基于小波包變換的開關(guān)柜局部放電聲信號(hào)特征檢測(cè)

張彪 史毓

摘 要：隨著我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)對(duì)安全可靠運(yùn)行的要求也越來(lái)越高。而高壓開關(guān)柜的局部放電事故嚴(yán)重影響著配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文章通過(guò)對(duì)開關(guān)柜局部放電產(chǎn)生的聲信號(hào)特點(diǎn)分析，對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行小波包變換，得出了局部放電信號(hào)的一般特征，并由此得出了開關(guān)柜局部放電預(yù)警的可靠判據(jù)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)柜；局部放電；聲信號(hào)；小波包

中圖分類號(hào)：TM591 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0060-03

Abstract： With the continuous expansion of the scale of the power system in our country， the requirements for safe and reliable operation of the power grid are increasing. The partial discharge accident of the high-voltage switchgear seriously affects the safe and stable operation of the distribution network. Based on the analysis of the characteristics of the acoustic signal generated by partial discharge in switchgear and the wavelet packet transform of the acoustic signal， the general characteristics of partial discharge signal are obtained， and the reliable criterion for early warning of partial discharge in switchgear is obtained.

Keywords： switchgear； partial discharge； acoustic signal； wavelet packet

前言

10kV環(huán)網(wǎng)柜是配電網(wǎng)中十分重要的基礎(chǔ)設(shè)備，當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生故障時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，40%的開關(guān)柜故障都來(lái)源于由局部放電引起的絕緣故障，因此對(duì)開關(guān)柜局部放電狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定性具有重要意義[1-3]。

為了更好的檢測(cè)開關(guān)柜局部放電信號(hào)，對(duì)開關(guān)柜放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)進(jìn)行小波包變換，采用緊支集小波Daubechies3（db3）小波基對(duì)開關(guān)柜三個(gè)階段的局部放電信號(hào)進(jìn)行分析，提取小波包分解信號(hào)的能量特征，得到了開關(guān)柜局部放電的小波包特征判斷依據(jù)。

1 小波包分解理論

小波變換是針對(duì)傅立葉變換存在的缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的理論，是一種基于時(shí)頻分析的方法和理論[4]。但小波變換仍存在高頻低分辨率的問(wèn)題，而小波包變換能夠彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，能夠根據(jù)信號(hào)的特征自適應(yīng)選擇相應(yīng)頻帶，使小波變換中隨尺度的增大而變寬的頻譜窗口進(jìn)一步變細(xì)，提高時(shí)頻分辨率[5]。對(duì)開關(guān)柜局部放電聲信號(hào)進(jìn)行小波包分解的基本思路是在對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行多分辨分析，同時(shí)分解小波子空間。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了采集到準(zhǔn)確的開關(guān)柜局部放電信號(hào)，在某電力設(shè)備有限公司的局部放電實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了開關(guān)柜的局部放電試驗(yàn)。圖1為局部放電試驗(yàn)原理圖。其中無(wú)暈工頻高壓試驗(yàn)變壓器提供工頻高壓，在高壓輸出端串聯(lián)一個(gè)10kΩ的保護(hù)電阻。Ck為試驗(yàn)用的耦合電容器，Zm為德國(guó)LDIC公司LDS-6局部放電檢測(cè)儀配套檢測(cè)阻抗，可以輸出視在放電量和電壓相位信號(hào)，并對(duì)局部放電的放電量進(jìn)行標(biāo)定。超聲波傳感器采用長(zhǎng)沙鵬翔科技公司生產(chǎn)的PXR04超聲波傳感器，傳感器為接觸式，其中心頻率為40kHz，具有較寬的檢測(cè)頻帶，可以在寬頻帶范圍內(nèi)研究局部放電的超聲波信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路包括放大電路、濾波電路。數(shù)據(jù)采集卡采用ART公司的USB3103A采集卡，該采集卡采樣頻率高達(dá)500KS/s，采樣精度為16位，通過(guò)USB總線與上位機(jī)相連。

在某電力設(shè)備公司的局部放電實(shí)驗(yàn)室采集到的各階段的局部放電超聲波信號(hào)的時(shí)域圖如圖2所示。

此時(shí)采集到的超聲波信號(hào)帶有明顯的噪聲信號(hào)，特別是很高成分的低頻信號(hào)，對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行小波包變換可以將低頻信號(hào)與高頻信號(hào)分離開，從而可以得到有用的高頻信號(hào)特征[6-7]。

3 開關(guān)柜放電聲的小波處理

三層小波包分解的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

節(jié)點(diǎn)（i，j）表示第i層的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出了信號(hào)特征。原始信號(hào)S為（0，0）節(jié)點(diǎn)，（1，0）表示第一層小波包分解的低頻系數(shù)S10，（1，1）表示第一層小波包分解的高頻系數(shù)S11。以此類推，可得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)所表示的含義。

對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，以小波包第三層分解為例：

S=S30+S31+S32+S33+S34+S35+S36+S37

開關(guān)柜發(fā)生局部放電時(shí)超聲波信號(hào)的頻帶范圍一般在0～140kHz，，則它們的頻率范圍如表1所示。

計(jì)算重構(gòu)信號(hào)的能量Ej（j=0，1，2，3，4，5，6，7）。

，S3j（k）表示幅值，N表示重構(gòu)信號(hào)的點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)分解步驟對(duì)開關(guān)柜放電的初始階段、局部放電階段、擊穿放電階段1s聲信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，如圖4所示。

從圖4可以看出，放電信號(hào)經(jīng)小波包分解后信號(hào)的主要成分集中于S31、S32、S33、S36，頻率范圍對(duì)應(yīng)于17.5kHz-70kHz與105.5kHz-122.5kHz。也是各分解信號(hào)的高頻部分。從圖5能量譜特征也可看出S31、S32、S33、S36的功率譜能量要明顯強(qiáng)于S30、S34、S35、S37，且隨著局部放電的發(fā)展，信號(hào)能量呈逐漸增大的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了小波包分解算法在開關(guān)柜局部放電信號(hào)分析中的應(yīng)用。對(duì)局放超聲信號(hào)進(jìn)行三層小波包分解，并提取了分解后信號(hào)的能量特征，可以得到以下結(jié)論：

（1）小波包算法能夠應(yīng)用于開關(guān)柜局部放電聲信號(hào)中并得到較好的分解效果。

（2）開關(guān)柜局部放電聲信號(hào)小波包分解的第三層的高頻信號(hào)，特別是S31、S32、S33、S36可以作為局部放電預(yù)警判斷的依據(jù)。

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