基于多源异构数据采集分析的高压开关柜可靠性评估的研究

高压开关柜常用的故障分析与运行可靠性评估方法大多基于电气运行参数做出判断，未综合考虑高压开关柜的全面运行工况、检修信息、维修记录、生产制造质量等工作过程信息，由于测试手段的局限性、故障反应快速、难记录现象等原因，导致信息具有模糊性、不确定性等特征，从而造成运行检修部门对高压开关柜内部融合交互、故障演变的精确描述不足，高压开关柜故障诊断过程中存在各种随机性，其故障分析结果的精确性和时效性远未达到电力系统安全可靠运行的要求。

1 高压开关柜故障机理研究

高压开关柜故障统计情况为拒动、误动、绝缘下降、负载过流、外力及其他状况。其机理可通过绝缘材料热性能、电气性能、机械强度等多样化指标得以表征。在当前的国内外研究中，将各类应力划分为热应力、电应力以及机械应力后进而探讨其各自及联合作用下的故障机理是现有方法中的主流形式。

高压开关柜在运行中产生热量，一是负荷电流通过导体的过程中由于电阻的热效应而产生热量，其次高压电器中的铁磁体产生涡流和磁滞损耗发热，最后交流绝缘体内介质损耗产生热量，热量导致的绝缘介质温度变化效果经长期积累将造成绝缘介质产生系列理化特性变化。

在强电磁场的长期作用下，电应力也将造成高压开关柜绝缘介质整体性能的劣化。放电过程中产生的可见光、紫外线等辐射效应等都会破坏绝缘材料的分子结构，促使绝缘材料裂解，并导致绝缘性能的下降。

高压开关柜运行时，会受到多方面的机械应力作用。电磁耦合产生的震动力、随负荷变化温度产生的热胀冷缩的膨胀力、外界突然短路时产生的短路力。其中短路力的幅值最大，对高压开关柜绝缘材料的破坏也最大。

2 关键技术性能

2.1 低功耗数据采集

基于低功耗物联网智能数据采集器，结合当前主流的物联网通信技术，采用工业级超低功耗处理器平台，实时监测高压开关柜内的各种数据，系统采集环境温度湿度、开关柜内运行温湿度，关键部位发热温度，超声波、暂态地电位等多种传感融合检测技术，获取全方位的开关柜运行状态信息，系统有线、无线等方式上送，监测量的选择主要考虑变电站运维巡检项目。主要考虑内容如下：

变电站地质环境：温度、湿度、风速、降雨量等。

局部放电传感器可以用来监测高压开关柜母线连接、电缆接头以及断路器等电气设备的局部放电情况。传感器将实时对放电信号进行采集，并通过内嵌放电检测算法来辨别和区分放电与外界噪声干扰。局部放电传感器还具有波形记录功能，可记录放电瞬间产生的声波和暂态地电压波形信号；局部放电传感器采集到放电信号后，无线传送到智能终端。智能终端实时显示放电曲线，并利用智能算法计算出所产生放电的部位的放电强度、发出告警提示，利用泛在电力物联网传输到远程云平台的数据库。信息在服务器中通过丰富的人工智能算法进行进一步处理，从而得到基于放电过程变化的设备劣化趋势等数据。

电气接点测温传感器，采集断路器触头、高压套管、电缆接头、高压母线等易产生高温处运行温度数据，进行动态跟踪监测。实时展示故障目标位置信息等。

开关柜在运行过程中，因为内部散热除湿能力不足，引起热量集中、湿度超限、发热温升等现象，严重危害电路设备的正常运行，采用温湿度在线检测系统实时监测开关柜内各种设备的温湿度等信息，并综合使用多种环境调节设备。

2.2 数据分析

根据复杂工况下高压开关柜信息量大、信息结构多的特征，收集并整理故障数据，构建高压开关柜多维故障数据库。同时针对相关非/半结构化数据，研究其存储、处理与集成方法，利用多源异构数据处理与集成方法实现高压开关柜异构数据的编辑，并自动地进行数据的“抽取-转换-装载”和“数据清洗”，实现各类相关信息的多源集成。进而分析故障原因，采用联合概率数据关联方法获得典型故障机理与关键参数的关联关系，以及高压开关柜各故障模式的概率统计规律，以此构建开关柜的运行稳定性评估指标体系。

依据相关标准及高压开关柜的全面运行工况、检修信息、维修记录、生产制造质量等工作过程信息运行历史数据，分析高压开关柜相关部件机械故障类型及产生机理；以故障温度差异分类研究热故障，主要分析低温过热故障、中温过热故障以及高温过热故障发生发展过程；以放电形式及放电能量差异分类研究电故障，主要分析局部放电、低能量放电以及高能量放电发生发展过程。针对高压开关柜各部件长期运行中面临的各种化学、物理、机械作用等复杂环境，结合分子动力学模型探究主要绝缘部件在老化过程中的微观机理，并设计加速电、热老化实验环境，从理论仿真与实验分析角度来综合研究绝缘劣化机理。

图1 技术路线

针对复杂工况下高压开关柜关键参数（如电气参数、局部放电量、节点温度等）的异构数据存储，研究其多源异构数据处理技术与集成方法，将收集/采集的多源信息中的半/非结构化数据通过识别处理数值化，与其他结构化数据一同进行筛选、补全和去噪等预处理操作，同时，将间接参量通过核主成分分析、联合概率关联分析等分析方法，构建评价指标体系，将预处理结果和指标体系共同组成特征参数。

高压开关柜故障综合诊断与运行稳定性评估软件系统。以开关柜设计、制造、运行、检修、试验等多学科理论为基础，结合近几年来高压开关柜事故统计、分析、家族病史及预防对策研究分析的结果，各类故障的机理、发生损坏的关键因素、发展规律、故障征兆、故障后果及预防对策进行深入的关联分析研究，建立运行稳定性状态退化模型，将此模型与运行稳定性评估模型结合，实现开关柜各部件及整体系统的运行稳定性管理，最终设计并实现高压开关柜故障综合诊断与运行稳定性评估系统。