電力設(shè)備局部放電測量中抗干擾研究的現(xiàn)狀和展望

1、電力設(shè)備局部放電測量中抗干擾研究的現(xiàn)狀和展望 返回相關(guān)信息首頁王曉蓉 ， 楊敏中 ， 嚴(yán) 璋（ 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 ， 陜西省西安市 710049 ） 摘要 ：綜述了國內(nèi)外電力設(shè)備局部放電測量中抗干擾研究的現(xiàn)狀。討論了局部放電信號的特性以及常見干擾的類型、特點(diǎn)和傳播途徑；分頻域開窗、時域開窗和時頻分析 3 類，詳細(xì)介紹了現(xiàn)有的抗干擾措施，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍；為了定量地評價干擾的抑制性能，以實(shí)現(xiàn)去噪的最優(yōu)化，給出了幾種表征抗干擾效果的特征量；最后展望了今后抗干擾研究的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞 ：電力設(shè)備；局部放電；抗干擾 1 引言 隨著電力設(shè)備電壓等級的提高和各種有機(jī)絕緣材料的廣泛應(yīng)用

2、，電力設(shè)備的局部放電問題越來越突出。局部放電既是設(shè)備絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的重要原因，因此對局部放電進(jìn)行有效的離線或在線檢測對于電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。 局部放電的過程除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會產(chǎn)生電磁輻射、超聲、發(fā)光、發(fā)熱以及出現(xiàn)新的生成物等。因此針對這些現(xiàn)象，局部放電檢測的基本方法有電氣測量法（包括脈沖電流法和無線電干擾法）、聲測法、光測法和化學(xué)檢測法等 1 ， 2 。其中脈沖電流法由于其具有以下優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用： 放電電流脈沖信息含量豐富，可通過電流脈沖的統(tǒng)計特征（如 q n 譜圖）和實(shí)測波形來判定放電的嚴(yán)重程度，進(jìn)而運(yùn)用現(xiàn)代分析手段了解絕緣劣化的

3、狀況及其發(fā)展趨勢； 對于突變信號反應(yīng)靈敏，易于準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)故障； 易于定量。國內(nèi)不少單位研制的局部放電檢測裝置普遍采用這種方法來提取放電信號，但實(shí)際應(yīng)用效果往往不夠理想，主要原因是現(xiàn)場噪聲干擾太大，以至很難獲取真正的局部放電信號。有效地削弱和抑制干擾是提高局部放電檢測裝置檢測效果的重要保證，在此方面已有很多方法，有的已應(yīng)用于監(jiān)測系統(tǒng)，但仍有不少測量設(shè)備抗干擾措施還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用化，難以確保系統(tǒng)的可靠性，其檢測靈敏度也有待提高。 2 局部放電信號和干擾的特性分析 在實(shí)際測量中，局部放電信號表現(xiàn)出不同的特征，干擾信號更多種多樣。了解局放信號和干擾的特征、來源和傳播途徑，才能有針對性地選取合適的處理

4、方法，有效地抑制干擾，減小信號的失真，達(dá)到去噪的目的。 2.1 局部放電信號的特性局部放電根據(jù)發(fā)生的位置和機(jī)理不同，通?？煞譃?6 種類型 3 ： 絕緣內(nèi)部局部放電，包括介質(zhì)內(nèi)部或介質(zhì)與電極之間的氣隙放電； 沿介質(zhì)表面的電場強(qiáng)度達(dá)到起始放電場強(qiáng)時產(chǎn)生的表面放電； 被氣體或液體包圍的高壓導(dǎo)體附近發(fā)生的電暈放電； 在固體介質(zhì)內(nèi)由于存在尖銳導(dǎo)體或氣隙而引起的電樹枝的發(fā)展所產(chǎn)生的局部放電； 在高壓設(shè)備中或在其附近，由于某部位接地不良而產(chǎn)生的懸浮放電； 由于試樣中導(dǎo)體接觸不良或接地不良引起的接觸放電。 幾乎所有的高壓電氣設(shè)備，如電力變壓器、汽輪發(fā)電機(jī)、氣體絕緣裝置（ GIS ）等都存在局部放電問題。不同

5、的電氣設(shè)備，其局放的類型和特點(diǎn)不同。如在變壓器等油紙絕緣設(shè)備的局放檢測中，主要檢測的是內(nèi)部放電和表面放電。這兩者的波形特征基本相似，具有如下特征 4 ： 起始放電總是首先出現(xiàn)在外施電壓的瞬時值上升接近 90 或 270 相位處，隨著外施電壓的升高出現(xiàn)放電脈沖的相位范圍逐漸擴(kuò)展，可能超過 0 和 180 ，但在 90 和 270 之后的一個相位內(nèi)不會出現(xiàn)放電脈沖； 各次的放電量大小不等，疏密度不均勻，放電量小的時間隔時間短，放電次數(shù)多，放電量大的間隔時間長，放電次數(shù)少； 正負(fù)半周的放電波形不對稱。而大型發(fā)電機(jī)主要檢測的是內(nèi)部放電、端部放電和槽放電，其波形特征表現(xiàn)為 5 ： 放電往往出現(xiàn)在外施電壓

6、的 0 90 、 180 270 相位上； 內(nèi)部放電正負(fù)半周放電脈沖幅值基本相同，對稱性好；端部放電正負(fù)半周放電脈沖極不對稱，正脈沖幅值大，所占相位寬度窄；而槽放電剛好與端部放電相反，負(fù)脈沖幅值大，所占相位寬度窄。這些特征有利于進(jìn)行局放定位。而 GIS 內(nèi)充有高壓 SF 6 氣體，局放總是先在很小的范圍內(nèi)發(fā)生，具有極快的擊穿時間特征，放電脈沖上升沿很陡，包含很多高頻分量 6 ；而且 GIS 中局放產(chǎn)生的電磁波與通常的波傳播方式不同，以波導(dǎo)方式傳播，高頻信號衰減很小，目前特高頻法已較成功地應(yīng)用于 GIS 局放的檢測。 2.2 干擾特性 2.2.1干擾的分類 局部放電測量中的干擾信號是多種多樣的，

7、按頻帶可分為窄帶干擾和寬帶干擾，而按其時域波形特征可分為連續(xù)的周期性干擾、脈沖型干擾和白噪 3 類 4 。 連續(xù)的周期性干擾包括： 電力系統(tǒng)載波通信和高頻保護(hù)信號引起的干擾； 無線電干擾。此類干擾的波形通常是高頻正弦波，有固定的諧振頻率和頻帶寬度。 脈沖型干擾信號包括： 供電線路或高壓端的電暈放電； 電網(wǎng)中的開關(guān)、晶閘管整流設(shè)備閉合或開斷引起的脈沖干擾； 電力系統(tǒng)中其他非檢測設(shè)備放電引起的干擾； 試驗線路或鄰近處的接地不良引起的干擾； 浮動電位物體放電引起的干擾； 設(shè)備的本機(jī)噪音和其他的隨機(jī)干擾。此類干擾在時域上是持續(xù)時間很短的脈沖信號，而在頻域上是包含多種頻率成分的寬帶信號，具有與局部放電信

8、號相似的時域和頻域特征。 白噪包括各種隨機(jī)噪聲，如變壓器繞組的熱噪聲、配電線路及變壓器繼電保護(hù)信號線路中由于耦合進(jìn)入的各種噪聲以及監(jiān)測線路中的半導(dǎo)體器件的散粒噪聲等。理論上，白噪干擾的功率譜為恒定常數(shù)，分布在整個頻段上；而在實(shí)際應(yīng)用中，若其頻譜在較寬頻段上為連續(xù)平緩的即可認(rèn)為是白噪聲。2.2.2干擾的傳播途徑 電氣設(shè)備，特別是大型發(fā)電機(jī)和變壓器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，干擾可通過傳導(dǎo)、感應(yīng)、輻射等多種耦合方式從多個路徑侵入。 如對變壓器主要有以下幾種干擾入侵途徑 7 ： 所有的窄帶信號（系統(tǒng)高次諧波、載波通信、無線電通信和高頻保護(hù)）、線路和絕緣電暈放電、其他電氣設(shè)備內(nèi)部放電、開關(guān)設(shè)備動作產(chǎn)生的脈

9、沖性放電或各種沖擊波（雷電波、操作波）產(chǎn)生的高頻電流脈沖等主要通過高壓線路以傳導(dǎo)方式進(jìn)入變壓器。 晶閘管整流、換流器和靜止無功補(bǔ)償器中的電力電子器件動作等引起的強(qiáng)大的周期性脈沖干擾和電弧爐等產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲和脈沖，干擾主要從變壓器的低壓側(cè)以傳導(dǎo)的方式侵入。 晶閘管或其它開關(guān)類器件動作產(chǎn)生的脈沖信號、各種電機(jī)產(chǎn)生的電弧放電及配電線路中存在的大量隨機(jī)噪聲等通過風(fēng)機(jī)、潛油泵和變壓器控制柜的動力電纜或各種信號電纜以電容耦合或直接傳導(dǎo)引入。這些干擾統(tǒng)稱為由變壓器配電線路引入的二次干擾。 當(dāng)變壓器多點(diǎn)接地時各接地線構(gòu)成環(huán)形天線，耦合引入各種空間干擾、地網(wǎng)干擾等。 干擾侵入發(fā)電機(jī)的路徑主要有 8 ： 勵磁供電

10、系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾和由于碳刷與滑環(huán)之間接觸不良所產(chǎn)生的火花放電往往從電機(jī)的勵磁側(cè)引入； 與電機(jī)相連的設(shè)備產(chǎn)生的干擾從連接導(dǎo)線處引入； 無線電干擾和其它隨機(jī)性干擾通過空間輻射方式引入。深入了解干擾進(jìn)入電力設(shè)備的途徑，對于選擇最佳的監(jiān)測點(diǎn)具有較大的參考價值。對某些干擾也可通過切斷干擾途徑來抑制。當(dāng)然對絕大多數(shù)干擾來說，仍主要靠有效的抗干擾措施來抑制。 3 抗干擾措施 干擾是多樣的，表現(xiàn)出的特性也不同，用一種方法來有效地抑制所有的干擾是不可能的，針對不同的干擾源，需采取不同的措施，綜合運(yùn)用，達(dá)到抗干擾的目的。抑制干擾的措施有消除干擾源、切斷干擾途徑和干擾的后處理 3 種方法 2 。對于因系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)引起

11、的各種噪聲，可以通過改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計電路、增強(qiáng)屏蔽等加以消除；保證測試回路各部分良好連接，可以消除接觸不良帶來的干擾；提供一點(diǎn)接地，消除現(xiàn)場的弧立導(dǎo)體，可以消除浮動電位物體帶來的干擾；通過電源濾波可以抑制電源帶來的干擾；屏蔽測試儀器，可以抑制因空間耦合造成的干擾。而對于其他的通過測量傳感器進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)的干擾，則需要通過各種硬件和軟件的方法，進(jìn)行干擾的后處理來抑制。這些措施主要包括頻域開窗和時域開窗。頻域開窗利用周期型干擾在頻域上離散的特點(diǎn)對其加以抑制；時域開窗利用脈沖干擾在時域上離散的特點(diǎn)來消除。對于這兩種處理方法，應(yīng)采用頻域開窗在前、時域開窗在后的原則。近年來，小波分析的發(fā)展，又開辟了

12、通過時頻分析來抑制干擾的新思路。 3.1 頻域開窗 頻域開窗硬件是利用選擇合適頻帶的窄帶電流傳感器和采用程控帶通濾波電路躲過各種連續(xù)的周期性干擾。但它往往只適合于某一個具體的變電站，使用上不靈活，并且在安裝前須經(jīng)過細(xì)致的試驗以選擇最佳的頻帶。此外，由于局部放電是一種頻帶很寬的脈沖，窄頻帶測量只能獲得其中很小一部分能量，并且會造成檢測波形的嚴(yán)重畸變 2 。由于現(xiàn)場的干擾頻譜較低，用特高頻法能有效地抑制干擾，因此該方法已成功地用于 GIS 局放檢測 6，10，并嘗試在旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、電力電纜等的局放檢測中使用。 軟件上進(jìn)行頻域開窗即采用各種數(shù)字濾波方法，如 FFT 濾波、自適應(yīng)濾波、非自適應(yīng)濾波

13、、多通帶濾波等。文獻(xiàn) 7 在對變電站現(xiàn)場測得的干擾信號分析發(fā)現(xiàn)載波干擾和無線電干擾等窄帶干擾占很大比重，提出了采用多帶通濾波器來對此進(jìn)行抑制；但由于局放信號很微弱，剩余的百分之幾的干擾信號仍將對局放檢測產(chǎn)生很大的影響。印度的 V Nagesh 9 等人從干擾抑制比、波形畸變等方面對各種數(shù)字濾波方法作了評估，認(rèn)為在各種方法中，使用級聯(lián)的二階 IIR 點(diǎn)陣陷波固定系數(shù)濾波器是最佳的方法，具有對周期性干擾抑制比高、對局放脈沖波形畸變最小、對脈沖干擾穩(wěn)定性好以及處理時間少等優(yōu)點(diǎn)。但這種濾波器對于多諧波成分的周期型干擾存在參數(shù)調(diào)整困難、濾波時間長、占用內(nèi)存大等問題，文獻(xiàn) 4 針對這些問題提出了直接陷波濾

14、波法，但并不能完全解決上述問題。 3.2 時域開窗 時域開窗分硬件和軟件兩類。硬件方法主要有差動平衡法和脈沖極性鑒別法 4 ，用于變壓器和大型電機(jī)的局放檢測。二者都是利用在兩個測量點(diǎn)間外來脈沖同極性、而內(nèi)部局放脈沖則表現(xiàn)出反極性這一特征，來抑制外部干擾脈沖。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于進(jìn)入的兩種脈沖干擾的來源和途徑不同，導(dǎo)致兩路脈沖干擾在相位、幅值和波形上都有很大的差別，也會導(dǎo)致測得的兩路脈沖不符合對干擾極性相同、對局放極性相反的規(guī)律，無法有效地抑制干擾。我國有人提出多端調(diào)節(jié) 定向耦合差動平衡法 11 ：首先通過多端調(diào)節(jié)抑制相間干擾，再通過差動平衡處理抑制本相干擾。這一改進(jìn)雖然有一定的效果，但并不能從

15、根本上彌補(bǔ)其缺陷。 軟件的時域開窗包括直接的時間軸處理和相域處理2。直接的時間軸處理包括軟件的差動和極性鑒別，以及借助超聲波信號識別脈沖干擾等；它可以抑制隨機(jī)脈沖型干擾和周期脈沖干擾。相域處理則是將來采集的時域局放信號變換到工頻相域 0 360中，利用周期脈沖型干擾相位固定的特點(diǎn)采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯將其消除 12 。印度的 V.Nagesh 等人提出了另外一種消除周期脈沖型干擾的算法 13 ，首先對采集的幾個工頻周期時域信號按照一定的算法進(jìn)行脈沖識別，分辨出一個脈沖，利用 FFT 在頻域上對各個脈沖波形進(jìn)行相關(guān)計算，以判斷各個脈沖波形的相似形。將相似波形的脈沖分成一組，得到許多組脈沖，再根

16、據(jù)這些組脈沖分別繪制成相應(yīng)的 N 圖。由于周期脈沖型干擾波形一致，且分布在固定相位上，每一種周期脈沖型干擾對應(yīng)于一個 N 圖，這樣就很容易被識別出來，從時域波形中將其消除，得到只剩下局放脈沖的時域波形。該算法還可用來研究脈沖時間間隔分布以及識別變壓器中不同放電點(diǎn)引起的局放脈沖，有可能成為在線檢測局部放電數(shù)字處理的一種通用算法。 3.3 時 頻分析 無論信號的時域波形還是頻域波形都包含著信號的全部信息，但有些信號，如周期性信號，頻域特征明顯；有些信號，如離散性信號，則時域特征明顯；而更多的信號單從時域或頻域來分析，往往只能了解信號的部分特性，只有同時從時域和頻域兩方面來看，才能對信號有更清晰和全

17、面的了解。各種時頻分析方法，特別是近年來發(fā)展起來的小波分析為局放去噪研究提供了新的強(qiáng)有力的工具 14 16 。 S.Mallat 在分析了信號沿不同尺度的傳遞特性的基礎(chǔ)上，提出了一種有效去除白噪聲的方法模極大值法 14 。其主要思路是：信號和白噪聲具有不同的小波分析特性，白噪聲的模極大值點(diǎn)隨尺度的減小急劇增加，而信號的模極大值點(diǎn)隨尺度變化不大，這樣可以認(rèn)為在某一較大的尺度上模極大值點(diǎn)主要是信號的；根據(jù)模極大值點(diǎn)的傳遞特性，保留信號對應(yīng)的模極大值點(diǎn)，通過反變換就可獲得去噪后的信號。該方法僅對去除白噪聲有效，而且需要進(jìn)行十幾次交錯投影，計算速度慢。文獻(xiàn) 15 針對載波通信干擾，提出了 3 種基于小

18、波變換的放電脈沖提取方法：二次小波變換法、小波反變換法和小波包變換法。它們都是通過小波變換，把信號分解到不同的頻段，把干擾所在的頻段置零，從而提取放電信號。這 3 種方法實(shí)際上就是一種帶通濾波方法，不同之處僅在于如何獲得各頻帶的信號和如何恢復(fù)原信號。美國斯坦福大學(xué)的 Donoho 和 Johnstone 教授提出了一種基于小波變換門限值的去噪聲方法 16 ，他們稱作 “Wavelet Shrinkage” 。經(jīng)過深入的理論分析，他們給出了 4 種門限值的選取方法：通用門限值、 Stein 無偏風(fēng)險門限值、試探法的 Stein 無偏風(fēng)險門限值和最大最小門限值。該方法對去除白噪聲和載波干擾都有效，

19、而且實(shí)現(xiàn)容易、運(yùn)算量小。 4 表征去噪聲效果的特征量 干擾抑制的目的在于提高信噪比。在數(shù)字信號處理中對于含有加性噪聲的信號 x （ n ） s （ n ） u （ n ），信噪比 SNR 定義為 17 SNR 10 lg （ P s P u ），其中 P s 為信號的功率， P u 為噪聲的功率。 在局部放電測量中，由于局部放電脈沖持續(xù)時間很短，信噪比一般定義為 SNR A s A u 7 ，其中 A s 為信號脈沖峰值， A u 為最大概率噪聲峰值。這種定義比較直觀，尤其適合在現(xiàn)場試驗中利用示波器測量。但在計算機(jī)處理中，無法直接確定噪聲的最大概率峰值，文獻(xiàn) 7 中定義信噪比為 SNR 20 lg （ A s 3 ）， 是噪聲偏差，并定義噪聲抑制比 NRR 10 （ lg 2 1 lg 2 2 ），來評價干擾抑制的性能。 5 抗干擾研究展望 目前抑制干擾的方法和思路雖很多，但真正成功地用于監(jiān)測系統(tǒng)的不多，有的效果并不理想，需要在理論和應(yīng)用方面作進(jìn)一步的研究。 （ 1 ）進(jìn)一步研究噪聲干擾的特性，特別是對排除了載波干擾和無線電干擾等已知的且較易排除的強(qiáng)大干擾后的其它干擾進(jìn)行深