1、第五章 電氣設(shè)備絕緣在線檢測與診斷,中國石油大學(xué)信控學(xué)院 薛永端,主要內(nèi)容,狀態(tài)檢修的一般性知識 兩類設(shè)備在線檢測的具體技術(shù)： 電容型設(shè)備 MOA 分析方法在絕緣監(jiān)測與診斷中的應(yīng)用： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 小波分析 專家系統(tǒng),5.1 電氣設(shè)備絕緣的狀態(tài)檢修,電氣設(shè)備絕緣維護(hù),絕緣性能是決定電氣設(shè)備壽命的關(guān)鍵。 絕緣事故是電力系統(tǒng)事故的主要原因。 絕緣年齡：電氣設(shè)備的壽命不決定于運(yùn)行的年數(shù)，而由其絕緣狀況決定。 電氣設(shè)備絕緣維護(hù)的幾個階段 故障維修。設(shè)備損壞嚴(yán)重，頻繁引起突發(fā)性停電。 預(yù)防性維修，定期檢修。不可轉(zhuǎn)供的區(qū)域，引起計(jì)劃停電。國內(nèi)主流方式。 狀態(tài)維修，預(yù)知維修。 可避免停電。國際先進(jìn)、國內(nèi)發(fā)展趨勢

2、。,絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn),絕緣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)包括： 低壓測試：測量絕緣電阻、測量介質(zhì)損耗角正切值、局部放電、電壓分布 高壓試驗(yàn)：直流泄漏電流、直流耐壓試驗(yàn)、交流耐壓試驗(yàn)、沖擊電壓試驗(yàn)等 絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的不足：預(yù)防性實(shí)驗(yàn)合格，但投入運(yùn)行后會出現(xiàn)事故 試驗(yàn)參數(shù)選擇不合理。 試驗(yàn)條件與工作條件不同。如施加很低電壓進(jìn)行測試不容易發(fā)現(xiàn)問題 220kV設(shè)備加10kV進(jìn)行測試太低 實(shí)驗(yàn)周期較長，不易及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患及絕緣變化的趨勢。 一般為一年,狀態(tài)維修（1）,狀態(tài)維修，預(yù)知維修。定義：根據(jù)電氣設(shè)備的工作狀態(tài)來確定維修工作的內(nèi)容和時間，制定維修方案 主要內(nèi)容是基于絕緣老化的狀態(tài)維修 絕緣狀態(tài)維修的基礎(chǔ)是：電氣絕緣的

3、在線檢測和診斷 通過各種在線測量方法正確診斷目前絕緣狀況 根據(jù)絕緣特點(diǎn)及變化趨勢確定能否繼續(xù)運(yùn)行或制定檢修計(jì)劃 狀態(tài)維修的主要過程： 了解電氣絕緣在各種應(yīng)力和運(yùn)行環(huán)境下的老化機(jī)理 找到能靈敏反映絕緣當(dāng)前狀況及其變化趨勢的物理量或邏輯參量 確定相應(yīng)的測量方法 獲得絕緣狀態(tài)的重要信息 經(jīng)過分析，擬定老化標(biāo)準(zhǔn)或判據(jù),狀態(tài)維修（2）,狀態(tài)維修的優(yōu)點(diǎn) 在運(yùn)行中，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣缺陷和發(fā)展中的事故隱患，防患于未然 替代傳統(tǒng)的停電預(yù)防性試驗(yàn)，減少設(shè)備停電時間，節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用 最大限度利用設(shè)備的剩余壽命 到時間退役，嚴(yán)重浪費(fèi)資源 國內(nèi)電網(wǎng)的設(shè)備投資是最大的浪費(fèi) 狀態(tài)維修的目標(biāo)和發(fā)展趨勢：對設(shè)備絕緣壽命進(jìn)行預(yù)測

4、涉及技術(shù)領(lǐng)域：絕緣故障機(jī)理、傳感器與測量技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、通訊，等 采集的信號：電氣參數(shù)，非電氣參數(shù)：溫度、壓力、振動、噪聲等 相互參透,狀態(tài)維修（3）,不同設(shè)備絕緣系統(tǒng)的檢測量不同 電容型套管：介質(zhì)損耗角正切、電容量、泄漏電流 MOA：全電流、阻性電流、功耗 油浸變壓器：油中的特征氣體，H2，co，CH4，C2H2 對有些絕緣：檢測局放并定位，分析放電對絕緣的危害,5.2 電容型設(shè)備絕緣在線檢測,電容型電氣設(shè)備的絕緣檢測參數(shù)選擇,電容型電氣設(shè)備：全部或部分絕緣采用電容式絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)備 電容式TA，電容式TV，高壓電容式套管，耦合電容器等 數(shù)量占發(fā)電廠、變電站

5、設(shè)備臺數(shù)的40%50% 易發(fā)生事故，預(yù)防性試驗(yàn)工作量大 絕緣檢測參數(shù)的選擇。是非常重要的一個環(huán)節(jié) 根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)選擇 介質(zhì)損耗角正切值 、電容值C、泄漏電流I 是最典型的參數(shù)， 電容型設(shè)備的在線檢測主要是指 在線檢測,介質(zhì)損耗角正切值的測量（1）,值很小，對測量的準(zhǔn)確度要求很高 在線檢測比停電檢測的難度大 測量原理一般采用：諧波分析法和過零相位比較法 問題1：諧波分析法和過零相位比較法的實(shí)現(xiàn)過程？ 問題2：其它兩種測量方法是什么，為什么不用？,諧 波 分 析 法,t1 t2,u(t),i(t),介質(zhì)損耗角正切值的測量（2）,過零相位比較法,介質(zhì)損耗角正切值測量事例,某變電站電容式套管的在線檢

6、測和停電預(yù)防性檢測結(jié)果對比 存在一處絕緣缺陷 在線加工作電壓（110kV）可發(fā)現(xiàn)，預(yù)防性試驗(yàn)加10kV不能發(fā)現(xiàn) 在線監(jiān)測更能發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，比停電預(yù)防試驗(yàn)更有效和及時 絕緣良好部分：在線檢測和停電檢測值接近。 在線測得的Cx與停電測量值之間相對誤差+2% 在線測得的 與停電測量值之間相對誤差+0.5%，部分+0.3%,影響介質(zhì)損耗角正切值測量的主要因素（1）,影響 檢測的主要因素：電壓互感器（TV）角差，綜合電磁場的干擾，電力系統(tǒng)中諧波分量，傳感器角差 其中電壓互感器（TV）角差是主要因素 電壓互感器（TV）角差的影響 角差指：TV低壓側(cè)和高壓側(cè)之間的相角差 與TV鐵芯飽和程度有關(guān)的部分，漸變、

7、相對固定，可通過軟件補(bǔ)償 與TV負(fù)載變化而產(chǎn)生的角差，難以確定，難以補(bǔ)償。 對0.2級TV，角差變化范圍為+10，對應(yīng)值變化約為+0.29%。 而絕緣良好的設(shè)備在01.0%，因此誤差幾乎掩蓋絕緣的真實(shí)變化，甚至出現(xiàn)負(fù)值。 工程測量值，精度要求到+0.1%，對應(yīng)要求TV角差變化在+3內(nèi)。 只有TV二次負(fù)載穩(wěn)定時，能正確反映絕緣變化 措施：1）修正，2）其它電壓取樣方法，如光電式TV，標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器等,影響介質(zhì)損耗角正切值測量的主要因素（2）,現(xiàn)場綜合電磁場的干擾 相鄰設(shè)備、母線、鐵架等，負(fù)荷電流變化，零序分量干擾等 干擾途徑：電場通過雜散電容，磁場通過耦合 相間電場干擾最大 電力系統(tǒng)中諧波分量的

8、影響 三次諧波影響大。 需將三次諧波電壓含量限制在1.0% 5次、7次限制在0.3%和0.1% 傳感器角差的影響 指：電流傳感誤差。 任何電流傳感器均有相角差，且隨電流大小變化 根據(jù)實(shí)際電流選擇合適的傳感器，工作于線性區(qū)。,5.3 金屬氧化物避雷器在線檢測,MOA的泄露電流測量,MOA主要作用：過電壓限制。 MOA特點(diǎn)：非線性，通流大 MOA總泄漏電流：包含阻性泄漏電流和容性泄漏電流 正常運(yùn)行時，長期即有。 阻性泄漏電流是絕緣劣化的主要原因。 正常時，阻性電流占總泄漏電流的10%20%。 考慮干擾因素，準(zhǔn)確在線檢測阻性電流有困難。,MOA的泄露電流測量全電流法,全電流法：測量總泄漏電流是否增加

9、，以及增加的程度 容性電流不變，全電流的增加即是阻性電流的增加。 優(yōu)點(diǎn)： 簡單、易行，無需任何處理 缺點(diǎn)： 阻性電流比例小，相角差90度，全電流增加不明顯。 檢測靈敏度低。 只能發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重受潮，或絕緣嚴(yán)重劣化等情況。,MOA的泄露電流測量補(bǔ)償法檢測阻性電流,原理： 將MOA兩端的電壓微分，得到一個與容性電流相同的補(bǔ)償信號 然后與全電流相減，補(bǔ)償?shù)羝渲械娜菪噪娏?，只得到阻性電流的方法?根據(jù)阻性電流變化判斷MOA絕緣狀態(tài) 平衡條件1： 調(diào)節(jié)k使等式成立 平衡條件2：調(diào)節(jié)k，使 最小 日本的LCD-4型產(chǎn)品為模擬量產(chǎn)品，也可以數(shù)字化。 干擾：相間耦合電容電流，高次諧波，TV相移，MOA非線性電阻的滯

10、廻現(xiàn)象,MOA的泄露電流測量諧波分析法,包含基波法、三次諧波法、各次諧波法 基波法。判據(jù)：阻性電流基波分量所占比例及其變化判斷MOA的工作狀態(tài) 三次諧波法。判據(jù)：阻性電流三次諧波分量與阻性電流各次諧波分量間的關(guān)系 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易行，免除對TV的依賴 缺點(diǎn)：不同型號MOA的阻性電流與三次諧波分量的關(guān)系不一致 無法反應(yīng)受潮和污穢情況 電網(wǎng)三次諧波分量影響 各次諧波分析法：基波法和三次諧波法的綜合,5.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在絕緣診斷中的應(yīng)用,模式識別與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),絕緣故障診斷實(shí)際上是一種模式分類或模式識別 識別絕緣是否有缺陷 識別絕緣缺陷的類型、程度 識別絕緣定性的或定量的發(fā)展趨勢 傳統(tǒng)的模式識別：事

11、先給出判別函數(shù)故障隸屬函數(shù)，再給出閾值 要求事先知道參量和結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系 可適用于線性系統(tǒng)、簡單的非線性系統(tǒng) 如一般的保護(hù)或故障檢測，均可理解為一種模式識別 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一種特殊的模式識別 模擬人類大腦的判斷過程 基本單位：神經(jīng)元 不要求事先知道參量和結(jié)果之間確定的對應(yīng)關(guān)系 可適用復(fù)雜的非線性系統(tǒng) 特點(diǎn)：自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、分布式信息處理 自動形成征兆（輸入）、故障（輸出）之間的函數(shù)關(guān)系,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷的步驟,建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 需要用到專家經(jīng)驗(yàn) 選取樣本學(xué)習(xí) 樣本選擇需要用到專家經(jīng)驗(yàn) 學(xué)習(xí)過程自動實(shí)現(xiàn) 有新樣本，可以重新訓(xùn) 進(jìn)行診斷 只要樣本數(shù)據(jù)較全面而且合理，其診斷結(jié)果都是可靠的。,神經(jīng)

12、網(wǎng)絡(luò)模型,多種模型，不同模型針對不同問題效果也不同，針對特定問題效果好 多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：最基本、最成熟 前饋模型的算法：BP算法，也稱為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的一般特點(diǎn),包含：輸入層、輸出層和隱層 隱層可以是單層，也可是多層。最基本的是單隱層。 各層可有多個神經(jīng)元或節(jié)點(diǎn)， 輸入層節(jié)點(diǎn)一般與輸入?yún)⒘繑?shù)相同， 輸出層節(jié)點(diǎn)一般與輸出結(jié)果個數(shù)相同 第i層神經(jīng)元只接受第（i-1）層神經(jīng)元給出的信號，無反饋,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際建立過程,確定參與診斷的參量（輸入量）的類型和數(shù)量 參量選取的多樣性：原始數(shù)據(jù)、經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)、某些中間結(jié)果等 確定診斷結(jié)果（輸出量）的類型和數(shù)量 根據(jù)參量和診斷結(jié)果的特

13、征，確定隱層的層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)數(shù)等 總體來說，隱層數(shù)、各層節(jié)點(diǎn)越大，能反映越復(fù)雜的映射關(guān)系。但學(xué)習(xí)過程越漫長 要適度、合理 收集樣本 樣本要全面，能反映主要的輸入和輸出。 但又不要求面面俱到，即不要求遍歷整個樣本空間 樣本要準(zhǔn)確、合理 樣本數(shù)量越大，學(xué)習(xí)的結(jié)果越好，但過程也越漫長 樣本可以不斷補(bǔ)充和更新 可根據(jù)學(xué)習(xí)（訓(xùn)練）精度調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括輸入、輸出和中間層,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程（1）,學(xué)習(xí)過程包括：正向傳播過程、反向傳播過程， 正向傳播：輸入信息從輸入層經(jīng)各隱層逐層處理，最終到輸出層 輸入層各節(jié)點(diǎn)的輸出等于其輸入 隱層節(jié)點(diǎn)k的輸入為： Wki為隱層節(jié)點(diǎn)k與輸入節(jié)點(diǎn)i之間的連接權(quán)重 bk

14、為隱層節(jié)點(diǎn)k的閾值 隱層節(jié)點(diǎn)k的輸出為： 輸出層的輸入和輸出關(guān)系與隱層相似,BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過程（2）,反向傳播：如果輸出與期望不符合，將誤差信號沿原線路反向傳播，修改各層神經(jīng)元的閾值和節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值。 其中： ypi是實(shí)際輸出，dpi為期望輸出 對所有樣本進(jìn)行學(xué)習(xí) 學(xué)習(xí)過程的實(shí)質(zhì)：通過不斷調(diào)整權(quán)值和閾值，使誤差函數(shù)達(dá)到給定的精度。 誤差函數(shù)為：期望輸出與實(shí)際輸出之差的平方和 N是輸出神經(jīng)元數(shù)，P是樣本數(shù)， 有新樣本后，可重新學(xué)習(xí),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程及特點(diǎn),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作過程： 簡單：輸入、輸出 實(shí)質(zhì)：將專家的知識和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)建立在網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)具有診斷能力。 在故障診斷中的實(shí)質(zhì)：建立故障現(xiàn)象與

15、故障原因間的非線性映射 診斷結(jié)果經(jīng)確認(rèn)、且有代表性后，可作為樣本 BP網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)： 理論基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)、物理概念清晰 BP網(wǎng)絡(luò)缺點(diǎn)： 收斂速度慢，有遺忘現(xiàn)象：學(xué)了新的，忘了舊的 容錯能力差 算法不完備：易限于局部極小,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷實(shí)例,分析對象：變壓器故障現(xiàn)象和故障原因之間關(guān)系 故障現(xiàn)象分為6種，故障原因?yàn)?種 哪個是輸入？哪個是輸出 故障現(xiàn)象見P125 三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇椋?-10-5 選取樣本：訓(xùn)練 檢驗(yàn)：兩個已知用例，但未包含在樣本中 結(jié)果表明和專家診斷相同,5.5 小波分析在絕緣診斷中的應(yīng)用,基礎(chǔ)知識（1）,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換的目的不同： 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果間非線性映

16、射的 小波是濾除輸入數(shù)據(jù)中干擾、準(zhǔn)確獲得輸入數(shù)據(jù)的 基礎(chǔ)知識： 傅里葉變換。L1空間。變換、逆變公式， 時域和頻域的特征對應(yīng)：周期對離散，連續(xù)對非周期。時域有限，則頻域無限 傅里葉級數(shù)。L20,2空間 基、正交集 FFT：一種快速算法 利用FFT實(shí)現(xiàn)濾波的一般過程。 假設(shè)信號周期性延拓 因此，選擇進(jìn)行FFT的數(shù)據(jù)長度非常重要，一般為基波的整數(shù)倍,基礎(chǔ)知識（2）,FFT的缺點(diǎn)： 在時域沒有分辨率，不能滿足混有白噪聲干擾的一些快變信號的特征分析 音樂、聲音、地震波等，需要了解局部時域信號對應(yīng)的頻域特征，也需要了解局部頻域信號出現(xiàn)在哪些時段上。 加窗傅里葉變換：時域窗口與頻率無關(guān) 小波分析的特點(diǎn)：

17、時域、頻域同時具有局部分辨率 有效處理突變信號 繼承和發(fā)展了加窗傅里葉變換，革命性的變化,小波的定義和基本的母小波,小波的定義：如果 ，其傅里葉變換 滿足條件 ，則 可稱為一個小波。 又稱為：基本小波，母小波 振蕩性。 ，正負(fù)部分相互抵消。體現(xiàn)“波” 衰減性，有限區(qū)間外恒等于0，或很快趨于0。體現(xiàn)“小” 一個好的小波，希望在頻域和時域都是有限支集。但不可能都做到，可以近似。 基本的（母）小波 Harr小波 Marr小波，墨西哥草帽小波 樣條函數(shù)小波 小波函數(shù)的選擇對數(shù)據(jù)分析非常關(guān)鍵,小波變換,子波的構(gòu)成：將母小波平移、伸縮，形成一族函數(shù)： bR為平移因子，aR為伸縮因子 應(yīng)注意：不是L2空間上

18、的基。 小波變換：和反變換 能量守恒。Parseval恒等式,二進(jìn)小波變換,為了在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，需要將連續(xù)小波及其變換離散化 令 ，b=na。m，n為整數(shù)。 ，或 構(gòu)成L2空間上一個正交基。 離散二進(jìn)小波變換為： m代表頻率，n代表時窗 低頻時時窗長，高頻時時窗段，具有自適應(yīng),二進(jìn)小波的分解與重構(gòu),小波變換計(jì)算時間長，需要類似于FFT的快速算法 通過構(gòu)造尺度函數(shù)，利用尺度函數(shù)獲得初始小波系數(shù)C0 利用低通濾波器系數(shù)H和高通濾波器系數(shù)G，逐級計(jì)算獲得不同尺度下高頻系數(shù)（小波分量）和低頻系數(shù)（平滑分量）,利用各尺度系數(shù)可以獲得不同頻率下的時域分量 系數(shù)的反演 對頻率分解的特點(diǎn)： 只能按采樣頻率的整

19、數(shù)倍進(jìn)行 高頻不能繼續(xù)分解,尺度函數(shù),小波分析應(yīng)用的基本注意事項(xiàng),小波包：高頻也能分解 小波分析應(yīng)用的基本注意事項(xiàng)： 選擇小波基，即選擇尺度函數(shù)、高通濾波系數(shù)、低通濾波系數(shù) 選擇分解的層數(shù) 根據(jù)信號特征，確定分解后系數(shù)的處理,局放信號的小波分析（1）,局放信號的數(shù)學(xué)模型 上升沿為ns級，脈寬幾幾十個ns I0為脈沖峰值，T1為脈沖特征寬度，T2=2.36T1為波長。,局放信號的小波分析（2）,Cj保留原始信號的低頻成分，即原信號的大致輪廓 Dj保留原始信號的高頻成分 隨著j尺度局部放電的低頻成分明顯呈現(xiàn)出來，高頻成分減小。,j=2，低頻分量,j=1，高頻分量,局放信號的小波分析（3）,放電量小

20、的信號譜分布在高頻區(qū)，持續(xù)時間短 放電量Q分布向低頻方向移動，持續(xù)時間長,5.6 專家系統(tǒng)在絕緣診斷中的應(yīng)用,專家系統(tǒng)的定義和推理過程,專家系統(tǒng)的定義：根據(jù)人們在某一領(lǐng)域內(nèi)的知識、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)而建立的解決問題和做決策的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，它能對復(fù)雜問題給出專家水平的結(jié)果 非嚴(yán)格定義 專家系統(tǒng)的編制 充分吸收成熟運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和專家的專長，不受約束地提出咨詢和建議。 多按照設(shè)備分類進(jìn)行編制。即按電容型試品、色譜型試品、電阻型試品。 專家系統(tǒng)推理過程 數(shù)據(jù)采集計(jì)算或校正分析診斷匹配規(guī)則正確評估顯示打印或報警,專家系統(tǒng)的構(gòu)成,包括：數(shù)據(jù)采集及管理程序、數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、知識庫、機(jī)器學(xué)習(xí)程序 知識庫：存放專家提供的知識，即規(guī)則。 關(guān)鍵環(huán)節(jié)，知識庫的數(shù)量和質(zhì)量，決定專家系統(tǒng)質(zhì)量的好壞 既在初次建庫時建立，使用過程中也需進(jìn)一步完善、補(bǔ)充 知識的表示：產(chǎn)生式規(guī)則，IF。THEN。 推理機(jī)：針對已知的信息，反復(fù)匹配知識庫中的規(guī)則，獲得結(jié)論。 模擬專家解決問題的思維過程 數(shù)據(jù)庫：存儲原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最終結(jié)果。一般臨時存貯,專家系統(tǒng)的特點(diǎn),專家系統(tǒng)的特點(diǎn)： 通過基于規(guī)則的知識