基于EMD 分解的泄漏電流偏移補償分析

李意星

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600）

1 人工霧室試驗

1.1 接觸網絕緣子在線監(jiān)測裝置

接觸網絕緣子在線監(jiān)測裝置分4 部分，即前端測量傳感器、數據處理模塊、無線發(fā)送模塊和上位機軟件。前端測量傳感器的作用是感應接觸網絕緣子泄漏電流以及相對應的環(huán)境溫濕度信息，由溫濕度傳感器和泄漏電流傳感器組成；數據處理模塊負責采集泄漏電流、溫濕度信息并存儲數據，進而處理采集的數據，主要由微處理器、信號調理電路、數據存儲單元及信號采集電路組成；無線發(fā)送模塊的主要作用是完成數據結果的發(fā)送；上位機軟件可以實現系統(tǒng)自檢、歷史數據查詢、設置初始參數、運行參數等功能。

接觸網絕緣子污穢在線監(jiān)測裝置由專用小電流傳感器、監(jiān)測分析儀和遠程數據管理站等組成。

接觸網絕緣子污穢在線監(jiān)測裝置主要測量污穢絕緣子穩(wěn)態(tài)泄漏電流和臨近污閃時的脈沖電流，電流幅值范圍一般在幾十微安到幾百毫安，具有頻率高、變化范圍大等特點。測量穩(wěn)態(tài)電流的傳感器要求鐵心材料具有高導磁、線性工作范圍要寬的特點，而測量閃絡脈沖電流的傳感器要求鐵心材料具有相對磁導率高、剩磁小、頻帶響應寬的特點。由此，系統(tǒng)選取單匝穿芯式電流互感器制成的高靈敏度閉合式泄漏電流傳感器[1]。

1.2 試驗原理

本試驗根據GB/T 4585—2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗》，將絕緣子按照一定角度安裝在3m×3m×3m 的人工霧室中，由蒸汽發(fā)生器產生蒸汽清潔霧對污穢絕緣子進行濕潤。

試驗電源由250kW 發(fā)電機提供，調壓變壓器，工頻試驗變壓器，其額定容量為100kV·A、額定電流為1A，以及水電阻保護裝置組成，滿足GB/T 4585—2004 的要求。

1.3 試驗過程

1.3.1 電流傳感器測試

穿心式電流傳感器不會產生電流泄放現象，但是由于泄漏電流比較小，現場環(huán)境干擾不能忽略，將產生一個對周圍環(huán)境的感應信號。利用在線監(jiān)測裝置檢測電流傳感器對周圍環(huán)境的感應，得到如圖1 所示信號。之后利用函數發(fā)生器產生一個模擬電流信號（標準正弦信號），并用同一套在線監(jiān)測裝置檢測該模擬信號（見圖2）。

圖1 感應信號波形

圖2 給定模擬電流信號

如圖1 所示，環(huán)境產生的感應電流很小，隨著時間的增長，成直線狀，可對感應信號求均值，用該均值模擬感應信號。計算出的均值形成的直線大小為0.159 8，與實測曲線的擬合優(yōu)度大于0.9（0.915 40），因此，該直線是合理的。

由圖2 可以看出，采集的給定模擬電流信號發(fā)生了偏移，通過均值直線對給定信號進行偏移矯正，結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，給定信號的偏移得到了有效的改善，證明電流傳感器對周圍環(huán)境的感知會對采集信號造成偏移。

1.3.2 人工污穢試驗

本試驗試品采用憎水性強、質量輕、強度高以及耐老化的棒形復合絕緣子FQBJ-25/8-760P。根據電氣化鐵路標準TB/T 2007—1997《電氣化鐵路接觸網絕緣污穢等級標準》配置了3 種污穢度的污物分別涂刷3 支標準試品，其中ESDD 為等值鹽密，NSDD 為灰值鹽密。采用固體涂污法涂刷絕緣子，將試品涂好垂直懸掛24h 自然陰干。

圖3 給定信號偏移矯正

模擬棒形腕臂復合絕緣子現場安裝方式，將污穢絕緣子以一定的安裝角度固定在特定機械架上。由蒸汽發(fā)生器產生蒸汽清潔霧對污穢絕緣子濕潤，濕潤后給污穢絕緣子施加25kV 交流電壓，同時利用接觸網絕緣子污穢在線監(jiān)測裝置進行在線實時監(jiān)測，并實時記錄污穢絕緣子的泄漏電流和溫濕度數據。

1.4 試驗數據采集

1.4.1 污穢部分濕潤條件下的泄漏電流

將3 支試品依次安裝在人工氣霧室中，分別受潮10min（無加霧操作）并測量該氣霧室的溫度、相對濕度。在該條件下，絕緣子污穢受潮后為部分濕潤。分別針對試品1#、2#、3#進行人工污穢試驗。測量每組試驗的溫度和相對濕度，得出數據。選取此環(huán)境下復合絕緣子加壓運行穩(wěn)定后的一段數據，繪制泄漏電流波形。

1.4.2 污穢完全濕潤條件下的泄漏電流

將3 支試品依次安裝在人工氣霧室中，分別受潮10min（加霧操作）并測量該氣霧室的溫度、相對濕度。在該條件下，絕緣子污穢受潮后為完全濕潤。分別針對試品1#、2#、3#進行人工污穢試驗。

測量每組試驗的溫度和相對濕度，得出數據。選取此環(huán)境下復合絕緣子加壓運行穩(wěn)定后的一段數據，繪制泄漏電流波形。

2 試驗數據分析

2.1 經驗模態(tài)分解

經驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）分解的實質是一個篩選過程，EMD 分解的具體操作步驟，得到信號x（t）經EMD 分解后可表示為：

式中，imfi（t）為原信號按由高到低的瞬時頻率分解得到的第i個IMF（信號基本模式分量），rn（t）為信號x（t）的中心趨勢。

2.2 偏移分析

任取一段時間內的試驗泄漏電流信號，對信號進行EMD分解，并從原信號中除去趨勢項，進行偏移矯正。可以明顯看出信號偏移得到了良好改善。

對污穢部分濕潤的情況下的泄漏電流進行EMD 分解，然后消除偏移，選取平均值為參考量，計算矯正前后泄漏電流平均值。

對污穢完全濕潤的情況下的泄漏電流進行EMD 分解，然后消除偏移，計算矯正前后泄漏電流平均值（見表1 和表2）。

表1 部分濕潤泄漏電流平均值

表2 完全濕潤泄漏電流平均值

由實驗數據可以看出，泄漏電流在矯正前平均值約為0.16mA，與環(huán)境感應電流測試結果0.159 8 接近。利用EMD 分解趨勢項矯正后的泄漏電流平均值接近零，由此可見，泄漏電流偏移得到了有效的矯正。

3 結論

接觸網污穢絕緣子在線監(jiān)測裝置中電流傳感器對周圍環(huán)境的感應信號對采集數據造成了偏移，這是系統(tǒng)本身造成的，不可避免，但是利用EMD 分解的趨勢項可以有效地改善泄漏電流信號偏移的問題，為進一步分析泄漏電流特性奠定了良好的基礎。