基于分频段能量的局部放电超高频在线监测及模式识别研究

摘要

局部放电(Partial discharge,PD)是指发生在电气设备绝缘局部区域而整个绝缘并未形成完整放电通道的放电。电力设备发生局部放电会对绝缘结构造成永久性的损害,并且它也表明了设备的绝缘完整性正在逐步退化。因此,通过检测电气设备的局部放电来获取设备的绝缘状况是故障诊断领域的一种常规方法。由于局部放电具有突发性和潜伏性,离线条件下的定期检修往往很难发现。因此对PD进行在线监测可以及时地发现电气设备存在的潜伏性故障,从而建立可靠的故障预警机制,最终提高电网安全运行水平的有效手段。应用状态监测与故障诊断技术,可以使预防性维修向预知性维修即状态维修过渡,从“到期必修”转变为“该修则修”。离线的预防性试验结果,已经积累了丰富经验,可以制订出相应的规程推广施行。那么对于在线诊断,目前还处于研究、试运行、积累经验的阶段。发展绝缘状态在线诊断技术,既需要对绝缘结构及其老化机理有深入的研究,也需要应用传感、微电子等高新技术。它是具有交叉学科性质的一门新兴技术,有显著的学术意义,也具有重大的经济价值。
　　在众多的局部放电检测方法中,超高频(Ultra-high-frequency,UHF)法由于具有检测灵敏度高、抗干扰能力强等优点而具有广阔的应用前景。本文分析了超高频天线进行局放检测的应用要求,设计了一款新型的古币式分形天线,其尺寸为250mm×250mm×1mm。通过实测,天线的电压驻波比带宽为400-1000MHz,带宽比为2.5:1,频带内平均增益为1.7dB,且具有良好的辐射全向性,可以对来自空间各个方向微弱的超高频信号进行有效接收,信噪比较高,是一款集小型化、高增益、超宽带、全向性于一身的超高频传感器。然而,超高频天线接收到的信号频率较高(300-3000MHz),直接采集如此高频率的信号将对采集设备的采样率和存储深度提出严峻的挑战,而且后续的信号处理工作也非常复杂,严重影响了超高频法在实际应用中的性价比。本文在充分了解了局部放电超高频信号的时、频域特征后,提出了采用混频降频技术与包络检波技术相结合的方式,设计了一款混频检波电路,它可以在保证局放峰值和相位等主要局放信息不变的情况下,将超高频信号转换到较低频率,从而利用普通的采集设备就可以满足采样定律的要求。
　　根据不同放电类型的超高频段能量谱差异较大的实践经验,本文尝试了采用分频段能量比值的方法进行模式识别的方法。基于此,本文引入了四类典型的局部放电类型作为研究对象,而在设计上述的混频检波电路时,将400-1000MHz的全频带均分为连续的三段,即低频段400-600MHz,中频段600-800MHz,高频段800-1000MHz。通过提取这三个频段的能量占全频段能量的百分比,作为模式识别的指纹特征量,并在三角坐标系中作图。结果表明,不同放电类型的分频段能量比值在图中分布差异较大,而相同的放电类型分频段能量比值在图中分布非常接近,造成了不同放电在能量比重三角图中显示出明显的“区域聚簇”现象。进而,本文对这一现象进行了基于马氏距离的聚类分析,对该模式识别方法的指纹特征进行量化,并以科学的评价准则对该模式识别法进行评估,评估结果表明该方法具有良好的准确性和可行性。