(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

基于超聲波的電力電纜局部放電檢測方法的研究

宋哲

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

超聲波在線監(jiān)測技術(shù)可以用來發(fā)現(xiàn)電力電纜電場與磁場的畸變，進(jìn)而為解決電纜發(fā)熱，放電等問題提供技術(shù)支持。利用小波變換來檢測低能量的短時瞬態(tài)變量以及因電纜局部放電而產(chǎn)生的尖波情況，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中膨脹、腐蝕的數(shù)學(xué)集合理論來檢測電纜的噪聲，利用結(jié)構(gòu)元素在圖像范圍內(nèi)平移，同時施加交、并等基本集合運(yùn)算的方法來進(jìn)行局部放電超聲波檢測信號的預(yù)處理，進(jìn)而提取有意義的超聲波局放信號，對不同的噪聲進(jìn)行仿真去噪處理，達(dá)到去噪效果。通過結(jié)合小波理論和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪理論，有效檢測電力電纜局部放電的模式和類型，為問題的早發(fā)現(xiàn)，早處理打下了堅實的基礎(chǔ)。

電力電纜局部放電；超聲波在線檢測；小波變換；數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪

1 引言

局部放電發(fā)生時，分子間會劇烈撞擊，介質(zhì)會隨著聚集的熱量而瞬間體積膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生頻率大于20kHz脈沖壓力波。所產(chǎn)生的脈沖壓力波在介質(zhì)因數(shù)不同的介質(zhì)中傳播時，其傳播速度也不盡相同。由于脈沖壓力波具有球面波的傳播規(guī)律與特性，會在介質(zhì)因數(shù)不同的介質(zhì)交界面產(chǎn)生波的反射和折射現(xiàn)象。帶電檢測時，可以在所需檢測設(shè)備的金屬外殼部分安裝聲電轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過聲電轉(zhuǎn)換電路，把所采集的超聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過對所采集電信號進(jìn)行分析與處理即可得到代表設(shè)備局放電信息的特征量。但是，故障點(diǎn)的噪聲和干擾非常強(qiáng)，它們甚至?xí)蜎]局部放電的超聲波信號，因而需要研究干擾的抑制技術(shù)，采用小波理論來解決信號采集問題，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論來進(jìn)行信號去噪處理。

2 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的信號去噪

2.1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪的數(shù)學(xué)理論分析

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)作為一種非線性信號處理工具，通過獨(dú)特的變換來描述信號的基木特征或結(jié)構(gòu)。形態(tài)學(xué)變換是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論的靈魂，其中數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的膨脹和腐蝕變換是在集合的和與差基礎(chǔ)上所建立起來的，是所有復(fù)合形態(tài)變換或形態(tài)分析的基礎(chǔ)。以后所有的形態(tài)學(xué)變換都可以由膨脹和腐蝕變換的復(fù)合來實現(xiàn)。開運(yùn)算和閉運(yùn)算就都是膨脹和腐蝕的最基本組合。

若A,B∈Zn，集合A關(guān)于矢量b的平移集合(A)b={a+b:a∈A,b∈Z2},則集合的和與差定義為：

(1)

(2)

式中:⊙代表差變換符;⊕代表和變換符。

A關(guān)于B的膨脹定義為：

(3)

A關(guān)于B的腐蝕定義為：

(4)

式中:(A)b是A集合關(guān)于B集合的平移集合;(A)-b是A集合關(guān)于B集合的映像的平移集合。

以數(shù)學(xué)集合論的思想來闡述腐蝕運(yùn)算，實際上就是對結(jié)構(gòu)元素去除異化的運(yùn)算，消除孤立點(diǎn)，異化點(diǎn)，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)元素的基本元素得到很好地控制，消除了無意義的異化元素。膨脹運(yùn)算是腐蝕運(yùn)算的逆運(yùn)算，即把與事件相關(guān)的說有孤立，異化點(diǎn)全部包容到原有的結(jié)構(gòu)元素集合中，充實了現(xiàn)有集合元素，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)元素的多樣性與包容性。在實際運(yùn)用中，基于這些基本運(yùn)算的推導(dǎo)開、閉運(yùn)算是形態(tài)學(xué)的二次運(yùn)算，圖像A對B的開運(yùn)算定義為:

A°B=(AΘB)⊕B

(5)

先經(jīng)過腐蝕運(yùn)算后的結(jié)果再進(jìn)行膨脹運(yùn)算的這種互逆運(yùn)算。其中，結(jié)構(gòu)元素沒有發(fā)生改變的區(qū)域是信息無損區(qū)。無損區(qū)中的結(jié)構(gòu)元素保持原有的特點(diǎn)，屬性不變。同時這種互逆運(yùn)算可以很好的濾除結(jié)構(gòu)元素中的孤立點(diǎn)，異化點(diǎn)，去除邊界毛刺獲得更加平滑的信號結(jié)構(gòu)元素，達(dá)到濾除孤立噪聲的效果。

2.2 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪方法的實際仿真

2.2.1 局部放電信號仿真

局放脈沖具有極快的上升沿，寬度窄，但從電力電纜內(nèi)部傳出，傳感器探頭接收到的信號常已發(fā)生展寬和振蕩。因此，可采用單指數(shù)衰減振蕩波仿真局放信號：

(6)

其中,V為脈沖幅值;t0為脈沖峰值出現(xiàn)時刻，衰減常數(shù)τ取2Us，振蕩頻率取40kHz。使最大值U(t)保持在 1mV 左右，采樣頻率2MHz，0～60s時長的計算機(jī)仿真信號如圖1，其中t0取一任意值18Us。

圖1 局部信號放電超聲波仿真信號

2.2.2 白噪聲仿真

用均值u=0，方差σ=30 的平穩(wěn)高斯隨機(jī)過程描述白噪聲，幅值在局放信號幅值的 0.5以下。圖 2為仿真白噪聲的前 121 點(diǎn)波形。

圖2 白噪聲仿真波形

2.2.3 信號合成

圖3 合成信號波形

2.2.4 信號去噪

采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的去噪方法對信號去噪，首先利用設(shè)定的結(jié)構(gòu)元素對信號進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，然后在對信號進(jìn)行膨脹運(yùn)算。

圖4 去除白噪聲信號波形

3 基于小波變換的超聲波局部放電信號檢測

3.1 小波變換的基本原理

小波變換是建立在空間尺度變換的基礎(chǔ)上，通過空間尺度的伸縮平移發(fā)展而來。同時，小波變換可以分為連續(xù)小波變換和離散小波變換。對于傅里葉變換而言，由于缺少時變信息，容易造成信息元素的泄漏。但對于小波變換來說，結(jié)構(gòu)元素可以進(jìn)行時域與頻域的高分辨分析，避免了信息泄露。

3.1.1 多辯分析

多分辨分析是利用小波變換的方法來實現(xiàn)的。即

在已經(jīng)建立正交小波基的基礎(chǔ)上，將所采集信號進(jìn)行分解，利用小波變換，對時間序列信號進(jìn)行高通，低通逐級濾波，分解出不同空間尺度下的信息分量。其中信息分量包括高頻細(xì)節(jié)分量和低頻平均分量。經(jīng)快速小波變換，信號X(n)在第j分解尺度下K時刻的高頻分量系數(shù)為Dj(k)，低頻分量系數(shù)為Aj(k)，對信號分量進(jìn)行單支重構(gòu)后的采樣頻率為dj(k)，信息頻帶范圍aj(k)為：

dj(k):[2-(j+1)FS,2-jFs]

(1)

aj(k):[0.2-(j+1)Fs],j=1,2,…,M

(2)

式中：Fs為信號的采樣頻率;x(n)則可表示為原始信號序列各分量和，即：

(3)

3.1.1 Mallat快速算法

Mallat快速算法中，利用高低通濾波器來對頻寬相等的信號分量進(jìn)行分解。當(dāng)每次分解后，信號頻譜寬各占原信號頻譜帶寬的1/2，同時信號的采樣頻率也將會降為原來的一半。由于電纜的局部放電大部分集中于低頻頻譜區(qū)域，需要對低頻分量進(jìn)行Mallat快速分解，最終得到所需局放信號低頻段的特征分量。

圖5 Mallat 快速算法原理流程

3.2 基于小波變換的局部放電超聲波信號檢測

在選用超聲波檢測局放信號傳感器時，主要依據(jù)所采納信號的頻譜特性。即不同傳感器的中心頻率不相同，最終的檢測結(jié)果也有較大區(qū)別。經(jīng)驗證，電纜發(fā)生局部放電時，頻率為 40kHz 左右，所以采用頻率為40kHz的主傳感器和輔助采樣頻率為50kHz 的輔助傳感器。為能夠更好地分析，驗證電纜局部放電所產(chǎn)生的超聲波信號的頻譜特性，現(xiàn)選取帶寬范圍從30～250kHz，中心頻率 160kHz的傳感器來進(jìn)行檢測。在距離電極約60cm 處放置滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)的傳感器，隨后調(diào)節(jié)電壓到 7kV，檢測到的超聲波信號如圖6所示。

圖6 局部放電超聲波信號

將示波器采集到的數(shù)據(jù)利用小波變換進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖7可以看出，局部放電信號大部分為低頻信號分量。當(dāng)信號頻譜范圍在40kHz 左右時，擁有的傳播動能能量達(dá)到最大值。信號中心頻率在160kHz 左右時，出現(xiàn)峰值，檢測時傳感器反應(yīng)靈敏。以上兩種現(xiàn)象，充分的反映了超聲波傳感器的頻率特性，實現(xiàn)了對局部放電信號在線檢測的目的。

圖7 局部超聲波信號的頻率圖

4 結(jié)束語

引進(jìn)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中集合論的概念，通過利用集合論中的腐蝕，膨脹的數(shù)學(xué)原理對提取的局放信號進(jìn)行了去噪處理，提出一種可以結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開閉與閉開運(yùn)算來進(jìn)一步優(yōu)化噪聲信號的提取。同時也研究了小波變換的數(shù)學(xué)理論，把所采集的，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)去噪后的高壓電力電纜的局放信號進(jìn)行多分辨小波變換，重復(fù)使用高通，低通濾波器對信號逐步分解，直到提取到局放信號所在的頻譜范圍。通過分析不同的局部放電情況所發(fā)出的超聲波信號波形，能有效檢測電力電纜局部放電的模式和類型，為問題的早發(fā)現(xiàn)，早處理打下了堅實的基礎(chǔ)。

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[2] 廖遠(yuǎn)中.XLPE電纜絕緣故障在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].研究與商討，2007，22(6)：13-17.

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ResearchontheTestMethodofPowerCablePartialDischargeBasedonUltrasonicWaves

SONGZhe

(Electrical Engineering Institute, Northeastern Electric Power University, Jilin 132012,China)

Ultrasonic on-line monitoring technology can be used to find power cable electric field distortion and magnetic field distortion,which has laid a solid foundation of solving the problem such as cable heating and discharge.Wavelet transform is suitable for detecting low energy short transient variable,and also it is an effective method for detecting of sharp wave，finding out the reason of sharp wave.With the help of expansion set theory and the corrosion set theory of mathematical morphology ,which has been used into deceting the noise ,dealing with the noise.Using structural elements within the scope of the image ,at the same time ,utilizing union set,intersection to extract the ultrasound-detection of partial discharge signal preprocessing,accordingly to extract meaningful ultrasonic signal,finally achieving denoisie.Combining wavelet theory and the theory of mathematical morphology denoising，in this essay，can effectively detect the mode and type of power cable partial discharge.For detecting eariler,early dealing with the problems ,which has laid a solid foundation.

power cable partial discharge；ultrasonic on-line monitoring technology；wavelet transform；mathematical morphology denoising

1004-289X(2017)02-0064-04

TM93

B

2016-01-09