電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)研究

引言

近些年來,我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展,各行業(yè)在所屬領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展也越來越快,電氣系統(tǒng)的絕緣檢測更是如此。電氣系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用使其作用不斷突顯,對電氣系統(tǒng)的絕緣故障進行診斷對電氣系統(tǒng)的安全運行具有重要意義,由此電氣系統(tǒng)的絕緣檢測研究應(yīng)運而生。20世紀80年代,國內(nèi)學(xué)者就已經(jīng)開始開發(fā)電氣系統(tǒng)的絕緣裝置,至今已取得了質(zhì)的飛躍。雖然目前國內(nèi)在電氣系統(tǒng)絕緣檢測的研究中積累了大量的理論知識和實踐經(jīng)驗,但是與大多數(shù)發(fā)達國家相比,還存在很大差距。

王滌等人根據(jù)概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)原理,針對電氣系統(tǒng)的局部放電現(xiàn)象,設(shè)計了一種絕緣故障融合診斷方法,通過故障特征提取和故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理,利用概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對絕緣故障數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練處理,在融合證據(jù)理論的基礎(chǔ)上,模擬故障放電現(xiàn)象,通過仿真實驗發(fā)現(xiàn),在故障識別測試中該方法速度比傳統(tǒng)方法快。嚴浩等人基于開關(guān)振蕩理論,以多頻率特征的逆變器驅(qū)動電機為研究對象,提出一種故障診斷方法,引入電壓傳感器和電流傳感器,提取出故障信號的特征,結(jié)合濾波器的工作原理,對絕緣故障信號進行處理,通過計算驅(qū)動電機在單個運行周期內(nèi)的電流幅值均值,得到故障診斷結(jié)果,結(jié)果顯示,當絕緣故障嚴重時,該方法可以對驅(qū)動電機的絕緣故障進行有效診斷。

基于以上研究背景,本文針對電氣系統(tǒng)的絕緣故障,提出一種診斷方法,從而保證電氣系統(tǒng)在運行中的穩(wěn)定性和安全性。

1電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)設(shè)計

1.1提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征參數(shù)

在提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號特征參數(shù)的過程中,引入小波包分解技術(shù),對絕緣故障信號的頻帶進行劃分,根據(jù)絕緣故障信號的特征,選擇絕緣故障信號對應(yīng)的頻帶。將小波包系數(shù)作為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征,利用小波分解將電氣系統(tǒng)原始絕緣信號分解成w層,重構(gòu)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征矩陣,表示為:

式中:m和s為小波包系數(shù):業(yè)為電氣系統(tǒng)原始絕緣信號的采樣點數(shù):8為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的采樣點數(shù)。

假設(shè)w是m×s階矩陣,在絕緣故障信號的奇異值分解過程中,存在正交矩陣P和Q,當w=PVQT時,V=,其中2=diag(1,2,…,n),為電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征向量。按照從上到下的順序?qū)仃噖的奇異值進行排序,使不等于0的奇異值構(gòu)成電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征向量,表示為:

根據(jù)小波分解中奇異值的性質(zhì)可以發(fā)現(xiàn),電氣系統(tǒng)中絕緣故障信號特征向量可以表征出小波系數(shù)的矩陣特征,利用該特征反映出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特性,根據(jù)絕緣故障信號的特征向量,提取出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征參數(shù),表示為:

引入小波包分解技術(shù),劃分電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的頻帶,通過重構(gòu)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征矩陣,得到電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征向量,進而提取出電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征參數(shù)。

1.2分析電氣系統(tǒng)絕緣故障信息

電氣系統(tǒng)絕緣故障中,如果將故障的回路電流定義為I,在脈沖磁場下的磁勢為s,故障信號的基波分量會影響電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,在忽略電氣系統(tǒng)高次諧波的前提下,得到電氣系統(tǒng)的脈振磁勢表達式:

式中:f為電氣系統(tǒng)中電流的基波頻率:7為電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行時間:ó為電氣系統(tǒng)中設(shè)備的極對數(shù):β為電氣系統(tǒng)的機械角度。

當電氣系統(tǒng)中絕緣裝置的結(jié)構(gòu)對稱時,氣隙磁密B與磁勢s和磁導(dǎo)U0的乘積為正比關(guān)系,絕緣設(shè)備的安裝會導(dǎo)致電氣系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象,從而影響電氣系統(tǒng)絕緣裝置的氣隙磁導(dǎo),經(jīng)過一系列變化之后,電氣系統(tǒng)絕緣裝置的磁導(dǎo)為:

式中:fr為電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率:Ug和Ue為電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備磁導(dǎo)的分量,正常情況下,Ug>Ue。

電氣系統(tǒng)絕緣設(shè)備的磁力與B2為正比關(guān)系,那么電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備的磁力可以通過下式計算,即:

式中:ξ和γ為比例系數(shù)。

將公式(6)和(7)代入到公式(8)中,計算出絕緣設(shè)備故障信號的最大諧波分量,絕緣設(shè)備的電磁力波可以促使轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生振動,振動過程中,頻率和絕緣設(shè)備轉(zhuǎn)動的頻率存在一定關(guān)系,振動信號能夠反映出電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備故障的諧波分量。

利用電氣系統(tǒng)中絕緣設(shè)備的電流基波頻率和極對數(shù),計算絕緣設(shè)備的脈振磁勢,考慮到絕緣設(shè)備的安裝會影響電氣系統(tǒng)絕緣裝置的氣隙磁導(dǎo),通過計算電氣系統(tǒng)絕緣設(shè)備的磁力,來完成對電氣系統(tǒng)絕緣故障信息的分析。

1.3設(shè)計電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷算法

以電氣系統(tǒng)絕緣故障信息的分析結(jié)果為依據(jù),對電氣系統(tǒng)運行20min內(nèi)的穩(wěn)定性提出要求,此時需要滿足如下條件:

式中:U*為電氣系統(tǒng)的電源電壓:AUEG為電氣系統(tǒng)的電壓誤差:UEG為電氣系統(tǒng)的電壓。

電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備的電壓波紋系數(shù)可以判斷電源是否穩(wěn)定運行,那么電壓波紋含量φ的計算公式為:

式中:AUe為電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備電壓的最大波動分量。

電壓波紋含量會影響電氣設(shè)備絕緣體的極化,因此電壓波紋系數(shù)需要滿足如下條件:

假設(shè)電氣系統(tǒng)的電源回路電阻可以等效為R*,分布式電容為C*,那么電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備的電容充電時間常數(shù)為:

在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中,對兆歐表的容量進行定量的指標就是電氣系統(tǒng)中電氣設(shè)備A到Z端短路時的輸出電流,表示為:

I'的數(shù)值越大,說明兆歐表對電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷性能越好。當I'=1mA時,能夠滿足電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷要求。

綜上所述,根據(jù)電氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的約束條件,計算了電氣系統(tǒng)的電壓波紋含量,基于電氣設(shè)備的電容充電時間常數(shù),引入兆歐表實現(xiàn)電氣系統(tǒng)絕緣故障的診斷。

2實驗對比分析

2.1搭建實驗平臺

為了驗證文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的可行性,在Linux系統(tǒng)下,搭建了絕緣故障診斷平臺,主要由電流互感器、絕緣故障信號采集裝置、信號處理器、PCI_1716/L多功能數(shù)據(jù)采集卡和上位機組成,實驗平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1的實驗平臺需要在電氣系統(tǒng)穩(wěn)定運行時采集絕緣故障信號,才能保證絕緣故障診斷的準確性。

2.2建立電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫

本文選用的絕緣故障樣本來自電氣系統(tǒng)中多條配電線路,利用信號采集裝置,一共采集38579個絕緣信號,包括25386個故障信號和13193個正常信號。

根據(jù)電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的采集結(jié)果,引入LabelImg技術(shù)對絕緣故障信號進行標記,依據(jù)標記結(jié)果,建立電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫。

按照7:3的比例,將電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫劃分為訓(xùn)練集和測試集,利用labelimagelabelme數(shù)據(jù)標注工具對絕緣故障訓(xùn)練樣本進行標注,建立絕緣故障訓(xùn)練樣本集,一共包括15386個絕緣故障信號,其余10000個絕緣故障信號為測試樣本集。電氣系統(tǒng)絕緣故障樣本庫的組成如表1所示。

2.3設(shè)置評價指標

為了更好地驗證文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的性能,引入召回率、準確率指標衡量電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷性能,計算公式為：

式中：TP為正確診斷的絕緣故障信號數(shù)量﹔FP為錯誤診斷的絕緣故障信號數(shù)量﹔FN為遺漏的絕緣故障信號數(shù)量。

2.4性能對比結(jié)果分析

為了突出文中技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中的優(yōu)越性,引入基于P一CNN的絕緣故障診斷技術(shù)和基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)作對比,測試了電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率和準確率,結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2的結(jié)果可以看出,隨著電氣系統(tǒng)絕緣故障信號數(shù)量的增加,三種技術(shù)對絕緣故障診斷的召回率減小,其中:

(1)采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)時,絕緣故障診斷召回率最低,在70%以下:

(2)采用基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)時,對電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率在50%~80%,雖然高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù),但是無法滿足故障診斷要求:

(3)采用文中技術(shù)時,對電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的召回率是最高的,在85%以上,可以保證電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

根據(jù)圖3的結(jié)果可知:

(1)采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù)時,由于概率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無法準確提取電氣系統(tǒng)絕緣故障信號的特征參數(shù),電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準確率偏低,在60%~80%:

(2)采用基于開關(guān)振蕩的絕緣故障診斷技術(shù)時,對電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準確率同樣在60%~80%,但是高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術(shù):

(3)采用文中技術(shù)時,對電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷的準確率最高,在90%以上,較高的準確率可以避免電氣系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障。

3結(jié)語

本文對電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷技術(shù)進行了研究,經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn),該技術(shù)在電氣系統(tǒng)絕緣故障診斷中具有更高的召回率和準確率。但是本文的研究還存在很多不足,在今后的研究中,希望可以引入激光探測技術(shù),對電氣系統(tǒng)的絕緣故障進行識別,為電氣系統(tǒng)的絕緣可靠性提供有力依據(jù)。