基于小波包變換的開關柜局部放電聲信號特征檢測

張彪 史毓

摘 要：隨著我國電力系統規模的不斷擴大，電網對安全可靠運行的要求也越來越高。而高壓開關柜的局部放電事故嚴重影響著配電網的安全穩定運行。文章通過對開關柜局部放電產生的聲信號特點分析，對聲信號進行小波包變換，得出了局部放電信號的一般特征，并由此得出了開關柜局部放電預警的可靠判據。

關鍵詞：開關柜；局部放電；聲信號；小波包

中圖分類號：TM591 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）26-0060-03

Abstract： With the continuous expansion of the scale of the power system in our country， the requirements for safe and reliable operation of the power grid are increasing. The partial discharge accident of the high-voltage switchgear seriously affects the safe and stable operation of the distribution network. Based on the analysis of the characteristics of the acoustic signal generated by partial discharge in switchgear and the wavelet packet transform of the acoustic signal， the general characteristics of partial discharge signal are obtained， and the reliable criterion for early warning of partial discharge in switchgear is obtained.

Keywords： switchgear； partial discharge； acoustic signal； wavelet packet

前言

10kV環網柜是配電網中十分重要的基礎設備，當開關柜發生故障時會嚴重影響配電網的運行狀態。據統計，40%的開關柜故障都來源于由局部放電引起的絕緣故障，因此對開關柜局部放電狀態的在線監測對于電網安全穩定性具有重要意義[1-3]。

為了更好的檢測開關柜局部放電信號，對開關柜放電產生的超聲波信號進行小波包變換，采用緊支集小波Daubechies3（db3）小波基對開關柜三個階段的局部放電信號進行分析，提取小波包分解信號的能量特征，得到了開關柜局部放電的小波包特征判斷依據。

1 小波包分解理論

小波變換是針對傅立葉變換存在的缺點發展而來的理論，是一種基于時頻分析的方法和理論[4]。但小波變換仍存在高頻低分辨率的問題，而小波包變換能夠彌補這一缺點，能夠根據信號的特征自適應選擇相應頻帶，使小波變換中隨尺度的增大而變寬的頻譜窗口進一步變細，提高時頻分辨率[5]。對開關柜局部放電聲信號進行小波包分解的基本思路是在對聲信號進行多分辨分析，同時分解小波子空間。

2 實驗設計

為了采集到準確的開關柜局部放電信號，在某電力設備有限公司的局部放電實驗室內進行了開關柜的局部放電試驗。圖1為局部放電試驗原理圖。其中無暈工頻高壓試驗變壓器提供工頻高壓，在高壓輸出端串聯一個10kΩ的保護電阻。Ck為試驗用的耦合電容器，Zm為德國LDIC公司LDS-6局部放電檢測儀配套檢測阻抗，可以輸出視在放電量和電壓相位信號，并對局部放電的放電量進行標定。超聲波傳感器采用長沙鵬翔科技公司生產的PXR04超聲波傳感器，傳感器為接觸式，其中心頻率為40kHz，具有較寬的檢測頻帶，可以在寬頻帶范圍內研究局部放電的超聲波信號。信號調理電路包括放大電路、濾波電路。數據采集卡采用ART公司的USB3103A采集卡，該采集卡采樣頻率高達500KS/s，采樣精度為16位，通過USB總線與上位機相連。

在某電力設備公司的局部放電實驗室采集到的各階段的局部放電超聲波信號的時域圖如圖2所示。

此時采集到的超聲波信號帶有明顯的噪聲信號，特別是很高成分的低頻信號，對超聲波信號進行小波包變換可以將低頻信號與高頻信號分離開，從而可以得到有用的高頻信號特征[6-7]。

3 開關柜放電聲的小波處理

三層小波包分解的結構圖如圖3所示：

節點（i，j）表示第i層的第j個節點，這些節點表現出了信號特征。原始信號S為（0，0）節點，（1，0）表示第一層小波包分解的低頻系數S10，（1，1）表示第一層小波包分解的高頻系數S11。以此類推，可得到各個節點所表示的含義。

對聲信號進行重構，以小波包第三層分解為例：

S=S30+S31+S32+S33+S34+S35+S36+S37

開關柜發生局部放電時超聲波信號的頻帶范圍一般在0～140kHz，，則它們的頻率范圍如表1所示。

計算重構信號的能量Ej（j=0，1，2，3，4，5，6，7）。

，S3j（k）表示幅值，N表示重構信號的點數。

根據分解步驟對開關柜放電的初始階段、局部放電階段、擊穿放電階段1s聲信號進行三層小波包分解，如圖4所示。

從圖4可以看出，放電信號經小波包分解后信號的主要成分集中于S31、S32、S33、S36，頻率范圍對應于17.5kHz-70kHz與105.5kHz-122.5kHz。也是各分解信號的高頻部分。從圖5能量譜特征也可看出S31、S32、S33、S36的功率譜能量要明顯強于S30、S34、S35、S37，且隨著局部放電的發展，信號能量呈逐漸增大的趨勢。

4 結束語

本文主要研究了小波包分解算法在開關柜局部放電信號分析中的應用。對局放超聲信號進行三層小波包分解，并提取了分解后信號的能量特征，可以得到以下結論：

（1）小波包算法能夠應用于開關柜局部放電聲信號中并得到較好的分解效果。

（2）開關柜局部放電聲信號小波包分解的第三層的高頻信號，特別是S31、S32、S33、S36可以作為局部放電預警判斷的依據。

參考文獻：

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