基于幅比聚類GIS多點放電分離技術研究及現場應用

國網天津市電力公司城西供電分公司 王 磊

目前，基于單放電源的GIS缺陷診斷的研究已經較為成熟，但是多放電源的識別研究較少，能夠有效應用于現場的技術更少，但是現在經常出現多放電源同時存在的情況，無論是空間干擾疊加GIS內部放電，還是GIS內部存在多點放電，這些情況都嚴重困擾著現場運維人員，為GIS安全穩定運行帶來隱患[1-3]。

1 幅比聚類方法

1.1 幅比聚類原理

相位統計分布譜圖（PRPD）是GIS局部放電類型識別的重要依據，懸浮放電、尖端放電等不同的放電類型，其PRPD圖譜也不一樣，根據這些不同圖譜的不同特征，可以有效對GIS局部放電類型進行區分、識別。但是當設備內部存在兩種或兩種以上放電，或者空間中存在大量放電干擾時，檢測傳感器所接收的圖譜是多種信號疊加后的圖譜，這樣圖譜不具有典型性，為現場判斷帶來困難，致使檢測人員無法有效識別放電類型。

針對以上問題，本文提出了一種基于幅比聚類的GIS多點放電分離技術，基本原理是不同放電點產生的局放信號，其到達不同檢測傳感器的傳播路徑、傳播時間和能量衰減均不一樣，但是不同傳感器接收同一放電源產生的局放信號，其幅值比一定會在某一個區間范圍內，通過聚類計算方法，可以有效將不同放電點產生的局放信號圖譜分離出來。

當GIS存在多點放電情況時，通過計算兩個或以上不同傳感器所接收的信號的同步脈沖幅值的比值，并繪制幅比分布圖，根據圖中的尖峰數可以判斷出放電源的個數，也可以進一步分離放電圖譜。具體做法如下：在GIS不同可檢測特高頻信號的位置安裝兩個或兩個以上局放傳感器；提取接收圖譜的同步脈沖幅值Vi及相位φi，并根據判斷條件-相位差⊿φ≤0.5°來判斷是否為同步脈沖；通過計算兩傳感器接收的時域波形上的所有同步脈沖的幅值之比Ri，并進行相位幅值（φi，Vi）標記；對幅比Ri進行聚類分析將不同放電模式的脈沖分離開來；根據相位幅值（φi，Vi）信息映射出每類放電脈沖的統計圖譜。

1.2 幅比聚類方法在空氣中的試驗驗證

試驗方法：本試驗加壓回路需要采取無局放試驗方式，因此電源采用隔離變壓器加試驗變壓器來實現，試驗變壓器最高電壓可升到110kV，隔離變壓器的作用是實現高、低壓電源回路中的電氣隔離，以避免干擾引入。試驗變壓器末端出現，接保護電阻，保護電阻后再接金屬導桿，金屬導桿主要用來放置放電模型。常見的懸浮放電模型為螺栓系在金屬導桿上，尖端放電的模型為金屬絲掛在金屬導桿上，干擾源采用實驗室中的日光燈，在距離5m位置分別放置傳感器1和傳感器2，試驗時可以通過調整兩個傳感器、放電源、干擾源的相對位置，研究不同的聚類分離效果。尖端放電的起始放電電壓為41kV。試驗模型放電組合：尖刺+日光燈；試驗電壓44kV。

圖1 試驗測試回路及放電模型

試驗結果分析：圖2（a）為采用兩組傳感器同步檢測到的尖端放電與日光燈干擾的PRPD和幅比分布圖，從圖中可以看到兩個明顯的特征峰，因此可以判斷這是兩種不同放電的圖譜疊加。通過進一步放電圖譜分析后得到圖2（b）和圖2（c），從這二者中可以清晰獲得尖端放電和日光燈干擾的典型圖譜，從而準確識別放電類型。

圖2 尖端放電與日光燈干擾的分離

1.3 實驗室中真型GIS平臺上局放檢測的驗證

1.3.1 試驗方法

如圖3所示，在110kV GIS真型試驗平臺上分別布置尖端放電和懸浮放電兩種模型。尖端放電模型是通過在高壓導體上掛銅線的方式實現，銅線長約2cm，直徑0.5mm；懸浮放電模型是在高壓母線上懸掛一個M8的螺母，螺母和高壓母線形成懸浮電位。經過前期試驗可得，尖端放電的起始放電電壓約為35kV，懸浮放電的起始放電電壓約為32kV。當試驗電壓加到36kV時，二者均產生穩定的放電信號，傳感器1和傳感器2分別布置在兩個盆式絕緣子的澆筑孔上。

圖3 放電模型布置

1.3.2 試驗結果分析

傳感器1和傳感器2接收到的局放信號如圖4（a）和圖4（b）所示。

將圖4進行圖譜分離，分離方法如下：分別計算傳感器1和傳感器2所接收的信號同步脈沖幅值V1和V2；計算V1和V2的比值，再進行歸類，獲得如圖4（c）所示的分離圖譜，分離后的圖譜信號明顯為二簇；最后將脈沖映射后的PRPD疊加圖譜如圖5（a）也進行分離，可獲得如圖5（b）和圖5（c）的分離圖譜，圖譜為典型的懸浮放電和尖端放電。

圖5 放電疊加圖譜

由以上試驗驗證可知，本文提出的多點放電的幅比分離技術能夠有效的實現不同放電源疊加后的復雜信號的分離，輔助放電信號的類型識別。另外，在多次重復試驗的過程中，發現在應用本文提出的幅比聚類方法進行多點放電圖譜分離時，當不同放電源位置比較接近，或局放信號在到達兩個傳感器之間的傳播路徑和能量衰減比較接近時，本方法有一定的局限性，誤差較大，但是可以通過調整不同傳感器的位置和傳感器的朝向，人為來改變信號從不同放電源至傳感器的傳播路徑，然后再分離，結果準確可靠。

2 幅比聚類方法在現場中的應用

現場檢測。本文進一步通過現場檢測的方式驗證幅比聚類方法的分離有效性，在某個110kV GIS站室內進行了一次檢測。站內布置情況和檢測位置如圖6所示，檢測結果如圖7所示。

圖6 站內GIS布置情況

圖7 檢測結果

由圖7可知，幅比分布圖為明顯的三簇放電，分離后的放電圖譜如圖8所示，由于分離后的第一簇和第二簇放電圖譜相位特征毫無規律，因此判斷為干擾信號，第三簇為360°相位分布類出現單簇，典型的尖端放電圖譜。

圖8 分離后的三種放電統計譜圖

進行檢查后發現C相隔離開關處，導體上存在毛刺和劃痕，實際結果與檢測結果一致。

3 結語

針對多種放電故障同時存在的情況，本文提出了一種基于幅比聚類的GIS多點放電分離技術，并通過空氣中試驗、GIS實驗室驗證以及GIS現場檢測中驗證，證明此技術可有效分離多種放電疊加后的放電圖譜，能對多點放電進行準確分離，從而便于各放電源的識別與定位，提高GIS中多點放電的缺陷診斷的準確率。值得注意的是，當不同放電源位置比較接近或局放信號在到達兩個傳感器之間的傳播路徑和能量衰減比較接近時，本方法有一定的局限性，誤差較大，但是可以通過調整不同傳感器的位置和傳感器的朝向，人為來改變信號從不同放電源至傳感器的傳播路徑，然后再分離，結果準確可靠。