66 千伏組合電器局部放電實(shí)驗(yàn)干擾抑制研究

包育瑋 王鏡賀 甘 旭 劉昊軒（國(guó)網(wǎng)盤錦供電公司，遼寧 盤錦 124000）

局部放電所引發(fā)的物理化學(xué)反應(yīng)會(huì)對(duì)材料的絕緣性能造成緩慢的損害，因此進(jìn)行局部放電檢測(cè)十分必要，通過局部放電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，能夠保證高壓組合電器的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行[1]。局部放電檢測(cè)主要涵蓋了兩方面主要內(nèi)容，即局部放電信號(hào)的提取和干擾信號(hào)的抑制。

1 局部放電基本理論

1.1 局部放電信號(hào)數(shù)學(xué)模型

通常情況下，局部放電的脈沖電流持續(xù)時(shí)間非常短，通常只有ns 等級(jí)，并且其頻帶范圍較寬，如圖1 所示為典型的局部放電脈沖電流波形[2]。

圖1 局部放電脈沖電流典型波形

局部放電脈沖電流的波形由絕緣缺陷的類型決定，但也會(huì)受到其它因素的影響。檢測(cè)到的局部放電信號(hào)中通常混有大量的干擾信號(hào)，為了便于進(jìn)行研究，采用指數(shù)衰減脈沖和震蕩衰減脈沖來模擬局部放電信號(hào)，兩種脈沖信號(hào)可以用公式（1）、公式（2）來描述：

其中，M為脈沖信號(hào)的最大值，θ1和θ2為時(shí)間常數(shù)，fc為震蕩衰減脈沖的震蕩頻率。如圖2 所示為由指數(shù)衰減脈沖模擬的局部放電信號(hào)波形。

圖2 局部放電信號(hào)模擬波形

1.2 局部放電檢測(cè)方法

局部放電會(huì)引發(fā)許多物理、化學(xué)現(xiàn)象，局部放電檢測(cè)就是測(cè)量局部放電過程中的物理量，對(duì)局部放電狀態(tài)進(jìn)行描述，常規(guī)的檢測(cè)方法有脈沖電流法、超高頻法、超聲波法[3]。

脈沖電流法的靈敏度較高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)放電量的測(cè)量；超高頻法具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)放電位置的診斷；超聲波法的檢測(cè)靈敏度較低，并且抗干擾能力較差，極容易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)放電量的測(cè)量，通常用于對(duì)放電位置的定位。綜合來看，每一種方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行綜合考慮，采用多種方法對(duì)局部放電進(jìn)行測(cè)量，得到最優(yōu)的測(cè)量結(jié)果。

2 局部放電信號(hào)干擾抑制策略

2.1 小波變換理論

小波變換的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)從時(shí)域到時(shí)頻域的變換，能夠?qū)⑿盘?hào)表現(xiàn)為源自于小波函數(shù)θ（t）經(jīng)過平移、伸縮變換得到的信號(hào)的疊加，正是基于小波變換平移和伸縮特性，小波變換同時(shí)適用于時(shí)域和頻域的分析。

小波變換定義為：θ（t）∈L2（R），其對(duì)應(yīng)的傅立葉變換為θ（ω）。當(dāng)θ（ω）滿足條件：

利用小波變換進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，時(shí)間分辨率和頻率分辨率都是可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)的，在頻率分辨率較高的部分具有較低的時(shí)間分辨率，在頻率分辨率較低的部分具有較高的時(shí)間分辨率。小波變換將信號(hào)進(jìn)行全頻段、全時(shí)段的細(xì)致描述，能充分體現(xiàn)信號(hào)的全部細(xì)節(jié)。

2.2 小波特性分析

假定函數(shù)f（x）在某一點(diǎn)處的正則性可以通過利普希茨指數(shù)σ 來描述，如果利普希茨指數(shù)的值較大，則函數(shù)的形狀相對(duì)平滑。

定理：假設(shè)σ∈[0，1]，并且f（x）∈L2（R），[m，n]為R 上的一個(gè)區(qū)間，有且僅有對(duì)任意x∈[m，n]，存在常數(shù)ρ，使得|Wf（s，x）|≤ρsσ成立，則稱f（x）是在區(qū)間[m，n]上的一致性利普希茨指數(shù)。

信號(hào)在多個(gè)尺度上的小波分解參數(shù)的最大模值與利普希茨指數(shù)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果利普希茨指數(shù)為正，則隨著尺度的變大，最大模值也對(duì)應(yīng)變大；如果利普希茨指數(shù)為零，則最大模值與尺度的變化不存在明顯關(guān)聯(lián)性；如果利普希茨指數(shù)為負(fù)，則隨著尺度的變小，最大模值也對(duì)應(yīng)變大，正好與利普希茨指數(shù)為正的情況完全相反。

局部放電信號(hào)的利普希茨指數(shù)為：0<σ<1。所以局部放電信號(hào)的最大模值隨著分解尺度的變大而變大。

干擾信號(hào)的利普希茨指數(shù)為：σ=-0.5-υ，υ>0，所以干擾信號(hào)的最大模值隨著分解尺度的變大而變小。

假設(shè)干擾信號(hào)n（k）的期望值為零，方差為ξ，干擾信號(hào)為寬平穩(wěn)信號(hào)，Wn（j，k）為干擾信號(hào)n（k）的小波變換結(jié)果，小波θ（k）為實(shí)數(shù)函數(shù)，存在θj（k）=2jθ（2jk），則存在：

公式（10）表明平均功率與尺度呈現(xiàn)反比例關(guān)系，也就印證了干擾信號(hào)的模極大值隨著分解尺度的變大而變小。

通過以上對(duì)利普希茨指數(shù)的分析可以得到結(jié)論：局部放電信號(hào)的利普希茨指數(shù)為正，干擾信號(hào)的利普希茨指數(shù)為負(fù)，他們的最大模值隨著尺度的變大，呈現(xiàn)出完全相反的變化特性，干擾信號(hào)的小波參數(shù)隨著尺度的變化被顯著區(qū)分開，這就為通過小波變換方法抑制干擾信號(hào)提供了理論依據(jù)。

2.3 改進(jìn)型干擾抑制策略

空間域相關(guān)理論認(rèn)為經(jīng)過小波變換后的信號(hào)，得到的小波參數(shù)在不同的尺度上都具有關(guān)聯(lián)性，特別是在信號(hào)邊緣地帶，關(guān)聯(lián)性更為顯著，而干擾信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波參數(shù)則不存在這種關(guān)聯(lián)性。因此可以通過小波參數(shù)在不同尺度對(duì)應(yīng)點(diǎn)上的關(guān)聯(lián)性來確定是有效信號(hào)還是干擾信號(hào)，這樣進(jìn)行分解處理后，小波參數(shù)與信號(hào)邊緣存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

改進(jìn)型干擾抑制策略的原理為，信號(hào)的突變位置在不同尺度下的同一位置都存在極大值，干擾信號(hào)的能量隨著尺度的變大而減小。由此，可以提取臨近尺度的小波參數(shù)進(jìn)行乘法運(yùn)算，從而將強(qiáng)化信號(hào)邊緣及其他重要特征信號(hào)的同時(shí)抑制干擾信號(hào)。

定義1：

其中，C2（j，n）表示尺度j 中位置n 處的關(guān)聯(lián)參數(shù)，Wf（j，n）表示尺度j 中位置n 處干擾信號(hào)的離散小波變換。為了保證關(guān)聯(lián)參數(shù)與小波參數(shù)便于對(duì)比分析，對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行歸一化處理。

定義2：

通過比較|C2.enw（j，n）| 和|Wf（j，n）| 的大小來區(qū)別信號(hào)的重要邊緣地帶，如果前者大于后者，則認(rèn)為該點(diǎn)與信號(hào)的邊緣相對(duì)應(yīng)，保存Wf（j，n）的位置和幅值，并將C2.new（j，n）和Wf（j，n）中的相應(yīng)位置清零，否則該點(diǎn)就與干擾信號(hào)對(duì)應(yīng)，將剩余數(shù)據(jù)重新進(jìn)行標(biāo)記，多次重復(fù)進(jìn)行上述過程，直到Wf（j，n）中沒有被抽取的點(diǎn)的能量小于該尺度上的干擾信號(hào)能量時(shí)，終止抽取。這樣就實(shí)現(xiàn)了有效信號(hào)的提取和干擾信號(hào)的抑制。

3 仿真驗(yàn)證

經(jīng)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，局部放電信號(hào)多數(shù)情況下呈現(xiàn)震蕩衰減脈沖的變化趨勢(shì)，由于其震蕩特性，其干擾信號(hào)的抑制相對(duì)困難一些，在進(jìn)行局部放電仿真的時(shí)候，將原始信號(hào)的幅值進(jìn)行歸一化處理，其信號(hào)波形如圖3 所示。

圖3 局部放電原始信號(hào)

分別采用傳統(tǒng)干擾信號(hào)抑制策略和改進(jìn)型干擾信號(hào)抑制策略對(duì)局部放電信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行抑制，對(duì)比傳統(tǒng)型和改進(jìn)型干擾信號(hào)抑制策略，明顯可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型干擾信號(hào)抑制策略干擾抑制效果更好，不僅能濾除傳統(tǒng)型抑制策略沒有濾除的干擾，更為關(guān)鍵的是，沒有多余的能量損失。

4 結(jié)論

本文基于小波理論的角度展開研究，將小波閾值算法與空域理論相結(jié)合，對(duì)局部放電信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行了抑制。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明本文提出的改進(jìn)型干擾抑制策略更為先進(jìn)，能夠在強(qiáng)烈的干擾環(huán)境下，將局部放電信號(hào)進(jìn)行有效提取，干擾信號(hào)濾除后能量損失較小，尖峰特征保留較好，峰值下降得也比較小，該算法的干擾抑制效果較為顯著。