GIS局部放电：基于机器学习的UHF分类

GIS局部放电：基于机器学习的UHF分类

抽象

局部放电会发出一个持续时间为 1 ns、能量范围为 300 MHz 至 3 GHz 的电流脉冲。仅凭幅度无法区分空穴放电、电晕放电或表面跟踪放电，因此必须根据脉冲形状、频谱和相位位置进行分类。本文阐述了检测物理原理、导致超高频分类器失效的五种现场故障，以及在运行中的变电站中保持准确性的前端和训练步骤。

1. 引言

高压绝缘体中的局部放电会产生上升时间接近 1 ns 的电流脉冲。其能量会扩散到 300 MHz 至 3 GHz 的超高频 (UHF) 频段。金属外壳能够以极低的损耗透过这些信号，并且干扰传统测量的 50 Hz 和 60 Hz 干扰不会到达该频段。

传感器检测到了放电。但问题在于，究竟是什么导致了这种放电。电缆接头处的空隙、衬套上的电痕、螺栓处的电晕放电以及漂浮颗粒，其故障率和维修成本各不相同。单次振幅读数无法区分它们。振幅相同的两个缺陷可能是不同的故障，而同一种故障类型在不同距离处会产生不同的振幅。

分类可以解决这个问题。特征来源于脉冲形状、频谱和功率周期上的相位位置，机器学习模型则学习类别之间的边界。该模型的准确性取决于其前端模拟链路的稳定性，而模拟链路始于耦合电容。

本文介绍了 UHF 检测物理原理、导致分类器失效的五种现场故障，以及在运行中的变电站保持准确性的前端和训练步骤。

2. 核心机制

2.1 PD脉冲及其超高频频谱

PD事件会注入一个上升时间为1纳秒、持续时间为1纳秒至5纳秒的电流脉冲。其最高有效频率与上升时间一致。

f_max ≈ 0.35 / t_r

其中 f_max 为最高可用频率（单位：MHz），t_r 为 10% 至 90% 上升时间（单位：ns）。1 ns 的脉冲可达到 350 MHz，并在 1.5 GHz 范围内保持可用能量。

表观电荷 q 是检测到的电流的积分。

q = ∫ i(t) dt

其中 q 为视在电荷量（单位：pC），i(t) 为放电电流（单位：A）。5 pC 的放电在 1 米处可产生 1 mV 至 10 mV 的 UHF 耦合器电压。该电压水平比良好接收机的 -70 dB 噪声基底高 20 dB。

2.2 前端通带

耦合器及其匹配网络构成一个带通链路。低截止频率来源于耦合电容和50Ω的输入阻抗。

f_c = 1 / (2π · R · C)

其中 f_c 为低频截止频率（单位：MHz），R 为输入阻抗（单位：Ω），C 为耦合电容（单位：pF）。当 C 为 10 pF 时，截止频率为 318 MHz。当 C 为 100 pF 时，截止频率降至 32 MHz，这会导致更多低频噪声通过。电容漂移 10% 会使截止频率偏移 30 MHz，并影响分类器读取的每个特征。

2.3 承载类信息的特征

时域特征包括上升时间、下降时间、宽度和峰值幅度。频谱特征包括质心频率以及300 MHz至500 MHz频段与1 GHz至3 GHz频段的能量比。空穴放电会受到空腔的阻尼作用，因此其携带的高频段能量低于尖锐的电晕脉冲。

相位特征利用了功率周期上的位置。电晕簇出现在电压峰值附近，表面放电跨越过零点，空洞放电在两个半周期上重复出现。这些特征构成每个脉冲的一个向量，支持向量机、随机森林或小型神经网络可以从标记数据中学习类别边界。

2.4 为什么糟糕的前端设计会限制模型的发展

每个分类器都假定其训练集的特征分布不变。耦合电容漂移、放大器性能下降或连接器接触电阻增大都会导致这种分布发生偏移，从而造成模型分类错误。前端电路在 500 pC 脉冲处饱和时，会在模型读取不熟悉的脉冲形状时削波峰值特征。

耦合电容决定了链路截止频率和前端噪声基底。它的稳定性、损耗以及自身的放电水平决定了分类精度的上限，任何训练数据都无法恢复模拟链路丢失的信息。

图 1 — 2% 的空隙和 10% 的耦合漂移（从 318 MHz 到 250 MHz）导致类别不平衡，使每个特征都超出其训练范围。

3. 工程痛点

痛点 1：外部瞬态数据进入训练集

晶闸管换向、断路器操作和无线电通信都会注入类似局部放电脉冲的超高频瞬态信号。在一次电缆监测部署中，三个月内70%的报警都来自外部开关操作。基于这些记录训练的模型会学习到第四个没有物理意义的类别，导致报警列表失去价值。

痛点二：距离颠覆了课堂

电缆对高频信号的衰减速度比低频信号更快。在1米处捕获的空隙脉冲保留了其高频能量，因此被判定为空隙。同样的脉冲在20米处到达时，其波束被拉长，质心位置降低，因此被判定为表面放电。在距离无关模型中，即使缺陷本身没有变化，随着源位置的移动，精度也会下降20%到30%。

痛点 3：耦合漂移导致通带移动

一个通用高压电容器，由于其温度系数较大，在寒冷的早晨和炎热的下午之间，截止频率会发生数十兆赫兹的偏移。同样的放电过程会产生不同的特征向量，精度也会随天气变化而变化。工作人员需要重新训练模型，而真正的原因却在于耦合部件。

痛点四：阶级不平衡掩盖了危险的缺陷

在实际的脉冲群中，电晕现象普遍存在，占脉冲总数的 80%，而空泡现象则较为罕见，仅占 2%。基于原始类别频率训练的模型能够很好地检测电晕现象，但对空泡的检测效果却很差。报告显示，该模型的总体准确率达到 96%，但大多数情况下，故障风险最高的缺陷类别——空泡——却被漏检。

痛点五：两个数据源会削弱单标签模型的有效性

开关柜很少只有一个排放点。当漂浮颗粒和表面跟踪信号同时出现时，传感器会接收到重叠的脉冲，导致特征向量介于两个类别之间。单标签模型会在两个标签之间交替选择，或者直接拒绝该脉冲。逐相聚类则将这两个信号源分离成可以单独标记的组。

4. 设计步骤

策略一：保持链式传递函数稳定

在-25°C至+85°C的温度范围内，耦合电容的精度应控制在±2%以内。可使用I类介质，例如 N4700 保持 ±30 ppm/°C，因此截止频率 f_c = 1/(2πRC) 保持不变，特征不会随环境温度移动。

策略二：筛查耦合部件是否存在局部放电

要求每个耦合单元在额定电压下的局部放电量≤5 pC。放电量达到20 pC的部件会在系统监测的频段内产生虚假脉冲，这些记录会作为噪声进入训练集。请索取随货提供的局部放电测试报告。

策略 3：分类前进行门控和去噪

将接收器门控在工频相位上。空脉冲会在周期中的随机点到达，电晕簇聚集在电压峰值附近，并且断路器指令发出后会发生开关瞬态。针对 1 ns 脉冲形状调谐的小波去噪可以消除宽带干扰并保留脉冲特征。记录被拒脉冲日志并每月查看，因为拒脉冲率上升表明断路器活动。

策略 4：使模型具备距离感知能力

利用两个或多个传感器的到达时间来估算信号源距离，并将该数值作为特征输入模型。在 10 米长的 RG58 电缆上，20 米的传输距离在 350 MHz 频率下会造成 1 dB 到 3 dB 的信号损耗，且损耗随频率的增加而增大。应在 1 米、10 米和 30 米处（不仅限于传感器附近）使用预留数据验证模型精度。

策略五：平衡风险相关的课程

对空隙和漂浮颗粒类别进行过采样，直至每个类别的召回率均达到其风险目标。在监控仪表板中报告每个类别的精确率和召回率，并根据现场确认的结果设置报警阈值。单一的准确率指标会掩盖类别盲点。

策略 6：增加校准路径和二次检查

每天向传感器注入一个已知的 5 pC 校准脉冲，并使用该记录对特征进行归一化。该方法可以消除整个链中的缓慢漂移。为每个簇标​​签显示一个置信度值，并在执行任何干扰操作之前要求人工确认。为电荷整流器配备一个 快速恢复二极管 并用一个 HVRGHP采样电阻因此，采集触发保持在 1 GS/s 的干净状态。

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. 用于超高频前端的HVC N4700电容器

该电路从耦合器延伸至数字化仪，耦合电容位于其输入端。特性稳定性取决于两个因素：电容的温度系数和器件本身的放电水平。HVC 在东莞拥有一座 6,000 平方米的自有工厂，生产适用于这两种情况的 N4700 系列器件，电压范围从 1 kV 到 150 kV。

这里需要考虑的六个参数

• TCC 为 ±30 ppm/°C 时，截止频率 f_c = 1/(2πRC) 在 -25 °C 至 +85 °C 范围内保持不变，因此 1 月份的特征向量与 7 月份的特征向量相匹配。
• 在额定电压的 1.5 倍下，PD 低于 5 pC。屏蔽器件不会向系统监测的频段引入虚假脉冲，因此记录集保持干净。
• 在 100 kHz 时，ESR 低于 10 mΩ。该器件在 300 MHz 至 1 GHz 频率范围内不会增加可测量的损耗，并且在 10 kHz 脉冲频率下不会产生自热效应。
• ESL低于20 nH。 HVCT8G 和 HVCT9G 物体将自共振推到频带之上，因此不会有陷波落在通带内，质心特征仍然有效。
• 脉冲寿命超过 10⁶ 次事件，且无电容衰减，因此链校准在整个装置的使用寿命内保持不变。
• 协调部件。 HVR-BSP 厚膜电阻器 可以选择快速恢复的高压二极管，并与分压器、偏置网络和整流器级的耦合电容器配合使用。

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。每套产品均附有局部放电测试记录和 1 MHz 下的电容测试记录。

请提供频段、耦合值、传感器类型和现场温度范围。HVC 将返回一份匹配的表格，其中包含零件编号、额定电压下的 PD 数据、100 kHz 下的 ESR 以及其他信息。 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：为什么超高频分类器在几个月后会失去准确率？

因为模拟前端发生了变化。耦合电容的温度系数过大，导致截止频率 f_c = 1/(2πRC) 偏移数十兆赫兹；连接器接触电阻增大，也增加了损耗。因此，每个特征值都超出了其训练范围。每次测量时都要记录链式响应，并将其与调试记录进行比较。

Q2：我需要完整的 300 MHz 至 3 GHz 频段吗？

并非总是如此，而且这样做会带来噪声损失。300 MHz 至 1.5 GHz 的窗口可以覆盖 1 ns 脉冲的能量，并抑制大部分移动无线电通信。较窄的窗口会降低质心特征的分辨率，并削弱空洞和表面放电之间的区分度。应根据现场干扰调查结果选择合适的窗口，而不是根据数据手册。

Q3：如何阻止外部瞬态数据进入训练集？

将接收器门控在工频相位上，使用与 1 ns 脉冲形状匹配的小波进行去噪，并将两个传感器的到达时间相加。开关瞬态信号的到达时间模式与空穴放电不同。保留被拒脉冲日志，因为拒脉冲率上升表明现场断路器活动。

Q4：我应该指定多大的耦合电容？

根据所需的低截止频率进行设置：f_c = 1/(2πRC)（50 Ω）。100 pF 的电容可提供 32 MHz 的截止频率，但会通过更多低频噪声；而 10 pF 的电容可提供 318 MHz 的截止频率，但会损失低频尾部。大多数 UHF 前端电路的工作电容值在 10 pF 到 100 pF 之间，并采用 I 类介质以确保其值在温度范围内保持稳定。

Q5：为什么模型报告的准确率达到 96%，但仍然漏掉空隙？

因为准确率主要取决于常见类别。假设脉冲中 80% 为电晕，2% 为空洞，那么一个每次都识别出电晕的模型就能获得 80% 的准确率，并且完全检测不到空洞。报告空洞和漂浮粒子类别的召回率，并对这些类别进行过采样，直到每次召回都达到其风险目标。

Q6：现场能否将两个排放源分开？

是的，如果按时间进行聚类，并且不再单独对每个脉冲进行分类，就会出现这种情况。来自漂浮粒子的相位分辨模式和来自表面追踪的模式占据特征空间的不同区域，因此聚类结果会分离。为每个聚类标记置信度值，并在采取任何破坏性措施之前要求进行检查并确认结果。

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