一种基于雷达谱图的局部放电阶段识别方法与流程

本发明涉及一种基于雷达谱图的局部放电阶段识别方法。

背景技术：

在高压直流输电系统中，换流变压器阀侧绕组承受交直流混合电压，阀侧绕组局部放电特性与纯交流或纯直流下的不同。在长期运行中，持续的局部放电会造成严重的绝缘裂化，并导致变压器故障，同时局部放电检测是诊断变压器潜在故障的有效手段。因此，交直流复合电压下油纸绝缘典型放电缺陷的局放特性的研究对于换流变压器的安全稳定运行十分重要。由于极不均匀电场下的局部放电随机性强且极不稳定，因此油纸绝缘针板模型的局放特性更为复杂。

另一方面，局部放电发展阶段识别对绝缘状态在线检测十分重要。目前已有的几种用于局部放电结果分析的识别技术如下：局放统计谱图的指纹识别技术、局放灰度图像与分形压缩技术、局放能量分布识别技术等。但这些技术均运用不同的特征量与小波变换、分形理论等结合，运算过程复杂且主要用于局放模式识别。有关局部放电从起始到击穿的过程的研究仍处于起步阶段，且鲜有报道。不可否认，基于局放特征参数时变趋势的放电阶段划分含有主观成分，而基于模糊聚类的阶段划分缺乏物理意义。因此，具有合理物理意义的客观的局部放电阶段划分和简单有效的阶段识别方法是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于雷达谱图的局部放电阶段识别方法，本发明对交直流复合电压下油纸绝缘针板模型局部放电发展过程进行了实验研究。基于传统的局部放电测试回路，通过耦合电容与检测阻抗采集局放信号，能够解决现有技术不能有效地对老化阶段进行识别的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于雷达谱图的局部放电阶段识别方法，包括以下步骤：

步骤1：进行变压器局部放电实验，利用现有技术测量待测油纸绝缘设备中局部放电脉冲的波形，对取样得到的油纸绝缘局部放电的波形进行处理，提取局部放电视在放电量、放电脉冲的相位、连续脉冲时间间隔与放电重复率(每工频周期的放电次数)。并根据记录的局部放电时域波形计算得到了脉冲等效时间与等效频率，等效时间与等效频率反映了局部放电波形特征。

公式如下：

步骤2：将数据进行归一化，并使用模糊聚类分析进行聚类，得到五个阶段起始阶段、过渡阶段、发展阶段、稳定阶段、预计穿阶段。

步骤3：雷达谱图的坐标范围应当被限制且统一。由于极不均匀电场下的局部放电分散性较大，雷达谱图的坐标范围应当比相应的特征量范围较大，因此雷达谱图的坐标范围设定如下：

其中，vc是坐标值；vmin和vmax是坐标对应的特征量的最小值与最大值。雷达谱图坐标的范围是对应特征量范围的1.4倍。

根据局部放电雷达谱图可对发展阶段进行识别。然而，特征量的有效性是放电阶段识别的关键。因此，雷达谱图的长宽比与重心坐标比作为新的特征量。另一方面，这一过程可被看做原始特征量的降维过程。新的特征量定义如下：

其中，l是雷达谱图水平最大长度；h是雷达谱图垂直最大长度；x和y分别是雷达谱图横坐标与纵坐标，以上四个量的单位为像素。

步骤4：利用支持向量机将重心坐标和谱图长宽作为二维特征量，将二维平面分为5个部分，作为识别局部放电发展阶段的识别器。

局部放电起始阶段，纸板的绝缘强度较高。因此局部放电的起始场强较高，只有少量的低能放电在针电极处产生。因此，nave,qmax和qave最低，dmax较高且具有波动性，起始阶段feqave和teqave波动性较大的原因是低能放电的分散性较高。

由于起始阶段只存在少量的低能放电，所以经过起始阶段，纸板的绝缘强度轻微下降。在过渡阶段，偶然的高能放电使得qmax和qave先于nave增加，而dmax仍然较大且波动，由于此时局部放电仍以低能放电为主，因此nave依旧很低，teqave和feqave仍在波动。

在偶然性高能局部放电作用下，发展阶段的纸板绝缘强度急剧下降，油纸绝缘恢复时间急剧增加。因此qave增加且qmax达到最大。在发展阶段nave突然增加且dmax突然减小。在稳定阶段，由于油纸绝缘强度的下降，局部放电起始场强降低。因此，稳定阶段更容易产生局部放电，以至于nave增加而dmax仍较低。然而，油-纸界面吸附电荷的能力有限，因此随着nave的增加qmax和qave轻微降低。当针电极不再与纸板紧密接触，会产生feq较高teq较低的高能快速局部放电。在发展阶段与稳定阶段，高能局部放电是主要的放电形式，因此feqave较高且teqave较低。本文所提的高能放电与低能放电是相对概念，两者的定量区分仍需进一步研究。

在预击穿阶段，随着油纸绝缘强度下降，纸板的电阻率急剧下降，油-纸界面吸附的电荷会以泄露电流的形式流入板电极而被中和。因此，nave，qmax和qave降低。经过稳定阶段的大量高能放电作用，纸板纤维断裂而使针电极不再与纸板紧密接触。绝缘类型由油纸绝缘转变成油-纸复合绝缘，电荷的中和距离增加。因此，产生feqave较低teqave较高的慢速放电。

所述方法适用于交直流复合的换流变压器。

所述现有技术是指国家标准gb/t7354-2003/iec60270：2000所规定的局部放电检测技术。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明实现了利用雷达图降维来识别变压器内部绝缘缺陷发展程度的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1：特征参量示意图；

图2(a)为特征量qave与qmax随时间的发展趋势；

图2(b)为特征量nave与dmax随时间的发展趋势；

图2(c)为特征量teqave与feqmax随时间的发展趋势；

图3(a)-图3(e)分别为起始阶段放电阶段、过渡阶段、发展阶段、稳定阶段和预计穿阶段的雷达谱图；

图4：二维样本分析器。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在目前的识别方法运用不同的特征量与小波变换、分形理论等结合，运算过程复杂且主要用于局放模式识别的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于雷达谱图的局部放电阶段识别方法。

本申请的一种典型的实施方式中，一种划分油纸绝缘老化阶段的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行变压器局部放电实验，利用现有技术测量待测油纸绝缘设备中局部放电脉冲的波形，对取样得到的油纸绝缘局部放电的波形进行处理，提取局部放电视在放电量、放电脉冲的相位、连续脉冲时间间隔与放电重复率(每工频周期的放电次数)。并根据记录的局部放电时域波形计算得到了脉冲等效时间与等效频率，等效时间与等效频率反映了局部放电波形特征。

公式如下：

步骤2：将数据进行归一化，并使用模糊聚类分析进行聚类，得到五个阶段起始阶段、过渡阶段、发展阶段、稳定阶段、预计穿阶段。

步骤3：雷达谱图的坐标范围应当被限制且统一。由于极不均匀电场下的局部放电分散性较大，雷达谱图的坐标范围应当比相应的特征量范围较大，因此雷达谱图的坐标范围设定如下：

其中，vc是坐标值；vmin和vmax是坐标对应的特征量的最小值与最大值。雷达谱图坐标的范围是对应特征量范围的1.4倍。

根据局部放电雷达谱图可对发展阶段进行识别。然而，特征量的有效性是放电阶段识别的关键。因此，雷达谱图的长宽比与重心坐标比作为新的特征量。另一方面，这一过程可被看做原始特征量的降维过程。新的特征量定义如下：

其中，l是雷达谱图水平最大长度；h是雷达谱图垂直最大长度；x和y分别是雷达谱图横坐标与纵坐标，以上四个量的单位为像素。

步骤4：利用支持向量机将重心坐标和谱图长宽作为二维特征量，将二维平面分为5个部分，作为识别局部放电发展阶段的识别器。

局部放电起始阶段，纸板的绝缘强度较高。因此局部放电的起始场强较高，只有少量的低能放电在针电极处产生。因此，nave,qmax和qave最低，dmax较高且具有波动性，起始阶段feqave和teqave波动性较大的原因是低能放电的分散性较高。

由于起始阶段只存在少量的低能放电，所以经过起始阶段，纸板的绝缘强度轻微下降。在过渡阶段，偶然的高能放电使得qmax和qave先于nave增加，而dmax仍然较大且波动，由于此时局部放电仍以低能放电为主，因此nave依旧很低，teqave和feqave仍在波动。

在偶然性高能局部放电作用下，发展阶段的纸板绝缘强度急剧下降，油纸绝缘恢复时间急剧增加。因此qave增加且qmax达到最大。在发展阶段nave突然增加且dmax突然减小。在稳定阶段，由于油纸绝缘强度的下降，局部放电起始场强降低。因此，稳定阶段更容易产生局部放电，以至于nave增加而dmax仍较低。然而，油-纸界面吸附电荷的能力有限，因此随着nave的增加qmax和qave轻微降低。当针电极不再与纸板紧密接触，会产生feq较高teq较低的高能快速局部放电。在发展阶段与稳定阶段，高能局部放电是主要的放电形式，因此feqave较高且teqave较低。本文所提的高能放电与低能放电是相对概念，两者的定量区分仍需进一步研究。

在预击穿阶段，随着油纸绝缘强度下降，纸板的电阻率急剧下降，油-纸界面吸附的电荷会以泄露电流的形式流入板电极而被中和。因此，nave，qmax和qave降低。经过稳定阶段的大量高能放电作用，纸板纤维断裂而使针电极不再与纸板紧密接触。绝缘类型由油纸绝缘转变成油-纸复合绝缘，电荷的中和距离增加。因此，产生feqave较低teqave较高的慢速放电。

所述方法适用于交直流复合的换流变压器。

所述现有技术是指国家标准gb/t7354-2003/iec60270：2000所规定的局部放电检测技术。

图1为本专利所使用的特征参量图，变压器油纸绝缘缺陷发展程度的模式识别方法包括：

步骤1：进行变压器局部放电实验，利用现有技术测量待测油纸绝缘设备中局部放电的波形，对取样得到的油纸绝缘局部放电的波形进行处理，提取局部放电视在放电量、放电脉冲的相位、连续脉冲时间间隔与放电重复率(每工频周期的放电次数)。并根据记录的局部放电时域波形计算得到了脉冲等效时间与等效频率，等效时间与等效频率反映了局部放电波形特征。

步骤2：将数据进行归一化，并使用模糊聚类分析进行聚类，得到五个阶段起始阶段、过渡阶段、发展阶段、稳定阶段、预计穿阶段。具体参数如图2所示

步骤3：根据取得特征量进行降维处理，得到二维雷达图，将特征量进行可视化。具体形式如图3所示

步骤4：利用支持向量机将二维雷达图进行分类，将整个雷达图分为五个部分，作为识别缺陷发展阶段的识别器。识别器具体样式如图4所示。

步骤5：将待识别的局部放电波形进行相应处理，通过判断该波形落在哪一个区域内，就可以判断变压器缺陷发展的阶段。

本发明通过对波形特征量进行降维处理形成雷达图来，进而识别变压器缺陷发展的严重程度，实现了利用雷达图来实现缺陷发展阶段的识别。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。