GIS壳体震荡机理平部分放电优化诊断与运用

张利1，屈斌1，王永宁2，陈荣1，刘宝稳3，张少杰4，韩斌4，马宏忠3

（1.国网天津市电力公司电力科学钻研院，天津市西青区；2.国网天津市电力公司检验公司，天津市河北区；3.河海大学动力与电气学院，江苏省南京市；4.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津市河东区）

概要：为了探求GIS电磁感想震荡平部分放电（PD）鼓励电力装备反常震荡的机理，建设了计及集肤效应的GIS感想涡流及其电磁力的散布模子，并配置了气体绝缘组合电器（GIS）金属顶端部分放电（PD）进展实行。同步测取了GISPD产生时的脉冲电流和GIS壳体震荡记号，合并机电记号开掘GISPD的震荡特色和机理。钻研发觉，电磁感想震荡与PD鼓励GIS壳体震荡存在显然不同，此中PD鼓励GIS壳体震荡频次与脉冲距离频次散布一致且能量集合散布在该频段的50Hz倍频处。末了，建设粒子群算法（PSO）优化的帮助向量机（SVM）模子实行不同放电水平的情势鉴别，并停止理论运用。

关键词：GIS；感想电流；部分放电；震荡；粒子群优化帮助向量机

中图分类号：TM文件标识码：ADOI：10./j.issn.-.

0引言

气体绝缘组合电器(GasInsulatedSwitchgear，GIS）因其具备占大地积小、牢靠性和平安性高档益处而获得宽广运用。由于建造装配、运转保护和在线诊断等方面存在技巧短缺，GIS阻碍时有产生，且阻碍恶果严峻。与闪络和击穿不同，PD是部分细小地域的放电表象，PD存在象征着绝缘弊端的开头显现。PD监测是诊断高压装备绝原因障的最灵验的办法之一[1-3]。

依照监测记号的不同，PD诊断办法分为脉冲电流法[4-5]、特高频（Ultra-HighFrequency，UHF）法[6-7]、超声波法[8-9]、震荡法[10-11]、气体分解法[12-13]等。脉冲电流法是仅有有国际准则（IEC）的探测办法，但不能运用于GIS部分放电的在线监测。特高频法（UHF）具备抗做梗技能强的益处；超声波法锐敏度高，多用于在线监测；SF6气体分解法系依照PD分解出的气体成份实行阻碍诊断，具备较强的抗做梗本能。然而，现有钻研对PD低频段讯息（0-20kHz，其物理展现样式为死板震荡）的行使和钻研不够。

年日本学者ShotaroTominaga将震荡法最先运用于GIS绝缘击穿的阻碍诊断[14]。我国张雅林、郭碧红等学者最先开展了PD鼓励GIS外壳模范震荡的钻研[10]。西安交通大学李盛涛等学者钻研了PD鼓励的超声和震荡的时域和频域特色，发觉死板震荡记号的脉冲连续功夫较长，频次宽度比拟超声较窄的特色[15]。方今基于震荡GIS诊断技巧重要运用于死板阻碍，如西安交通大学的荣命哲等学者开展基于震荡记号的GIS触头来往反常阻碍的钻研[16-17]，山东大学开展了基于反常震荡的螺栓松动和颗粒物的诊断做事[18]。然而，学界对PD鼓励震荡的钻研缺乏，仅给出大概的频次范畴和底子趋向，尚缺乏团结死板（震荡）和电记号（脉冲电流）停止PD鼓励GIS壳体机理钻研和诊断技巧。

本文首先建设了GIS感想涡流及其电磁力的散布模子，并搭建了GIS部分放电摹拟实行平台和机电多记号团结搜集剖析系统，猎取不同放电水平下的震荡频谱特色。合并壳体震荡与放电脉冲的团结特色论证了PD鼓励GIS壳体震荡的机理。基于粒子群优化（PSO）的帮助向量机（SVM）实行放电水平的鉴别，并停止理论运用。

1GIS感想电流和电磁震荡散布模子

方今，对GIS外壳中感想涡流的钻研了解再有差错，文件[19]中觉得GIS外壳中的涡流是横向电流，是由母线电流在外壳处感想出的横模电压孕育的，文件[20]对母线在外壳的做了无误的领会，然而未思索集肤效应影响和GIS变电站中漏磁在外壳鼓励的涡流散布状况。对此，上面离别剖析母线电流鼓励磁场和漏磁两种状况下在GIS外壳感想电流散布状况。

图1中GIS导电杆与外壳属于同轴安置，依照毕奥萨瓦尔定律，导电杆电流鼓励的磁场是奉命右手定章，磁路方位与外壳横截面平行。依照电磁感想旨趣，磁场穿过GIS金属外壳时，将孕育感想电流对消该磁场的变动，在集肤效应的影响下，感想的涡流集合于外壳的表里表面，方位与导电杆轴向类似，表里侧的电流类似，由于GIS概略面面积大于内表面，感想电流在概略面的电流密度稍小于内表面。

图2是漏磁在GIS外壳感想涡流旨趣图。GIS外部漏磁场也会在GIS外壳感想出电流。令外部漏磁的场强是大概匀称的，然而GIS的外壳是圆柱形的，轴线处的漏磁场强最大，双侧的漏磁场强迟钝减小。思索到感想涡流的对称效应，轴线地方的感想电流为零，双侧的感想电流增大。外部漏磁在GIS外壳上的感想涡流也是与导电杆轴向方位一致的。

依照安培力的谋划法则，GIS壳体在感想电流影响下遭到的安培力F为：

由式（1）可知，GIS运转形态下遭到的安培力的频次是二倍于工频的。图3是感想电流鼓励电磁震荡的散布。

依照图1、图2中GIS外壳中的感想涡流的散布状况，同时连系安培力的运算法则，获得涡流鼓励电磁震荡，见图3。由图3也许看出，导电杆在外壳鼓励的涡流在漏磁场中的电磁力笔直于外壳表里表面且方位相悖，漏磁在外壳鼓励的涡流在漏磁场中的电磁力笔直于外壳高低概略面且方位相悖，两种安培力均呈拉伸收缩状。

2实验系统及实验办法

2.1实验平台

为了更实在的摹拟GIS内部尖刺放电阻碍，采取kVZF-16型GIS为实质搭建了尖刺部分放电实验平台，实验平台重要由实验GIS实质、阻碍模子和多记号同步搜集系统3部份，实验系统见图4，实验电路旨趣见图5，部分放电回路配置知足IEC准则。

实验GIS为三相分箱式机关，完全呈L型，包括实验电压遏制台、升压器、分压器、爱护电阻、耦合电容、高压套管、kVGIS腔体组成。阻碍模子配置在图4标红的实行腔内，该实验腔配置有石英玻璃检察窗、装配孔和手孔，可视窗和装配孔的计划便于阻碍模子装配、实验通过检察。

尖刺放电是GIS最罕见的绝缘弊端之一，而放电模子尺寸配置对钻研完毕有着较大的影响。模子的尺寸计划须要思索实验GIS的机关、震荡探测办法的须要等成分的影响。实验GIS导电杆的外直径为70mm，壳体的外直径为mm，外壳厚度为8mm。导电杆至GIS内壁的空隙达mm。为了避让实验电压太高，尖刺阻碍模子的长度不宜太短。其它，采取袖珍实验罐来减小放电气隙是一种较为罕见的办法，然而实验罐的装配改观了GIS机关参数和震荡传达门路，故而在本文所运用的震荡法是不能行使。归纳以上，实验的尖刺长度配置为60mm，其开始放电电压为55.02kV。

2.2多记号同步搜集系统

多记号同步搜集系统包括记号传感与探测安装和多记号同步搜集计划两部份。

1）记号传感与探测安装

震荡加快率：思索GISPD鼓励GIS壳体的频次较高，实行筛选加快率传感器，型号为CTCAC-1A，本能参数下列：锐敏度：mV/g±10%（25℃）；频响：0.5～Hz(±3dB)；最高振幅：±50g。

探测电阻：探测电阻输出了脉冲电压波形，本文先用的型号为：HCPD-1-2，调谐范畴：25～pF（内部集成了滤波器、前置夸大器和峰值探测器等）。

数字式部分放电巡检仪：实行采取保定华创电气有限公司临盆的型号为HCPD-的数字式部分放电巡检仪丈量部分放电脉冲记号的联系参量。详细实验参数为采样频次：20MHz；放电丈量锐敏度：0.1pC；放电量量程：0.1pC-00pC。

震荡记号搜集仪：采取的震荡记号搜集仪型号为IOtechU,剖析软件为IOtecheZ-TOMAS。详细参数下列：最大采样频次：.5kHz；输入电压范畴：±40V；鼓励电流源：4mA。

2）多记号同步搜集计划

为了定量剖析GIS壳体震荡与部分放电电气记号之间的关联，同步搜集震荡加快率记号和脉冲电流记号。每5秒保管一个工频周期的脉冲电流记号，每10秒保管一次震荡加快率记号，震荡记号搜集时长设定为2.5秒。通过脉冲电流记号的丈量猎取放电量、放电脉冲时域波形，震荡加快率记号的丈量猎取PD鼓励GIS外壳震荡频谱等讯息。实验电压采取逐渐加压的方法进性，通过调治实验电压遏制放电水平。

3PD鼓励GIS壳体特色与机理

3.1PD鼓励GIS壳体震荡特色

实验猎取部分放电先后GIS壳体的震荡记号，讨取不同放电水平下PD鼓励震荡的特色。图6为实验GIS的靠山震荡噪声。

由图6可知，GIS一般运转形态下的震荡重要集合在Hz下列的低频震荡，振源为工频电磁场影响下的电磁震荡和GIS低阶固有频次等。在0Hz及以上频段的噪声能量很小，小于0.35×10-4g，g为重力加快率。图7为不同放电水平下GIS壳体的震荡图谱。

由图7可知，尖刺PD会鼓励GIS壳体产生反常震荡，反常震荡地域已在图中标红。由图可知，尖刺放电后会鼓励高频震荡，通过统计其能量重要集合在1.5kHz-4.5kHz，且PD鼓励反常震荡的能量和频次范畴跟着放电水平的而增大。为了进一步猎取GISPD鼓励GIS壳体震荡特色，将震荡频谱中反常频次范畴夸大，见图8。

图8截取了图7中反常震荡能量较大的频段。由图8可知，尖刺PD的反常震荡能量重要集合在50Hz倍频的频次段上，这一特色显然差别于其余成分鼓励震荡表象。因此，50Hz倍频的能量荟萃表象是尖刺放电的重要特色。以上震荡特色与GIS运转孕育的Hz电磁震荡有着实质的差别，这为基于震荡的PD诊断供应根据。

3.2PD鼓励GIS壳体震荡机理

部分放电的电流因此脉冲的情势存在的，每个脉冲的孕育、进展、松开伴有着其余物理现场的孕育、进展、松开。方今，国度准则GB/T-和国际准则IEC中设定了脉冲反复率（Pulserepetitionrate，PRR)和脉冲反复频次(Pulserepetitionfrequency，PRF)，此中脉冲反复率为在选按功夫距离内纪录到的脉冲总额与该选按功夫距离的比值，脉冲反复频次为每秒中PD放电脉冲次数。本文提议一个新的PD特色参量---脉冲距离频次（Pulseintervalfrequency，PIF)。顾名思义，关于一个放电周期内，放电脉冲个数大于2个以上的，大肆两个相邻脉冲的距离功夫的倒数即为脉冲距离频次。由以上界说可知，脉冲距离频次给定了大肆两个相邻脉冲之间的频次，属于宏观角度的放电特色剖析设施。依照脉冲距离频次的界说，脉冲距离频次PIF为：

基于脉冲距离频次的内在，界说平衡脉冲距离频次(Averagepulseintervalfrequency,APIF)，关于选定的功夫内，大肆两个相邻脉冲之间的距离频次的平衡值。平衡脉冲距离频次APIF可谋划为：

式中，n为脉冲的个数。

思索PD是具备随机特色的物理表象，关于每种放电形态测取了40组工频周波的脉冲距离频次（PIF）和PD鼓励GIS壳体震荡的频次，并离别给出其在0Hz-0Hz的几率密度散布状况，详细见图9。

比较图9可知，PD鼓励的震荡频次与脉冲距离频次的散布有着极强的对应关联，统计散布规律底子一致。由此，PD是通过放电脉冲激振的情势鼓励GIS机关的震荡，即每个脉冲的呈现就会孕育一次震荡脉冲。

4PSO优化SVM的PD放电水平诊断与运用

4.1PSO优化SVM旨趣

年，CorinnaCortes和Vapnik等首先提议了SVM，SVM是建设在统计研习理论和机关危急最小旨趣（SRM）底子上，对输入的模范从原空间映照到一个高维特色空间，并构造最优分类超平面，使得机关危急最小化。核函数参数σ2和处置因子C是决议SVM分类器利害的最关键的参数[20]。核函数参数σ2决议了高维空间数据散布的繁杂水平，过失处置因子C用来调治相信范畴和阅历危急的比例。下文的剖析中令g=1/σ2，即通过调治参数g优化核函数参数的采用。

粒子群算法（ParticleSwarmOptimization，PSO)是年由Kennedy等人提议的，这是一种本原于人为性命和摹拟鸟群捕食的全体智能的优化算法，采取同享机制找寻最优解，具备约束速率快、调换参数少等益处。PSO与GA比拟，运算更为浅显，没有筛选、交错、变异等职掌。采取CV意义下的正确率做为PSO算法的适应度函数，图10为PSO优化SVM参数的算法过程图。

4.2基于震荡记号的PD放电水平诊断

尖刺PD鼓励GIS壳体震荡的能量集合在-4Hz频段，且震荡能量集合在50Hz倍频处。思索电力系统的频次在±0.2Hz范畴内摇动，故讨取-4Hz频段之间50Hz倍频处±0.3Hz范畴内的震荡峰值为阻碍参量。其它，思索现场靠山噪声的影响，此中阻碍参量值大于0.05mg的认定为灵验值。实验配置了三种放电水平，每个放电水平搜集了20组数据，全部60组数据。筛选40组数据做为练习模范，20组数据为测试模范。

基于粒子群算法（PSO）参数优化的SVM分类器的初始种群数目配置为50，处置因子C的取值范畴为0C，高斯核函数参数σ的取值范畴为0σ，退化迭代数为，交错考证折数K配置为5。SVM分类运算时，先将阻碍参量停止[0，1]区间的归一化，尔后行使主成份剖析（PrincipalComponentAnalysis，PCA)对数据集停止降维。图11为PSO优化SVM的尖刺PD放电水平分类识其余适应度弧线。

由图11可知，PSO优化的SVM的最优参数C=13.、g=0.。最好分类正确率为96.%。因此，PSO优化的SVM分类算法对基于震荡的尖刺PD放电水平鉴别具备较高的分类正确度。

4.3现场运用

基于本文的GISPD阻碍特色讨取和诊断技巧钻研效果开拓了基于震荡的GIS部分放电阻碍诊断样机。思索GIS机关繁杂、体量硕大的特色，开拓了稳定装配式和便携式两类诊断系统。监测系统采取压电式震荡加快率传感器，并将其稳定在GIS关键部位的外壳表面，搜集GIS运转时的震荡记号。

诊断系统具备参数配置、记号监测、诊断办法筛选和数据盘诘、报警、诊断汇报等成效。本文研发的装配式GIS监测安装已在江苏双闸变电站等变电站装配运转，见图12；便携式探测诊断系统已对江苏、天津等地域大批GIS停止实测，并建设了GIS运转震荡的图谱库。

5论断

本文以GIS震荡为钻研目标，剖析GIS感想电流和电磁震荡散布特色，并基于机电多讯息合并的钻研设施，配置了GIS尖刺部分放电进展实验，钻研了GIS尖刺部分放电鼓励壳体震荡的频谱特色、震荡机理和放电水平鉴别办法。论断下列：

1、GIS感想涡流受集肤效应散布在壳体表面，感想涡流在漏磁中的电磁震荡频次为Hz。导电杆在外壳鼓励的涡流在漏磁场中的电磁力笔直于外壳表里表面且方位相悖，漏磁在外壳鼓励的涡流在漏磁场中的电磁力笔直于外壳高低概略面且方位相悖，两种安培力均呈拉伸收缩状。

2、GIS尖刺放电会鼓励壳体震荡，震荡能量重要集合于1.2-4.5kHz频段，且集合散布于50Hz倍频处。GIS尖刺PD鼓励的震荡频次与脉冲距离频次的散布一致，放电脉冲孕育的振源鼓励壳体震荡。

3、不同放电水平下震荡频谱特色为数据集，采取PSO优化的SVM鉴别放电水平鉴别精度较高，钻研论断获得了实行室和现场考证。

道谢

本文中实行计划的同意和实行数据的丈量纪录做事是在华北电力大学、国网南京供电公司等做事人员的鼎力帮助下实行的，在此向他们示意忠心的报酬。

END