【推荐文章】基于灰色模型的电涌保护器老化预测研究

原文发表在《电瓷避雷器》2016年第6期(DOI：10.16188/j.isa1001-8337.2016.06.073)。 全文请进《电瓷避雷器》网站（www.dcblq.com）浏览。

　　电涌保护器(SPD)在工作状态下会产生一定的漏电流，其漏电流的值可以反映SPD的老化程度。针对SPD的老化预测问题，利用其产生的漏电流，提出一种基于灰色预测模型的SPD老化预判方法。研究表明：灰色预测模型可以较好的应用于SPD漏电流的预测中，预测结果误差较小，具有较高的有效性和实用性，从而为SPD老化预判提供一种可能。此外，为电网电力系统中其他设备状态预判提供了一种崭新思路。

0 前言

随着电网电力系统的不断发展，电涌保护器凭借其自身优异的非线性特性，较大的通流量，较低的残压等优点，成为电力、电气系统中重要的过电压保护设备。但安装于线路中的SPD，由于长期受过各种电压以及外界环境温度、湿度等条件的影响，会逐渐发生老化现象。因此，及时了解SPD运行状态是十分有必要的。

前期，不少学者提出通过监测SPD内部温度，漏电流、阻性电流等指标实现对SPD老化的监测，其中通过漏电流来反应SPD运行情况的方法是经过验证的较为精确可靠的方法。通过这些技术指标虽然实现了对SPD老化在线监测，但并不能及时发现即将老化的SPD，从而将安全隐患消除于未然之中。目前，学者们已经提出许多预测方法。BP神经网络预测模型、时间序列预测模型、线性回归预测模型等，但目前学者们针对SPD漏电流的特点，选择一种预测模型，将其应用于SPD漏电流的预测中，从而实现对SPD老化的预判。

本文针对SPD安装于线路中，其漏电流增长特点，选择灰色预测模型，对SPD漏电流进行预测，从而实现对SPD老化的预判，并对灰色预测模型在SPD漏电流预测中的应用精度进行了验证。

1灰色预测模型

  灰色系统理论是通过已知的信息，从中提起有价值成分，实现对系统的正确认识和控制。灰色系统建模是灰色系统量化分析方法的主要内容。系统被扰乱后，原始数据序列呈现离乱情况的数据即为灰色数据序列，对其建立的模型即称为灰色模型。

灰色预测是指利用灰色模型对系统行为特征的发展变化规律进行估计预测，同时也可以对行为特征的异常情况发生的时刻进行估计计算，以及对在特定时区内发生事件的未来时间分布情况做出研究等，其实质上是将“随机过程”作为“灰色过程”，“随机变量”作为“灰色变量”，并主要以灰色系统理论中的GM(1,1)模型来进行处理。

2 SPD漏电流预测模型建立

2.1 SPD漏电流预测

根据灰色理论建立的灰色预测模型是利用数据本身的发展规律进行预测，其实质是将“随机过程”作为“灰色过程”，“随机变量”作为“灰色变量”，其主要特点是当原始数据较少时，可以根据已知数据进行预测。因此，笔者将灰色模型应用到SPD漏电流的预测中，从而进行SPD老化预判。

笔者使用的漏电流数据是对电气信息学院某楼层内安装的某一SPD进行现场拆卸，并进行静态参数测试得到，其安装位置如图1所示。该SPD型号为32D681K，即标称压敏电压为680V，标称放电电流I_n为10kA，最大放电电流I_max为20kA。静态参数测试设备为CJ001压敏电阻直流参数仪，用于测试压敏电阻的漏电流I_L。

环境温度对于SPD静态参数具有很大影响，因此，笔者在对SPD进行静态参数测量时，选择温度在20-30℃的室内进行测量。如表1所示，为2008-2015年每年6月份对该SPD进行拆卸，测量其静态参数所得到的漏电流数据。

表1 漏电流数据

Tab.1 The data of I_L

表1中数据即为对该SPD在每年6月份测得的漏电流数据。从表中数据可看出，按照GB18802-2002标准对漏电流要求，该SPD是满足国标使用要求的。而漏电流真实的反应了SPD非线性特性，即反应SPD老化情况。因此，笔者利用漏电流对SPD老化进行预判。考虑到SPD漏电流原始数据较少，因此笔者选择灰色预测模型。

为实现对SPD老化情况进行预判，利用表1中SPD漏电流数据，建立灰色预测模型，通过预测未来SPD漏电流情况，从而对SPD老化情况进行预判。这对于老化SPD进行及时更换，具有电网电力系统安全运行具有非常重要作用。

表2 模型精度分析

Tab.2 Analysis of the model precision

根据求解的灰色模型方程计算出各个年份的漏电流值如表2所示。从表2中可以看出灰色模型预测值与实际测量值相对误差均小于6.5%，可认为具有较好精度。此外，灰色预测模型的预测结果关联度△=0.6811，满足当分辨系数为0.5时，其大于分辨系数，即可以认为通过关联度检验，因此可以使用该模型进行SPD漏电流预测。

2.2 结果分析

　　通过建立的灰色预测模型方程计算出未来三年该SPD漏电流数据如图2和表3所示。

表3 SPD漏电流预测值

Tab.3 The predictive value of I_L

通过表3和图2可知，未来3年该SPD漏电流数据均小于20μA，满足GB18802.1-2002中规定。SPD为在线工作，其老化受到众多因素影响，例如环境温度、湿度、雾霾等以及运行电压情况。通过灰色预测模型可以预测出，该SPD在2034年，其自身漏电流将达到21.12μA，即该SPD将会失效，丧失对电力线路的过电压保护作用，即在该SPD的使用环境不变情况下，该SPD在2034年将会失效。

根据GB18802.1中对于SPD老化失效的相关规定，提出一种基于SPD漏电流的老化预测方法。利用灰色预测模型预测SPD漏电流，从而对其老化情况进行预判。通过验证表明，该灰色预测模型在对SPD漏电流进行预测中，具有较高的精度，可为SPD的老化状态监测提供可靠的参考依据，同时也为电网电力系统中其他设备监测提供了一个崭新的思路。

张红梅（1971-），女，讲师，研究方向：电气电子设备研发与测试。