基于SSD 算法500 kV 避雷器內(nèi)部絕緣缺陷帶電檢測(cè)

李晶，楊聳立

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司大連供電公司，遼寧大連 116000）

將避雷器應(yīng)用于配電網(wǎng)可有效地防止過(guò)電壓出現(xiàn)，其是配電系統(tǒng)中重要的防雷裝置。該裝置能有效地降低雷擊環(huán)境中受保護(hù)線路的瞬時(shí)過(guò)電壓，保障整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1]。目前，配電系統(tǒng)中常采用氧化鋅避雷器，由于其具有非線性、大通流容量等特性，能夠防止配電系統(tǒng)和設(shè)備被雷擊[2]。但氧化鋅避雷器在使用過(guò)程中，受長(zhǎng)期處于高壓狀態(tài)和雨水侵蝕等自然因素影響，導(dǎo)致內(nèi)部閥門(mén)老化。當(dāng)避雷器存在缺陷時(shí)，會(huì)引起內(nèi)部絕緣失效，導(dǎo)致電力系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[3]。因此，針對(duì)避雷器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中存在的缺陷分析，采取有效缺陷檢測(cè)措施，是確保避雷器安全高效運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前，使用基于500 kV 避雷器內(nèi)部絕緣缺陷帶電檢測(cè)方法，主要通過(guò)對(duì)比兩個(gè)相鄰窗口數(shù)據(jù)方差，再根據(jù)兩者之間變量判斷運(yùn)行狀態(tài)，但該方法穩(wěn)定性較差。采用R 檢驗(yàn)法得到的正方差估計(jì)量比值，構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)方程適用于多個(gè)變量穩(wěn)定狀態(tài)檢驗(yàn)，但該方法計(jì)算閾值時(shí)易受濾波參數(shù)影響，對(duì)隨機(jī)噪聲敏感，穩(wěn)定性較差。針對(duì)這一問(wèn)題，提出基于SSD 算法的500 kV 避雷器內(nèi)部絕緣缺陷帶電檢測(cè)方法。

1 內(nèi)部絕緣缺陷數(shù)據(jù)訓(xùn)練及檢測(cè)

1.1 基于SSD算法的數(shù)據(jù)訓(xùn)練

為保證SSD 算法在檢測(cè)避雷器內(nèi)部絕緣缺陷中的有效性，在建立SSD 框架時(shí)，全卷積層主干網(wǎng)采用VGGnet 完成特征圖中目標(biāo)分類(lèi)和數(shù)據(jù)包的直接預(yù)測(cè)[4]。相較于FASTR-CNN 的候選區(qū)域，采用SSD 單點(diǎn)多盒檢測(cè)法，具有較高實(shí)時(shí)性，當(dāng)輸入圖像分辨率較低時(shí)，也可有效檢測(cè)[5]。SSD 框架如圖1 所示。

由圖2 可知，針對(duì)避雷器內(nèi)部絕緣缺陷圖像的識(shí)別，采用多層網(wǎng)絡(luò)擬合殘差映射的深度殘差模型對(duì)其進(jìn)行處理[6]。采用堆疊擬合方式，將輸入向量輸入到權(quán)重層中，經(jīng)過(guò)映射處理后，得到輸出向量。

設(shè)定H(X)表示目標(biāo)方程的映射解，使用堆疊方法，映射出非線性層擬合的映射解F(X)，即：

由式（1）可知，最初最優(yōu)解映射H(X)與F(X)+X相同，通過(guò)全卷積層主干網(wǎng)的反饋網(wǎng)絡(luò)層快速連接而求取映射解[7-8]。

反饋網(wǎng)絡(luò)層快速連接方程為：

式（2）中，X表示輸入向量，Y表示輸出向量，Wi為權(quán)重圖層參數(shù)。如果輸入和輸出尺寸一致，可利用線性投影Ws匹配維度[9]。

通過(guò)上述分析，完成避雷器內(nèi)部絕緣缺陷圖像數(shù)據(jù)訓(xùn)練后，對(duì)其實(shí)施檢測(cè)。

1.2 絕緣缺陷帶電檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)

造成避雷器失效的原因主要是由于避雷器外密封性變差，使避雷器內(nèi)部受潮，導(dǎo)致閥片侵蝕嚴(yán)重，以及指標(biāo)值超標(biāo)引發(fā)設(shè)備故障[10]。因此，對(duì)避雷器內(nèi)部缺陷進(jìn)行分析與跟蹤檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并排除[11-12]。

通過(guò)上述確定的訓(xùn)練樣本，計(jì)算損失函數(shù)，即：

式（3）中，N表示樣本數(shù)量；x表示指示參數(shù)；c表示置信度預(yù)測(cè)值；l表示位置預(yù)測(cè)值；g表示位置參數(shù)[13]。

通過(guò)損失函數(shù)，可確定避雷器內(nèi)部絕緣缺陷位置，為進(jìn)一步確定缺陷原因，用某500 kV 三相主變電避雷器運(yùn)行狀態(tài)作為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)巡檢避雷器：首先，帶電檢測(cè)外觀，若外觀無(wú)任何異常，再進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)；當(dāng)探測(cè)到避雷器內(nèi)部存在異常時(shí)，若避雷器內(nèi)傳感器傳感的溫度數(shù)據(jù)發(fā)生變化，表明該處存在異常，診斷為內(nèi)部絕緣老化[14]。

在運(yùn)行中，避雷器需要對(duì)泄漏的電流表數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，通過(guò)相位比較、歷史對(duì)比等手段找出異常和缺陷。數(shù)據(jù)異常情況通常表現(xiàn)為指示值太大或偏小、儀表指針不停搖擺[15]。

1.2.1 指示值偏大

依據(jù)計(jì)量原則，分析泄漏電流表指示值偏大原因：

1）當(dāng)避雷器內(nèi)部受潮嚴(yán)重，會(huì)引起全電流及阻性電流增大。

2）由于避雷器閥片受侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致劣化現(xiàn)象，此時(shí)避雷器內(nèi)部阻性電流較大。

3）由于電流表沒(méi)有完全密封，空氣進(jìn)入后，電流表受潮導(dǎo)致電流表失靈，此時(shí)電流無(wú)法正常工作。

4）在外護(hù)套與避雷器屏蔽環(huán)之間連接質(zhì)量較差、不能充分接觸的情況下，造成屏蔽效果不好，會(huì)導(dǎo)致避雷器表面漏電，導(dǎo)致數(shù)值過(guò)大[16]。

5）如果避雷器中ABC 三相性能指標(biāo)出現(xiàn)較大偏差，說(shuō)明電流表故障。

1.2.2 指示值偏小

引起泄漏電流表指示值偏小的原因包括：

1）電流表無(wú)法完全密封，導(dǎo)致空氣進(jìn)入電流表后，電流表受潮無(wú)法正常工作，此時(shí)電流表處于卡頓狀態(tài)，指示值偏小。

2）當(dāng)?shù)鬃^緣效果較差，或出現(xiàn)避雷器電路接觸不良等問(wèn)題，造成電流表指示值偏小[17-20]。由于這些故障情況較為常見(jiàn)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不會(huì)影響其他設(shè)備正常運(yùn)行，無(wú)需采取緊急措施。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以某市供電公司為例，分析其從2009 年開(kāi)始至今，對(duì)500 kV 三相變電站避雷器進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10 年的帶電檢測(cè)，A 相泄漏電流為0.8 mA，B、C 相泄漏電流均為0.25 mA。根據(jù)歷史記載，在上一次暴雨發(fā)生時(shí)，三相泄漏電流均為0.25 mA。在該情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 避雷器帶電檢測(cè)結(jié)構(gòu)

500 kV 變電站中包括10 組避雷器，避雷器結(jié)構(gòu)主要由閥片、外套、固定組件組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

帶電檢測(cè)中需關(guān)注避雷器溫差變化。此次帶電檢測(cè)是在雷雨季節(jié)中進(jìn)行，每個(gè)月進(jìn)行一次檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常值，檢測(cè)周期變?yōu)橐恢芤淮危瑢⑺@取數(shù)據(jù)及時(shí)匯報(bào)，并存入計(jì)算機(jī)中等待查詢(xún)。

2.2 避雷器電阻片溫度變化檢測(cè)分析

采用318 kV 工頻運(yùn)行電壓，同時(shí)采用溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)避雷器每個(gè)部分的3 個(gè)傳感器，溫度會(huì)隨加壓時(shí)間發(fā)生變化，上節(jié)、中節(jié)和下節(jié)避雷器電阻片損壞后，溫度變化檢測(cè)內(nèi)容如下。

2.2.1 上節(jié)避雷器電阻片損壞

避雷器中3 個(gè)傳感器的電阻片溫度與加壓時(shí)間關(guān)系，如圖4 所示。

由圖4 可知，傳感器1 的最高溫度為46 ℃，傳感器2 的最高溫度為39 ℃，傳感器3 的最高溫度為54 ℃。由此可知，在上節(jié)避雷器電阻片嚴(yán)重?fù)p壞的情況下，通過(guò)紅外熱像儀可以清楚地觀察到工作電壓下的溫差，傳感器3 出現(xiàn)明顯發(fā)熱，且最高溫度為54 ℃。

2.2.2 中節(jié)避雷器電阻片損壞

在不同壓力下，溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)監(jiān)測(cè)3 個(gè)傳感器的溫度變化，如圖5 所示。

由圖5 可知，傳感器1 的最高溫度為47 ℃，傳感器2 的最高溫度為49 ℃，傳感器3 的最高溫度為43 ℃。由此可知，在中節(jié)避雷器電阻片損壞的情況下，傳感器2 會(huì)出現(xiàn)明顯發(fā)熱，且最高溫度為49 ℃。

2.2.3 下節(jié)避雷器電阻片損壞

避雷器中3 個(gè)傳感器的電阻片溫度與加壓時(shí)間關(guān)系，如圖6 所示。

由圖6可知，傳感器1的最高溫度為47 ℃，傳感器2的最高溫度約為48 ℃，傳感器3的最高溫度約為49 ℃。由此可知，在下節(jié)避雷器電阻片嚴(yán)重?fù)p壞的情況下，傳感器3會(huì)出現(xiàn)明顯發(fā)熱，且最高溫度約為49 ℃。

同組比較下，A 相漏泄電流增加較大，與漏泄電流在線監(jiān)測(cè)裝置顯示的數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，可以排除表計(jì)問(wèn)題，電測(cè)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，閥板溫度在上節(jié)避雷器出現(xiàn)老化問(wèn)題后逐漸升高，盡管均壓環(huán)能顯著改善避雷器的電壓分布，但不能抑制避雷器的位置電壓。在上節(jié)避雷器嚴(yán)重老化的情況下，避雷器的電阻明顯減小，A 相漏泄電流的電壓分布較B、C 相更不均勻，溫升和溫差影響更顯著。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

采用置信度法、R 檢驗(yàn)法和基于SSD 算法帶電檢測(cè)500 kV 避雷器內(nèi)部絕緣缺陷，以避雷器溫差變化為例，對(duì)避雷器溫差變化進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，使用置信度法在加壓時(shí)間為100 min時(shí)，溫差變化達(dá)到最大約為14.8 ℃；使用R 檢驗(yàn)法在加壓時(shí)間為100 min 時(shí)，溫差變化達(dá)到最大約為17.2 ℃；使用基于SSD 算法在加壓時(shí)間為100 min時(shí)，溫差變化達(dá)到最大約為14.2 ℃，與實(shí)際溫差變化一致，說(shuō)明使用該方法帶電檢測(cè)精準(zhǔn)度較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用帶電實(shí)驗(yàn)分析500 kV 上、中、下避雷器，并結(jié)合工作電壓，利用溫度傳感器和紅外熱像儀對(duì)閥板進(jìn)行模擬計(jì)算，得出閥板的溫度分布和表面溫差，確定避雷器內(nèi)部缺陷故障，實(shí)現(xiàn)500 kV 避雷器內(nèi)部絕緣缺陷帶電檢測(cè)。