基于泄漏电流特征量的覆冰套管闪络预警方法及系统与流程

本发明涉及电力系统外绝缘状态监测与故障预警，具体涉及一种基于泄漏电流多特征量组合分析的覆冰套管闪络多级预警方法及系统。

背景技术：

1、超高压变电站变压器套管是变电站核心设备的关键外绝缘组件，其绝缘状态的可靠性直接关系到电网的安全稳定运行。在冬季低温、高湿气象条件下，套管表面极易发生覆冰。覆冰不仅显著改变套管表面的电场分布，还可能因冰凌桥接伞裙导致有效绝缘距离急剧缩短，最终引发冰闪事故，造成设备损坏和大面积停电，严重威胁电网安全运行。

2、现有覆冰闪络预警方法主要依赖于对覆冰物理状态的静态评估。例如，通过机械式传感器测量覆冰厚度或冰重，或通过工业摄像机观测冰凌桥接程度来判断闪络风险。然而，这些方法存在以下根本性不足：

3、第一，覆冰厚度或冰重的测量在带电运行条件下难以精确实施。变压器套管通常处于高电位，人工观测存在极大安全风险；而机械式传感器在强风、暴雪、低温等恶劣天气下易发生机械故障或测量漂移，且无法区分覆冰类型（雾凇、雨凇、混合凇）对绝缘性能的不同影响。

4、第二，基于静态物理参数的判断阈值缺乏统一的科学依据。不同结构型式（如大小伞交替、等径伞、深棱伞）、不同电压等级（500kv、750kv、1000kv）的套管，其电场分布、伞裙遮挡效果和临界覆冰程度差异极大，难以建立通用的预警标准。例如，大小伞交替结构对冰凌桥接的敏感性与等径伞结构完全不同，但现有方法未能考虑这种结构差异性。

5、第三，静态物理参数无法反映覆冰套管从覆冰形成到发生闪络这一动态过程中的电气状态变化。研究表明，覆冰套管闪络并非在覆冰达到某一厚度时突然发生，而是经历表面覆冰、双层融冰水膜形成、局部电弧产生、局部电弧发展至完全闪络四个阶段。在局部电弧产生和发展阶段，泄漏电流信号中蕴含着丰富的闪络前兆信息，但这些动态电气特征信息尚未被充分挖掘和利用。

6、第四，现有基于泄漏电流的监测方法多仅采用单一特征量（如泄漏电流有效值）进行阈值判断，未能充分利用泄漏电流信号在时域、频域和脉冲统计特性上的多维信息。单一特征量容易受到环境噪声、电网负荷波动和测量系统漂移的干扰，导致误报或漏报。

7、因此，亟需一种能够实时反映覆冰套管电气状态动态变化、具备多级预警能力、且能够根据不同设备结构进行自适应标定的闪络预警方法，为现场运维人员提供及时、准确的决策依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于泄漏电流特征量的覆冰套管闪络预警方法及系统。该方法通过同步提取泄漏电流的有效值、脉冲频率和谐波分量三个特征量，建立与覆冰套管闪络物理过程严格对应的三级递进式预警体系，能够准确反映覆冰套管从局部电弧产生到临界闪络的全过程风险状态，并通过对不同电压等级和伞裙结构型式的自适应阈值标定，实现方法的通用性和准确性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于泄漏电流特征量的覆冰套管闪络预警方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：实时采集套管表面的泄漏电流信号。所述泄漏电流信号通过安装于套管接地线或接地引下线上的高频电流传感器获取。所述高频电流传感器采用高磁导率非晶合金或纳米晶磁芯，带宽不低于10khz，灵敏度不低于1ma，以确保对高频脉冲电流和谐波分量的有效捕捉。传感器输出采用双层屏蔽同轴电缆传输，屏蔽层在采集端单端接地，以有效抑制变电站复杂的电磁干扰环境。采样频率不低于1khz，优选5khz~10khz，以保证对脉冲电流波形和谐波分量的高保真采样。

5、在信号采集后，对泄漏电流信号进行预处理：首先通过截止频率为0.1hz~10khz的带通滤波器滤除直流漂移和超高频噪声；然后采用截止频率为采样频率1/2以下的抗混叠滤波器限制信号带宽，防止频谱混叠；最后采用基于db4小波基、分解层数5层的小波阈值去噪算法，选用软阈值函数或半软阈值函数，抑制脉冲型干扰、开关操作瞬态和窄带通信干扰，同时保留泄漏电流信号中的有效脉冲特征。

6、步骤s2：从所述泄漏电流信号中同步提取三个特征量：泄漏电流有效值irms、单位时间内幅值超过预设电流阈值ith的脉冲频率fpulse、以及泄漏电流中三次谐波分量幅值与基波分量幅值的比值rh3。

7、其中，泄漏电流有效值irms通过对一个采样周期（优选20ms，即一个工频周期）内的泄漏电流数据进行均方根计算得到，计算公式为：

8、，其中n为一个采样周期内的采样点数，in为第 n 个采样点的泄漏电流瞬时值，n=1，2，…，n 。

9、脉冲频率fpulse的统计方法采用滑动时间窗口机制：

10、设定窗口长度为一个统计周期（通常为1分钟），窗口步长为10秒；

11、对窗口内的泄漏电流数据先进行毛刺剔除，将脉宽小于0.5ms的尖峰视为电磁干扰或系统噪声予以剔除，仅保留持续时间大于0.5ms的有效脉冲；

12、然后统计窗口内幅值超过预设电流阈值ith的有效脉冲次数，换算为单位时间（每分钟）内的脉冲次数。

13、所述预设电流阈值ith根据被监测套管的额定电压和初始泄漏电流水平设定，优选ith=100ma。

14、三次谐波比值rh3通过对预处理后的泄漏电流数据进行快速傅里叶变换（fft）得到。所述fft分析采用加窗处理，选用hanning窗、blackman-harris窗或kaiser窗，窗长优选为10个工频周期（200ms），以平衡频率分辨率和频谱泄漏；采用同步采样方式或基于插值算法的频谱校正方式，确保基波（50hz）和三次谐波（150hz）频率处的频谱泄漏小于-60db，从而精确提取三次谐波分量幅值h3与基波分量幅值h1，计算其比值rh3=h3/h1×100%。

15、所述泄漏电流有效值irms、脉冲频率fpulse和三次谐波比值rh3由同一个泄漏电流采样序列经上述时域统计分析、脉冲检测和傅里叶变换同步计算得到，确保三个特征量在时间上的严格同步，避免因时间错位或异步采样导致的特征量关联性误判。

16、步骤s3：将提取的三个特征量与预设的多级预警阈值进行比较，实现三级递进式预警。

17、所述多级预警阈值根据被监测套管的具体电压等级和伞裙结构型式进行针对性标定。标定方法为：在人工气候室中开展多因素覆冰闪络试验，控制温度在-10℃~0℃范围内、湿度在80%~100%范围内、风速在0~5m/s范围内，模拟雾凇、雨凇、混合凇等不同覆冰类型；通过高速摄像系统记录电弧形态演变，并与泄漏电流信号同步监测，精确记录局部电弧起始、局部电弧不稳定发展、局部电弧向完全闪络过渡三个阶段的泄漏电流特征量数据；建立特征量与闪络发展阶段的映射数据库，并采用支持向量机（svm）、bp神经网络或随机森林算法对电压等级、伞裙结构参数（包括伞伸出距、伞间距、伞倾角、伞裙数量）与阈值的关系进行拟合，生成针对不同结构型式套管的针对性阈值表。

18、第一级预警（黄色预警）：当irms≥i1且rh3≥r1时触发。根据大量人工气候室试验数据和现场运行经验，对于750kv典型套管，i1设定为50ma，r1设定为15%。该级预警对应覆冰套管闪络放电过程中的"局部电弧产生阶段"。此时，由于泄漏电流焦耳热和外部环境热量的共同作用，冰层内外表面已形成双层融冰水膜，套管表面出现不稳定的局部电弧。泄漏电流有效值因水膜电导率增加而增大，且电弧的非线性伏安特性（等效为时变非线性电阻，其伏安特性呈滞回曲线）导致电流波形畸变，三次谐波分量显著增加。同时，冰层表面水膜电阻和等效电容形成分布参数电路，与电弧非线性相互作用，导致谐波分量进一步放大，使得rh3对局部电弧的产生具有高度敏感性。

19、第二级预警（橙色预警）：当第一级预警条件满足，且fpulse≥f1时触发。根据试验数据，f1设定为30次/分钟。该级预警对应"局部电弧不稳定发展阶段"。此时局部电弧活动频繁，电弧在冰层表面水膜中呈随机游走和断续重燃特性：当电弧因气隙去电离而熄灭时，泄漏电流骤降；当电场强度重新达到击穿阈值时，电弧重燃，电流骤升，形成大量脉冲尖峰。脉冲频率反映了电弧活动的剧烈程度和冰层表面电导率的不均匀性，但尚未形成连续的稳定电弧通道。

20、第三级预警（红色预警）：当第二级预警条件满足，且irms在连续两个采样周期内的增长速率超过预设速率阈值时触发。所述增长速率采用移动平均法计算：对连续两个采样周期（每个周期30秒）内的irms分别进行5点或10点滑动平均，计算后一周期平均值相对于前一周期平均值的增长百分比，以消除随机波动和测量噪声的影响。根据试验数据，所述速率阈值设定为irms在30秒内增长超过20%。 该级预警对应"局部电弧向完全闪络过渡阶段"，此时电弧通道逐渐稳定并 elongate，水膜电导率急剧增加，泄漏电流呈指数增长趋势，系统即将进入不可逆的加速闪络过程。

21、三特征量之间的协同效应：单独irms升高可能是负荷波动，单独rh3升高可能是谐波污染，单独fpulse升高可能是开关操作；三者同时满足特定逻辑关系才能触发对应阶段预警。

22、步骤s4：根据触发的预警等级，输出对应的处置信号。黄色预警信号提示运维人员加强关注并启动高频采样模式；橙色预警信号提示立即准备除冰作业并联动除冰设备进入预启动状态；红色预警信号提示必须立即采取降压、停电或融冰等紧急措施，并自动闭锁相关断路器合闸回路以防止误操作合闸于故障状态。

23、进一步地，本发明还提供一种基于泄漏电流特征量的覆冰套管闪络预警系统，包括：

24、高频电流传感器，安装于套管末屏接地线或接地引下线，采用非晶合金或纳米晶磁芯，带宽不低于10khz，灵敏度不低于1ma，用于实时采集泄漏电流信号；

25、信号调理单元，与所述高频电流传感器连接，包括前置放大器、带通滤波器、抗混叠滤波器和小波去噪模块，用于对泄漏电流信号进行滤波、放大和电磁隔离；

26、高速数据采集卡，与所述信号调理单元连接，采样频率不低于5khz，分辨率不低于16位，用于对调理后的信号进行模数转换；

27、边缘计算处理器，与所述高速数据采集卡连接，用于执行上述方法步骤s2至s4，同步计算泄漏电流有效值、脉冲频率和三次谐波比值，并与预设阈值比较以触发多级预警；

28、时钟同步模块，采用gps或北斗授时，确保多支套管监测数据的时间同步，便于站内关联分析；

29、远程通信模块，采用4g/5g无线通信或光纤以太网通信，用于将预警信息、特征量数据和原始波形数据上传至监控主站；

30、监控主站，部署于变电站控制室或远方调度中心，用于接收、存储、显示预警信息，输出处置信号，并支持历史数据查询、趋势分析和阈值远程整定。

31、本发明的有益效果在于：

32、（1）本发明充分利用了泄漏电流信号中蕴含的丰富多维信息，仅通过一个高频电流传感器即可同时提取有效值、脉冲频率和三次谐波比值三个独立的特征量，实现多维度综合判断。相较于单一特征量监测方法，本发明通过多特征量交叉验证，显著提高了预警的准确性和抗干扰能力，系统结构简单，易于在现有变电站中部署；

33、（2）本发明建立了与覆冰套管闪络物理过程（四阶段模型）严格对应的三级预警体系，预警等级与闪络发展的阶段一一对应，预警逻辑具有明确的物理意义。第一级预警基于稳态特征量（irms和rh3）识别电弧起始，第二级预警基于动态脉冲特征（fpulse）识别电弧发展，第三级预警基于趋势特征（增长率）识别临界闪络，形成了从"现象识别"到"趋势预判"的完整技术链条；

34、（3）本发明实现了从"静态物理参数监测"到"动态电气特征监测"的转变，能够准确捕捉局部电弧产生和发展过程中的闪络前兆信号，预警时间可比基于覆冰厚度的传统方法提前30分钟至2小时，为除冰作业提供及时、可靠的技术支撑；

35、（4）本发明通过人工气候室多因素试验和机器学习拟合，实现了预警阈值的针对性标定，解决了不同电压等级、不同伞裙结构套管临界状态差异大的技术难题，使方法具备广泛的适用性和工程实用性。