PD波形指纹识别：识别放电源

PD波形指纹识别：识别放电源

抽象

局部放电脉冲具有特定的形状，该形状指向缺陷所在：电晕放电快速而尖锐，空洞放电速度较慢且尾部衰减，而表面追踪过程则持续数百纳秒。指纹匹配是将捕获的脉冲与标记数据库进行比较。本文阐述了脉冲形状和光谱物理特性、导致匹配失败的五种场故障，以及维持数据库有效性的链稳定性步骤。

1. 引言

局部放电并非毫无特征的咔嗒声。纳秒级电流脉冲具有一定的形状，而这种形状取决于源的物理特性：缺陷的几何形状、空隙内的气体压力、追踪路径的表面电导率以及漂浮粒子的阻抗。

尖锐针尖处的电晕放电会产生快速脉冲。气体填充空腔内的放电则会产生速度较慢、尾部衰减的事件。表面放电则会形成持续时间更长、频率更低的记录。这些差异构成了放电源的特征，波形分析可以从单个捕获的脉冲中识别出放电机制。

其价值显而易见。如果系统能够检测出浮动螺栓处的电晕放电，而不是电缆接头处的空隙，那么维护决策的重点就从下一次停电转移到了断电检查。难点在于，捕获到的波形并非原始波形。它经过了耦合电容器、电缆、放大器和数字化仪，每一级都会对其产生影响。

本文阐述了脉冲形状的物理原理、破坏指纹的失真、导致匹配失败的五种现场故障，以及使该方法在变电站中可重复的设计步骤。

2. 核心机制

2.1 物理脉冲形状

PD脉冲符合双指数电流模型。

i(t) = I_0 · (e^(−t/τ_f) − e^(−t/τ_r))

其中 i(t) 为放电电流（单位：安培），I_0 为峰值电流（单位：安培），τ_r 为上升时间常数（单位：纳秒），τ_f 为下降时间常数（单位：纳秒）。电晕脉冲的 τ_r 接近 2 纳秒，τ_f 介于 5 纳秒和 20 纳秒之间。固体绝缘体中的空隙放电的 τ_r 介于 5 纳秒和 20 纳秒之间，并伴有衰减的振荡尾部。表面放电的 τ_f 可达数百纳秒。

视在电荷量是该电流的积分。

q = ∫ i(t) dt = I_0 · (τ_f − τ_r)

其中 q 为表观电荷量，单位为 pC。归一化形状（即 τ_r/τ_f 的比值加上光谱质心）包含类别信息。这两个参数决定了指纹识别能否识别特定源，而绝对振幅则不能。

2.2 光谱特征

双指数脉冲在高频处衰减。其频谱中心随两个时间常数变化。

f_c ≈ 1 / (2π · √(τ_r · τ_f))

其中 f_c 为频谱质心（单位：MHz），τ_r 为上升时间常数（单位：ns），τ_f 为下降时间常数（单位：ns）。τ_r = 2 ns 且 τ_f = 10 ns 的电晕脉冲产生 112 MHz 的频率。τ_r = 20 ns 且 τ_f = 200 ns 的表面放电产生 25 MHz 的频率。

100 MHz 至 1 GHz 高频段与 1 MHz 至 50 MHz 低频段之间的能量比，使得这两类信号相差十倍以上。即使振幅发生变化，这一比例仍然成立。再加上功率周期上的相位位置，指纹空间能够以较大的间隔区分主要类别。

2.3 重写指纹的链

从放电到数字化仪的每个阶段都是一个线性系统。每个阶段都将其脉冲响应与真实脉冲进行卷积。

i_meas(t) = i_true(t) ∗ h_chain(t)

其中，i_meas 为测量电流（单位：安培），i_true 为源电流（单位：安培），h_chain 为链式脉冲响应。耦合网络以其截止频率 f_c = 1/(2πRC) 截断低频尾部，因此表观下降时间缩短。电缆截断高频部分，因此表观上升时间延长。

耦合电容器内部的串联谐振会在脉冲之上叠加一个阻尼振荡。

f_SR = 1 / (2π · √(L_ESL · C))

其中 f_SR 为自谐振频率（单位：MHz），L_ESL 为等效串联电感（单位：nH），C 为耦合电容（单位：pF）。一个电感为 22 nH、耦合电容为 100 pF 的器件在 339 MHz 处谐振，并在包含特征信号的频带内叠加一个振荡。链路的稳定性而非其平坦度决定了现场重复性。

2.4 匹配和阈值

该方法将捕获到的脉冲特征向量与已标注的数据库进行比较。比较指标为归一化相关系数或马氏距离。当相似度超过阈值时，脉冲被赋予最佳匹配的标签。低于阈值则记录保持未识别状态。

阈值用于权衡错误标签和漏标标签，且必须来自实地验证的数据。特征方差决定了区分度。链漂移和传播路径是造成这种方差的主要因素。特征重复性在±2%范围内的链可以区分主要类别。漂移链在±15%范围内会缩小区分度，直到结果与抛硬币的结果相当。

图 1 — 在特征带内 339 MHz 处耦合 22 个 nH 环的 ESL，15% 散射处的链漂移缩小了日冕和表面之间的间隙。

3. 工程痛点

痛点 1：链漂移导致数据库失效

变压器监测系统在调试时建立了数据库。18 个月后，该系统开始将已知的空穴放电标记为未知，并将电晕放电标记为表面放电。然而，放电类型并未发生变化。一个接触电阻增大的连接器改变了链式响应。一个损耗不断增加的耦合电容器也造成了偏移。随后，特征向量超出了其所属类别的边界，而这个未经复核的数据库失去了有效性。

痛点 2：耦合共振引入了一个虚假特征

配备 22 nH 耦合 ESL 的 GIS 诊断装置在每个捕获的脉冲上都显示出可重复的 250 MHz 振荡。该算法利用频谱特征，开始根据脉冲频率是叠加还是减去该特征来区分放电。因此，同一位置的两次相同的空洞放电被标记为不同的特征。准确率下降到接近随机水平。

痛点三：距离拉长了脉搏，也模糊了课程的界限

一个日冕源提供了两条记录：一条距离传感器 1 米，另一条通过电缆传输至 30 米处。这两个特征向量之间的距离比日冕和地表类别之间的距离更远。电缆的高频损耗延长了表观上升时间并降低了频谱质心，因此远处的日冕被标记为地表。这种不考虑距离的数据库无法将源物理特性与传播过程区分开来。

痛点 4：两个信号源产生混合波形

当同一面板中两个信号源同时激活时，探测器会接收到重叠的脉冲，导致复合记录的特征介于这两个类别之间。在这种情况下，单标签系统会在脉冲之间交替使用不同的标签，或者直接拒绝所有记录。即使采集数据本身是正确的，现场用户也会将这种不稳定性解读为仪器故障。

痛点5：实验室数据库无法传输

基于短实验室链路构建的供应商数据库被部署到变电站单元中。电缆长度、耦合值和放大器增益均存在差异。特征分布偏移了数倍于类别裕度的幅度，并且系统错误标记了大部分脉冲。该数据库在其自身链路上是正确的，但无法移植到其他链路。

4. 设计步骤

策略一：将链传递函数固定为设计不变量

选择电容稳定性为±30 ppm/°C、损耗低于0.1%且等效串联电阻(ESL)低的耦合电容器。截止频率f_c = 1/(2πRC)和自谐振频率f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C))应在温度、老化和电压范围内保持稳定。使用固定长度匹配的电缆和校准过的放大器，并在每次调试和维护周期内重新验证链路响应。

策略二：消除源与路径的歧义

利用两个或多个传感器到达时间的差值来估计声源距离。根据已知路径损耗对光谱特征进行归一化。对于单个传感器，根据到达模式和反射记录确定距离范围，并标记任何距离未知的脉冲。按距离频段构建数据库，或将每个指纹转换为声源参考形式。

策略 3：使用基于形状、与链无关的特征

优先选择比值和归一化形状，例如 τ_r/τ_f、光谱质心以及高低频能量比。这些特征在均匀增益变化下依然有效。在特征提取之前，使用测得的链脉冲响应进行反卷积，以恢复源脉冲形状。通过在目标端注入校准脉冲并检查其特征是否随温度变化而保持稳定，来验证其鲁棒性。

策略四：支持多源分解

按相位分辨模式对特征进行时间聚类，而不是单独标记每个脉冲。重叠的源随后会分离成不同的簇，每个簇都有自己的标签。报告每个标签及其置信度值，并允许出现未识别的结果，而不是强制指定一个标签。记录未识别的脉冲，因为未识别脉冲数量的增加表明存在新的源或链漂移。

策略五：根据实地调查结果重新核对数据库

将记录的指纹与后续的检查结果（例如套管拆解或电缆接头更换）进行匹配，并使用已确认的示例来细化类别边界。任何硬件更改（包括电缆更换或连接器维修）后，均需重新运行校准检查，并重建受影响的条目。按类别滚动报告准确率，以便在数据库有效性失效后几天内即可发现。

策略六：选择能使链条保持平直的被动部件

使用 I 类绝缘材料，例如 N4700 对于耦合元件而言，因为其电容在工作范围内保持不变。放置一个 HVR-BSP 厚膜电阻 在分频器链中，保持 -55 °C 至 +125 °C 之间的比例，并使用以下方式检测总线： HVRGHP采样电阻用以下方法保护输入级： 快速恢复二极管 额定瞬态性能。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于可重复指纹识别的HVC N4700电容器

指纹匹配需要一条在7月和1月都能给出相同响应的电路，而该响应始于耦合电容器。HVC公司在东莞拥有一座占地6,000平方米的自有工厂，生产用于此用途的N4700 I类元件，电压范围从1千伏到150千伏。

这里需要考虑的六个参数

• TCC 为 ±30 ppm/°C 时，耦合值和链截断 f_c = 1/(2πRC) 保持不变，因此一个赛季的记录与下一个赛季的记录相符。
• ESL低于20 nH HVCT8G 门把手 圆盘本体将自谐振频率推至PD频带以上。这消除了会破坏频谱特征的额外振荡。
• 额定电压下 PD 低于 5 pC，因此数据库中的每个脉冲都来自绝缘，而不是来自耦合部分。
• 在 100 kHz 时损耗低于 0.1%，ESR 低于 10 mΩ，因此在高脉冲频率下，链式响应在长时间监测活动中保持不变。
• 脉冲寿命超过 10⁶ 次事件，且无电容衰减，因此链式响应不会随时间推移而改变。
• 采用三层环氧树脂封装，经受 96 小时盐雾测试，适用于潮湿、SF₆ 和油蒸气的变电站和工厂环境。

交付和支持

标准件的交货周期为 4 至 8 周，筛选后的耦合器组件的交货周期为 6 至 10 周，而一线品牌则需要 20 至 30 周。每台设备都记录了额定电压下的局部放电性能和 1 MHz 频率下的电容值。

请提供耦合值、频段、电缆长度和现场温度范围。HVC 将返回一份匹配表，其中包含零件编号、自谐振频率和…… 交叉参照 对 Murata 和 Vishay 的零件，五个工作日内发货。

6. 常见问题

问题1：为什么指纹数据库一年后就无法匹配了？

因为链路发生了位移。连接器接触电阻增大，耦合电容损耗增加，导致传递函数发生偏移，每个特征向量都超出了其所属类别的裕量。放电情况保持不变。每次测量时都要记录链路响应，以便将不匹配诊断为链路漂移，并在任何硬件更改后重建受影响的数据库条目。

Q2：哪些特征最能识别排放源？

形状比。τ_r/τ_f 对、光谱质心 f_c ≈ 1/(2π√(τ_r·τ_f)) 以及高低频能量比均不受均匀增益变化的影响。τ_r = 2 ns 和 τ_f = 10 ns 的电晕脉冲携带 112 MHz 的质心，而 τ_f = 200 ns 的表面放电携带 25 MHz 的质心。绝对振幅无法区分这些参数。

Q3：为什么耦合电容器会产生虚假特征？

因为它的静电放电元件（ESL）与其自身电容发生谐振：f_SR = 1/(2π√(L_ESL·C))。一个电感为 22 nH、电容为 100 pF 的元件在 339 MHz 处谐振，并在包含特征信号的频带内产生一个阻尼振荡。然后，一个具有频谱输入的模型会根据脉冲与该伪影（没有物理意义）的拍频情况来标记脉冲。

Q4：两个出院类别在匹配失败前可以有多接近？

间隔取决于特征方差，而链漂移和传播是造成这种方差的主要原因。特征重复性为±2%的链能够区分主要类别，且留有余地。而漂移链的离散度达到±15%时，间隔会逐渐缩小，直至结果与抛硬币的结果无异。在信任数据库之前，务必使用校准脉冲测量其重复性。

Q5：一个数据库可以服务于多个变电站吗？

只有当所有链路都匹配时，数据库才能正常工作。基于短实验室链路构建的数据库，如果应用于具有不同电缆长度、耦合值和增益的设备，则会错误标记大多数脉冲，因为特征分布的偏移量是类别边界的数倍。因此，需要校准每条链路，或者使用源参考特征集来消除链路响应的影响。

Q6：如何处理同一地点的两个排放源？

根据相位分辨模式对特征进行时间聚类，并对每个聚类进行单独标记。单标签模型会在两个标签之间交替使用，或者在两个信号源重叠时拒绝所有记录。报告每个标签及其置信度值，并记录未识别的脉冲，因为未识别脉冲数量的增加可能表明存在新的信号源或链漂移。

7。 参考

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11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com