放电间隙的绝缘强度有关。
当放电间隙比较小时，放电过程的时间比较短，电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强；而放电间隙的绝缘强度比较高时，击穿过程比较快，此时电流脉冲的陡度比较大，辐射高频电磁波的能力比较强。
研究表明在SF6气体及变压器油纸绝缘中局部放电所辐射出的电磁波范围可达数GHz的特高频范围。
但频率越高，衰减越快，这是监测频带上限的原因。
3、GIS中特高频电磁波的传播特性
研究结果表明局部放电信号在GIS中是以横电磁波（TEM）和横电波（TE）、横磁波（TM）的形式传播，GIS的同轴结构相当于导引电磁波的波导管，TE波与TM波在其中传播的截止频率取决于GIS的结构尺寸，同时由于间隔的作用，1个GIS系统如同一系列的谐振腔，谐振腔中信号传播损耗小，信号传播时间长，通常1个ns级的局部放电信号可以持续10ms以上，有利于信号的检测。
4、特高频法局部放电检测方法
有特高频宽带检测法和特高频窄带检测法2种。
特高频窄带测量的中心频率通常为几百MHz，带宽为几十MHz，窄带检测方法可以任意选择频带，因而可避开现场的许多干扰，能较有效地抑制外部干扰和提高信噪比，但其检测的是一个较窄频带内的信号，检测信号的能量会受到限制。
西安交通大学的特高频局放检测是典型的窄带检测设备，采用混频的方法实现特高频信号的窄带检测。
宽带检测法则将检测频带内的所有信号都送入检测系统，这种情况下信息量大，可以在足够宽的频率范围内对局部放电进行检测，避免遗漏放电特征峰。
但如果有检测频带之内的干扰信号，会造成信噪比低，影响后续的分析。
5、天线和放大器
对GIS进行特高频局部放电检测的传感器包括天线、放大器和检波器。
特高频天线根据安装方式可分为内置式和外置式两种。
本身天线接收的UHF信号很微弱，为了减小信号衰减，提高灵敏度，放大器采用低噪音高增益UHF放大器，并在空间上紧密靠近天线。
推荐文献：
汲胜昌，土园园，李军浩，等.GIS局部放电检测用特高频天线研究现状及发展[J].高压电器，2015,51（4）:
163-172.
6、检波器
有文献在对传感器的介绍过程中对检波器进行了介绍。
检波是指将UHF信号的高频成分滤除，仅保留信号的幅值和相位信息。
UHF脉冲信号包含了丰富的表征放电类型、强度、局放源及传播途径等信息，检波会损失UHF信号中的部分信息，但依然保留了大量重要的PD信息，如PD脉冲峰值、相位、脉冲重复率等。
UHF信号经检波输出后得到一个缓慢变化的包络信号，其幅值与UHF信号的峰值相对应。
反映了局放UHF信号的大小和形状，并结合了工频相位信号，得到放电脉冲的相位分布。
根据检波信号在工频信号上的相位分布及检波信号的波形特征，进行绝缘缺陷局放类型的识别。
因此检波器是检波波形识别的关键器性。
7、特高频法测试系统近年发展的评价
局部放电的在线监测方面的应用越来越广泛。
就特高频法本身而言，近十几年来并未有大的改变，但特高频信号的检测技术，特别是特高频传感器技术近年来的发展较快，涌现出了一系列不同结构、不同形式及适用于不同场合的特高频传感器。
三、超声波监测法的测试系统
1、局部放电激发超声波的产生机理
在GIS等电气设备内部发生局部放电时会产生电荷中和的过程，相应的会产生较陡的电流脉冲，电流脉冲的作用将使得局部放电发生的局部区域瞬间受热而膨胀，形成1个类似爆炸的效果，放电结束后原来受热而膨胀的区域恢复到原来的体积，这种由于局部放电产生的一涨一缩的体积变化引起了介质的疏密瞬间变化，形成超声波，从局部放电点以球面波的方式向四周传播，因此当发生局部放电时也伴随着超声波的产生。
2、声波频谱与监测频带
局部放电产生的声波频谱分布很宽，约为10Hz到10MHz。
监测到的声波频率随着不同的电气设备、放电状态、传播媒质以及环境条件的不同而改变。
由于在SF6气体中声波的衰减很大，约为空气中的20倍，并且高频分量的衰减要比低频分量大得多，因此能检测到的声波低频分量比较丰富。
在GIS中，除了局部放电产生的声波外，还有导电微粒碰撞金属外壳、电磁振动以及操作引起的机械波振动等发出的声波，但是这些声波的频率都比较低。
在GIS的局部放电超声波检测中，超声波传感器的谐振频率一般在25kHz左右。
3、超声波在GIS腔体内的传播规律
GIS内局部放电的超声波信号可通过两条路径传播到超声传感器，一条是由局部放电源直接传播到GIS外壳内壁并透过金属壁到达传感器，即直达波，此部分超声波为纵向波。
另一条是先以纵向波传播到GIS外壳内壁，再沿金属壁以横向波传播到传感器，此部分波为复合波。
材料
超声波频/kHz
纵波速度/（m/s）
横波速度/（m/s）
吸收系数/（dB/m）
空气
50
343
\
4×10-3
SF6
50
133
\
80
铝
50
6300
3100
4×106
环氧树脂
2000
2600
1100
1000
4、传感器
常规的局部放电超声波检测采用压电超声波传感器，将超声波信号转化为电信号进行检测并传输。
传统的压电式传感器检测技术已经发展的较为成熟。
5、光纤技术在信号传输中的应用
随着光纤技术的发展，近年来有学者开始研究利用光纤本身或者外部敏感元件将超声波信号转化为光强信号的变化，进而通过光敏元件转化为电信号进行局部放电的超声一光检测。
较为常用的超声一光检测采用Fabry-perot,Mach-zehnder和Michelson3种干涉原理。
由于光纤传感器本质为介电材料，其传输的是光信号，使用上安全性高；另外加上其良好的温度稳定性，因此可应用于高电压、强电磁干扰的恶劣环境；同时光信号衰减小，便于长距离传输，甚至可以将光纤传感器直接置于材料内部，和材料融为一体形成智能材料和结构。
推荐文献有：
王伟，土赞，吴延坤，等.用于油中局部放电检测的Fabry-Perot光纤超声传感技术[J].高电压技术，2014,40（3）:
814-821.
司文荣，李军浩，袁鹏，等.超声一光法在高压电器设备局部放电检测中的应用[J].高压电器，2008,44
（1）:
59-63.
祁海峰，马良柱，常军，等.熔锥招合型光纤声发射传感器系统及其应用[J].无损检测，2008,30（6）:
66-69.
6、超声波检测法的评价
局部放电的超声波检测具有现场操作简单、应用便捷的特点，一直是现场运行人员局部放电检测的重要手段。
在检测方法方面，传统的压电式传感器检测技术已经发展的较为成熟，目前利用光纤进行超声信号的检测是一个具有较大空间的发展方向。
此外利用超声波信号进行局放源定位近年来也得到了快速的发展。
四、故障诊断
故障诊断是指对能够表征设备故障的信息进行有效检测和采集之后，进行如下三个主要步骤：
（1）局部放电类型的模式识别：
从该信息中获取能反映其最显著特征的参量，再通过构造恰当的分类器判断故障类型，判断故障的放电强度；
（2）局部放电源定位：
通过数学或者物理方法对故障源进行定位；
（3）在确定故障类型与位置后对设备进行故障修复。
其中，上述
（1）和
（2）两个步骤涉及大量算法，在算法的精确性及适用性上进行的研究，需要较为深厚的数学知识，也正是因为目前还没有哪一种算法做到完美，能够真正在现场检测中做到不需人工介入进行放电类型的准确识别，使算法研究成为局部放电领域最具有活力的研究方向，当然，这也与局部放电本身的复杂性及缺陷分类的不确定性以及实际有效样本的不足息息相关。
五、局部放电类型的模式识别技术
1、局部放电缺陷类型
见“局放产生的原因”。
2、特征提取方法
对于绝缘缺陷局部放电类型的识别，首先要有能够准确描述放电类型的特征量，通常特征提取主要分为时域分析法和统计分析法。
2.1时域分析法
时域分析法对一次放电所产生的时域波形特征或其变换结果进行特征提取，但由于局放信号在传输过程中衰减畸变严重，难以准确提取特征量，这种方法现场应用效果欠佳。
2.2统计分析法
统计分析法采用统计参数来描绘局放特征，在局部放电模式识别领域是主要的特征提取方法。
2.2.1PRPD谱图
局部放电的局部放电相位分布（phaseresolvedpartialdischarge,PRPD）谱图是最为广泛采用的局部放电统计分析模式。
基于局部放电PRPD谱图，又衍生出很多使用不同统计算子进行统计分析的方法。
其基本出发点是提取局部放电相位谱图的形状特征，利用不同放电类型具有不同的谱图形状特征进行模式识别。
2.2.2混沌特征吸引子
从时间序列上而言，局部放电具有混沌特性，因此可将局部放电时间序列在高纬相空间重构并获得各种混沌吸引子，从混沌吸引子谱图可提取特征算子进行模式识别。
3、模式分类算法
局部放电的模式识别算法也称为模式识别分类器。
在局部放电模式识别研究领域，模式识别算法的研究是其中的一个热点。
3.1神经网络算法
目前应用最为广泛的模式识别算法是神经网络算法。
神经网络是一种模拟人脑进行识别的数学算法，它由多个具备线性或非线性映射能力的神经元组成，神经元之间通过权系数相连。
神经元是具有非线性映射能力的的函数，其信息分布存储于连接权系数中。
人工神经网络具有较高的容错性和鲁棒性，其知识获取能力极强，能够有效处理含噪声的数据，这在局部放电的模式识别中极具优势。
最为广泛应用的神经网络是反向传播神经网络（back-propagation,BP），该神经网络采用反向传播算法进行训练，是一种有导师学习网络，目前2层BP神经网络是最为常用的模式识别算法。
此外径向基神经网络（radialbasisfunction,RBF）、自组织特征映射神经网络（self-organizingmap,SOM）、自适应共振神经网络（adaptiveresonancetheory,ART）、遗传算法神经网络（geneticalgorithm,GA）等不同类型的神经网络算法均被应用于局部放电的模式识别中。
神经网络算法应用于局部放电模式识别有较长的历史，效果也较为明显，神经网络在局部寻优时比较成功，但也存在对初始权值和阈值的选取敏感；容易陷入局部极小点，致使学习过程失效；算法收敛速度慢，效率低；网络结构设置依赖于使用者的经验等缺点。
3.2支持向量机（supportvectormachinesSVM）
SVM是建立在统计理论和结构风险最小化原则上的一种机器学习算法，它采用核函数代替原模式空间的矢量运算来实现非线性变换。
SVM能够克服小样本、多维数、局部极小点等问题，是一种极具优势的模式识别算法，近年来得到了诸多研究。
六、局部放电源定位技术
1、UHF定位法
UHF法实现GIS局部放电定位的基本方法是时差法。
时差法基本原理是由局部放电源辐射的电磁波以一定的速度（光速）在GIS中传播，到达不同位置传感器的时间不同。
采用2个或多个UHF传感器检测局部放电电磁波信号，可根据电磁波传播速度和传感器接收到同一放电源的信号时间差计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷定位。
UHF时差定位法的优点是原理简单、运用方便、定位较为准确。
不过该方法测量的信号的时差在ns量级，因此不仅需要测量设备具有很高的采样频率和频宽，还要求被测信号的起始脉冲清晰，以读取信号的起始时间。
这里，时延算法、定位算法也有很多学者在做研究。
由于GIS盆式绝缘子通常是环氧树脂材料，对电磁波信号衰减较小，电磁波能够从盆式绝缘子辐射出去，UHF定位法可通过采用外置传感器检测从绝缘子辐射出来的电磁波信号实现局部放电信号检测与定位。
因此UHF定位法在GIS维护现场得到广泛应用，但其由于受信号传播路径与传感器位置等因素的影响，信号起始时间往往不能准确辨识，难以实现设备缺陷的准确定位。
2、超声波定位法
超声波定位法的基本方法是通过测量局部放电产生的超声信号传播到多个不同位置的超声传感器的时延或时间差，根据时延和超声波传播速度（多传感器时可作为变量），利用空间解析几何的方法计算局部放电源的位置，实现绝缘缺陷定位。
由于超声波在电力设备常用材料介质中衰减较大，其测量有效范围较小，却能实现绝缘缺陷的准确定位。
根据超声波在GIS腔体内的传播规律，超声信号的时延读取相应地也有两种取法。
由于超声波在GIS金属外壳（通常为铝材料）中传播速度快且衰减大，复合波往往先到达传感器但其幅值却比直达波小的多。
由于直达波易于分辨，因此超声定位法中常常取直达波为准读取时延时间。
超声波定位法虽然具有抗电气干扰能力强，定位准确度高的优点。
但在现场使用时易受周围环境噪声的影响，特别是设备本身如果产生一定的机械振动，会使超声检测产生较大的误差。
而且由于超声传感器监测有效范围较小，在局部放电定位时，需对GIS进行逐点检测，工作量非常大，现场应用较为不便。
3、采用声电联合的定位法
声电联合定位法的基本思想是先采用UHF传感器对GIS进行一次定位分析，确定绝缘缺陷的大致范围，然后同时采用UHF传感器和超声传感器进行二次定位分析，实现绝缘缺陷的准确定位。
声电联合定位法由于同时检测局部放电的电磁波信号和超声波信号，因此通过对两种传感器检测到的信号进行分析能更加有效地排除现场干扰，提高局部放电定位精度和缺陷类型识别的准确性，有利于发现并确定绝缘缺陷，实现GIS的安全维护。
4、相控阵列
采用N×N个阵列传感器组成的平面相控阵作为相控阵列传感器。
当采用相控阵进行局部放电源的检测时，局部放电源会辐射出特高频信号和超声波信号，以特高频信号作为基准信号，计算同一方向的超声波信号传播时延，然后结合波速首先计算出局部放电源与传感器之间的距离，再根据相控阵扫描的方位角和仰角计算出局部放电源的空间几何位置。
七、存在的问题和未来的发展
在线监测目前争议较大的关键原因在于在线监测装置本身的不可靠性。
由于乏严格的准入机制和测试标准，导致目前局部放电在线监测装置质量参差不齐，甚至出现了由于在线监测装置本身出现故障进而导致被监测设备被迫停运的事故。
实际上这些问题在带电检测装置上也都存在。
不论在线监测还是带电检测，我们的观点是一方面要保证装置本身的可靠性、准确性和灵敏性，这要求对传感器技术、数据采集技术及信号分析技术等进行持续深入的研究，特别是研究更为灵敏的、抗干扰能力更强的传感器是其中的重点。
这样才能保证局部放电检测装置不误判、不错判、不漏判。
另一方面要加强装置的入网检测，建立标准的局部放电检测装置准入检测环节，加强对其的质量控制，两方面结合才能从根本上解决目前局部放电检测装置存在的问题，保证局部放电检测的有效性。
（1）检测技术的盲点。
现场检测过程中发现超高频法和超声波法这两种方法并不能发现所有设备的内部缺陷。
更为精确的检测技术的持续研究是局部放电研究领域的重要研究内容。
（2）更为准确和深入的结果分析方法。
在准确检测的基础上对检测结果进行准确的分析，并合理评价局部放电对设备的影响。
需要深入基础的机理研究和放电特性研究，建立更为详细和全面的局部放电源危险程度的评估等。
（3）不同种类电压作用下局部放电的检测和分析。
交流电压、直流电压、交直流复合电压、冲击电压作用下设备的局部放电检测与分析，一方面从局部放电的角度分析在这些电压作用下介质的击穿过程，另一方面则希望在耐压试验的同时进行局部放电的检测，从而提高绝缘诊断的准确程度。
（4）非常规检测方法标准体系的建立。
原因在于对超高频法和超声波法这两种非常规局部放电检测方法，其检测设备的参数界定、局放源定位的方法、传感器灵敏度检验的流程等重要内容均没有定论，所以迟迟没有形成正式的标准。
八、感想
（1）这份总结大概是一篇科普性的总结，太多太多的点对应太多太多的文献。
尤其是英文文献和各种算法介绍，望而生畏，也没有深入学习。
（2）基础理论的研究国外的学者做的比较多，国内学者做的更多是应用方法的研究。
（3）各类传感器那么多，各类算法也是那么多，但是却没有一种在性能上远超其他方法的、接近完美的方案。
（4）实验室的较新的研究成果应用到工程应用上还有一定的距离。
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