绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法_任明.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211357 绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法 任 明 夏昌杰 余家赫 李信哲 董 明（电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）西安 710049）摘要 绝缘子或套管处产生的沿面放电是导致开关柜、环网柜绝缘失效的常见诱因，而传统局部放电在线检测和诊断方法难以准确评估放电发展阶段和危害程度。该文采用单光子固态光电传感技术，对绝缘子沿面放电发展过程中的多光谱脉冲特性及其演化规律进行了试验研究，并提出一种基于多光谱脉冲演化特性的沿面放电严重程度诊断方法。首先，搭建多光谱光电同步检测平台，实现了沿面放电过程中多个光谱波段光信号和电流信号的同步采集；然后，根据全波段光脉冲幅值及其导数变化规律对沿面放电发展过程进行了三阶段划分，并分别对沿面放电三阶段多光谱脉冲的相位统计和非相位统计特征进行分析，明确了特征量随放电发展阶段的演化规律；最后，基于深度神经网络算法建立沿面放电多光谱严重程度评估模型，结果显示该模型诊断准确率达到 96.75%，验证了多光谱诊断方法的可靠性。关键词：沿面放电 光测法 多光谱诊断 深度神经网络 严重程度评估模型 中图分类号：TM85 0 引言 绝缘子和套管是开关设备中的绝缘薄弱环节，而沿面放电是引起绝缘闪络和失效的重要诱因，因此，沿面放电的有效监测和跟踪预警对保障设备安全运行具有重要意义1-3。目前，脉冲电流法、超高频法、暂态地电压法及超声法等是开关柜中常用的局部放电监测方法4-5，然而上述方法在实际应用过程中面临着现场干扰源复杂、检测置信度低等挑战。而对于放电过程较为剧烈的电弧放电，弧光保护主要是以燃弧时产生的弧光阈值和电流阈值作为双判据进行高灵敏监测，然而其难以对放电较为微弱的局部放电做出响应6。除了上述监测方法外，光测法是一种抗干扰性强、检测置信度高的局部放电检测方法，最早被用于局部放电的实验室研究中7-8。总体而言，光测法在两个方面具有不可替代的优势：局部放电光辐射伴随放电发生发展全过程，其与放电事件本身具有高度的同步性，因此，在放电基础特性研究中，光脉冲测量结果往往被用作放电表征其他原理检测结果是否可靠的依据9；放电光子释放产生于场致发射、热发射、原子激发、电离及复合等各个微观过程，发射光谱携带了关于放电更为丰富和本征的信息9-11，因此光谱学诊断也被认为是研究放电基础特性的有效方法。然而，由于局部放电光脉冲幅值弱，无论是光脉冲测量或是光谱诊断，均需要借助单光子级光电器件才能实现，而传统单光子器件多以真空外场效应为原理，驱动电压高、器件尺寸大、工作寿命短，无法用于实际电力设备。随着硅光电半导体技术的快速发展，灵敏度高、尺寸小、寿命长的固态硅光电倍增器件越来越多地应用于弱光探测领域，这不但使局部放电光测法趋向实用化，还能够将光谱诊断这一实验室技术应用于实际电力设备，实现高精准的放电故障诊断和预警。本文前期研究中，对固态硅光电倍增器件在局部放电光辐射检测有效性方面进行了系统性探索12，结果表明固态硅光电倍增器件与传统光测器件相比在灵敏度、脉冲分辨率、抗干扰性等方面均具有明显优势。在实用化光谱诊断方面，Ren Ming 等率先提出将局部放电紫外-可见-红外三个波段下光脉冲特性与相位统计特性相结合，实现了局部放电精细化诊断13；在此基础上，该研究团队进一步建立了基于三波段的光谱比值法，该方法不依赖工频参考 国家电网有限公司总部科技项目资助（5500-202218131A-1-1-ZN）。收稿日期 2021-08-27 改稿日期 2022-01-25 第 38 卷第 3 期 任 明等 绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法 807 相位，为直流系统或相位丢失时的局部放电诊断提供了新的分析思路14；王玉伟等则将放电图像的光学三元色分量（Red-Green-Blue,RGB）、色调-饱和度-亮度模型（Hue-Saturation-Intensity,HSI）、CIE-XYZ 光谱三刺激值和 CIE LAB 色空间（L*a*b*）四种颜色空间的色度特征参数引入沿面放电状态诊断，结果显示色度分析方法可以实现对沿面放电过程的准确检测15。整体而言，学者们的研究均显示将实用化光谱分析方法应用局部放电精细化诊断中具有优越性，然而现有研究对于光谱波段划分仍较为粗糙，未能充分利用光谱维度信息，因此进一步细分光谱波段开展局部放电诊断具有重要的研究意义。本文以强垂直分量沿面放电为对象，利用局部放电多光谱传感器对沿面放电发生、发展全过程进行试验研究，一方面对多光谱光脉冲的相位周期性特征（Phase-Resolved Partial Discharge,PRPD）进行分析；另一方面，对放电多个光谱区间光脉冲随放电发展的基本规律进行分析，建立多光谱统计特征与放电强度之间的关联关系。最终建立了基于非相位信息的沿面放电多光谱特征参量表征方法，并结合深度神经网络算法实现了放电严重程度的有效划分。1 沿面放电多光谱测量 为了模拟电力设备中沿面放电随外施电压的发展过程并同步获取多光谱信号，搭建沿面放电多光谱光电同步测量平台如图 1 所示。试验平台由高压试验回路和光电信号采集系统组成。图 1 沿面放电多光谱光电同步测量平台 Fig.1 Multispectral-electric simultaneous test measurement platform for surface discharge 在高压试验回路中，380V/100kV 试验变压器用作高压电源，通过 1:2 000 阻容式分压器测量输出电压；电容值 9.96nF 的标准电容器作为沿面放电测量回路中高频低阻抗通道；直径 50cm 的金属罐体用以模拟气体绝缘设备密闭环境；放电缺陷采用具有强垂直分量的柱板沿面放电缺陷，上电极为直径6mm 的铜制柱电极，下电极为直径 40mm 的铜制板电极，绝缘介质为厚度 2mm、直径 70mm 的环氧树脂板。多光谱信号由局部放电多光谱传感器（SiPM-based Multispectral Discharge Sensor,SMDS）同步采集12，其具有尺寸小、偏置电压低、抗电磁干扰能力强等优势。其中 SiPM 是一种由数千个工作在盖革雪崩模式的单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode,SPAD）和猝灭电阻（Rq）串联结构组成的微型固态硅光电倍增器件，每个串联结构通过“自持式雪崩”和“无源猝灭”的循环实现了具有单光子级灵敏度的光电转换16。由于循环过程仅发生于接受到光子的串联结构，因此 SiPM 具备了表征瞬时光通量的“准模拟量输出”。本文中所用SMDS 是由 SensL-ARRAYJ-30035 型 SiPM 阵列和滤光片组构成的 8 通道多光谱传感器，其中包含了7 个特定光谱波段和 1 个全波段，每个通道由偏置2.5V 的直流电源驱动。在光电转换器件中，量子效率是描述光电转换能力的重要参数，表征了器件在特定波长下单位时间内产生的平均光电子数与入射光子数之比。本文中综合考虑了沿面放电的光谱分布范围及 SMDS 的量子效率，将光谱检测范围设定为 350650nm，各通道量子检测效率及滤光片透过率如图 2 所示，其中 SMDS 通过连接法兰固定于正对沿面放电缺陷的金属罐体观察窗（见图 1b 和图1c），传感器电源线与信号线通过密封航空 图 2 SMDS 阵列量子效率及各通道滤光片透过率 Fig.2 Transmittance parameters of the filters and the quantum efficiency of SMDS array 808 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 插头引出，分别与设备外部的直流电源和高速数字采集卡（PicoScope 4824，模拟带宽为 16kHz20MHz，采样速率为 80MS/s）相连。脉冲电流信号由型号为 PEARSONCM-500-L的高频线圈（High Frequency Current Transformer,HFCT）采集，其灵敏度为 5V/A，带宽为 460kHz120MHz，并与数字采集卡相连接以保证光-电信号的同步检测。试验前任意抽取一片环氧树脂板作为试品，缓慢升高外施电压直至出现沿面放电脉冲电流信号时，记录此时的外施电压为放电起始电压 Ui；继续升高外施电压直至样品击穿，记录此时的外施电压为沿面闪络电压 Ub。分别测定三组样品的 Ui和 Ub并求取平均值作为后续试验的基础。试验采取逐级升压的方式，从 1.1Ui开始直到 Ub，记录放电过程中放电脉冲数据、峰值电压及工频参考相位。在预试验阶段验证了 SMDS 和 HFCT 检测到的光-电信号的同步性，结果如图 3 所示。图 3 SMDS 和 HFCT 检测放电脉冲同步性 Fig.3 Discharge pulses detected by SMDS and HFCT 分析结果显示，SMDS 检测到的各波段光脉冲信号具有良好的同步性，而与 HFCT 检测到的脉冲电流信号相比也同样保持良好的同步性。2 沿面放电多光谱特征演化规律 2.1 全波段光脉冲幅值演化规律 文献12研究表明，SMDS 传感器光脉冲幅值与放电过程的视在放电量具有良好的线性关系，因此可以使用光脉冲幅值表征放电发展程度。沿面放电缺陷下全波段光脉冲幅值（正比于视在放电量）随外施电压升高的变化情况及光脉冲幅值导数曲线如图4所示。由图 4 可知，全波段光脉冲幅值随外施电压升高逐渐上升，并且由光脉冲幅值导数曲线可知，当外施电压为 8.8kV 时光脉冲幅值导数呈现“尖端状”，图 4 全波段光脉冲幅值及其导数随外施电压变化规律 Fig.4 Variation of full-band light radiation intensity and its derivative with applied voltage 意味着在外施电压达到 8.8kV 时光脉冲幅值出现了“陡升”并随后保持原始增速缓慢增加；而当外施电压达到 13.6kV 时光脉冲幅值导数呈现“台阶状”，意味着在外施电压达到 13.6kV 时光脉冲幅值出现了“陡升”，并随后保持相近速率增加。基于上述分析，本文中将沿面放电过程划分为三个阶段：轻微放电阶段（3.48.4kV）、中度放电阶段（8.813kV）、剧烈放电阶段（13.617.6kV）。三个放电阶段下可见光图像如图 5 所示。在轻微放电阶段，初始电子在外电场作用下从阴极出发向阳极运动，运动中由于碰撞电离产生电子崩释放光子，此时圆柱电极附近出现电晕放电（见图 5a）；当外施电压为 8.4kV 时，光脉冲幅值从0.20au 增长至 0.65au，整体幅值较低并且增长趋势平缓。在中度放电阶段，当电子崩头部积聚到足够数量的空间电荷后，由于空间电荷使得局部电场增强及正负离子复合产生光辐射加强光致电离，将引发新的强烈电离和二次电子崩，形成流注通道，并向地电极迅速发展，发生了辉光放电（如图 5b 所示）；当外施电压达到 8.8kV 时光脉冲幅值会急剧增长至 1.04au，外施电压在 8.813kV 范围内光脉冲幅值从 1.04au 增长至 1.46au，在该阶段内光脉冲幅值较前一阶段有较大增长，但增速仍然较为缓慢。在剧烈放电阶段，由于热电离增强，火花通道迅速 图 5 三个放电阶段下可见光图像 Fig.5 Visible light images under three discharge stages 第 38 卷第 3 期 任 明等 绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法 809 延伸并快速发展，带电粒子数量剧增，电阻骤降，辐射出大量光子，放电转入滑闪放电阶段（如图 5c所示）；当外施电压高于 13kV 后，光脉冲幅值增速显著提高，从 1