周朝楓

摘要：當(dāng)溫度過高或工作在高壓狀態(tài)時，變壓器的絕緣能力會下降。文章以固體絕緣介質(zhì)含氣隙缺陷模型為例，通過對變壓器局部放電信號中的常見干擾信號特點進行分析，應(yīng)用小波閾值法濾除白噪聲干擾，應(yīng)用多級聯(lián)數(shù)值濾波器濾除周期性窄帶干擾，并將這兩種方法綜合起來處理混合干擾信號，通過仿真和實測信號的分析和驗證，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：變壓器；局部放電信號；白噪聲干擾；窄帶干擾；組合去噪 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM407 文章編號：1009-2374（2015）28-0011-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.006

1 概述

近些年來各種先進的電力設(shè)備逐漸被應(yīng)用到生產(chǎn)和生活中，對用電質(zhì)量的要求發(fā)生了較大的變化，急需電力部門進行技術(shù)的改革和推進。特別是近些年來，單臺變壓器的容量已經(jīng)不能滿足需求。用電容量大，用電范圍也日益擴大，變壓器負荷的增大加速了變壓器性能的下降，造成大面積的停電，影響正常的生產(chǎn)生活。因此大型電力變壓器的設(shè)計技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)急需提高。大量研究資料表明，電力變壓器在長期運行中，變壓器中采用的絕緣材料的性能會出現(xiàn)較大的變化，如產(chǎn)生氣隙和不同種類的分解物等，嚴(yán)重影響其絕緣性能。一旦變壓器中電場的強度增加到一定程度，就會出現(xiàn)電場被擊穿的現(xiàn)象，從而引起變壓器局部范圍內(nèi)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，所以進行放電信號的檢測能夠有效提高變壓器的使用性能和質(zhì)量，也是變壓器在線檢測的重要內(nèi)容。變壓器工作過程中電和磁的轉(zhuǎn)換非常頻繁，其工作環(huán)境中分布著大量的電磁信號，會對變壓器中的各種信號造成一定的影響，即干擾。再加上局部放電情況不是特別明顯，干擾信號的存在會嚴(yán)重影響放電信號檢測的質(zhì)量，導(dǎo)致變壓器狀態(tài)判斷和評估的失誤，因此必須對變壓器工作過程中的干擾信號進行抑制，提高采集到的變壓器局部電壓信號質(zhì)量，為變壓器運行狀態(tài)的判斷提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)。

2 電力變壓器局部放電機理及干擾分析

由式（3）可知，在相同的運行環(huán)境下，氣隙與固體絕緣介質(zhì)所處場強與其相對介電常數(shù)存在反比關(guān)系。氣隙中的數(shù)值為1，但是絕緣介質(zhì)的值大于1，這也就意味著氣隙放電現(xiàn)象產(chǎn)生的場強大小超過了介質(zhì)本身場強的大小，而氣體發(fā)生擊穿所需要的場強小于絕緣介質(zhì)，所以當(dāng)絕緣材料上所施加的電壓強度達到一定程度后，氣隙會先于絕緣介質(zhì)被擊穿，從而發(fā)生局部放電現(xiàn)象，所以我們可以依據(jù)這個特性進行變壓器絕緣材料性能的分析。變壓器在使用過程中，環(huán)境中存在著不同強度大小的磁場和電場信號，這些信號的存在會影響變壓器局部放電信號的檢測和測量，在這里我們將這些不同強度大小的磁場和電場信號統(tǒng)稱為干擾信號。

3 小波變換對干擾信號抑制的研究

3.1 局部放電信號的小波變換特點

式中：A表示幅值，t1和t2為衰減時間常數(shù)，wd=2pfd為振蕩角頻率，j=tg-1（wd/t2）。將振蕩脈沖信號經(jīng)過小波分解，然后分析小波分解得到的結(jié)果，得到計算過程中需要的小波基，通過對波形信號的對比，我們可以清楚地看到這兩個信號的相似度較高，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗蠡灸軌虻玫皆ㄐ危虼艘氲玫阶罾硐氲奶幚斫Y(jié)果，就必須要根據(jù)被分析信號的特點，選擇跟其波形信號變化情況相似性較高的小波，并且將Daubechies小波函數(shù)作為本次信號分析過程中的基本小波函數(shù)，這樣我們就可以方便地得到被分析信號中各個分量的大小。圖2分別給出了低頻信號和高頻信號的仿真情況，信號波形圖清楚地顯示了信號數(shù)據(jù)跟其分解層數(shù)之間的關(guān)系，二者成反比例關(guān)系，特別是當(dāng)層數(shù)為5時，信號波形出現(xiàn)了較大的變形，對于各個分解層上的低頻信息來說，包括高頻信號中攜帶的數(shù)據(jù)信息以及低頻重構(gòu)信號的信息兩個部分。

3.2 白噪聲的小波變換特點

變壓器局部放電信號中受到的干擾信號均值為0，方差為常數(shù)，屬于隨機噪聲信號的一種，在變壓器工作過程中噪聲信號會發(fā)生比較強烈的振動，但是其振幅的概率密度仍然服從正態(tài)分布。

通過圖3我們可以看到，噪聲信號隨著分解層數(shù)的增加逐漸減弱。所以只要設(shè)置合適的分解層數(shù)就能夠消除放電信號中存在的各種類型的干擾信號。

3.3 連續(xù)性周期型干擾信號的小波變換特點

連續(xù)性周期型干擾是變壓器運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種干擾現(xiàn)象，是電力系統(tǒng)自身產(chǎn)生的，屬于低頻信號的一種；而干擾信號中的高頻帶干擾則是變壓器運行環(huán)境中的廣播、電視或者移動通信信號等造成的。通過對信號頻域分析，我們可以看到整個信號的頻譜比較分散，頻帶的寬度較大，最大的甚至超過了一般信號的2倍以上。為了驗證我們的假設(shè)，我們采用了先進的信號仿真系統(tǒng)對其進行驗證，本次驗證過程中將信號的采樣頻率設(shè)置為60Ms/s，局部放電脈沖幅值為1，并且將變壓器中產(chǎn)生的局部放電信號跟干擾信號做疊加處理，采用的干擾信號的頻率分別為100kHz、200kHz、500kHz、900kHz和1.5MHz，其幅值比為0.5∶0.3∶1∶0.6∶0.8。利用仿真系統(tǒng)優(yōu)秀的仿真性能，對采樣信號進行5層分解，得到信號在不同尺度上的小波分解分量，如圖4所示：

通過圖2和圖4的分析結(jié)果，我們可以看到變壓器工作過程中其局部放電信號跟其小波分解信號具有一定的差異性，且干擾信號和信號分解過程中選擇的分解層數(shù)大小無關(guān)，不論采用幾層分解，信號的能量都分布在跟其信號頻率相關(guān)的幾個尺度上，在進行信號干擾抑制設(shè)計過程中我們就利用了這個特性，實現(xiàn)了對干擾信號的抑制。

4 白噪聲和窄帶干擾組合的信號抑制

前面分別分析了局部放電信號、白噪聲、周期性干擾信號的小波變換的特點區(qū)，但是在真正的信號測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)采集到的信號同時包括了多種類型的干擾信號以及變壓器產(chǎn)生的局部放電信號，所以在進行信號干擾抑制設(shè)計過程中要充分考慮不同干擾信號的特點，采用合適的信號處理方法對干擾信號進行處理，如干擾信號中的白噪聲，其變化比較平緩，在進行信號處理過程中得到的信號分解系數(shù)較小，只要用戶設(shè)置一個合適的信號處理閾值就能夠?qū)崿F(xiàn)對白噪聲信號的快速抑制。而窄帶周期干擾具有與局部放電信號類似的瞬變特點，經(jīng)小波閾值處理后，仍然有較多的雜波殘留。由于陷波器對頻率已知的信號具有較好的干擾信號濾除性能，所以在本次設(shè)計過程中，我們選擇了IIR格型陷波器，并且利用優(yōu)秀的小波閾值算法實現(xiàn)了對變壓器局部放電信號中噪聲信號的濾除。組合濾波結(jié)構(gòu)流程圖如圖5所示：

4.1 干擾抑制仿真效果分析

實驗過程中我們將信號的采樣頻率設(shè)置為60Ms/s。假定變壓器中產(chǎn)生局部放電信號的幅值為A1，然后將其跟幅值分別為A2和A3的干擾信號進行疊加。圖6是SNR=0.25（信噪比）局部放電混合波形組合去噪結(jié)果。

通過圖6我們可以看到，當(dāng)采集信號中噪比達到0.25時，變壓器局部放電信號會直接被噪聲信號覆蓋。但是經(jīng)過組合濾波處理后，能夠真實地還原變壓器中的局部放電情況。

4.2 組合方法對實測信號的干擾抑制效果分析

本次實驗信號的采樣頻率為10Ms/s，T為0.02s，這就意味著每個T時間內(nèi)需要采集20萬個放電信號數(shù)據(jù)。圖7中給出了采樣信號不同處理后的功率譜圖。從圖7中可以看出經(jīng)過傅里葉處理后的信號功率譜圖中能夠真實地看出局部放電信號中存在的干擾信號頻率，然后對其頻率范圍進行分析，我們可以獲得該干擾信號主要是中波廣播信號。從圖7中數(shù)據(jù)我們可以看出，經(jīng)過組合濾波以后，局部放電信號中的干擾信息得到了有效的抑制。

5 結(jié)語

局部放電信號是一種持續(xù)時間短、幅值小的脈沖信號。實際測量信號中，包含白噪聲和窄帶干擾等干擾信號。白噪聲變化平緩，幅值波動較小，窄帶干擾信號與局部放電信號有相似的瞬變性。對多種不同類型的干擾同時與局部放電信號混合時，單純使用一種抑制干擾的方法很難達到理想的效果。針對實測信號中主要包含的白噪聲和窄帶干擾，使用小波閾值法和多級2階陷波器級聯(lián)的組合方法能達到較好的效果。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）