變電站高頻局部放電白噪聲在線識別方法

國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 任永一 中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)有限公司 王雪晴

在現(xiàn)階段的變電站中局部放電定位問題是其面臨的主要問題。通常情況下，在局部放電發(fā)生過程中會(huì)有聲光熱現(xiàn)象伴隨出現(xiàn)并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1]，產(chǎn)生一定的電能損耗，同時(shí)對于設(shè)備的老化也會(huì)起到加速作用并最終影響供電性能。因此，對局部放電的監(jiān)測和定位工作已成為變電站的重點(diǎn)[2]。但是，由于局部放電產(chǎn)生噪聲的時(shí)間短暫，并且存在大量的白噪聲干擾信號，對局部放電的監(jiān)測和位置的確定帶來了巨大挑戰(zhàn)[3]。因此，對信號中的白噪聲識別進(jìn)行研究，對于準(zhǔn)確快速分離局部放電信號、準(zhǔn)確定位局部放電位置都有重要意義[4]。

基于此本文提出變電站高頻局部放電白噪聲在線識別方法：首先分析了變電站局部放電機(jī)理，在分離出信號中低頻白噪音的基礎(chǔ)上對高頻白噪音進(jìn)行識別，并通過仿真試驗(yàn)對所提方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過此研究，以期為變電站的實(shí)際放電定位提供參考。

1 變電站局部放電的機(jī)理分析

通常情況下，變電站在電場作用下出現(xiàn)未擊穿整個(gè)電氣連通裝置的現(xiàn)象為變電站局部放電[5]。造成這種現(xiàn)象的原因有很多，包括組成材料的差異、電介質(zhì)分布失衡、電場分布不均等，都會(huì)引起部分區(qū)域擊穿場強(qiáng)異常且其他區(qū)域保持正常，這樣就形成了變電站高頻局部放電現(xiàn)象。由于變電站絕緣材料的裂縫、灰塵及電氣接觸不良等都會(huì)引起局部放電，放電形式也不盡相同，包括電暈放電、氣隙放電、懸浮放電、滑閃放電等，變電站局部放電示意圖如圖1所示。因此，對變電站高頻局部放電的白噪聲進(jìn)行識別是確定其準(zhǔn)確放電位置的重要環(huán)節(jié)。

圖1 變電站局部放電示意圖

2 白噪聲在線識別

通過對變電站在變電站局部放電的機(jī)理分析可以看出，出現(xiàn)高頻放電時(shí)白噪聲是以干擾信號的形式存在的，其直接干擾對于放電位置的定位。因此準(zhǔn)確地白噪聲識別是十分必要的。

2.1 白噪聲分離

在識別白噪聲前先要分離出局部放電信號中低頻白噪聲。隨著電壓等級的升高，其產(chǎn)生的白噪聲會(huì)出現(xiàn)向高頻偏移的趨勢。通過濾波器從信號中分離出低頻白噪聲，在分離低頻白噪聲的同時(shí)保留局部放電信號原有的噪聲特性，選用漢寧窗對濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立線性相位梳狀帶阻，使過濾的噪聲以主瓣為中心聚集且具有良性衰減。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)域?yàn)槭剑?），其中n 表示時(shí)域范圍。采用傅里葉變換對漢寧窗的傳遞函數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到式（2），當(dāng)時(shí)域范圍n 較大時(shí)，在所設(shè)計(jì)的漢寧窗傳遞沖擊響應(yīng)為式(3)。

在式(3)中時(shí)域的疊加實(shí)現(xiàn)旁瓣抵消，使過濾后的噪聲集中于主瓣，在具備窄帶特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)一定程度上的同頻波聚集。在此基礎(chǔ)上對過濾后信號的頻譜特征進(jìn)行計(jì)算，并以能量為依據(jù)進(jìn)行排序，去除低頻白噪聲、保留殘差信號，此時(shí)的殘差信號中僅包含局部放電噪聲信號及來自變電站設(shè)備的高頻白噪聲。

2.2 白噪聲識別

在對高頻白噪聲進(jìn)行識別時(shí)，通過計(jì)算待檢信號與樣板信號的相近程度作為識別依據(jù)，也就是信號匹配度。對于多類別的信號識別時(shí)，將待檢信號歸類為與之匹配程度最高、距離最近的樣板信號。鑒于最小距離法計(jì)算簡便的優(yōu)勢，對變電站高頻放電白噪聲進(jìn)行識別。

首先，以高電壓下變電站電氣設(shè)備產(chǎn)生的高頻白噪聲作為樣板信號，其特征向量組表示為Z={Z1,Z2,...,Zm}，其中每個(gè)特征向量包含有a 個(gè)元素：Zm={Z1m,Z2m,...,Zam}，從待檢測的噪聲數(shù)據(jù)中同樣提取出其對應(yīng)的特征參數(shù)向量X 構(gòu)成待檢信號：X={X1,X2,...,Xm}，那么待檢測信號的噪聲到樣板之間的距離可以表示為：。

其中κ 表示權(quán)系數(shù)，對不同的樣板信號Z，計(jì)算待檢向量X 與樣板信號Zm之間的距離d，依據(jù)待檢信號與樣板信號間的距離來判定信號匹配度，兩者之間的距離越小表明信號匹配程度越高。當(dāng)d=dmin時(shí)，將待檢信號歸類為樣板信號Zm類別，即將其噪聲識別結(jié)果定義為高頻白噪聲，完成變電站高頻放電白噪聲的識別。

3 仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證所提方法的有效性進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為模擬現(xiàn)場監(jiān)測的真實(shí)放電信號，干擾信號為0.2倍的高斯白噪聲，圖2為局部放電產(chǎn)生的信號和頻譜圖。局部放電脈沖采樣頻率為1MHz、幅值為4mV，在40μs 時(shí)第一個(gè)脈沖G 開始運(yùn)行，在80μs 時(shí)第二個(gè)脈沖S 開始運(yùn)行，持續(xù)時(shí)間均為140μs、衰減系數(shù)為2×10-6。為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，分別采用文獻(xiàn)[2]提出的局部放電帶電檢測技術(shù)和文獻(xiàn)[3]提出的設(shè)備局部放電超高頻檢測方法同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 含噪聲局部放電信號及其頻譜圖

采用文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法以及本文方法對各種放電模式的識別結(jié)果如表1。由表1得出不同方法白噪聲識別率對比圖。由表1和圖3可看出，本文方法的識別率始終高于文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法的識別率，總體識別率均在85%以上，識別率較高。這主要是因?yàn)樗岱椒ㄊ紫确蛛x了信號中的低頻白噪音，降低了在高頻白噪音識別過程中的干擾，提高了識別的精度。

表1 不同方法白噪聲識別率對比表

圖3 不同方法白噪聲識別率對比圖

綜上，頻局部放電是變電站面臨的一個(gè)普遍問題，針對該問題本文提出變電站高頻局部放電白噪聲在線識別方法，通過準(zhǔn)確識別出白噪聲降低在放電部位定位過程中的干擾，提高定位效率，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性，表明其對變電站局部放電監(jiān)測工作具有一定的應(yīng)用價(jià)值。