棒/球-板长间隙的操作冲击放电电压研究

作者： 国自电气 时间：2024-10-02 09:32:42 阅读：161

空气间隙是输变电工程中重要的外绝缘形式，其绝缘强度的确定主要依靠高压放电试验，通过仿真计算手段建立放电模型并预测间隙放电电压是近年来“计算高电压工程学”的研究目标之一。自20世纪70年代法国Les Renardières研究组通过一系列试验研究总结出长空气间隙的放电物理过程以来，国内外学者建立了大量物理模型对长间隙放电进行模拟，并计算得出了棒-板等典型结构间隙的冲击放电电压.受限于长间隙放电的复杂性，物理模型的计算过程仍涉及许多简化假设，目前尚难以应用于复杂工程间隙的放电计算。

近年来，利用人工智能驱动的数据分析技术对空气间隙的放电电压进行预测，成为实现绝缘计算的另一途径.这类方法将影响空气放电的电场分布参数、电压波形特征和大气环境参数作为机器学习模型的输入量，通过训练模型建立输入量与放电电压的多维非线性关系，进而实现间隙绝缘强度预测.相关文献将典型电极短空气间隙的静电场仿真计算区域分为电极表面、放电通道、极间路径和整个区域，从中提取电场分布特征量用以训练支持向量机（support vector machine，SVM）模型，实现了球隙、棒-板、球-板等短间隙的击穿电压预测.相关文献利用间隙距离、塔身宽度、均压环尺寸等几何结构参数与空气温度、气压、湿度等大气参数作为输入量，建立了Adaboost-SVR 模型对直流输电杆塔的冲击放电电压进行了预测分析，误差在工程允许范围内.相关研究已经验证了数据驱动模型应用于空气间隙绝缘预测的可行性。

数据驱动模型主要关注间隙绝缘强度与各类影响因素之间的数理统计与关联关系，忽略了充满随机性与不确定性的放电演变过程，其结果的准确性取决于输入特征、样本数量与智能算法等.对于空气间隙放电电压预测这一小样本问题，SVM因其结构风险最小化原则取得了良好的预测效果，是目前较为适用的算法模型.针对输入特征，其关键在于如何表征间隙结构，仅采用电极尺寸和间隙距离等简单几何参数，无法反映丰富的间隙三维空间结构，在小样本情况下也难以使预测模型取得良好的训练效果。由于间隙结构与静电场分布一一对应，相关文献从有限元仿真结果中提取与电场强度、能量、梯度、不均匀度等相关的数十个特征量，用以描述间隙结构。相关文献针对输电线路杆塔空气间隙，在分裂导线与塔身或横担之间设定一个长方体区域用以提取电场分布特征，但该区域的大小设置缺乏依据。相关文献进一步将特征提取区域简化为高压端金具至塔身的最短几何路径，结合SVM模型初步实现了复杂杆塔间隙的放电电压预测。

对于长空气间隙，高压电极表面电场分布超过限值是导致放电起始的原因，而放电发展至贯通两极则与间隙距离具有强关联性，因此在提取电场分布特征时，应充分考虑高压电极附近区域和极间路径.本文在前期工作基础上，以棒-板和球-板典型间隙为例，提出一种更为合理的电场分布特征集，基于最小二乘支持向量机（least squares support vector ma⁃chine，LS-SVM）建立预测模型，并通过改进灰狼算法进行参数优化，实现了不同几何尺寸的棒-板和球-板长间隙操作冲击放电电压预测。

本文针对棒/球-板长间隙的绝缘强度预测，提出了表征间隙电场分布的特征集，建立了基于IGWO优化LS-SVM的放电电压预测模型，并开展了算例验证，主要结论如下：

1）以棒/球电极端部为顶点在间隙中构建顶角为θ、底面为x·U 等位面的锥形场域，以高、低压电极连线构成极间最短路径，从中分别定义并提取电场强度、能量、梯度、不均匀度、电位、路径长度等66维特征量，可有效表征间隙结构对棒/球-板长间隙绝缘强度的影响。

2）采用经最大信息系数法降维后的电场分布特征集作为LS-SVM模型的输入参量，结合IGWO算法进行模型训练，可对棒/球-板长间隙的操作冲击放电电压进行预测，预测结果的MAPE为3.2%，最大相对误差为8.3%，U50-d 曲线与试验结果具有较为相似的变化趋势。