Частичный разряд ГИС: классификация УВЧ с использованием ML

Частичный разряд ГИС: классификация УВЧ с использованием ML

Резюме

Частичный разряд испускает импульс тока длительностью 1 нс с энергией от 300 МГц до 3 ГГц. Одна только амплитуда не позволяет отличить пустоту от коронного разряда или поверхностного трекинга, поэтому классификация должна основываться на форме импульса, спектре и фазовом положении. В этой статье рассматриваются физические принципы обнаружения, пять полевых отказов, приводящих к поломке УВЧ-классификатора, а также этапы предварительной обработки и обучения, обеспечивающие точность на действующей подстанции.

1. Введение

Частичный разряд в высоковольтной изоляции испускает импульс тока с временем нарастания около 1 нс. Его энергия распространяется в УВЧ-диапазон, от 300 МГц до 3 ГГц. Металлический корпус пропускает эти сигналы с низкими потерями, и помехи 50 Гц и 60 Гц, искажающие обычные измерения, не достигают этого диапазона.

Датчик фиксирует разряд. Нерешенным вопросом является тип разряда. Пустота в кабельном соединении, дорожки на втулке, коронный разряд на болте и плавающая частица имеют разную частоту отказов и разную стоимость ремонта. Одного показания амплитуды недостаточно, чтобы их различить. Два дефекта одинаковой амплитуды могут быть разными неисправностями, и один тип неисправности может давать разные амплитуды на разных расстояниях.

Классификация решает эту проблему. Признаки определяются формой импульса, спектром и положением фазы на цикле питания, а модель машинного обучения определяет границы между классами. Точность этой модели зависит от стабильности аналоговой цепи перед ней, которая начинается с разделительного конденсатора.

В этой статье рассматриваются физические принципы обнаружения УВЧ-сигналов, пять типов отказов в полевых условиях, приводящих к сбоям в работе классификатора, а также этапы предварительной обработки и обучения, обеспечивающие точность на действующей подстанции.

2. Основной механизм

2.1 Импульс фотодиода и его УВЧ-спектр

При возникновении частичного разряда (ЧР) подается импульс тока с временем нарастания 1 нс и длительностью от 1 нс до 5 нс. Его максимальная полезная частота определяется временем нарастания.

f_max ≈ 0.35 / t_r

где f_max — максимальная полезная частота в МГц, а t_r — время нарастания от 10% до 90% в нс. Импульс длительностью 1 нс достигает частоты 350 МГц и сохраняет полезную энергию на уровне 1.5 ГГц.

Кажущаяся величина заряда q представляет собой интеграл измеренного тока.

q = ∫ i(t) dt

где q — кажущийся заряд в пКл, а i(t) — ток разряда в А. Разряд 5 пКл на расстоянии 1 м обеспечивает напряжение от 1 мВ до 10 мВ на УВЧ-разветвителе. Этот уровень на 20 дБ выше уровня шума −70 дБ хорошего приемника.

2.2 Входная полоса пропускания

Соединитель и согласующая цепь образуют полосовой фильтр. Нижняя граница частотной характеристики обеспечивается емкостью связи и входным импедансом 50 Ом.

f_c = 1 / (2π · R · C)

где f_c — нижняя граница частотной характеристики в МГц, R — входное сопротивление в Ом, а C — емкость связи в пФ. При 10 пФ граница частотной характеристики находится на уровне 318 МГц. При 100 пФ она падает до 32 МГц, что приводит к прохождению большего количества низкочастотного шума. Изменение емкости на 10% сдвигает границу частотной характеристики на 30 МГц и изменяет значение каждого признака, считываемого классификатором.

2.3 Характеристики, содержащие информацию о классе

К характеристикам во временной области относятся время нарастания, время спада, ширина и пиковая амплитуда. К спектральным характеристикам относятся центроидная частота и отношение энергии между полосами 300–500 МГц и 1–3 ГГц. Пустотный разряд затухает в своей полости, поэтому он переносит меньше энергии в высокочастотном диапазоне, чем резкий коронный импульс.

Фазовые характеристики определяются положением на цикле питания. Коронный разряд концентрируется вблизи пиков напряжения, поверхностный разряд охватывает точки пересечения с нулевой отметкой, а разряд в пустоте повторяется в обоих полуциклах. Эти характеристики формируют один вектор на импульс, и метод опорных векторов, случайный лес или небольшая нейронная сеть обучаются определять границы классов на основе размеченных данных.

2.4 Почему плохая передняя часть портит впечатление от модели

Каждый классификатор исходит из распределения признаков своего обучающего набора. Дрейфующий разделительный конденсатор, неисправный усилитель или разъем с возрастающим контактным сопротивлением смещают это распределение, и модель выдает ошибку классификации. Входной каскад, насыщающийся на импульсе 500 пКл, обрезает пиковые характеристики, в то время как модель считывает незнакомую форму импульса.

Разделительный конденсатор задает частоту среза цепи и уровень шума входного каскада. Его стабильность, потери и собственный уровень разряда определяют верхний предел точности классификации, и никакой объем обучающих данных не восстановит информацию, удаленную аналоговой цепью.

Рис. 1 — Дисбаланс классов при 2% пустот и 10% дрейф связи от 318 МГц до 250 МГц выводят каждый признак за пределы его обучающей области.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Внешние переходные процессы попадают в обучающий набор данных.

Коммутация тиристоров, срабатывание выключателей и радиосвязь порождают УВЧ-переходные процессы, похожие на импульсы частичного разряда. В одной из систем мониторинга кабелей 70% сигналов тревоги за три месяца были вызваны внешними переключениями. Модель, обученная на этих данных, выделяет четвертый класс, не имеющий физического смысла, и список сигналов тревоги теряет свою ценность.

Проблема 2: Расстояние меняет расстановку сил в классе

Кабель ослабляет высокие частоты быстрее, чем низкие. Пустой импульс, зафиксированный на расстоянии 1 м, сохраняет свою высокочастотную энергию и классифицируется как пустота. Тот же импульс на расстоянии 20 м приходит растянутым, с более низким центром тяжести и классифицируется как поверхностный разряд. Точность модели, нечувствительной к расстоянию, падает на 20–30% по мере удаления источника, при этом дефект не изменяется.

Проблемный момент 3: дрейф связи сдвигает полосу пропускания.

Универсальный высоковольтный конденсатор с нестрогим температурным коэффициентом сдвигает частоту среза на десятки МГц между холодным утром и жарким днем. Тот же разряд затем создает разные векторы признаков, и точность отслеживает погодные условия. Бригады переобучают модель, в то время как истинная причина кроется в соединительной части.

Проблема 4: Классовый дисбаланс скрывает опасный недостаток.

В реальном парке электромобилей коронный разряд встречается в 80% импульсов, а образование пустот — редко, в 2% случаев. Модель, обученная на необработанных частотах классов, становится хорошим детектором коронного разряда и плохим детектором образования пустот. В отчете показана общая точность 96%, при этом класс дефектов с самым высоким риском отказа в большинстве случаев остается незамеченным.

Проблема 5: Два источника информации делают модель с одной меткой неэффективной.

В распределительном щите редко встречается только одно место разряда. Когда плавающая частица и отслеживание поверхности происходят одновременно, датчик получает перекрывающиеся импульсы, и вектор признаков попадает между двумя классами. Модель с одной меткой чередует метки или отклоняет импульс. Пофазная кластеризация разделяет два источника на группы, которые могут быть помечены отдельно.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Поддержание стабильного состояния передаточной функции цепи.

Укажите емкость связи с точностью до ±2% в диапазоне температур от −25 °C до +85 °C. Используйте диэлектрик класса I, например... N4700 Диапазон значений составляет ±30 ppm/°C, поэтому пороговое значение f_c = 1/(2πRC) остается неизменным, и характеристики не меняются с изменением температуры окружающей среды.

Стратегия 2: Проверка соединительной части на частичный разряд.

Требуйте, чтобы разряд частичных разрядов (ЧР) составлял ≤ 5 пКл при номинальном напряжении на каждом соединительном блоке. Деталь, разряжающаяся до 20 пКл, генерирует ложные импульсы в том же диапазоне, который контролирует система, и эти записи попадают в обучающий набор как шум. Запросите протокол испытаний на ЧР вместе с поставкой.

Стратегия 3: Выделение и шумоподавление перед классификацией.

Настройте приемник на фазу промышленной частоты. Пустой импульс поступает в случайную точку цикла, коронный разряд накапливается вблизи пика напряжения, а переходный процесс переключения следует за командой выключателя. Вейвлет-шумоподавление, настроенное на форму импульса 1 нс, удаляет широкополосные помехи и сохраняет характеристики импульса. Ведите журнал отклоненных импульсов и просматривайте его ежемесячно, поскольку увеличение процента отклоненных импульсов указывает на активность выключателя.

Стратегия 4: Сделать модель способной учитывать расстояние.

Используйте время прихода сигнала от двух или более датчиков для оценки расстояния до источника и передайте это значение в модель в качестве признака. На участке длиной 20 м потери сигнала составляют от 1 до 3 дБ на частоте 350 МГц по кабелю RG58 длиной 10 м, и эти потери возрастают с частотой. Проверьте точность на основе скрытых данных на расстоянии 1 м, 10 м и 30 м, а не только рядом с датчиком.

Стратегия 5: Сбалансировать классы по уровню риска.

Проводите передискретизацию классов пустот и плавающих частиц до тех пор, пока показатель полноты для каждого из них не достигнет целевого уровня риска. Сообщайте показатели точности и полноты для каждого класса на панели мониторинга и устанавливайте пороговое значение тревоги на основе подтвержденных в полевых условиях результатов. Единый показатель точности скрывает «классовую слепоту».

Стратегия 6: Добавить путь калибровки и вторую проверку.

Ежедневно подавайте на датчик известный калибровочный импульс силой 5 пКл и нормализуйте характеристики относительно этой записи. Этот метод компенсирует медленный дрейф во всей цепочке. Каждой метке кластера присваивайте значение достоверности и требуйте подтверждения от человека перед принятием каких-либо действий, нарушающих работу системы. Оснастите выпрямитель заряда... быстровосстанавливающийся диод и измерить ток в шине с помощью резистор выборки HVRGHPТаким образом, триггер сбора данных остается чистым на уровне 1 Гс/с.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для входного каскада УВЧ.

Цепь идет от соединителя к дигитайзеру, а разделительный конденсатор расположен на его входе. Стабильность характеристик определяется двумя свойствами: температурным коэффициентом емкости и уровнем разряда самого элемента. Компания HVC производит элементы N4700 для обоих параметров на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Значение TCC ±30 ppm/°C обеспечивает пороговое значение f_c = 1/(2πRC) в диапазоне от −25 °C до +85 °C, поэтому вектор признаков за январь совпадает с вектором признаков за июль.
• Частица PD ниже 5 пКл при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное. Экранированный элемент не добавляет ложных импульсов в диапазон, который отслеживает система, поэтому набор записей остается чистым.
• Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) ниже 10 мОм на частоте 100 кГц. Данный компонент не вносит измеримых потерь в диапазоне от 300 МГц до 1 ГГц и не вызывает самонагрева при частоте импульсов 10 кГц.
• ESL ниже 20 нГн. HVCT8G и HVCT9G Тела смещают собственный резонанс выше полосы пропускания, поэтому ни один провал не попадает в полосу пропускания, и характеристика центроида остается действительной.
• Длительность импульсного отклика превышает 10⁶ событий без снижения емкости, поэтому калибровка цепи сохраняется на протяжении всего срока службы установки.
• Координированные компоненты. HVR-BSP толстопленочные резисторы Быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды могут быть выбраны с помощью разделительных конденсаторов для делителя, цепи смещения и выпрямительного каскада.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а комплекты экранированных согласующих элементов — в течение 6–10 недель, в то время как для ведущих брендов этот срок составляет 20–30 недель. Каждый блок имеет запись результатов испытаний на частичные разряды и запись данных о емкости на частоте 1 МГц.

Укажите диапазон частот, значение коэффициента связи, тип датчика и диапазон температур на объекте. HVC вернет таблицу соответствия с номерами деталей, данными ПД при номинальном напряжении, ЭПР на частоте 100 кГц и т. д. Перекрестная ссылка В случае повреждения деталей Murata и Vishay в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему точность УВЧ-классификатора снижается через несколько месяцев?

Поскольку аналоговый входной каскад сместился. Разделительный конденсатор с низким температурным коэффициентом сдвигает частоту среза f_c = 1/(2πRC) на десятки МГц, а разъем с возрастающим контактным сопротивлением добавляет потери. В результате каждая функция выходит за пределы своего учебного класса. Запишите отклик цепи при каждом измерении и сравните его с записью ввода в эксплуатацию.

В2: Нужен ли мне весь диапазон частот от 300 МГц до 3 ГГц?

Не всегда, и в итоге это приводит к снижению уровня шума. Окно от 300 МГц до 1.5 ГГц охватывает энергию импульса длительностью 1 нс и отсеивает большую часть радиосигнала мобильной связи. Узкое окно снижает разрешение при определении центроида и ослабляет разделение между пустотой и поверхностным разрядом. Выбирайте окно на основе данных обследования помех на объекте, а не по техническим характеристикам.

В3: Как предотвратить попадание внешних переходных процессов в обучающий набор данных?

Настройте приемник на фазу промышленной частоты, выполните шумоподавление с помощью вейвлета, соответствующего форме импульса 1 нс, и суммируйте время прихода сигналов с двух датчиков. Переходный процесс переключения имеет иную временную схему, чем разряд в пустоте. Ведите журнал отброшенных импульсов, поскольку увеличение степени отбрасывания указывает на активность выключателя на объекте.

В4: Какую емкость связи мне следует указать?

Установите значение, исходя из необходимой нижней границы частотной характеристики: f_c = 1/(2πRC) при 50 Ом. Компонент на 100 пФ обеспечивает частоту 32 МГц и пропускает больше низкочастотного шума, в то время как компонент на 10 пФ обеспечивает частоту 318 МГц и теряет низкочастотный хвост. Большинство УВЧ-преобразователей работают в диапазоне от 10 пФ до 100 пФ, с диэлектриком класса I для сохранения значения в зависимости от температуры.

В5: Почему модель показывает точность 96%, но при этом пропускает пустоты?

Поскольку точность определяется в основном общим классом. При коронном разряде в 80% импульсов и отсутствии пустот в 2%, модель, которая каждый раз отвечает на коронный разряд, получает 80% результата и вообще не обнаруживает пустот. Сообщайте о полноте обнаружения для классов пустот и плавающих частиц и увеличивайте выборку для этих классов до тех пор, пока полнота обнаружения для каждого класса не достигнет целевого уровня риска.

В6: Можно ли разделить два источника разряда в полевых условиях?

Да, если вы кластеризуете данные во времени и перестанете классифицировать каждый импульс по отдельности. Фазово-разрешенный паттерн от плавающей частицы и паттерн от отслеживания поверхности занимают разные области пространства признаков, поэтому кластеры разделяются. Каждому кластеру следует присвоить значение достоверности, и перед принятием мер по устранению проблемы необходимо получить заключение о результатах проверки.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 62271-1:2017, Высоковольтные распределительные устройства и аппаратура управления — Часть 1: Общие технические характеристики распределительных устройств и аппаратуры управления переменного токаЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
8. Высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники, Х. Лавиль (Exxelia), техническая статья EE Power, https://eepower.com/technical-articles/high-voltage-ceramic-capacitors-for-power-electronics/.
9. ГБ/Т 7354-2018, 高电压试验技术 局部放电测量 (Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов). Пекин: 中国标准出版社, 2018.
10. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Технические ресурсы по высоковольтным керамическим конденсаторамhttps://www.hv-caps.com