探索GIS局部放电监测：PRPD与PRPS图谱的奥秘
探索GIS局部放电监测：PRPD与PRPS图谱的奥秘
引言
GIS（气体绝缘开关设备）局部放电监测是确保高压电气设备可靠运行的关键技术。PRPD（Phase-Resolved Partial Discharge，相位分辨局部放电）和PRPS（Phase-Resolved Pulse Sequence，相位分辨脉冲序列）图谱是分析局部放电（PD）活动的核心工具。本报告深入探讨这些图谱的知识、原理、生成所需的格式和内容，以及专业术语如“相位开窗”的深层意义。
PRPD和PRPS的定义与原理
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PRPD（相位分辨局部放电）：
- PRPD是一种二维散点图或直方图，X轴表示交流电周期的相位角（0°到360°），Y轴表示PD事件的幅值（强度）。每个点代表一个PD事件，其位置反映了PD发生的相位和强度。
- 原理：局部放电是由于绝缘介质中局部电场强度超过击穿强度而产生的放电，但未完全贯穿绝缘。在GIS中，PD通常发生在气体空腔、裂缝或固体绝缘表面。UHF传感器捕获PD产生的电磁波，信号处理后生成PRPD图谱。
- 应用：PRPD用于识别PD类型（如空腔放电、表面放电、悬浮导体等），因为不同类型PD在相位分布上具有独特模式。例如，研究表明，空腔放电可能集中在电压波形的峰值附近（Research of GIS partial discharge type evaluation based on convolutional neural network）。
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PRPS（相位分辨脉冲序列）：
- PRPS是三维图形，扩展了PRPD，增加了时间维度。X轴为相位，Y轴为幅值，Z轴为时间（如最近5秒内的PD事件序列）。
- 原理：通过观察时间序列，可以分析PD事件的连续性和稳定性，帮助区分真实PD与噪声。例如，研究指出，PRPS在实时监测中关键，用于快速诊断绝缘状态（A PRPD-Based UHF Filtering and Noise Reduction Algorithm for GIS Partial Discharge）。
- 应用：PRPS特别适合分析PD的上升和下降时间，验证PD模式的稳定性。
生成PRPD和PRPS图谱的格式与内容
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格式：
- PRPD：通常为二维散点图或直方图。研究显示，其像素大小为100×180，X轴将360°分为100个间隔（每3.6°），Y轴将归一化范围[0, 1]分为180个间隔（Research of GIS partial discharge type evaluation based on convolutional neural network）。颜色编码表示PD密度（如红色为高密度，蓝色为低密度）。
- PRPS：三维柱状图，X轴为相位，Y轴为幅值，Z轴为时间（如5秒内），每个柱状条高度表示特定相位和幅值下的PD事件数量（A Guide to Partial Discharge Field Testing and Analysis Part 2 - UHF and HFCT Signals）。
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内容：
- PRPD：包括PD事件的相位、幅值和频率（即每个相位窗口内发生的PD事件数量）。研究中，统计特征如偏度、峰度、相位不对称性和放电不对称性用于分析模式（A PRPD-Based UHF Filtering and Noise Reduction Algorithm for GIS Partial Discharge）。
- PRPS：除了PRPD内容，还包括时间序列信息，用于研究PD事件的上升和下降时间，验证真实性（Partial Discharge Testing – Success Compass）。
- 生成图谱需要原始PD信号数据，通常通过UHF传感器或HFCT传感器采集，并经过滤波和降噪处理。
以下表格总结了PRPD和PRPS的格式和内容对比：
| 特性 | PRPD | PRPS |
|---|---|---|
| 维度 | 二维（相位 vs. 幅值） | 三维（相位 vs. 幅值 vs. 时间） |
| X轴 | 相位（0°到360°，通常分100段） | 相位（0°到360°） |
| Y轴 | PD幅值（归一化范围，如[0, 1]，分180段） | PD幅值 |
| Z轴 | 无 | 时间（如最近5秒） |
| 主要内容 | 相位、幅值、频率分布 | 相位、幅值、频率及时间序列 |
| 应用 | 模式识别、缺陷类型分类 | 实时监测、噪声验证、序列分析 |
专业术语“相位开窗”的深层意义
- 定义：相位开窗是将整个交流电周期（0°到360°）划分为多个小间隔的过程。例如，研究中提到将360°分为100个间隔，每个间隔为3.6°（Research of GIS partial discharge type evaluation based on convolutional neural network）。
- 深层意义：
- 精细化分析：通过将相位分成更小的窗口，可以更精确地观察PD事件在电压周期中的分布。例如，某些PD类型（如空腔放电）可能只在特定相位范围内发生。
- 统计特征提取：每个相位开窗内可以计算PD事件的统计特征，如概率、均值、标准差、偏度（skewness）和峰度（kurtosis）。这些特征用于识别PD类型的模式，研究显示这在噪声抑制中特别有效（A PRPD-Based UHF Filtering and Noise Reduction Algorithm for GIS Partial Discharge）。
- 噪声抑制：通过分析每个相位开窗内的PD事件分布，可以更好地区分真实PD信号与背景噪声。例如，如果某个相位开窗内的PD事件分布不均匀，可能表示存在特定类型的缺陷。
- 诊断精度提升：相位开窗允许更详细的模式匹配，例如通过比较不同相位开窗内的PD特征，确定PD源的类型和严重程度。
GIS局部放电监测中的应用
- GIS局部放电监测的目标是尽早发现绝缘缺陷，防止设备故障。PRPD和PRPS图谱是诊断工具中的关键：
- 识别PD类型：通过模式匹配，确定PD源是空腔、表面放电、悬浮导体等。研究中提到，卷积神经网络（CNN）用于分类PD类型，准确率达94%（Research of GIS partial discharge type evaluation based on convolutional neural network）。
- 评估严重程度：通过PD幅值和频率，判断缺陷的潜在危害。
- 定位缺陷：通过多个传感器的PRPD/PRPS数据，可以三角定位PD源的位置。
- 现代监测系统（如Megger的GISmonitor）可以自动生成PRPD和PRPS图谱，并使用机器学习算法提高诊断效率。
结论
PRPD和PRPS是GIS局部放电监测中的核心分析工具，分别通过二维和三维图谱展示PD的相位、幅值和时间分布。生成这些图谱需要特定的格式和内容，依赖于UHF传感器采集的信号。相位开窗的概念在精细分析和噪声抑制中具有深层意义，提升了诊断精度。这些工具在识别PD类型、评估严重程度和定位缺陷方面发挥了关键作用，确保了GIS设备的可靠性和安全性。
关键引文
- Research of GIS partial discharge type evaluation based on convolutional neural network
- A PRPD-Based UHF Filtering and Noise Reduction Algorithm for GIS Partial Discharge
- What is a Phase Resolved Partial Discharge (PRPD) Plot telling you?
- Partial Discharge Testing – Success Compass
- A Guide to Partial Discharge Field Testing and Analysis Part 2 - UHF and HFCT Signals