電氣系統絕緣故障診斷技術研究

張政訓

（國網淳安縣供電公司，浙江 杭州 311700）

0 引言

近些年來，我國社會經濟高速發展，各行業在所屬領域內的發展也越來越快，電氣系統的絕緣檢測更是如此[1]。電氣系統的廣泛應用使其作用不斷突顯，對電氣系統的絕緣故障進行診斷對電氣系統的安全運行具有重要意義，由此電氣系統的絕緣檢測研究應運而生。20世紀80年代，國內學者就已經開始開發電氣系統的絕緣裝置，至今已取得了質的飛躍[2]。雖然目前國內在電氣系統絕緣檢測的研究中積累了大量的理論知識和實踐經驗，但是與大多數發達國家相比，還存在很大差距。

王滌等人[3]根據概率卷積神經網絡的結構原理，針對電氣系統的局部放電現象，設計了一種絕緣故障融合診斷方法，通過故障特征提取和故障數據的預處理，利用概率卷積神經網絡對絕緣故障數據進行訓練處理，在融合證據理論的基礎上，模擬故障放電現象，通過仿真實驗發現，在故障識別測試中該方法速度比傳統方法快。嚴浩等人[4]基于開關振蕩理論，以多頻率特征的逆變器驅動電機為研究對象，提出一種故障診斷方法，引入電壓傳感器和電流傳感器，提取出故障信號的特征，結合濾波器的工作原理，對絕緣故障信號進行處理，通過計算驅動電機在單個運行周期內的電流幅值均值，得到故障診斷結果，結果顯示，當絕緣故障嚴重時，該方法可以對驅動電機的絕緣故障進行有效診斷。

基于以上研究背景，本文針對電氣系統的絕緣故障，提出一種診斷方法，從而保證電氣系統在運行中的穩定性和安全性。

1 電氣系統絕緣故障診斷技術設計

1.1 提取電氣系統絕緣故障信號的特征參數

在提取電氣系統絕緣故障信號特征參數的過程中，引入小波包分解技術，對絕緣故障信號的頻帶進行劃分，根據絕緣故障信號的特征，選擇絕緣故障信號對應的頻帶。將小波包系數作為電氣系統絕緣故障信號的特征[5]，利用小波分解將電氣系統原始絕緣信號分解成w層，重構電氣系統絕緣故障信號的特征矩陣，表示為：

式中：m和s為小波包系數；ψ為電氣系統原始絕緣信號的采樣點數；?為電氣系統絕緣故障信號的采樣點數。

假設W是m×s階矩陣，在絕緣故障信號的奇異值分解過程中，存在正交矩陣P和Q，當W=PVQT時，，其中，為電氣系統絕緣故障信號的特征向量。按照從上到下的順序對矩陣W的奇異值進行排序，使不等于0的奇異值構成電氣系統絕緣故障信號的特征向量，表示為：

根據小波分解中奇異值的性質可以發現，電氣系統中絕緣故障信號特征向量可以表征出小波系數的矩陣

引入小波包分解技術，劃分電氣系統絕緣故障信號的頻帶，通過重構電氣系統絕緣故障信號的特征矩陣，得到電氣系統絕緣故障信號的特征向量，進而提取出電氣系統絕緣故障信號的特征參數。

1.2 分析電氣系統絕緣故障信息

電氣系統絕緣故障中，如果將故障的回路電流定義為I，在脈沖磁場下的磁勢為S，故障信號的基波分量會影響電氣系統的穩定運行，在忽略電氣系統高次諧波的前提下，得到電氣系統的脈振磁勢表達式：

式中：f為電氣系統中電流的基波頻率；T為電氣系統的穩定運行時間；?為電氣系統中設備的極對數；β為電氣系統的機械角度。

當電氣系統中絕緣裝置的結構對稱時，氣隙磁密B與磁勢S和磁導U0的乘積為正比關系，絕緣設備的安裝會導致電氣系統的轉子出現不平衡現象，從而影響電氣系統絕緣裝置的氣隙磁導[7]，經過一系列變化之后，電氣系統絕緣裝置的磁導為：

式中：fr為電氣系統中絕緣設備轉子的旋轉頻率；Ug和Ue為電氣系統中絕緣設備磁導的分量，正常情況下，Ug＞Ue。

電氣系統絕緣設備的磁力與B2為正比關系，那么電氣系統中絕緣設備的磁力可以通過下式計算，即：

式中：ξ和γ為比例系數。

將公式（6）和（7）代入到公式（8）中，計算出絕緣設備故障信號的最大諧波分量，絕緣設備的電磁力波可以促使轉子和定子發生振動，振動過程中，頻率和絕緣設備轉動的頻率存在一定關系，振動信號能夠反映出電氣系統中絕緣設備故障的諧波分量。

利用電氣系統中絕緣設備的電流基波頻率和極對數，計算絕緣設備的脈振磁勢，考慮到絕緣設備的安裝會影響電氣系統絕緣裝置的氣隙磁導，通過計算電氣特征[6]，利用該特征反映出電氣系統絕緣故障信號的特性，根據絕緣故障信號的特征向量，提取出電氣系統絕緣故障信號的特征參數，表示為：系統絕緣設備的磁力，來完成對電氣系統絕緣故障信息的分析。

1.3 設計電氣系統絕緣故障診斷算法

以電氣系統絕緣故障信息的分析結果為依據，對電氣系統運行20 min內的穩定性提出要求，此時需要滿足如下條件：

式中：U*為電氣系統的電源電壓；ΔUEG為電氣系統的電壓誤差；UEG為電氣系統的電壓。

電氣系統中電氣設備的電壓波紋系數可以判斷電源是否穩定運行，那么電壓波紋含量φ的計算公式為：

式中：ΔUe為電氣系統中電氣設備電壓的最大波動分量。

電壓波紋含量會影響電氣設備絕緣體的極化[8]，因此電壓波紋系數需要滿足如下條件：

假設電氣系統的電源回路電阻可以等效為R*，分布式電容為C*，那么電氣系統中電氣設備的電容充電時間常數為：

在電氣系統絕緣故障診斷中，對兆歐表的容量進行定量的指標就是電氣系統中電氣設備A到Z端短路時的輸出電流，表示為：

I'的數值越大，說明兆歐表對電氣系統絕緣故障的診斷性能越好。當I'=1 mA時，能夠滿足電氣系統絕緣故障的診斷要求。

綜上所述，根據電氣系統運行穩定性的約束條件，計算了電氣系統的電壓波紋含量，基于電氣設備的電容充電時間常數，引入兆歐表實現電氣系統絕緣故障的診斷。

2 實驗對比分析

2.1 搭建實驗平臺

為了驗證文中技術在電氣系統絕緣故障診斷中的可行性，在Linux系統下，搭建了絕緣故障診斷平臺，主要由電流互感器、絕緣故障信號采集裝置、信號處理器、PCI-1716/L多功能數據采集卡和上位機組成，實驗平臺的結構示意圖如圖1所示。

圖1 絕緣故障診斷平臺示意圖

圖1的實驗平臺需要在電氣系統穩定運行時采集絕緣故障信號，才能保證絕緣故障診斷的準確性。

2.2 建立電氣系統絕緣故障樣本庫

本文選用的絕緣故障樣本來自電氣系統中多條配電線路，利用信號采集裝置，一共采集38 579個絕緣信號，包括25 386個故障信號和13 193個正常信號。

根據電氣系統絕緣故障信號的采集結果，引入LabelImg技術對絕緣故障信號進行標記，依據標記結果，建立電氣系統絕緣故障樣本庫。

按照7:3的比例，將電氣系統絕緣故障樣本庫劃分為訓練集和測試集，利用labelimage labelme數據標注工具對絕緣故障訓練樣本進行標注，建立絕緣故障訓練樣本集，一共包括15 386個絕緣故障信號，其余10 000個絕緣故障信號為測試樣本集。電氣系統絕緣故障樣本庫的組成如表1所示。

表1 電氣系統絕緣故障樣本庫的組成

2.3 設置評價指標

為了更好地驗證文中技術在電氣系統絕緣故障診斷中的性能，引入召回率、準確率指標衡量電氣系統絕緣故障診斷性能，計算公式為：

式中：TP為正確診斷的絕緣故障信號數量；FP為錯誤診斷的絕緣故障信號數量；FN為遺漏的絕緣故障信號數量。

2.4 性能對比結果分析

為了突出文中技術在電氣系統絕緣故障診斷中的優越性，引入基于P-CNN的絕緣故障診斷技術和基于開關振蕩的絕緣故障診斷技術作對比，測試了電氣系統絕緣故障診斷的召回率和準確率，結果如圖2、圖3所示。

圖2 電氣系統絕緣故障診斷的召回率測試結果

圖3 電氣系統絕緣故障診斷的準確率測試結果

從圖2的結果可以看出，隨著電氣系統絕緣故障信號數量的增加，三種技術對絕緣故障診斷的召回率減小，其中：

（1）采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術時，絕緣故障診斷召回率最低，在70%以下；

（2）采用基于開關振蕩的絕緣故障診斷技術時，對電氣系統絕緣故障診斷的召回率在50%～80%，雖然高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術，但是無法滿足故障診斷要求；

（3）采用文中技術時，對電氣系統絕緣故障診斷的召回率是最高的，在85%以上，可以保證電氣系統的穩定運行。

根據圖3的結果可知：

（1）采用基于P-CNN的絕緣故障診斷技術時，由于概率卷積神經網絡無法準確提取電氣系統絕緣故障信號的特征參數，電氣系統絕緣故障診斷的準確率偏低，在60%～80%；

（2）采用基于開關振蕩的絕緣故障診斷技術時，對電氣系統絕緣故障診斷的準確率同樣在60%～80%，但是高于基于P-CNN的絕緣故障診斷技術；

（3）采用文中技術時，對電氣系統絕緣故障診斷的準確率最高，在90%以上，較高的準確率可以避免電氣系統發生絕緣故障。

3 結語

本文對電氣系統絕緣故障診斷技術進行了研究，經實驗測試發現，該技術在電氣系統絕緣故障診斷中具有更高的召回率和準確率。但是本文的研究還存在很多不足，在今后的研究中，希望可以引入激光探測技術，對電氣系統的絕緣故障進行識別，為電氣系統的絕緣可靠性提供有力依據。