葛 天,王玉璽,何浩遠(yuǎn)

（中車成都機(jī)車車輛有限公司,四川 成都 610511）

0 引言

車載變壓器在牽引供電系統(tǒng)中起著重要的作用，保障著列車的穩(wěn)定運(yùn)行。車載變壓器在長期運(yùn)行過程中材料會(huì)出現(xiàn)絕緣劣化，劣化的部位會(huì)發(fā)生局部放電現(xiàn)象[1]，輕微的局部放電會(huì)使得變壓器絕緣性能降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞車載變壓器。檢測車載變壓器的局部放電可以診斷變壓器的運(yùn)行情況，因此開展車載變壓器的局部放電研究很有意義[2]。

超聲波法是一種在線檢測局部放電的方法，能靈敏識(shí)別到局部放電信號(hào)還可以抵抗外界信號(hào)干擾，得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。西安交通大學(xué)的學(xué)者基于超聲波檢測法搭建變壓器模型，利用優(yōu)化算法對變壓器內(nèi)部局部放電位置進(jìn)行了定位[5]，華北電力大學(xué)的錢定冬團(tuán)隊(duì)基于寬帶相干信號(hào)模型，提出了一種針對寬帶相干模型局放信號(hào)的修正MUSIC算法與ISM相結(jié)合的降維DOA估計(jì)算法，對相干信號(hào)和不相干信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別[6]，西南交通大學(xué)的Lijun Zhou基于超聲波檢測法提出了一種考慮絕緣油溫升和變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響的修正迭代法，提高了變壓器局部放電定位的準(zhǔn)確性[7]。西南交通大學(xué)的Junyi Cai基于超聲波檢測技術(shù)同奇異譜分析和獨(dú)立分量分析相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)多源局部放電的定位[8]。超聲波信號(hào)在車載變壓器內(nèi)部傳遞時(shí)，超聲波信號(hào)的傳播途徑會(huì)受到變壓器內(nèi)部構(gòu)造和金屬的影響，形成非直達(dá)波，會(huì)對定位的精確性造成影響。在進(jìn)行局部放電定位時(shí)會(huì)造成誤差，因此有必要在采集到局部放電的超聲波信號(hào)后對直達(dá)波和非直達(dá)波進(jìn)行識(shí)別。

該文先搭建基于超聲波的車載變壓器局部放電的測試平臺(tái)，然后對檢測局部放電的原始超聲波信號(hào)進(jìn)行去噪處理，再提取去噪后的超聲波信號(hào)的特征參數(shù)，基于支持向量機(jī)法辨識(shí)非直達(dá)波和直達(dá)波，結(jié)果表明該方法具有很高的識(shí)別率。

1 獲取車載變壓器局部放電的超聲波信號(hào)

1.1 搭建基于超聲波的局部放電測試平臺(tái)

高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)向局放模型施加電壓產(chǎn)生局部放電信號(hào)，油箱外壁不同位置設(shè)置了超聲波傳感器，超聲波傳感器連接信號(hào)放大器，再將放大后的信號(hào)傳輸?shù)绞静ㄆ魃希诔暡ǖ木植糠烹妼?shí)驗(yàn)平臺(tái)示意如圖1所示，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 基于超聲波的局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖2 基于超聲波的局部放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1.2 利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取超聲波信號(hào)

獲取局部放電的超聲波信號(hào)流程如下：

（1）高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接局部放電模型，箱體外放置超聲波傳感器，傳感器連接放大器后再連接示波器，采集超聲波信號(hào)的波形。

（2）采用階梯升壓法調(diào)節(jié)高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電壓，在示波器處觀察到穩(wěn)定的局部放電信號(hào)時(shí)，此時(shí)停止加壓，并記錄此電壓值，將電壓穩(wěn)定在此值不變，然后按5 s/次的間隔時(shí)間采集超聲波信號(hào)，采集10次。圖3為采集到的原始超聲波信號(hào)。

圖3 采集到的原始超聲波信號(hào)

（3）進(jìn)行后續(xù)波形數(shù)據(jù)處理及分析。

1.3 超聲波信號(hào)的去噪聲處理

在實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶋H的工程中進(jìn)行超聲波信號(hào)的采集時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些噪聲，對后續(xù)處理波形數(shù)據(jù)造成一定的影響。該文采用小波閾值去噪法（Wavelet Threshold Method，WTM），用于濾除白噪聲，獲取去噪后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行后面的分析，去噪的過程如下：

（1）對去噪前的原始超聲波信號(hào)進(jìn)行小波分解變換。時(shí)域信號(hào)f(t)的小波變換為：

式中，a大于0；——小波基函數(shù)。

（2）對小波系數(shù)設(shè)置門限閾值。硬閾值函數(shù)為：

式中，w——變量，λ——閾值。

（3）逆變換小波系數(shù)，然后得到重新構(gòu)造后的去噪超聲波信號(hào)。

獲得去噪后的超聲波信號(hào)如圖4所示。

圖4 去噪后的超聲波信號(hào)

2 局部放電中的非直達(dá)波

2.1 局部放電超聲波的傳播方式

直達(dá)波與非直達(dá)波的定義如下：

（1）當(dāng)超聲波信號(hào)在變壓器內(nèi)部傳播而未受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響而直接傳播到超聲波傳感器時(shí)，此時(shí)傳播路徑為直達(dá)波。

（2）當(dāng)超聲波信號(hào)在變壓器內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)受到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，傳播方式和波形特征發(fā)生改變，此時(shí)的傳播路徑則為非直達(dá)波。

當(dāng)超聲波信號(hào)經(jīng)過變壓器的局部放電源后，通過變壓器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)后，會(huì)改變超聲波傳感器接收超聲波信號(hào)的時(shí)間，影響了波形的特征，則超聲波傳感器可能接收到的是非直達(dá)波。

由于傳播路徑的變化，非直達(dá)波信號(hào)不能真實(shí)反映超聲波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，可能會(huì)造成較大的定位誤差甚至?xí)?dǎo)致虛假定位。因此，直達(dá)波與非直達(dá)波的準(zhǔn)確識(shí)別是保障局部放電高精度定位的前提條件。因此，依據(jù)IEEE Std C57.127-2007，局部放電直達(dá)波與非直達(dá)波具有明顯的波形特征差異[9]，如圖5所示。

圖5 直達(dá)波與非直達(dá)波的時(shí)域信號(hào)圖

2.2 直達(dá)波和非直達(dá)波的識(shí)別

示波器采集到超聲波信號(hào)波形后，提取波形的特征參數(shù)：峰度KM、方根幅值A(chǔ)、余隙因子e，公式分別表示如下：

采用支持向量機(jī)的方法對直達(dá)波與非直達(dá)波進(jìn)行識(shí)別，支持向量機(jī)算法（Support Vector Machine，SVM）被廣泛用于處理故障診斷、模式識(shí)別狀態(tài)評(píng)估等問題，對樣本數(shù)據(jù)少的識(shí)別目標(biāo)具有很高的準(zhǔn)確度，支持向量機(jī)識(shí)別直達(dá)波和非直達(dá)波的流程如下：

（1）提取波形的特征參數(shù)峰度KM、方根幅值A(chǔ)、余隙因子e，將以上三個(gè)特征參數(shù)的向量作為SVM算法的輸入。

（2）提取多組直達(dá)波和非直達(dá)波信號(hào)的特征值參與模型的訓(xùn)練，以此方法來驗(yàn)證SVM算法識(shí)別直達(dá)波和非直達(dá)波的準(zhǔn)確率。標(biāo)簽“1”表示直達(dá)波，標(biāo)簽“0”表示非直達(dá)波。

（3）提取要進(jìn)行識(shí)別的信號(hào)特征參量輸入算法，得到識(shí)別結(jié)果。

該文設(shè)置訓(xùn)練樣本68組（包括直達(dá)波樣本與非直達(dá)波樣本各一半）、要進(jìn)行識(shí)別的測試樣本16組。每次運(yùn)行之前采用randperm函數(shù)打亂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的順序，為了提高識(shí)別結(jié)果的可信度，該文重復(fù)識(shí)別30次，最終取其平均識(shí)別率，識(shí)別結(jié)果如表1所示。直達(dá)波與非直達(dá)波平均識(shí)別率分別為95.61%與94.23%，說明支持向量機(jī)算法能夠有效地辨識(shí)直達(dá)波與非直達(dá)波。

表1 測試樣本識(shí)別結(jié)果

3 結(jié)論

該文通過搭建基于超聲波的車載變壓器局部放電測試平臺(tái)，采用小波閾值去噪法對超聲波信號(hào)進(jìn)行去噪，對去噪后的超聲波信號(hào)提取波形的特征參數(shù)，采用支持向量機(jī)的方法對直達(dá)波與非直達(dá)波進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果表明該文所提方法可以準(zhǔn)確地識(shí)別直達(dá)波和非直達(dá)波。