冲击电压老炼过程中真空击穿机制的重要意义

作者： 国自电气 时间：2024-08-23 09:32:38 阅读：24

    冲击电压老炼技术是提高真空电极间隙绝缘能力的有效手段，快速准确地甄别真空击穿机制对揭示冲击电压老炼过程的物理演化机理具有重要意义。该文提出了一种基于深度学习的通过突显击穿前过程提高真空击穿机制甄别准确度的优化方法。对五对相同的无氧铜球形电极开展同样的冲击电压老炼试验，分别获得时间提取范围为0～400 μs 的完整击穿电压电流波形样本和0～200 μs 的突显击穿前过程的击穿电压电流波形样本，并通过深度学习模型对两种击穿电压电流波形样本开展脉冲电流诱发、场致发射诱发和微粒诱发三种真空击穿机制的甄别训练与测试，并将测试结果与真实结果进行对比分析与评估。结果显示：时间提取范围为0～200 μs 的突显击穿前过程的击穿电压电流波形样本的击穿机制甄别准确率均在87.99%以上，平均提高了2.55%，其对应的精确率、召回率和F1 分数均更优。研究结果表明，突显击穿前过程的击穿电压电流波形处理能够有效地优化真空击穿机制甄别的效果，具有良好的工程应用前景。

    目前，SF6 气体断路器凭借优良可靠的绝缘和灭弧能力在72.5 kV 及以上高电压等级线路中占据了主要市场份额。然而，SF6 气体具有强温室效应，其全球变暖系数达到了CO2 的22200～23900 倍，大量排放SF6气体会加剧全球气候变化。并且SF6气体的分解产物具有强酸性，可以破坏臭氧层，导致臭氧空洞形成，对生态系统造成严重危害。在我国“碳达峰、碳中和”的目标下，发展环保型高电压等级断路器取代SF6气体断路器已成为必然趋势。真空断路器是一种利用真空作为灭弧介质的电力设备，具有经济环保、紧凑可靠和快速开关等优势，目前已经在中低电压等级线路中广泛使用。然而，真空断路器向高电压等级发展仍受到真空电极间隙绝缘能力的限制。冲击电压老炼技术是一种常见的老炼技术，通过施加一定频率、幅值与脉宽的冲击电压去除电极表面的杂质、残余气体和加工毛刺，改善电极表面情况，能够显著提高真空电极间隙的绝缘能力。因此，研究冲击电压老炼特性对于提升真空断路器的电压水平具有重要意义。

    击穿电压是研究冲击电压老炼特性的重要参数，击穿电压与施加电压的关系可以反映老炼的变化过程。在老炼饱和阶段，击穿电压遵循Weibull 分布，并且老炼饱和电压可以通过50%击穿电压U50表征[15-16]。因此，通过击穿电压与击穿时刻判别老炼饱和的方法被提出。然而，击穿电压无法反映老炼不同阶段的真空击穿机制，并且电极材料特性、电极表面粗糙度和施加电压频率与幅值等因素均会影响击穿特性。因此，仅通过击穿电压与击穿时刻无法完全揭示冲击电压老炼特性。

    真空击穿机制可以描述冲击电压老炼过程的演化过程，快速准确地甄别真空击穿机制对研究冲击电压老炼特性及揭示其物理演化机理有着重要意义。李世民等通过对纯铜球电极进行冲击电压老炼试验，验证了冲击电压老炼过程中的击穿机制包含脉冲电流诱发真空击穿（Pulse current inducedBreakdown, PB）、场致发射诱发真空击穿（FieldEmission induced Breakdown, FEBD）和微粒诱发真空击穿（Particles induced Breakdown, PBD）三种真空击穿机制。不同形状的电极，其间隙保持一致的击穿机制。通过击穿前过程的电压电流特征可以对真空击穿机制进行甄别，但该方法需要通过数学补偿算法对位移电流进行剔除， 并包含Fowler-Nordheim 公式拟合等步骤，计算过程繁琐复杂，且只能在试验后通过数据计算分析获得。

    目前，随着人工智能的飞速发展，图像识别的准确率和速度有了质的飞跃，深度学习在电气学科中的故障检测、仪器辨识、模式识别等研究领域得以应用。Li Shimin 等[31]根据不同真空击穿机制具有不同的击穿前和击穿特征，通过深度学习技术进行提取和甄别，实现了冲击电压老炼过程中的真空击穿机制分类。然而，深度学习技术在真空击穿领域的应用目前仍然存在大量的研究空白，需要进一步的深入探索。因此，本文在相关文献的基础之上，通过突显击穿电压电流波形的击穿前过程，提出了一种基于深度学习的冲击电压老炼过程中真空击穿机制的甄别优化方法。