李 澤, 錢 勇, 臧奕茗, 周小麗, 盛戈皞, 江秀臣

(1. 上海交通大學 電氣工程系, 上海 200240; 2. 復旦大學 光源與照明工程系, 上海 200433)

氣體絕緣開關設備(Gas-Insulated Switchgear, GIS)和氣體絕緣輸電線路(Gas-Insulated Transmission Line, GIL)具有集成度高、穩(wěn)定性強、輸電容量大等優(yōu)點,在電網中得到廣泛應用[1-2].在電力設備運行過程中,絕緣缺陷會引發(fā)局部放電(Partial Discharge, PD)是威脅整個系統(tǒng)安全的主要因素之一[3].局部放電檢測是電力設備絕緣狀態(tài)檢測的常用技術手段,可以有效反映絕緣狀態(tài)和缺陷類型,有利于GIS/GIL的安全穩(wěn)定運行[4].局放檢測方法包括基于電磁波的特高頻法、基于聲波的超聲法和基于光輻射的光測法等[5].與特高頻法和超聲法相比,光測法具有抗電磁干擾強、靈敏度高、絕緣性強等優(yōu)點,是一種可靠且具有潛力的方法,具有較高的研究和應用價值[6].

目前常用于檢測光局放信號的器件是光電倍增管(Photomultiplier Tubes, PMT)[7]和高速增強電荷耦合器件(Intensified Charge-Coupled Device, ICCD)[8].然而,PMT只能采集局放的光強,且驅動電壓高;高速ICCD檢測裝置體積大、安裝復雜、成本高.因此,光測法長期以來僅在實驗室中開展,難以應用于實際設備.硅光電倍增管(Silicon Photomultiplier, SiPM)由于具有高集成度、低成本和高靈敏度等優(yōu)點,近年來在光局放檢測中受到關注和應用[9].但是現(xiàn)有的基于SiPM的局放檢測方法只能檢測可見光、紅外和紫外等范圍內的光強度,光譜分辨率低,獲得的多光譜特征信息量較少,無法反映放電狀態(tài)和類型的更多光譜細節(jié).且基于SiPM的多光譜局放檢測和診斷方法主要集中于SF6氣體.SF6是一種溫室氣體,其全球變暖潛能值(Global Warming Potential, GWP)是CO2的 23 500 倍.為了保證絕緣性能的同時降低溫室效應,3MTM公司和一些學者提出了一種具有巨大潛力的環(huán)?；旌蠚怏wC4F7N/CO2,并已在部分設備中投入使用[10].然而,當前針對C4F7N/CO2混合氣體的局放研究主要局限于其電學和化學性質[11-13],尚未有關于C4F7N/CO2混合氣體多光譜局放檢測和診斷的研究.同時,由于不同氣體分子放電會產生不同的光譜輻射,不同氣體的多光譜局放檢測的診斷標準存在差異,所以所提出的針對SF6的多光譜PD檢測和診斷標準在C4F7N/CO2混合氣體中的應用效果有待進一步討論和驗證.

基于此,設計一種新型多光譜陣列(Multispectral Array, MA)傳感器,使用4×4的多光譜網格將SiPM陣列細分為7個波段(介于紫外和紅外范圍之間),以檢測4種局放缺陷的光學特性,繪制了SF6和C4F7N/CO2混合氣體的局放多光譜檢測的相位分布圖、能量分布圖和特征堆疊圖,對比分析了不同條件下光局放特征的差異,提出了一種基于多光譜特征(Multispectral Features, MF)和最近鄰算法(K-Nearest Neighbors, KNN)的新型局部放電診斷方法,并驗證了該方法在5種不同比例的C4F7N/CO2混合氣體和SF6中的有效性.在不增加SiPM傳感器體積和電路的情況下,更高效、準確地實現(xiàn)了PD的檢測和分類,不僅為傳統(tǒng)SF6氣體絕緣設備的PD檢測和診斷提供了新思路,而且對環(huán)保氣體絕緣設備中的光學局部放電檢測有重要的理論指導和現(xiàn)實意義.

1 局部放電多光譜陣列檢測技術

1.1 氣體放電的光輻射機制

氣體放電過程中伴隨著光的輻射.原子、分子和離子在受到外部能量激發(fā)時將從基態(tài)或較低能級躍遷到較高能級.當它回到基態(tài)或更低的能級時,不同的粒子會輻射出不同波長的光來釋放能量[14].粒子躍遷所輻射的光的頻率可以表示為

(1)

式中:E2和E1分別為高能級和低能級的能量;h為普朗克常數(shù).

以不同比例的C4F7N/CO2混合氣體和SF6氣體在不同放電模型下的PD光信號為研究對象.由于不同的氣體分子和不同的放電模式都會產生不同的激發(fā)態(tài)和能級躍遷,從而輻射出不同頻率的光.因此,通過采集不同波段的PD光輻射的相對強度,研究不同比例的C4F7N/CO2混合氣體與SF6氣體之間以及不同放電模型之間的異同.

1.2 局部放電多光譜陣列檢測裝置

SiPM是一種基于多像素光子計數(shù)器的新型光電探測器器件,由工作在蓋革模式的雪崩二極管陣列組成[14].SiPM傳感器具有高增益、高靈敏度、低偏置電壓、對磁場不敏感、結構緊湊等優(yōu)點,適用于氣體絕緣設備的局放檢測.每個SiPM由大量雪崩二極管單元組成.在硅光電倍增管的動態(tài)范圍內,其輸出電流與雪崩中微元件的數(shù)量成正比. 本文使用的SiPM型號為ARRAYJ-30035-16P-PCB,其結構和光子探測效率如圖1所示.

圖1 SiPM及其光子探測效率Fig.1 SiPM and its photon detection efficiency

為了更細致地表征局部放電光學特性,設計了一種新型MA傳感器,提高了SiPM檢測的光譜分辨率,能夠獲取更豐富的光學局放信息.制作了一個16方格來獨立劃分SiPM的每個傳感器單元,并在16個網格中安裝不同的濾光片(Light Filter, LF)對光信號進行濾波,獲得多波段的PD光譜特性.為了將傳感器更好地應用于氣體絕緣設備的檢測,根據(jù)設備外殼的形狀設計了高度集成的電路板,用于采集和輸出多光譜PD信號.多光譜陣列檢測裝置的整體結構如圖2所示.

選取陣列中的7個單元作為檢測通道,其余單元作為可擴展通道進行備份.所選取的7個LF的主要透射波段信息如表1所示,涵蓋了從紫外到紅外的波長范圍,其中LF0濾光片可以透過所有波段的光.

表1 不同濾光片的數(shù)據(jù)Tab.1 Information of different filters

2 實驗設置

2.1 實驗平臺設置

氣體絕緣設備PD多光譜陣列檢測實驗平臺如圖3所示.其中,高壓源為無電暈交流高壓源;局放儀型號為Haffley DDX 9121b,用于檢測局放起始電壓(Partial Discharge Inception Voltage, PDIV);多光譜數(shù)據(jù)采集儀器型號為HIOKI-MR6000.

圖3 實驗接線圖Fig.3 Experiment circuit

氣體絕緣設備在安裝、生產、運行等過程中可能會出現(xiàn)局部放電缺陷.目前,針對C4F7N/CO2混合氣體中不同缺陷的多光譜PD信號研究很少.為了給環(huán)保型氣體絕緣設備的運行維護提供參考,制作了4種典型缺陷模型進行PD實驗,分別為針尖缺陷、懸浮缺陷、微粒缺陷和沿面缺陷,如圖4所示.針尖缺陷的電極間距為10 mm,懸浮缺陷的電極間距為2 mm,顆粒缺陷的電極間距為7 mm.

圖4 局部放電典型缺陷模型Fig.4 Typical defect models of partial discharge

2.2 不同絕緣氣體的局部放電檢測

由于C4F7N氣體的液化溫度較高,使用時需加入CO2緩沖氣體平衡.目前,國際公認的具有良好電絕緣性能的混合比例約為4%～10%[15].實際使用的比例沒有統(tǒng)一標準.為了研究對比C4F7N/CO2混合氣體與SF6的PD多光譜特性,分別在C4F7N占比為4%、6%、8%、10%、12%的C4F7N/CO2混合氣體以及100%SF6的6種氣體環(huán)境中進行實驗.

實驗過程中,為保證氣體的純度,每次換氣前先對罐體抽真空.隨后采用配氣裝置向罐內填充不同濃度的絕緣氣體,直至氣壓達到0.2 MPa.在6種不同的絕緣氣體環(huán)境下分別模擬了4種缺陷,共計24種實驗條件.然后在每種條件下施加1.1倍PDIV,通過MA傳感器采集不同測試條件下各個波段的光強.最后,對比分析采集的MF數(shù)據(jù)并采用智能方法進行故障診斷,得到不同氣體的PD多光譜特征和分類方法.

3 局部放電多光譜特征分析

為了研究不同絕緣氣體下不同缺陷的局部放電多光譜特征,分別從多光譜相位分布、多光譜能量分布和多光譜特征堆疊分布對不同實驗條件下的局部放電進行對比分析.初步實驗發(fā)現(xiàn),不同比例C4F7N/CO2混合氣體的PD相位分布和能量分布差異不明顯.因此,針對不同氣體的PD相位分布和能量分布,選取8%C4F7N/92%CO2混合氣體與100% SF6進行分析.針對PD的MF堆疊分布,對比了24種不同條件下的實驗結果.

3.1 PD多光譜相位分布

圖5～8分別為8%C4F7N/92%CO2混合氣體以及純SF6氣體中懸浮缺陷、針尖缺陷、微粒缺陷和沿面缺陷的PD多光譜相位分布圖.x軸表示相位,y軸表示不同波段,z軸表示每種缺陷在不同波段的相對PD強度.

圖5 懸浮缺陷的相位分布Fig.5 Phase distribution of suspension defect

圖6 針尖缺陷的相位分布Fig.6 Phase distribution of needle defect

圖7 微粒缺陷的相位分布Fig.7 Phase distribution of particle defect

圖8 沿面缺陷的相位分布Fig.8 Phase distribution of surface defect

懸浮缺陷的PD廣泛分布在正負半周.懸浮放電在C4F7N/CO2混合氣體中的相位分布較為集中,主要出現(xiàn)在60°、130°、240°、290°、320° 附近;懸浮缺陷在SF6中的放電相位在60°～130° 和240°～330° 范圍內分布較為均勻.

C4F7N/CO2混合氣體中的針尖缺陷在60°～120° 和240°～320° 內存在放電信號.對比正負半周期相位分布和放電強度可以發(fā)現(xiàn),正半周期放電相位分布區(qū)間小,光強較大;負半周期放電相位分布區(qū)間大,光強較小.而在SF6氣體中,正半軸上僅在10° 和90° 附近出現(xiàn)少量放電信號;負半軸上,在180° 附近和240°～320° 范圍內放電,且240°～320°范圍內PD強度較大.該現(xiàn)象是由于氣體電負性的差異,具有一定的極性效應.

微粒缺陷的PD廣泛分布在正負半周.相比于SF6,微粒缺陷在C4F7N/CO2混合氣體中的放電相位分布相對較窄,主要在10°～110° 和210°～300°.微粒缺陷在SF6氣體中的放電相位分布相對較寬,在10°～125° 和220°～350° 相位放電較為明顯.

對比4種缺陷的放電相位分布可以發(fā)現(xiàn),沿面缺陷的PD相位分布范圍相對較小,尤其是在SF6氣體中.在C4F7N/CO2混合氣體中,沿面放電相位分布在30°～120° 和210°～310°;而在SF6氣體中,沿面放電相位分布在60°～130° 和240°～290°.

對比圖5～8可以看出,相同氣體中,同類缺陷的PD在不同波段上大致具有相同的相位分布,只是幅度不同.在不同的絕緣氣體中,相同的缺陷具有不同的PD相位特征;在同一絕緣氣體中,不同缺陷也具有不同的PD相位特征.因此,這可以作為PD模式識別的特征依據(jù).

3.2 PD多光譜能量分布

圖9～12為不同實驗條件下PD多光譜累積能量曲線的相位分布圖.累積能量曲線為各相位PD信號幅值之和,即采集的PD光信號幅值在各個相位上的積分.

圖9 懸浮放電的能量分布Fig.9 Energy distribution of floating electrode defect

圖10 針尖放電的能量分布Fig.10 Energy distribution of needle defect

圖11 微粒放電的能量分布Fig.11 Energy distribution of particle defect

圖12 沿面放電的能量分布Fig.12 Energy distribution of surface defect

對比圖9～12可知,同種缺陷在不同絕緣氣體中放電,盡管相位分布相似,但不同波段的局放能量存在差異.其中,LF0波段接收到的PD能量最大,LF3波段接收到的PD能量最小.同時,在不同氣體和不同缺陷類型條件下,各波段接收到的PD能量的排序也略有差異.不同的氣體因放電粒子的不同而輻射出不同波段的光強.因此,在不同的絕緣氣體中,同一缺陷在相同波段呈現(xiàn)不同的PD能量.此外,不同缺陷的不同電場激發(fā)會導致粒子處于不同的激發(fā)態(tài),從而導致不同缺陷在同一絕緣氣體中的PD能量分布不同.

3.3 PD多光譜特征分布

為了研究不同缺陷在不同波段的放電強度的比例,分別繪制了4種缺陷在6種不同絕緣氣體下的PD多光譜特征堆疊分布,如圖13所示.MF特征堆疊分布圖是通過計算每種缺陷下6個LF波段的所有PD信號強度的平均值,并將其歸一化到[0, 1]區(qū)間內得到的.

圖13 四種局放缺陷的多光譜特征堆疊分布Fig.13 Multispectral feature stacked distribution of four partial discharge defects

在微粒缺陷的MF堆疊分布中,LF4波段所占比例最高,LF3波段所占比例最低,不同波段之間具有一定的差異.各波段的放電強度所占比例依次為:LF4 >LF6 >LF5 >LF1 >LF2 >LF3.

在懸浮缺陷的MF堆疊分布中,LF2波段所占比例最大,其余波段比例基本相近,說明LF2波段是懸浮缺陷的特征波段.

在針尖缺陷的MF堆疊分布中,LF4波段和LF6波段所占比例較大,LF3波段所占比例最小.針尖缺陷的MF堆疊分布整體外觀與微粒缺陷相似,但略有不同.由于針尖缺陷PD比較穩(wěn)定,所以各波段分布的均勻性較高.而微粒放電具有高波動性和強隨機性,因此兩種缺陷類型的MF堆疊分布中存在一定差異.

在沿面缺陷的MF堆疊分布中,LF2、LF4、LF6波段比例相近,占比均較大,其中LF6波段所占比例最大.LF3波段所占比例較小.對比4種局放缺陷的MF堆疊分布可以看出,不同的放電缺陷具有不同的分布特征,同一缺陷在不同絕緣氣體中的總體特征相似但略有不同.

4 基于多光譜特征的局放診斷方法

在局部放電故障診斷方面,通常先構造脈沖序列相位分布(Phase Resolved Pluse Sequence, PRPS)或局部放電相位分布(Phase Resolved Partial Discharge, PRPD)譜圖,隨后從譜圖中提取特征形成特征庫,最后進行分類識別[2, 16].通過第3節(jié)對PD缺陷的多光譜檢測可以發(fā)現(xiàn),不同的PD缺陷會輻射出不同光譜分布的光,這意味著多光譜特征可以作為PD缺陷的直接診斷依據(jù),避免了傳統(tǒng)方法中復雜的模式構造和特征提取[3, 5],省略了相位同步或頻域處理等環(huán)節(jié),簡化了操作步驟,提高了識別效率.

根據(jù)上文的檢測結果可知,不同氣體條件下多光譜特征的分布不同,即特征所包含的信息量和區(qū)分程度不同.特征質量的差異會影響診斷方法的有效性.因此,進行不同氣體條件下的局放診斷實驗以說明本文所提方法的普適性.

4.1 基于MF-KNN的局放診斷方法

將時域中每個PD信號對應的t個LF波段的強度表示如下:

(2)

式中:l表示在每種實驗條件下采集的總PD脈沖數(shù);Il表示第l個PD信號的多光譜輻射強度;al表示第l個PD的不同LF波段接收到的光輻射強度.

由于PD光信號的絕對強度具有波動性,不適合直接分類.為了有規(guī)律地表征不同實驗條件下PD的多光譜特征,將采集到的PD多光譜輻射強度歸一化至區(qū)間 [-1, 1],將歸一化的PD多光譜輻射強度當作特征值輸入到KNN模型中.

KNN是一種有效的非參數(shù)分類方法,其適合增量學習,且分類準確率較高,可以很好地獲得特征之間的相關性,并且對異常值具有較強的可識別性[17-18].KNN算法的核心思想是將一個新的未分類的樣本歸屬于k個最鄰近樣本中占比最高的一個類別,主要包含以下3個步驟[19-20]。

(1) 樣本相似性度量.根據(jù)距離來判斷兩個點的相似度,通常采用歐氏距離作為衡量標準.距離越小,相似度越大.隨后選出和待歸類樣本Pq距離最近的k個樣本p1,p2,…,pk:

(3)

式中:x、y分別為兩份樣本的特征向量x=[x1x2…xm],y=[y1y2…ym];xi、yi分別為樣本x和樣本y的第i個特征值;m為特征向量的維度.

(2) 在這k個樣本中,找出占比最大的類型,即計算Pq對于每個類型的分數(shù):

(4)

(5)

式中:Zj為特征庫中第j種類型;pq為待歸類樣本中的某一樣本,pq∈Pq.

(3) 將樣本pq劃歸為分數(shù)最大的Q(pq,Zj)對應的類型.

4.2 實驗結果與分析

為了研究本文算法在不同絕緣氣體條件下的診斷效果,分別在5種比例的C4F7N/CO2混合氣體和純SF6條件下開展了光學PD實驗,模擬了4種局部放電缺陷類型,每個樣本包含1 000 ms的數(shù)據(jù).為了驗證算法在局部放電模式識別中的有效性,采用多種分類器進行對比實驗.所用分類器分別為支持向量機(Support Vector Machine, SVM)、決策樹(Decision Tree, DT)、KNN.以MATLAB 2018a 為運行環(huán)境,使用5折交叉驗證方法檢驗分類器的誤差率.不同算法在不同絕緣氣體條件下的PD分類準確率如表2所示.

表2 不同算法的分類準確率Tab.2 Classification accuracy of different algorithms

由表2可以看出,基于多光譜特征的分類識別方法在不同絕緣氣體條件下均具有較好的識別效果,準確率在80%以上.這證明直接采用局部放電多光譜值作為故障診斷特征的可行性,在保證分類準確率的基礎上,減少了繁雜的特征提取步驟,提高了識別效率.由實驗結果可知,在保持數(shù)據(jù)預處理方法一致的情況下,本文算法在SF6和C4F7N/CO2混合氣體中均具有良好的診斷性能,識別率明顯優(yōu)于其他算法.基于MF-KNN診斷方法的分類準確率可以達到88%以上.在6種氣體條件中,純SF6的識別率最高,可達96.2%,在C4F7N/CO2混合氣體中的最高準確率為91.1%.因此,本文方法不僅有利于對現(xiàn)有的SF6氣體絕緣設備的故障診斷,而且可兼容未來C4F7N/CO2設備的PD識別,具有廣泛的應用前景.

5 結論

設計了一種新型的局部放電多光譜陣列檢測傳感器,采集了不同比例的C4F7N/CO2混合氣體和純SF6氣體的PD多光譜數(shù)據(jù),分析了不同氣體條件中不同放電缺陷的相位分布、能量分布和特征堆疊分布特點,提出了基于MF-KNN的PD多光譜故障診斷方法,具有良好的識別效果.

(1) 局放多光譜陣列檢測傳感器體積小、實用性強,不僅可以檢測氣體絕緣設備中的局部放電,還能從更高分辨率的多光譜特征中直觀地反映局放的內在信息.

(2) C4F7N/CO2混合氣體與SF6的PD多光譜特征相位分布、能量分布和特征堆疊分布存在一定差異.因此多光譜陣列采集的PD多光譜特征數(shù)據(jù)可以區(qū)分相同氣體條件下的不同缺陷,為PD模式識別提供了良好的特征支持.

(3) 提出基于MF-KNN的局部放電模式識別方法,直接利用多光譜特征進行PD故障診斷,簡化了繁瑣的特征提取步驟,提高了識別效率.與其他算法相比,該方法具有更高的識別率,在不同氣體中的聚類準確率可達88%以上,最高準確率可達96.2%,可有效應用于傳統(tǒng)SF6設備和未來C4F7N/CO2設備.優(yōu)越的兼容性避免了未來氣體置換造成的PD檢測系統(tǒng)的誤報和漏報,節(jié)約檢測成本.