鄢文清，吳毅彪

（國網(wǎng)上饒供電公司，江西 上饒 334000）

0 引言

封閉式組合電器是指將斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、引線套管或電纜終端盒等各元件的高壓帶電部位，封閉在充有SF6氣體的接地金屬外殼中。GIS具有占地面積小，運(yùn)行不受外界環(huán)境影響，配置靈活、維護(hù)簡單、可靠性高、檢修周期長等優(yōu)點，但在實際運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生局部放電故障。局部放電檢測技術(shù)可以幫助及時發(fā)現(xiàn)微小絕緣缺陷，避免發(fā)展成重大絕緣故障[1]，對組合電器設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對GIS局部放電在線監(jiān)測技術(shù)開展了大量的研究。提出了多種有效的檢測方法，如脈沖電流法、超聲波法、紫外成像法、氣相色譜法、震蕩波法、特高頻法等，以及相應(yīng)PD信號的模式識別與診斷技術(shù)等[2]。但由于組合電器設(shè)備處于強(qiáng)電磁環(huán)境中，并且絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種干擾信號會嚴(yán)重影響局部放電的檢測結(jié)果。因此要對局部放電故障進(jìn)行診斷首先必須采用相應(yīng)的抗干擾技術(shù)對各種干擾信號進(jìn)行處理，從而在現(xiàn)場強(qiáng)烈的電磁干擾環(huán)境中準(zhǔn)確獲取PD信號。本文首先分析了影響GIS局部放電檢測的干擾源，在此基礎(chǔ)上，介紹了相應(yīng)的GIS局部放電檢測抗干擾措施，最后提出一種分層去噪技術(shù)，提高了局部放電特征信號提取的準(zhǔn)確性。

1 局放檢測抗干擾技術(shù)

現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾是組合電器局部放電檢測中主要的干擾源，這些干擾源按時域信號特征可以分為周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，各類干擾源如圖1所示。不同類型的干擾信號特征存在很大的差異性，并可通過地線、電源和空間耦合等多種渠道影響檢測結(jié)果，因此需要根據(jù)干擾源類型采取相應(yīng)的去噪技術(shù)，以便從強(qiáng)電磁干擾中提取真實有效的局部放電特征信號。

1.1 周期型干擾抑制

周期性窄帶干擾是局部放電檢測中主要的干擾源，相對局部放電信號其幅值一般較大，甚至可以將局部放電信號完全湮沒。盡管某些局部放電檢測技術(shù)可以避開部分窄帶干擾，如特高頻檢測法等，但仍有部分窄帶干擾信號無法避免的影響檢測結(jié)果。目前提出的比較有效的周期性窄帶干擾抑制方法有自適應(yīng)濾波法、時頻變換法、傅里葉級數(shù)法、基于小波變換的檢測法[3]。自適應(yīng)濾波法是根據(jù)干擾信號的時間相關(guān)性和局放信號的時間無關(guān)性來抑制干擾，可以自適應(yīng)調(diào)整濾波器參數(shù)，但容易造成局放信號幅值和波形的畸變；時頻變換法根據(jù)干擾信號譜峰陡峭和局放信號譜峰平緩特征進(jìn)行干擾抑制，但受頻譜基線選擇的影響較大；傅里葉級數(shù)法根據(jù)干擾信號與局放信號在時域上的長短差異來抑制干擾，該方法可以較好的保存PD信號幅值、極性等重要特征，但需要實時估算干擾頻率和傅里葉級數(shù)法系數(shù)，計算量較大；小波變換具有多分辨率的特點，對處理現(xiàn)場電磁干擾非平穩(wěn)信號效果良好，但常規(guī)的實小波存在著最優(yōu)小波基函數(shù)選擇困難和頻譜泄漏等問題。復(fù)小波變換有效克服了實小波的上述缺陷，成為近年來抑制窄帶干擾的有效手段。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于最優(yōu)諧波小波包變換的窄帶干擾抑制方法，諧波小波作為具有嚴(yán)格“盒形”頻譜的復(fù)小波為信號表示提供了很大的自由空間，在窄帶干擾信號抑制中取得了良好的應(yīng)用效果。

圖1 現(xiàn)場干擾源類型

1.2 脈沖型干擾抑制

脈沖型干擾主要由電力電子元件動作、電暈放電、電機(jī)啟動電弧和雷達(dá)干擾等產(chǎn)生，該類干擾在頻域上表現(xiàn)為多頻寬帶信號，在時域上為持續(xù)時間較短的脈沖信號。目前抑制脈沖型干擾的方法主要有波形特征鑒別法、脈沖時延鑒別和幅值鑒別法等。Nagesh和Gururaj等學(xué)者提出一種抑制周期型脈沖干擾的有效方法，從局部放電信號與周期型脈沖干擾信號具有不同的形狀出發(fā)，將脈沖干擾信號從波形信號中剝離出來。而脈沖時延鑒別和幅值鑒別法是一種逐個脈沖識別方法，通過調(diào)整傳感器之間以及傳感器到檢測裝置之間的距離，使干擾信號和局部放電信號到達(dá)數(shù)據(jù)采集單元時具有不同的時延和幅值差異，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號與干擾信號分離。對于隨機(jī)型脈沖干擾通常采用脈沖信號特征邏輯判斷進(jìn)行抑制，F(xiàn)ruth和Gross等人提出一種結(jié)合脈沖幅值和波形特征來識別隨機(jī)型脈沖干擾的方法，在實際應(yīng)用中獲得了不錯的效果。

1.3 白噪聲抑制

美國數(shù)學(xué)家Donoho和John stone的研究表明，對于白噪聲基于小波變換的濾波法比基于FFT的濾波法效果更好。原因在于局部放電信號屬于非平穩(wěn)信號，白噪干擾屬于平穩(wěn)信號，經(jīng)小波變換后白噪聲對應(yīng)的小波變換系數(shù)在小尺度上具有較大的幅值，隨著尺度的增加，局部放電脈沖信號的小波變換系數(shù)幅值增加，而白噪聲的小波變換系數(shù)幅值迅速趨于零，二者在小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的特征?；谛〔ǚ治黾夹g(shù)的抗干擾技術(shù)實際是一個信號分解和重構(gòu)的過程，包括信號的小波包分解、確定最優(yōu)小波包基、小波包分解系數(shù)的閾值選擇、信號的小波包重構(gòu)。近年來，Mallet、Xu和Donoho等人以小波變換為基礎(chǔ)提出了模極大值重構(gòu)濾波、空域相關(guān)濾波和小波閾值濾波等濾波方法，3種方法的比較如下。

表1 3種濾波方法的比較

2 分層去噪方案

特高頻檢測法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點，是目前局部放電檢測的主要手段。由于現(xiàn)場干擾源比較復(fù)雜，單一去噪方法無法抑制所有干擾，為此提出一種局部放電信號分層去噪方案，采用硬件和軟件結(jié)合的方法，通過對局部放電信號進(jìn)行分層去噪處理，可在現(xiàn)場強(qiáng)烈的干擾環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的局部放電信號，PD信號分層去噪流程如圖2所示。

圖2 PD信號分層去噪流程

1）采用UHF檢測法進(jìn)行PD信號采集。目前國內(nèi)變電站運(yùn)行的組合電器一般不具備內(nèi)置式UHF傳感器，大多數(shù)GIS盆式絕緣子外側(cè)都有金屬法蘭，在盆式絕緣子制造過程中金屬法蘭留有環(huán)氧樹脂材料填充的澆注孔。UHF傳感器通過檢測澆注孔泄漏的電磁波，采集的頻段一般為300 MHz≤f≤3 GHz[5]，可以有效避免低頻干擾信號的影響，但采集到的PD信號包含了部分高頻周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等，需要進(jìn)行去噪處理。

2）采用FIR濾波器對PD信號進(jìn)行初步處理。有限沖激響應(yīng)FIR濾波器的特點是相位嚴(yán)格線性，其相時延和群時延相等，濾波器總是穩(wěn)定的。在實際應(yīng)用中，理想沖激響應(yīng)為無限長的，可以用有限長的沖激響應(yīng)序列來代替無限長的沖激響應(yīng)序列，即采用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器。該硬件濾波器不僅可以去除周期型窄帶干擾，對白噪聲干擾也有一定的抑制作用。

3）采用小波變換法抑制周期型干擾和白噪聲。采用Daubechies小波構(gòu)建db系列復(fù)小波，該復(fù)小波具有相位不變性、良好方向選擇性、完美重構(gòu)等優(yōu)點，有效克服了實小波的不足，成為抑制周期型干擾和白噪聲的有效手段。周期型干擾、白噪聲與局部放電包絡(luò)信號在復(fù)小波變換下隨尺度變化呈現(xiàn)不同的變化特征，其關(guān)鍵在于合理選擇小波包分解系數(shù)閾值，軟硬閾值結(jié)合一種較好的方式，對小尺度上的系數(shù)進(jìn)行軟閾值濾波，對大尺度上的系數(shù)進(jìn)行硬閾值濾波，可以達(dá)到很好的干擾信號抑制效果。

4）采用脈沖時延鑒別法抑制脈沖型干擾。脈沖時延鑒別法是一種逐個脈沖識別方法，通過在GIS氣室兩端的盆式絕緣子澆注孔處布置兩路相同的UHF傳感器，使脈沖型干擾信號和局部放電信號到達(dá)信號采集單元時具有不同的時延和幅值差異，并采用相關(guān)估算法計算兩路脈沖時延和幅值差，然后根據(jù)這種差異將局部放放電信號與脈沖型干擾信號分離。

5）采用模糊聚類法進(jìn)行多源PD信號分類。若組合電器內(nèi)部發(fā)生多類局部放電故障，UHF傳感器檢測到的多源局部放電信號相互疊加，會使其失去顯著的統(tǒng)計特征，無法識別出局部放電故障類型。本文采用基于模糊聚類法的PD信號分離技術(shù)，選取放電脈沖平均幅度、放電脈沖個數(shù)、放電脈沖起始相位作為聚類指標(biāo)，將所有UHF信號樣本通過優(yōu)化迭代分成若干類，得到相應(yīng)的聚類中心，每一類代表一種典型的局部放電故障信號。

3 結(jié)論

局部放電檢測是診斷組合電器內(nèi)部故障的有效手段，但現(xiàn)場強(qiáng)烈的電磁干擾對局部放電檢測準(zhǔn)確性影響很大。本文介紹了周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲等三類電磁干擾信號對局部放電檢測結(jié)果的影響，并綜述了相應(yīng)的抗干擾措施。重點提出一種基于軟硬件結(jié)合的PD信號分層去噪方案，采用有限沖激響應(yīng)FIR濾波器對放電信號進(jìn)行初步濾波，然后采用小波變換法和脈沖時延鑒別法對各類干擾信號進(jìn)行抑制，可在現(xiàn)場強(qiáng)烈的干擾環(huán)境中準(zhǔn)確獲取局部放電信號。

[1]周倩，唐炬，唐銘，等.GIS內(nèi)4種典型缺陷的局部放電超高頻數(shù)學(xué)模型構(gòu)建[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006，（8）:99-105.

[2]金立軍，張明銳，劉衛(wèi)東.GIS局部放電故障診斷試驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（11）:88-92.

[3]程養(yǎng)春，李成榕，王偉.用傅立葉級數(shù)法消除局部放電檢測中窄帶干擾的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25（20）:106-111.

[4]唐炬，樊雷，卓然，等.用最優(yōu)諧波小波包變換抑制局部放電混頻隨機(jī)窄帶干擾[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33（31）:193-201.

[5]王亮，鄭書生，李成榕，等.GIS澆注孔傳播內(nèi)部局部放電UHF電磁波的特性[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（1）:241-247.