变压器局部放电超声波信号处理方法研究

变压器局部放电超声波信号处理方法研究

高娃

特变电工股份有限公司新疆变压器厂 新疆维吾尔自治区 831100

摘要：电力变压器在运行时，其绝缘内部的缺陷会导致局部放电情况产生，局部放电会造成绝缘介质加速劣化，更甚者引起绝缘击穿。基于此，变压器局部放电超声波信号处理方法研究至关重要，对于检测变压器的绝缘状况有着重要作用。

关键词:局部放电;超声波去噪;MTALAB;数字陷波器;CEEMD

引言

作为电力运输的重要组成部分，变压器的运行至关重要，其影响着用电安全，变压器的运行状态关系到换流变压器的稳定。监测其局部放电超声波信号状态，能够及时对故障进行排查和处理，预防重大事故发生。

1.局部放电过程中产生的超声波的传播特性

变压器发生局部放电，往往还会伴随着电荷迁移、电磁辐射、光辐射、超声波、绝缘介质反应等物理现象^[1]。局部放电超声信号从产生后到被超声传感器接收，会经历在变压器壁（铁质材质）传播和在变压器油中传播两个阶段。由于超声信号在变压器内部会经过多次折射反射，因此即使只有一个局放点发出超声信号，超声传感器也会接收到多个超声信号。因此，只有第一个接收到的超声信号对于定位局放位置才有意义，这个信号必定是按照最短时间路径进行传播的。只有当局部放电故障发生点与传感器相对位置满足推导关系时，才可以忽略超声波在变压器油和铁中传播速度的巨大差异。通过对超声波传感器的巧妙部署，可以尽量使变压器潜在局放位置处于可以采用传统定位方法计算的空间内，以提高定位精度。

2.变压器局部放电超声波信号处理方法

2.1去噪模型设计

针对局部放电产生的超声波信号中的窄带噪声和白噪声，本文设计了一种分层去噪方法。窄带干扰是连续型周期干扰，其主要来源包括工频电源中的谐波成分、电力系统的载波、无线电广播等。窄带干扰通常表现为不同频率的正弦波叠加，这类干扰的谐振频率和频带宽度相对固定，且其频谱分布较为离散，能量集中，干扰幅值较大。针对窄带噪声的上述特点，对多个频率的窄带噪声，本文设计了多个数字陷波器，并采用级联的方式对其进行滤波。白噪声是一种普遍存在于电子电路和高压电力设备中的无规则干扰成分，其主要来源是电力设备的散弹噪声和电阻热噪声等^[2]。白噪声干扰的时域分布杂乱无章，其对应的功率密度为某一确定的常数，频谱范围较宽。针对上述特点，有人提出采用经验模态分解法(EMD)滤除白噪声。经验模态分解是根据信号自身的时间尺度特征来进行分解的一种方法。EMD最大的特点就是具有自适应性，不需要预先确定分解基，而是直接将含有噪声信号分解为从高频到低频的若干个分解分量(IMF)，然后根据噪声在IMF分量中的分布，选择性地进行处理，从而实现去噪的目的。然而由于EMD存在停止准则、端点效应、模态混叠等问题，其滤波效果并不理想。针对EMD存在的问题，Torres等于2011年提出了一种自适应噪声的完备总体经验模态分解法(CEEMD)，其具有更好的模态分离特性，能够精确地重构原始信号，相比EMD其计算效率更高、更准确。因此，本文采用CEEMD对白噪声进行滤波仿真分析。本文通过数字陷波器和CEEMD分别滤除初始局部放电超声波信号中的窄带信号和白噪声，从而达到超声波信号去噪的目的。

2.1.1数字陷波器设计

数字陷波器在本质上属于带阻滤波器中的一种，其阻带在理想情况下，只有一个频率点，因此也被称为点阻滤波器。数字陷波器主要用于消除某个特定频率的干扰，但要求在滤波过程中基本不改变频率成分。当数字滤波器工作时，为了滤除该信号，本文设计的数字陷波器采用的陷波器的中心频率，在该频率处信号的幅值增益衰减到近乎为零，所以陷波器对窄带噪声的滤波效果很好。由于实际采集到的局部放电信号中含有不同频率的窄带噪声干扰，本文通过陷波器级联的方式，将初始信号依次通过各个滤波器，消除局放信号中对应频率窄带噪声干扰。

2.1.2CEEMD分频重构去噪方法设计

完备总体经验模态法的基本思想是在分解的每一阶段添加一个特定白噪声，并且计算一个唯一残差以获得每个符合定义的模态分量。该方法不仅克服了模态混叠效应，而且能够提供原始信号的精确重构，相对EMD，其计算效率更高，去噪效果更明显。CEEMD能够精确重构原始信号，保持EMD的完备性。白噪声包含在信号的高频部分，由于CEEMD克服了模态混叠效应，利用分频特性将噪声和有效信号从高频到低频依次分解出一组IMFs分量，舍弃噪声分量后将有效信号分量进行重构以达到滤波目的。

2.2仿真分析

2.2.1初始超声波信号的构造

根据局部放电源位置的不同，局部放电信号可分为内部放电和外部放电，其中外部放电又可分为电晕放电和表面放电。大量实验数据表明局部放电脉冲为指数衰减型或指数衰减振荡型。本文在MATLAB中利用2个单指数震荡衰减函数和4个双指数震荡衰减函数构造初始局部放电信号。为了更好地还原局部放电产生超声波信号的波形，本文选取两个单指数震荡衰减函数和四个双指数震荡衰减函数搭建初始局部放电超声波信号模型，混合得到的模拟初始信号如图1所示。

图1初始局部放电信号

2.2.2含噪超声波信号的构造

本文设计了30kHz、500kHz、900kHz、1.5MHz种频率的窄带噪声，其幅值为5mV～10mV之间的随机值，相位取随机值。窄带噪声信号波形如图2所示。将窄带噪声叠加到初始放电信号中，得到的含有窄带噪声的信号波形如图3所示。本文还通过MATLAB软件中的wgn函数生成了500组白噪声，能量比例为0.5，功率为21.35dBW。其波形如图4所示。将白噪声信号叠加到含有窄带噪声的信号中，得到混合了窄带噪声和白噪声的超声波信号，噪声与初始信号的信噪比为8.80dB。添加噪声后的信号波形如图5所示。

图2窄带噪声信号图3只含窄带噪声的放电信号

图4白噪声信号图5只含窄带和白噪声的混合信号

2.2.3仿真结果及分析

在MATLAB中，按照上述模型仿真，对模拟超声波混合信号依次采用数字陷波器滤除窄带噪声和CEEMD滤除白噪声。仿真参数设计如表1所示。

表1仿真参数表

针对四个窄带信号，本文采用了四个IIＲ陷波器级联去噪，陷波器的参数见表1。滤除窄带噪声的仿真波形。在仿真中，取前7个IMF分量来观察CEEMD的分解结果，根据波形得出，能量主要分布在前5个IMF分量中，各个分量基本只含有某个高频的子波，其它低频或高频分量较少，模态混叠效应并不明显。白噪声能量只含在高频IMF分量中，各IMF分量较容易识别。分解7次后，剩余分量基本为零，说明CEEMD具有较好的完备性，可以较为精准的重构原始信号。

本文在重构时利用CEEMD的模态分离特性舍弃由白噪声组成的IMF高频分量，将其余分量线性叠加来还原初始信号。经过CEEMD分频重构法滤除白噪声后，得出信号波形。通过对比，两者波形几乎完全一样，即滤波后的波形与原始放电信号波形基本一致。也就是说，经过陷波器与CEEMD分频重构方法滤除干扰信号后，滤波后的局部放电信号与原始信号差异极小，基本完成了对初始信号的还原。说明本文所用方法可有效滤除局部放电信号中的窄带噪声与白噪声。

3.结论

综上所述，分层式去噪方法后能够很好地捕捉变压器局部放电超声波信号，对其进行降噪处理，且所得波形与初始信号波形一致，应用分层式去噪方法能够对变压器局部放电超声波信号进行有机处理。

参考文献：

［1］郭琳，黄兴泉．变压器局部放电测量中的干扰因素及提高信噪比的新方法［J］．电测与仪表，1998，35(3):23－25．

［2］赵迎．完备总体经验模态分解方法研究及其应用［D］．中国石油大学，2016．