局部放电瞬态电磁脉冲形成的微观机理及宏观表征研究

There are remaining problems on the study of electromagnetic wave detection methods for partial discharge (PD), for example, the micro process of PD current pulse cannot be analyzed quantitatively and the signal propagation is lack of proper electromagnetic pulse (EMP) signal radiation model. Project observe formation and radiation process of PD current pulse in the perspective of both microcosmic and macroscopic, and also study the characteristic of “source”, “channel” and “signal”. Firstly, explore the transportation process of charged particles in the micro perspective, take advantages of Particle in Cell-Monte Carlo Collision (PIC-MCC) method to quantitatively analyze the influence of factors of charged particle generation, diffusion and force on partial discharge pulse current formation and dynamic evolution, found mathematical model of discharge pulse current based on microscopic simulation; And then study radiation of PD EMP in the aspect of antenna and study PD EMP signal spectrum distribution and propagation characteristics on the basis of dipole antenna model combining computation of transient electromagnetic fields. Finally, study PD macro appearance in the aspect of hidden Markov process and study PD non-stationary stochastic processes on the basis of time and frequency domain characteristics of EMP sequence. Project aims at providing theoretical foundation and new practical approaches for PD EMP weak signal detection, anti-interference and pattern recognition through exploring micromechanics, macro appearance and their internal relation statistical model of PD electromagnetic signal.

针对局部放电电磁波检测方法研究中，放电电流的微观过程不能定量分析、电磁脉冲信号辐射模型不具体等问题，项目从微观和宏观角度研究局部放电电磁脉冲的形成与辐射机理，分析其“源-道-信”特征。首先从微观角度探究局部放电带电粒子的输运过程，运用网格粒子-蒙特卡洛方法，定量分析带电粒子产生与消散、作用力及界面等因素对放电脉冲电流形成及动态变化过程的影响，基于微观仿真构建放电脉冲电流的数学模型；继而从天线的角度研究局部放电电磁脉冲信号的辐射，基于电偶极子辐射天线模型结合瞬态电磁场计算，分析局部放电电磁脉冲信号谱分布及其传播特征；最后从隐马尔可夫过程角度观察局部放电宏观表征，基于电磁脉冲序列时频特征观测量来研究局部放电非平稳随机过程。以期通过项目研究，探索局部放电电磁脉冲信号形成的微观机理、宏观表征及其内在关联的统计模型，为局部放电电磁脉冲弱信号检测、抗干扰及模式识别提供理论依据与新的实践途径。

局部放电检测是表征电力设备绝缘状态的重要指标，但当前缺乏检测诊断的微观机理阐释。项目以局部放电微观过程及其产生的电磁脉冲信号为研究对象，通过放电过程微观仿真、放电电磁脉冲源信号及其传播特性和脉冲序列时序特性分析，研究了局部放电电磁脉冲形成与辐射机理及其“源-道-信”特征。项目基于网格粒子-蒙特卡洛和流体动力学仿真方法，定量分析了气隙、尖端和沿面典型放电过程中带电粒子输运转移微观过程，并构建了放电脉冲电流的数学表征函数，继而从天线角度研究局部放电电磁脉冲信号的辐射，基于电偶极子辐射天线模型结合瞬态电磁场计算，分析局部放电电磁脉冲信号谱分布及其传播特征；最后基于通用的局部放电过程理论模型，将放电分为流注起始、流注传播和流注消散三个过程，考虑初始带电粒子产生、空间电荷输运、吸附与扩散等因素，从隐马尔可夫过程角度，采用数据驱动方法观察局部放电脉冲序列，研究脉冲序列对局部放电非平稳随机过程的宏观表征。.项目基于微观仿真获得的脉冲电流波形，构建了表征放电物理过程的分段数学函数拟合模型。发现区别于高斯脉冲模型，气隙、尖端、沿面放电在上升沿和下降沿均具有不对称性，局部放电脉冲“源”信号在时域形态上体现了电荷输运和消散的不同的机理过程和微观特性。项目以传递函数表征了局部放电脉冲产生、辐射和接收的传播过程，综合考虑传播路径、传感器频率响应，明确了传感“信”号的时频分布和信号能量谱分布等宏观参数与信号“源”及“道”的相关性。项目通过LSTM数据驱动方法研究得到了PRPS等局部放电序列中脉冲间隔、脉冲幅度对放电过程随机与确定性因素影响的周期性统计性宏观表征形式。.项目研究结果为局部放电电磁脉冲弱信号检测、定位、抗干扰及模式识别提供了理论依据。发现SHF频段信号可用于局部放电检测、基于脉冲信号能量谱分布结合脉冲序列时序特性能成为局部放电分类和模式识别的有效方法。