一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法

技术领域

本发明属于电力设备状态评估领域，具体涉及一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear,GIS)由隔离开关、断路器、母线、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等零部件组成。基于结构紧凑、占地面积小、不易受气候环境条件的影响、安装配置灵活方便、噪声水平低、抗震能力强、无静电感应及电晕干扰的优点，GIS设备在电力系统中迅速被推广使用。而近年来由GIS隔离开关引起的故障时有出现。作为一种典型的机械电气混合式设备，GIS隔离开关在电网运行及维护中需要频繁开断，故其故障主要以机械状态劣化、动静触头接触状态异常为主。如果不能及时准确评估隔离开关的接触状态，接触故障将进一步发展为击穿放电，甚至酿成更严重的电气事故，严重影响电力系统稳定运行。

GIS隔离开关接触状态恶化是一个电气、机械和热综合作用的过程。而现有的GIS隔离开关接触状态评估方法大多根据单一的状态参量，未能综合考虑多状态量的影响，致使评估结果的准确度和有效性有待提高。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法，包括：测量GIS隔离开关触头部位外壳表面温度T

计算外壳温升的实测值T

利用实验或仿真建立外壳温升经验值与电流的拟合方程，将实测电流I代入到拟合方程，计算外壳温升的经验值；

计算外壳温升实测值与经验值的差，将其作为温度特征量；

将所述温度特征量、GIS隔离开关振动特征量和GIS隔离开关局部放电特征量，经过归一化处理后，输入到训练好的分类器中，通过分类器给出GIS隔离开关接触状态的分类结果。

进一步，所述分类器为加权朴素贝叶斯分类器，其分类准则为最小错分率准则。

进一步，所述利用实验建立外壳温升经验值与电流的拟合方程包括：

构建包含电流源，GIS隔离开关，温度传感器的实验平台；

将温度传感器放置于GIS隔离开关外壳处，设置GIS隔离开关接触状态为正常；

向GIS隔离开关内部通入不同大小的电流，待GIS隔离开关温度稳定后，记录外壳处的温升；

根据电流和外壳处的温升，建立外壳温升经验值与电流的拟合方程。

进一步，所述利用仿真建立外壳温升经验值与电流的拟合方程包括：

构建GIS隔离开关几何模型；

为所述几何模型设置材料参数、物理场控制方程、边界条件、物理场间耦合关系；

对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关稳态温度场分布，完成仿真模型的构建；

在所述仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中通入不同大小的电流，仿真得到GIS隔离开关的稳态温度分布，记录外壳处的温升；

根据电流和外壳处的温升关系，建立外壳温升经验值与电流的拟合方程。

进一步，所述提取GIS隔离开关振动特征量包括：

测量GIS隔离开关外壳的振动信号和电流；

通过振动信号时域波形得到振动信号幅值；

通过振动信号的频谱分析得到100Hz振动信号及其倍频分量的分量占比；

利用实验或仿真建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程；

将实测电流I代入到拟合方程，计算外壳振动幅值的经验值，100Hz振动信号及其倍频分量的分量占比的经验值；

计算外壳振动幅值实测值与经验值的差，振动频率占比实测值与经验值的差，将这些量作为振动特征量。

进一步，所述利用实验建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程包括：

构建包含电流源，GIS隔离开关，振动传感器的实验平台；

将振动传感器分别放置于隔离开关外壳处；

设置隔离开关接触状态正常，每次向隔离开关内部通入不同大小的电流，记录外壳处的振动幅值和振动频率占比，根据电流和外壳处的振幅及振动频率占比，建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程。

进一步，所述利用仿真建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程包括：建立GIS隔离开关振动仿真实验模型，其包括：

构建几何模型；

为所述几何模型设置材料参数、物理场控制方程、边界条件、物理场间耦合关系；

对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关机械场分布，完成仿真模型的构建；

在所述仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中通入不同大小的电流，仿真得到GIS隔离开关的机械场分布，记录外壳处的振动信号。根据电流和外壳处的振幅及振动频率占比，建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程。

进一步，所述提取GIS隔离开关局部放电特征量包括：

测量GIS隔离开关局部放电的放电谱图和电压U，通过放电谱图，得到最大放电幅值；

利用实验或仿真建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程；

将实测电压代入到拟合方程，计算最大放电幅值经验值；

计算最大放电幅值实测值与经验值的差，将其作为局部放电特征量；

将所述温度特征量、振动特征量和局部放电特征量，经过归一化处理后，输入到训练好的分类器中，通过分类器给出GIS隔离开关接触状态的分类结果。

进一步，所述利用实验建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程包括：

构建包含电压源，GIS隔离开关，特高频传感器的实验平台；

将特高频传感器放置于GIS隔离开关临近的绝缘盆子上；

设置隔离开关接触状态正常，每次向隔离开关施加不同大小的电压，记录最大放电幅值，根据多次的实验数据，建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程。

进一步，所述利用仿真建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程包括：建立GIS隔离开关局部放电仿真实验模型，其包括：

构建几何模型；

为所述几何模型设置材料参数、物理场控制方程、边界条件、物理场间耦合关系；

对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关电磁场分布，完成仿真模型的构建；

在所述仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中加载不同大小的电压，仿真得到GIS隔离开关的电磁场分布，并推算放电信号幅值；

根据放电信号幅值与电压数据，建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程。

本发明提供的一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法具有以下有益效果：

本发明考虑了隔离开关接触异常时所出现的异常发热，异常振动和局部放电现象，综合温度特征量、振动特征量和局部放电特征量，来评估隔离开关状态，解决了现有技术中，GIS隔离开关接触状态评估方法大多根据单一的状态参量，未能综合考虑多状态量的影响，致使评估结果的准确度和有效性有待提高的问题。相对于现有技术基于单一状态量的状态评估方法，本发明可以减少接触故障误报漏报情况的出现，有更高的可靠性，有助于及时准确发现GIS隔离开关的接触故障，对GIS的安全可靠运行具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法示意图；

图2为本发明实施例的GIS隔离开关几何模型图；

图3为本发明实施例的GIS隔离开关温度场分布图；

图4为本发明实施例的GIS隔离开关振动信号示意图；

图5为本发明实施例的GIS隔离开关局部放电信号的放电谱图；

图6为本发明实施例的GIS隔离开关三种不同接触状态示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

本发明提供了一种GIS隔离开关接触多状态参量评估方法，具体如图1所示，包括：提取GIS隔离开关温度特征量，其包括：测量GIS隔离开关触头部位外壳表面温度T1、环境温度T0、电流I；计算外壳温升的实测值T2，其算法为：T

提取GIS隔离开关振动特征量，其包括：测量GIS隔离开关外壳的振动信号和电流；通过振动信号时域波形得到振动信号幅值；通过振动信号的频谱分析得到100Hz振动信号及其倍频分量的分量占比；利用实验或仿真建立外壳振动幅值、振动频率占比与电流的拟合方程；将实测电流I代入到拟合方程，计算外壳振动幅值的经验值，100Hz振动信号及其倍频分量的分量占比的经验值；计算外壳振动幅值实测值与经验值的差，振动频率占比实测值与经验值的差，将这些量作为振动特征量；

提取GIS隔离开关局部放电特征量，其包括：测量GIS隔离开关局部放电的放电谱图和电压U，通过放电谱图，得到最大放电幅值M；利用实验或仿真建立最大放电幅值经验值与电压的拟合方程；将实测电压U代入到拟合方程，计算最大放电幅值经验值；计算最大放电幅值实测值与经验值的差，将其作为局部放电特征量；将温度特征量、振动特征量和局部放电特征量，经过归一化处理后，输入到训练好的分类器中，通过分类器给出GIS隔离开关接触状态的分类结果。

以下为本发明具体实施细节：

温度特征量提取过程包括：对GIS隔离开关外壳温度T1、环境温度T0、电流I进行检测。

优选的，对于GIS隔离开关外壳温度的检测，具体为对GIS隔离开关触头部位外壳表面温度的检测，在此选择外壳顶点。

外壳温升的实测值为T

求解外壳温升的经验值T

建立外壳温升与电流的拟合方程T

如建立GIS隔离开关温升实物实验模型，需构建包含电流源，GIS隔离开关，温度传感器的实验平台。将温度传感器放置于隔离开关外壳处。设置隔离开关接触状态正常，每次向隔离开关内部通入不同大小的电流I′，待GIS隔离开关温度稳定后，记录外壳处的温升T

如建立GIS隔离开关温升仿真实验模型，需构建GIS隔离开关电磁-热-流多物理场仿真模型。构建该仿真模型的步骤有：构建几何模型，设置材料参数，设置物理场控制方程、边界条件，设置物理场间耦合关系，对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关稳态温度场分布。在该仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中通入不同大小的电流，仿真得到GIS隔离开关的稳态温度分布，记录外壳处的温升。根据电流和外壳处的温升，建立关于两者的拟合方程T

将实测电流I代入到拟合方程T

计算外壳温升实测值与经验值的差ΔT＝T

振动特征量提取过程包括：

对GIS隔离开关外壳振动信号进行检测，获取振动信号的时域波形，并检测电流I。

优选的，对于GIS隔离开关外壳振动信号的检测，具体为对GIS隔离开关触头部位外壳表面振动信号的检测，在此选择外壳顶点。

通过时域波形，获得振动信号的实测幅值A。

将振动信号进行频谱分析，获取振动信号100Hz及其倍频分量的分量占比P

将外壳振动信号的实测幅值A与外壳振动幅值的经验值A′做差得到ΔA。将外壳振动信号的实测频率占比P

求解外壳振动幅值的经验值A′，振动频率占比的经验值P′

建立拟合方程A′＝f(I′),P′

如建立GIS隔离开关振动实物实验模型，需构建包含电流源，GIS隔离开关，振动传感器的实验平台。将振动传感器分别放置于隔离开关外壳处。设置隔离开关接触状态正常，每次向隔离开关内部通入不同大小的电流I′，记录外壳处的振动幅值A′和振动频率占比P′

如建立GIS隔离开关振动仿真实验模型，需构建GIS隔离开关电磁-机械多物理场仿真模型。构建该仿真模型的步骤有：构建几何模型，设置材料参数，设置物理场控制方程、边界条件，设置物理场间耦合关系，对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关机械场分布。在该仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中通入不同大小的电流，仿真得到GIS隔离开关的机械场分布，记录外壳处的振动信号。根据电流和外壳处的振幅及振动频率占比，建立拟合方程A′＝f(I′),P

将实测电流I代入到拟合方程A′＝f(I′),P

计算外壳振动幅值实测值与经验值的差ΔA＝A-A′，振动频率占比实测值与经验值的差ΔP

局放特征量提取过程包括：

对GIS隔离开关局部放电信号进行检测，获取局部放电信号的放电谱图，并检测电压U。

优选的，对于GIS隔离开关局部放电信号的检测，具体为将特高频传感器放置于GIS隔离开关动静触头紧邻处的绝缘盆子上，获得特高频放电谱图。

通过特高频放电谱图，获得局放信号的最大放电幅值M。

将局放信号的最大放电幅值实测值M与最大放电幅值经验值M′做差得到ΔM。执行该步前，首先对最大放电幅值经验值M′进行求解。

求解最大放电幅值经验值M′前，首先建立M′与电压U′的拟合方程，即建立M′＝f(U′)。

建立拟合方程M′＝f(U′)前，首先建立GIS隔离开关局部放电的实物实验模型或仿真实验模型。

如建立GIS隔离开关局部放电实物实验模型，需构建包含电压源，GIS隔离开关，特高频传感器的实验平台。将特高频传感器放置于隔离开关临近的绝缘盆子上。设置隔离开关接触状态正常，每次向隔离开关施加不同大小的电压U′，记录最大放电幅值M′。根据多次的实验数据，建立关于两者的拟合方程M′＝f(U′)。

如建立GIS隔离开关局部放电仿真实验模型，需构建GIS隔离开关电磁场仿真模型。构建该仿真模型的步骤有：构建几何模型，设置材料参数，设置物理场控制方程、边界条件，对几何模型进行网格剖分，利用有限元算法进行求解计算，得到GIS隔离开关电磁场分布。在该仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中加载不同大小的电压，仿真得到GIS隔离开关的电磁场分布，推算放电信号幅值。根据仿真计算的数据，建立关于两者的拟合方程M′＝f(U′)。仿真实验的结果需要实验验证后方能使用。

将实测电压U代入到拟合方程M′＝f(U′)，计算最大放电幅值的经验值M′。

计算最大放电幅值实测值与经验值的差ΔM＝M-M′，将其作为局部放电特征量。

多状态参量评估过程包括：

将上述温度特征量、振动特征量和局部放电特征量，经过归一化处理后，输入到测试好的分类器中，通过分类器给出GIS隔离开关接触状态的分类结果。执行该步前，需要首先对分类器进行设计、训练、测试。

对分类器的设计包括选择合适的分类器(在此选择贝叶斯分类器)，选择合适的分类准则(在此采用最小错分率准则)。

对分类器的训练，首先建立包含温度特征、振动特征、局部放电特征的GIS隔离开关接触状态训练集。

建立包含温度特征、振动特征、局部放电特征的GIS隔离开关接触状态训练集。首先应建立GIS隔离开关接触状态的实物实验模型或仿真实验模型或直接使用现场运行的历史数据。

如建立GIS隔离开关接触状态的实物实验模型来生成训练集。应首先人为地将GIS隔离开关接触状态规定为不同的情况(如正常接触，异常接触，危险接触)。然后控制GIS隔离开关处于不同的接触情况下，利用实验获得温度特征值，振动特征值和局部放电特征值。

如建立GIS隔离开关接触状态的仿真实验模型来生成训练集。应首先人为地将GIS隔离开关接触状态规定为不同的情况(如正常接触，异常接触，危险接触)。然后在仿真模型中控制隔离开关处于不同的接触情况下，仿真计算温度特征值，振动特征值和局部放电特征值。仿真实验的结果需要实验验证后方能使用。

基于分类准则(在此选用最小错分率准则)，利用GIS隔离开关训练样本集(特征包含：温度、振动、局部放电；类型包含：正常接触、异常接触、危险接触)，对分类器(在此选用加权朴素贝叶斯分类器)中的参数(加权朴素贝叶斯分类器中的权重系数)进行训练。当分类器的正确率达到一定值后，训练完成。

对分类器的测试，首先建立包含温度特征、振动特征、局部放电特征的GIS隔离开关接触状态测试集。

测试集生成的方法与样本集相同。

利用训练好的分类器对测试集的样本进行分类，当测试正确率达到一定值后，测试通过。

向通过测试的分类器中输入实测的温度特征量、振动特征量和局部放电特征量，分类器即给出相应的接触状态评估结果。

以下为本发明方法的具体实施例：

本实施例220kV GIS隔离开关多状态参量评估方法包括如下步骤：

(1)提取GIS隔离开关温度特征量：测量GIS隔离开关触头部位外壳顶点温度T1，测量环境温度T0，计算外壳温升实测值T

为建立外壳温升T

表1GIS隔离开关几何模型的尺寸参数表

设置材料参数如表2所示：

表2GIS隔离开关几何模型设置材料参数表

设置导体区域的电磁场控制方程为：

其中A

其中I和S分别导杆流过的电流和导杆的横截面积。

非导体区域的电磁场控制方程为：

其中A

设置固体中热量传递的控制方程为：

其中ρ为密度，c为比热容，T为温度，t为时间，k为导热系数，Q为热源。

流体中热量传递的控制方程为：

其中u为流体的速度。

设置导杆与外壳之间、壳体与外界环境之间辐射换热方程为：

其中Q

设置流场的控制方程为：

其中η为流体动力黏度，g为重力加速度。

设置电磁场与温度场之间耦合关系为

其中E为电场强度，α为电阻率温度系数，σ

设置流场和温度场之间耦合关系为

其中，P为流体的压强，K1为流体的摩尔质量，K2为通用的气体常数，ρ

对GIS隔离开关电磁-热-流多物理场仿真模型用有限元法进行求解后得到隔离开关温度场分布如图3所示。

在该仿真模型的基础上，令隔离开关接触正常，设置隔离开关中通入不同大小的电流，仿真得到GIS隔离开关的稳态温度分布，记录外壳处的温升。根据电流和外壳处的温升，建立关于两者的拟合方程T

T

式中：T

将实测电流I代入到拟合方程T

计算外壳温升实测值与经验值的差ΔT＝T

(2)提取GIS隔离开关振动特征量：测量GIS隔离开关触头部位外壳顶点振动信号，振动信号如图4所示。通过时域波形，获得振动信号的实测幅值A。

为建立外壳振动幅值A′与电流I′的拟合方程，首先建立GIS隔离开关振动实物试验模型。控制FCG-2000/5数字式大电流发生器，依次向GIS设备中通入400A、800A及1200A的交流电流，每次记录GIS隔离开关触头部位外壳顶点的振动信号。根据电流和外壳处的振幅，建立关于两者的拟合方程A′＝f(I′)为

A′＝0.0391I′

式中：A′的单位为m/s2，I′的单位为kA。

将实测电流I代入到拟合方程A′＝f(I′)，计算外壳振动的经验值A′。

计算外壳振动幅值实测值与经验值的差ΔA＝A-A′，将其作为振动特征量。

(3)提取GIS隔离开关局放特征量：将特高频传感器放置于GIS隔离开关动静触头紧邻处的绝缘盆子上，测量GIS隔离开关局部放电信号，放电谱图如图5所示。通过特高频放电谱图，获得局放信号的最大放电幅值M。

为建立最大放电幅值经验值M′与电压U′的拟合方程，首先建立GIS隔离开关局部放电实物试验模型。利用YDTW-100/200型工频试验变压器来给GIS隔离开关施加电压，依次向GIS设备施加120kV、140kV及160kV的电压，每次记录GIS隔离开关最大放电幅值。根据电压和最大放电幅值，建立关于两者的拟合方程M′＝f(U′)为

M′＝0.0075U′

式中：M′的单位为m/s2，U′的单位为kV。

将实测电压U代入到拟合方程M′＝f(U′)，计算最大放电幅值的经验值M′。

计算最大放电幅值实测值与经验值的差ΔM＝M-M′，将其作为局部放电特征量。

(4)多状态参量评估：

建立包含温度特征、振动特征、局部放电特征的GIS隔离开关接触状态训练及测试集。在此人为地将GIS隔离开关接触状态规定为三种不同的情况：正常接触，异常接触，危险接触，三种不同接触状态的示意图如图6所示。然后控制GIS隔离开关处于不同的接触情况下，利用实验获得温度特征值，振动特征值和局部放电特征值。

选择加权朴素贝叶斯分类器作为状态评估模型；以最小错分率作为分类准则对加权朴素贝叶斯分类器中各属性的权重系数进行训练，当训练正确率达到90％以上时认为通过训练。

利用测试集中的数据对训练好的加权朴素贝叶斯分类器进行测试，当测试正确率达到90％以上时认为通过测试。

将实测的温度特征量、振动特征量和局部放电特征量输入到训练好的加权朴素贝叶斯分类器中，分类器即给出相应的接触状态评估结果。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。