孟 想，趙 曄

(延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

現(xiàn)如今在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢下，電力系統(tǒng)供應(yīng)電能的需求日漸提升[1]，配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，而配電網(wǎng)能否穩(wěn)定的運(yùn)行是當(dāng)下電能供應(yīng)的核心所在。配電網(wǎng)電纜線路絕緣性能的好壞決定著配電網(wǎng)的運(yùn)行效果，大多數(shù)供電事故中，因配電網(wǎng)電纜線路造成的事故大約占據(jù)50%以上，其余電纜線路由于線路絕緣被擊穿，導(dǎo)致線路出現(xiàn)單相接地故障，從而給電力供能帶來一定影響。

配電網(wǎng)在運(yùn)行期間內(nèi)部存有數(shù)量龐大的絕緣部件[2]，由于供電需求較大，導(dǎo)致配電網(wǎng)在運(yùn)行過程中對絕緣子生成外部環(huán)境因素及內(nèi)部因素等影響，致使絕緣子出現(xiàn)老化、交界面缺陷、劣化等現(xiàn)象。因此，為了降低絕緣子給配電網(wǎng)電纜線路帶來的影響，需要對配電網(wǎng)電纜線路絕緣子進(jìn)行檢測。部分研究者基于電場分布測量法原理設(shè)計了一種操作簡便、成本低廉、適用性強(qiáng)的絕緣子帶電檢測裝置，通過ANSYS有限元軟件仿真計算了檢測裝置自身、劣化絕緣子位置和缺陷類型對絕緣子串電場分布的影響，并利用相鄰作差法進(jìn)一步處理電場畸變數(shù)據(jù)，完成配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測[3]。但是研究發(fā)現(xiàn)，目前對絕緣子檢測的方法存有不足，例如檢測安全性差、準(zhǔn)確度低等。為了防止電纜線路絕緣子檢測不精，本文提出了微波反射法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法。

1 配電網(wǎng)電纜絕緣信號去噪算法

在配電網(wǎng)采集的信號數(shù)據(jù)中，大多電網(wǎng)信號都存有噪聲，為了提升配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測的精準(zhǔn)度，應(yīng)優(yōu)先處理采集后的配電網(wǎng)信號。

1.1 基于小波變換分析的絕緣信號濾波

配電網(wǎng)電纜線路絕緣頻率信號主要通過時空信號向傅立葉轉(zhuǎn)換，從中獲取頻域最大分辨率。小波變換屬于時頻分析方法[4]，能夠以多種方面分析配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號。利用小波分析法對絕緣信號進(jìn)行濾波，再對濾波后的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，具體操作如下所示[5-7]。

當(dāng)a、b持續(xù)變化時，ψa，b(t)是通過移位及伸縮后得到的小波變換基本函數(shù)。這時給出配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號f(t)，使其滿足于f(t)∈L2(R)，那么配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號f(t)的小波變換方程為：

(1)

式中，t與a、b相同，都是不斷產(chǎn)生變化的常數(shù)；Wf(a，b)為小波變換；a為尺度因子；b為時移因子；ψ(t)為母小波函數(shù)，當(dāng)其發(fā)生變化時會自動生成新的函數(shù)，即ψa，b(t)，它也屬于小波基函數(shù)[8-12]。

在眾多函數(shù)中，既是實(shí)函數(shù)又是復(fù)函數(shù)的函數(shù)不占少數(shù)，母小波ψ(t)就是其中之一。當(dāng)配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號f(t)為實(shí)信號時，母小波ψ(t)就是實(shí)函數(shù)，同理Wf(a，b)也為實(shí)函數(shù)，若配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號f(t)為復(fù)信號時，Wf(a，b)就是復(fù)函數(shù)[13-15]。

在方程(1)中，f(t)的具體時間位置主要由變量b來描述，變量b也是時間中心。在尺度因子a的影響下，線路伸縮時通過ψ(t)來描述，這時ψ(t)就會轉(zhuǎn)換成ψ(t/a)。若a>0，那么a的取值越大，ψ(t/a)在時域的支撐范圍就越廣；反之，若a<1，那么a的取值越小，這時ψ(t/a)的寬度就會變小[16-18]。通過上述分析可知，配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號f(t)的中心位置及時間寬度主要由a、b的變量取值來決定。

根據(jù)上述操作流程，完成基于小波分析法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣線路信號初步濾波，采用自適應(yīng)盲源分離法對濾波后的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號的去噪處理[16-18]。

1.2 配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號去噪

將濾波后的信號序列對信號進(jìn)行自適應(yīng)，那么輸出的序列就與原始序列距離相近，從而完成對信號的去噪。

假設(shè){X(k)}(k=±1，±2，…)是信號平穩(wěn)發(fā)展的過程，同時具有n階矩，X(k)在非高斯情況下的平穩(wěn)隨機(jī)過程中，n階累積量定義為：

(2)

首先以四階累積量為主，建立出自適應(yīng)盲源分離法的系統(tǒng)模型，設(shè)置在第k時刻時，原始信號由s(k)描述，b(k)為沖擊響應(yīng)，g(k)為加性高斯白噪聲序列，j(k)為數(shù)據(jù)序列，e(k)為濾波器的沖擊響應(yīng)；參考系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)由f(k)表示；x(k)為源信號，y(k)為參考系統(tǒng)輸出。

令系統(tǒng)模型中存有單輸入單輸出BE系統(tǒng)模型，假設(shè)用S表示單個隨機(jī)變量，若S的均值等于0，那么源信號路過信道時，它的過程利用方程表達(dá)式表示為：b(k)=[b(0)b(n)]，n為濾波階數(shù)。當(dāng)線性失真后，將信號與0均值高斯信號相互混合，從而建立出另一個混合信號，即jk=b(k)*s(k)+g(k)。其中，*為卷積算子。

當(dāng)線性均衡器有混合信號經(jīng)過時，需要重新對平衡信號進(jìn)行建立，為了確保信號恢復(fù)正常，應(yīng)構(gòu)建出只有非0幅值分量的脈沖均衡組合：

u(k)=b(k)*e(k)=δ(k-k0)

(3)

式中，k為時間延遲；δ(k)為狄克拉δ函數(shù)。

將平衡信號合并后，通過均方誤差將其定義為：

MSE(e，k0)=E[x(k)-s(k-k0)]2

(4)

式中，MSE為均方誤差。

利用自適應(yīng)盲源分離法對濾波后的信號進(jìn)行去噪，以此提升了配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號在線檢測過程中的準(zhǔn)確性[19]。

2 微波反射法在線檢測配電網(wǎng)電纜絕緣

通過對配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號進(jìn)行去噪處理，增強(qiáng)了配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號的精準(zhǔn)度，采用微波反射法對配電網(wǎng)電纜線路絕緣進(jìn)行在線檢測，以此實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法[20]?；谖⒉ǚ瓷浞ǖ脑诰€檢測裝置如圖1所示。

圖1 基于微波反射法的在線檢測裝置Fig.1 On line detection device based on microwave reflection method

微波向電纜線路絕緣子射入時，射入的交界面會對信號強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此根據(jù)它的傳播過程，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路絕緣檢測。微波反射傳播過程如圖2所示，微波反射情況如圖3所示。

圖2 微波反射傳播過程Fig.2 Microwave reflection propagation process

圖3 微波反射情況Fig.3 Microwave reflection

當(dāng)平面波射入時，設(shè)置空氣介電常數(shù)為ε0，介電常數(shù)為ε1，磁導(dǎo)率為μ0。厚度為d的單層介質(zhì)具有2個交界面：界面1和界面2。在界面1中，入射波參數(shù)有電場強(qiáng)度Ei0、磁場強(qiáng)度Hi0、入射角θi0；透射波參數(shù)有電場強(qiáng)度Et1、磁場強(qiáng)度Ht1、透射角θt1。界面2內(nèi)，共有透射波和反射波2種。透射波的參數(shù)基本有電場強(qiáng)度Ei2、磁場強(qiáng)度Hi2、入射角θi2；反射波參數(shù)有Er2、磁場強(qiáng)度Hr2、入射角θr2。

當(dāng)界面2向界面1的反射波發(fā)射時，界面1在反射期間反射波的參數(shù)分別為：電場強(qiáng)度Er1、磁場強(qiáng)度Hr1、入射角θr1。它的總反射電磁波Er0、磁場強(qiáng)度Hr0、入射角θr0。通過交界面的電磁波邊界條件，列舉出下列方程，定義為：

(5)

為了取得微波在傳播過程中的特征矩陣M，需要引入方程k1=cosθi2/η1，這時方程表達(dá)式為：

(6)

式中，j為虛數(shù)單位；E1、H1為界面1的切向分量；E2、H2為界面2的切向分量。

依據(jù)多層介質(zhì)，在第p層介質(zhì)層中，Ep和Hp為電場與磁場之間的切向分量，Mp為特征矩陣，則配電網(wǎng)電纜線路的反射率r和透射率t，即：

(7)

式中，Et(n+1)為透射波電場分量；k0=cosθi1/η0。將其代入一組配電網(wǎng)電纜線路絕緣子數(shù)據(jù)，根據(jù)分析可知，若絕緣子界面存在欠缺，那么就會對微波反射率造成影響，使反射波強(qiáng)度的改變效果增大，從而檢測出配電網(wǎng)電纜線路絕緣存有缺陷，以此實(shí)現(xiàn)微波反射法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法。

綜上所述，微波反射法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法的具體流程如圖4所示。

圖4 絕緣在線檢測流程Fig.4 Insulation on-line detection process

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗證微波反射法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法的整體有效性，選取C城市的配電網(wǎng)電纜線路絕緣子作為測試對象，根據(jù)區(qū)域的不同將C城市劃分成多個不同的測試區(qū)域，對配電網(wǎng)電纜線路絕緣進(jìn)行測試分析。測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 測試現(xiàn)場Fig.5 Test site

(1)選取厚度分別為1～6 mm、7～12 mm的硅橡膠平板，對配電網(wǎng)電纜線路絕緣檢測的信號強(qiáng)度進(jìn)行模擬測試，實(shí)驗測試分為2個階段，對比本文所提方法在信號去噪前后的信號強(qiáng)度。具體測試結(jié)果見表1。

由表1可知，第1階段，硅橡膠的厚度為1～6 mm，在此期間，所提方法未進(jìn)行信號去噪前，它的信號強(qiáng)度持續(xù)在0.8 V以下，對其進(jìn)行信號去噪后，信號強(qiáng)度增強(qiáng)，持續(xù)在0.8～1.0 V，可見所提方法去噪后信號強(qiáng)度有著顯著的提升。根據(jù)第2階段中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅橡膠厚度為7～12 mm時，所提方法去噪前后的信號強(qiáng)度都隨著硅橡膠厚度的增加而逐漸降低。但從整體來看，所提方法的下降速度較快，而去噪后下降速度遲緩，信號強(qiáng)度高，由此可知所提方法去噪后，無論在哪種階段進(jìn)行測試，其信號強(qiáng)度都處于最高狀態(tài)。綜上所述，所提方法經(jīng)去噪后它的信號強(qiáng)度始終保持最高，這是因為所提方法利用自適應(yīng)盲源分離法對信號進(jìn)行去噪處理，以此提升了配電網(wǎng)電源線路絕緣信號的精準(zhǔn)度，進(jìn)而增強(qiáng)了配電網(wǎng)電纜線路絕緣信號強(qiáng)度。

表1 不同階段下本文方法的信號強(qiáng)度測試Tab.1 Signal strength test of method in this paper at different stages

(2)為了驗證配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測的精準(zhǔn)度，采用本文所提方法對絕緣子進(jìn)行檢測，針對不同缺陷尺寸對反射信號強(qiáng)度帶來的影響，首先需要對缺陷尺寸進(jìn)行設(shè)置，再利用所提方法對其進(jìn)行缺陷讀數(shù)偏移量測試。具體測試結(jié)果見表2。

表2 缺陷讀數(shù)偏移量的影響Tab.2 Influence of defect reading offset

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷深度不斷增多時，所提方法的缺陷讀數(shù)偏移量也在持續(xù)提升，但在測試期間，所提方法的偏移量持續(xù)保持在1 V以下，說明缺陷深度給所提方法帶來的影響較小，致使所提方法的缺陷讀數(shù)偏移量上升速度緩慢。

(3)在上述實(shí)驗測試的基礎(chǔ)上，針對無缺陷配電網(wǎng)電纜線路絕緣子進(jìn)行讀數(shù)偏移量測試，設(shè)置正常的讀數(shù)在0～1.2 V。基于本文所提方法，根據(jù)設(shè)置的固定閾值范圍，若檢測結(jié)果在設(shè)置范圍內(nèi)，說明此次檢測沒有出現(xiàn)偏移，若超出設(shè)置范圍，說明檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差較大。測試結(jié)果見表3。

表3 無缺陷絕緣子的讀數(shù)偏移量測試Tab.3 Reading offset test of non-defective insulators

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在7次實(shí)驗測試中，本文所提方法的讀數(shù)偏移量一直處于設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，說明在測試期間所提方法的檢測結(jié)果沒有出現(xiàn)偏移，表明所提方法的準(zhǔn)確率較高。

4 結(jié)論

在我國電能需求極高的形勢下，配電網(wǎng)電纜線路的絕緣性起到?jīng)Q定性作用，它影響著配電網(wǎng)的運(yùn)行效果。針對配電網(wǎng)電纜線路絕緣檢測存在的問題，提出微波反射法的配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法。該方法首先采用小波變換分析法對絕緣信號進(jìn)行濾波，利用自適應(yīng)盲源分離法對濾波后的信號進(jìn)行去噪，以此提升信號精準(zhǔn)度，通過微波反射法對配電網(wǎng)電纜線路絕緣進(jìn)行在線檢測，實(shí)現(xiàn)檢測方法。該方法對配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法的有效性有著顯著提升，在今后配電網(wǎng)電纜線路絕緣在線檢測方法中占據(jù)著重要地位。