局部放電信號的處理

摘 要：電纜發生局部放電時所采集到的信號非常小且受到噪聲干擾，為了確定電纜故障，需對采集到的信號進行處理，包含放大和去噪。與運算放大器相比，LC諧振放大器放大效果明顯。LC諧振放大器由信號源、LC諧振放大、電壓跟隨器組成，通過對諧振頻率選取，元件參數計算，增益的分配，創建電路，最后通過Multisim對電路進行仿真。電路結構簡單，經測試，具有良好的放大功能，且所得波形符合要求表明了電路的準確性。對于對信號的去噪則采用小波包變換，通過對閾值的計算，選擇合適的數值，在MATLAB上進行編程，根據仿真結果可知小波包去噪的合理性。

關鍵詞：電纜故障；高頻小信號；小波包變換；MATLAB仿真；諧振放大器；電壓跟隨器；Multisim仿真

引言

電力電纜的使用范圍越來越廣，在電力輸電網絡中及高壓電力設備中，因絕緣問題造成的局部放電現象是一個常見的電纜故障[1]。一旦電纜絕緣被擊穿就有可能引起停電事故造成社會影響和經濟損失。因此，局部放電檢測對于及時發現早期故障，防止故障進一步擴大導致絕緣失效是一項非常有效的檢測途徑[2]，可以盡量減少財務損失[3]。另外，應用三脈沖法進行地埋電纜閃絡性故障及高阻態故障的定位，局部放電信號檢測也是關鍵技術之一。

在實際問題中，對電纜放電現場拾取得到的原始信號具有頻率高且通頻帶窄、幅值非常小、且混雜著一定干擾信號和噪聲等特點。因此，信號調理是局部放電檢測關鍵環節。噪聲的存在對信號的本質特征會產生嚴重的干擾，因此，在處理原始信號時，必須對混雜的噪聲加以消除，去噪后信號的一些重要特征才能顯現出來。文章將考慮對拾取到的信號進行硬件及軟件相結合的濾波去噪處理。

對現場微小信號進行采集及數字處理的前提條件是信號放大。采用運算放大器可以滿足所需放大倍數要求，但當放大倍數過大時容易使波形產生失真現象，同時對于頻率高、通頻帶窄的局部放電信號難以滿足適應頻率和硬件濾波技術要求。與運算放大器相比LC諧振放大器對高頻小信號有很好的放大作用且波形不易失真。

1 LC放大電路原理

電纜故障放電的信號幅值特別小，傳感器感應到的信號是非常微弱的，一般在μA級，分析采集的信號，則先要將信號放大，這就需要用到高頻小信號放大器來完成[4]。

LC并聯諧振回路具有一個顯著的特征，即為選頻功能，可對所需測量的頻率段的小信號進行放大處理。LC并聯諧振回路的電流信號在諧振點處呈現出較大的阻抗，幾乎是純電阻性的，此時將需要的電流信號轉變為電壓信號進行輸出，此時失諧點頻率處的電流信號就會呈現較小的阻抗，可實現抑制失諧點頻率處電流信號輸出的作用，從而起到選擇出需要測量的電信號，抑制無用的干擾信號的目的。

1.1 LC諧振放大器

LC諧振放大器由兩部分組成，分別為LC諧振回路與放大器，共發射極接法高頻小信號調諧放大器，它不但可以對有用頻率信號進行放大，同時兼具一定的濾波功能，可以起到選擇所需要的頻率信號的作用。LC諧振放大器的原理是利用電容與電感兩元件的電抗隨著頻率的變化而發生變化，在某一頻率點或某一狹小頻率帶，只有與之相匹配的LC參數，才能滿足諧振放大的條件，該頻率點之外的信號將被濾掉。晶體管的靜態工作點由三個電阻分別為R6、 R7、R8決定。放大器的調諧回路諧振時所對應的頻率f0稱為放大器的諧振頻率，高頻小信號調諧放大器對處于中心頻率處的信號具有極大的放大能力[5]。

f0的表達式為：

（1）

1.2 電壓跟隨器

在放大電路中一般存在兩個問題必須加以考慮，即信號在前級的輸出電阻中因損耗產生的衰減問題和輸入信號與反饋信號發生重疊造成信號失真問題。因此放大電路中還需要一個緩沖和隔離環節。電壓跟隨器的輸入阻抗較高，可以達到幾兆歐姆，而它的輸出阻抗相對來說較低，一般只有幾歐姆，甚至可能會更低，此時電壓跟隨器可達到緩沖作用。同時，在負反饋電路中，當輸入信號與反饋信號發生重疊時，將導致采集到的信號不準確，影響測量結果，此時電壓跟隨器將產生隔離作用。電壓跟隨器可采用運放OPA355NA和電阻R1，R2組成，其中兩個電阻的阻值是相等。

1.3 通頻帶和參數的選取

一般情況下，LC諧振放大電路只會對所設定的某一個特定頻率范圍內的信號進行放大，即具有選頻作用。因此諧振回路中的電感L和電容C參數必須與設定頻域相匹配。如果電路輸入信號頻率偏離諧振頻率時，放大器的電壓放大倍數就會有所下降，電壓放大倍數A1下降到諧振電壓放大倍數A2的0.707倍時所對應的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW。

BW=2△f0.7=f0/Q，Q為諧振回路的有載品質因數。

2 參數計算及電路仿真

旁路電容C1，C5一般大小選取為0.1μF，電容C13，C8的取值為0.001μF。f0=■=7MHz，C=0.1uf，則L=■=515ph，則L可選取標稱值500ph。

局部放電脈沖信號放大的整體電路結構如圖1所示。

圖1是對高頻小信號進行放大的電路圖，在測量過程中為了防止幅值較大的發射脈沖可能竄入到接收通道從而擊穿放大器，需要在信號放大之前加入一個并聯倒置的二極管進行鉗位處理；放大器則選用2N2222，具有較高的放大倍數和超高的頻率。

采用Multisim軟件，對上述電路作模擬仿真，局部放電信號是高頻信號，在理論上可以用下面的數學模型等效。

（2）

其中A為局放信號的幅值；t0為放電脈沖起始時刻，fc為衰減振蕩頻率；？子為衰減時間常數。

此波形類似于一個逐漸衰減的正弦波，則可采用一個正弦信號作為信號源，仿真波形如圖2所示。

從仿真結果圖我們可以看出，局部放電信號有明顯的放大，后續數字處理環節對信號等級及精度要求。但同時發現信號的相位發生了一定的偏移，產生此現象的原因是因為電路中存在著電容，電感和三極管2N222等一些慣性元件，信號經過這些元件后相位就會發生改變。

3 局部放電信號噪聲數字處理

上述LC諧振放大電路對設定通頻帶外的信號能起到濾波作用，但如果通頻帶設置較寬或諧振參數選擇有偏差，經放大后的信號除放電脈沖信號之外，依然含有其他干擾信號。因此對經放大后的信號數字化后仍需進一步進行去噪處理。

3.1 噪聲處理方法

對于局部放電信號的去噪處理有多種方法：傅里葉變換去噪、小波分析去噪、小波包去噪。

小波包分析是一種時頻聯合局部化分析方法，它是在小波分析的基礎上提出來的。與小波分析相比，小波包分析為信號提供的分析方法相對來說更加精細，在進行處理信號時，它會將信號的頻帶進行多層次的劃分，對高頻部分進行進一步分解，而小波分析則對高頻部分沒有細致的劃分，同時小波包分析具有很高的自主性，可以根據被分析信號的特征，自適應地選擇相應的頻帶，達到被分析信號的頻帶與信號的頻譜相匹配的目的，從而使信號的時頻分辨率有了較大的提高[6]。對于傅里葉變換去噪，如果干擾信號的中心頻率發生變化，則原來設置的參數都將會失效，需重新計算，比較麻煩。

因此選用小波包去噪的方法對局放信號進行去噪處理。

3.2 小波包去噪步驟

小波包對信號去噪應用過程的步驟：

（1）信號的小波包分解。選擇一個小波并確定一個小波分解的層次，然后對信號進行小波包分解。

（2）確定最優小波包基。對于一個給定的嫡標準，計算最佳樹。

（3）小波包分解系數的閾值量化。對于每一個小波包分解系數，選擇一個適當的閾值并對系數進行閾值量化。

（4）信號的小波包重構。根據最底層的小波包分解系數和經過量化處理系數，進行小波包重構。

利用小波包分析對一個含有噪聲信號進行消噪處理。

sqrt_snr=3；

init=231；

[a，b]=wnoise（3，12，sqrt_snr，init）；

subplot（2，2，1），plot（a）

xlabel（'樣本信號 n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'原始信號'）

subplot（2，2，2），plot（b）

xlabel（'樣本信號 n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'加噪聲后的信號'）

[thr，sorh，keepapp，crit]=ddencmp（'den'， 'wp'，b）

[c，treed，perf0，perfl2]=wpdencmp（b，sorh，3，'db2'，crit，thr，keepapp）

subplot（2，2，3），plot（c）

xlabel（'樣本信號 n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'默認閾值消噪信號'）

thr=thr+12

[d，treed，perf0，perfl2]=wpdencmp（b，sorh，3，'db2'，crit，thr，keepapp）

subplot（2，2，4），plot（d）

xlabel（'樣本信號 n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'調節閾值后的消噪信號'）

圖3左上為原始信號的波形，表示一個正弦信號，右上為加上噪聲之后的波形，表示一個包含白噪聲的正弦波信號，左下為在默認的閾值下進行消噪后得到的波形，從仿真結果看出去噪結果不理想，右下為在原始默認閾值thr的基礎上對閾值大小進行改變，分析仿真得到的結果可知與原始信號相比去噪效果很明顯，信號的一些重要特征會顯現出來。

4 結束語

利用Multisim仿真軟件對放電脈沖拾取信號進行調理電路輔助設計，電路結構采用了帶電壓跟隨的LC諧振放大電路，按通頻f0和通頻帶寬，經計算確定了滿足諧振條件的匹配電感L和電容C。由仿真結果圖可知被測信號被放大且沒有明顯失真，同時電路具有濾波，選頻的功能，可以抑制無用的信號。根據結果進行電纜線路的分析，所設計的電路是符合要求的。

在小波包去噪分析過程中，從仿真結果圖可以得知小波包在信號去噪方面有明顯的效果，且對于具體問題中，不同的閾值下的信號去噪效果有很大差別。因此，在應用小波包去噪解決實際問題時要選取合適的閾值來進行信號去噪處理。

通過對局部放電信號的放大和去噪處理，采集到的信號有了明顯的變換，最大程度地提取原始信號中的有用信息，信號的一些細節特征將會突現出來。分析處理過的信號易于觀察出電纜的故障點，易于電纜故障的定位和檢測。

參考文獻

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[2]RUDD S， MCARTHUR S， JUDD M. A Generic Knowledge-based Approach to the Analysis of Partial Discharge Data[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（1）： 149-156.

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