（控制理论与控制工程专业论文）局部放电在线监测中基于小波的消噪方法及模式识别研究.pdf

鞍山 科技大学硕士论文 中文摘要 摘要 电气绝缘对电机运行的可靠性有重大影响。由于绝缘的老化，设备的绝缘故 障率将增加。长期以来，局部放电测量己被应用作为检测和诊断电机绝缘状况的 重要手段。在线监测电机的局部放电信号，提取局部放电脉冲的统计特性，可进 行故障诊断，确定放电程度和类型，提前给出预警，防止发生严重事故。但在现 场进行局部放电测量，微弱的局放信号会淹没在强大的背景干扰中，使得测量很 难进行。如何有效地抑制干扰的影响、更好地提取局部放电信号特征是局部放电 在线监测中的一个重要课题。 近年来迅速发展起来的小波变换分析法，具有很强的时频局部化特性和信号 特征提取能力，特别适用于局部放电这类脉冲信号的处理。本文研究了局部放电 在线监测的小波消噪方法，然后针对消噪过程中的阀值取法，提出了一种自 动阀 值规则来选取阀值，并对小波系数采用综合门限的处理方法，以获得最优的消噪 效果。仿真信号和现场信号的小波消噪结果表明了该方法的有效性，从而为局部 放电的模式识别创造了条件。 对局部放电进行模式识别，可以了解局部放电的类型和发展程度，防止发生 事故。文中用二维谱图的统计参数法提取局部放电的特征向 量，首次提出采用支 持向量机对局部放电进行模式识别。识别结果令人满意，表明了支持向量机适于 局部放电的识别。 上述研究工作的完成，对改善局部放电在线监测系统的性能以及该项技术的 实用化会起到一定的作用。 关键词:局部放电，小波变换，消噪，支持向量机，模式识别 鞍山 科技大学硕士论文 英文摘要 ab s t r a c t t h e e l e c t r i c a l i n s u l a t i o n i s v e ry i m p o r ta n t t o t h e re l i a b i l it y o f t h e e l e c t r i c m a c h in e r i e s .a s s t a t i s t i c s s h o w s , t h e f a i l u r e o f i n s u l a t i o n i s t h e p r i m e r e as o n f o r t h e e le c t r i c m a c h i n e r i e s m a l f u n c t i o n . ma n y r e s e a r c h e r s fi n d t h a t p a rt i a l d i s c h a r g e ( p d ) i s o n e o f s y m p t o m o f t h e i n s u l a t i o n a g i n g ,a n d a l s o t h e p d i s t h e c r i t i c a l c as e o f t h e i n s u l a t i o n d a m a g e . t h e o n - l i n e p d m e asu r e m e n t s h a v e b e e n u s e d as e ff e c t i v e m e t h o d f o r a l o n g t i m e t o m e as u r e i n s u l a t i o n d e t e r i o r a t i o n o f t h e e l e c t r ic m a c h i n e r i e s .a ft e r g e tt i n g t h e o n - l i n e p d p u l s e ,t y p i c a l p d c a n b e i d e n t i f i e d .t h e t r e n d i n g re s u l t s o f t h e s e s t a t i s t i c c h a r a c t e r i s t i c s c a n a l s o b e u s e d i n f o l l o w in g t h e t r a c k o f i n s u l a t i o n d e t e r i o r a t io n , i t a l l o w s m a i n t e n a n c e p e r s o n n e l t o b e c o m e a w a r e o f d e v e l o p i n g i n s u l a t i o n p r o b l e m s i n e l e c t r i c m a c h i n e r i e s ,a n d t a k e c o r r e c t i v e a c t i o n b e f o r e f a i l u r e o c c u r s .h o w e v e r , p d m e as u r e m e n t s o n o p e r a t in g r o t a t i n g m a c h i n e s c a n b e i n fl u e n c e d b y e l e c t r i c a l n o i s e s , e v e n m o re , t h e n o i s e in t h e t im e w i l l l a r g e r t h a n s i g n a l s i n m a g n e t i t e . i t i s d i f f i c u l t t o d i s t in g u i s h t h e s i g n a l f r o m t h e n o i s e i n t h e t i m e d o m a i n a n d fr e q u e n c y d o m a i n b y t h e re g u l a r d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g a l g o r i t h m . h o w t o d e t e c t t h e p d o n - l i n e fr o m p o w e r n o i s e a n d d i s t u r b a n c e h as b e e n t h e c r i t i c a l as p e c t f o r t h e p d o n - l i n e m o n i t o r i n g o f t h e e l e c t r i c m a c h i n e r i e s . t h e wa v e l e t a n a l y s i s b e d e v e l o p e d q u i c k l y r e c e n t y e a r s h a s g o o d l o c a l i z a t i o n p r o p e rt y b o t h i n t i m e a n d f r e q u e n c y d o m a i n .i t i s v e ry s u i t a b l e f o r t h e p r o c e s s i n n g o f s i n g u l a r s i g n a l j u s t l ik e p d s i g n a l .t h e p a p e r p r e s e n t s a w a v e l e t d e - n o i s i n g m e t h o d , o f w h i c h t h e s e l e c t i o n o f t h r e s h o l d s a re s t u d i e d . f u r t h e r m o re , a n a u t o m a t i c t h r e s h o l d i n g r u l e a n d s y n t h e s i s t h re s h o l d in g p r o c e s s i n g i s p r e s e n t e d t o s e l e c t t h r e s h o l d s i n o r d e r t o o b t a i n t h e o p t i m a l d e - n o i s i n g r e s u lt . wi t h t h e e x p e r i m e n t s o f t h e s i m u l a t i n g s i g n a l s a n d t h e o n - s i t e s i g n a l s , i t i s s h o w e d t h a t u s i n g t h i s m e t h o d t h e n o i s y p d s i g n a l s c a n b e d e - n o i s e d v e ry e ff e c t i v e l y a n d s t e a d i l y a n d p r o v i d e s t h e p re c o n d i t i o n f o r p a tt e rn r e c o g n it i o n . p a tt e r n r e c o g n i t i o n o f p d c a n b e u s e d t o e s t i m a t e t h e i r t y p e s a n d d e v e l o p i n g le v e l s , a n d a v o i d t h e f a u lt s . i n t h i s p a p e r , f e a t u re s o f p d a r e e x t r a c t e d w i t h 2 - d g r a p h s a n d s v m i s u s e d t o r e c o g n i z e t h e d i s c h a r g e m o d e l s f o r t h e f i r s t t i m e . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d i s e f f i c i e n t a n d f e a s i b l e t h e a c c o m p l i s h m e n t s a b o v e w i l l p l a y a c e r t a i n r o l e i n i m p r o v i n g t h e n 鞍山 科技大学 硕士论文英文摘要 p e r f o r m a n c e o f p d o n - l i n e m o n i t o r in g s y s t e m a n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h e t e c h n i q u e . ke y w o r d s : wa v e l e t t r a n s f o r m , p a r t i a l d i s c h a r g e , d e - n o i s e , s u p p o r t v e c t o r ma c h i n e , p a tt e rn r e c o gni t i o n 一 i i i - 独 创 性 声 明 木人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得鞍 山 科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料， 与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签 名: 日期 : a e o j - o a - -2 / 关于论文使用授权的说明 木人完全了 解鞍山 科技大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅: 学校可以公 布论 文的全部或部分内容， 可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名: 过 绷匕导师签名: 刽 扩扰 又日 期 : c j 03 ,丫 鞍山 科技大学硕士论文 第 i 章绪论 第一章 绪 论 1 . 1课题概述 高压电气设备的运行可靠性很大程度上取决于其绝缘的可靠性，而绝缘的可 靠性则取决于设备的绝缘结构、制造工艺和运行维护工作。长期以来，国内对运 行设备的绝缘检测一直采用定期停电进行预防性实验，形成了一套绝缘预防性实 验规程。这种维护方式存在许多不如意的地方: ( 1 ) 定期停电不利于电 力系统经济运行， 仅对设备进行了 一次彻底的检查， 就 要花费大量的人力、物力和财力。 ( 2 )实验电压低，所得的数据有时不能真实反映出设备的实际绝缘状态。 ( 3 )预防性实验是在与运行条件完全不同的情况下对设备进行的实验，难以 发现潜伏性缺陷，对突发性事故显得有些力不从心。 因此， 探索和开发电 气设备的带电测试和在线监测技术成为了 研究热点1 。 绝缘老化主要由电、热、机械和环境因子引起，要对绝缘状态做出准确评价， 进行合理维护，延长电机绝缘寿命，必须采用各种监测方法，有效地监控电机运 行中的温度、 机械或电的变化情况。目 前， 高压电气设备的绝缘诊断主要是用离线 方式，传统的各种电气监测和实验方法仍然是绝缘诊断的主要内容。其中非破坏 性实验项目 主要有:绝缘电阻 ( 吸收比) 、极性因子、泄露电流测试、介质损耗实 验、离线局部放电实验等等，并根据这些实验所得到的参量来评价系统的绝缘状 态。现代先进的传感器、电子技术和计算机技术虽然为绝缘的状态监测提供了很 好的技术条件，在现有的技术范畴内，要在线监测绝缘系统内的上述参量仍是十 分困难的。而且目 前测试的绝缘电阻、极性因子、泄露电流等参量都是间接的测 量结果，不管由何种因子引起的绝缘老化，都会通过在系统内发生局部放电现象 反映出来，如果能够直接探测到绝缘内部的局部放电现象，对于绝缘系统的状态 诊断十分有利。局部放电的在线监测可以在故障早期发现系统的缺陷，为系统的 预防性维护提供最有力的依据。近年来，随着计算机技术的发展，局部放电的在 线监测技术的研究方兴未艾。 事实上，由局部放电发展到绝缘故障往往有一个较长的时期，并非一出现局 部放电就需要停电 检修。据统计，当局部放电量达到1 0 - 1 0 6 p c 以上时往往是突 发事故的前兆c2 ， 必须停机进行维护。 所以， 利用先进的技术对运行中的电 机进行 鞍山 科技大学硕士论文第 1 章绪论 在线监测，及时取得反映故障特征的各种信息、数据以全面综合分析，对电机的 可靠性随时做出诊断，对绝缘寿命做出预测，并采取措施避免绝缘缺陷的扩大而 导致事故，减少停电次数，把握最佳维修时机，已成为当前的研究热点。 我国早在2 0世纪6 0 年代就开始了高压电气设备带电 测试的研究工作，并取 得了 一定的成果。如带电 测量变压器线圈电阻、 带电 测试油击穿电 压等多种带电 测试方法，这些方法因仍沿用离线实验方法而无法在实际中进行应用和推广，但 这些工作为电力设备在线监测技术莫定了一定的基础。近年来研究的在线监测技 术与以 前的带电测量相比，己 经发生了根本的变革。它既不影响设备的接线和运 行方式，又避免了监测系统和监测对象间有电的联系，同时还可以实现实时故障 诊断，有效地保障大型电机的运行安全，但在实际应用上仍存在许多未能解决的 问题。如何更好地进行在线监测和以在线监测为基础实现状态维修，则是目前本 学科的热门课题。 局部放电信号非常微弱，在线监测难度很大。例如，监测技术的关键问题: 干扰抑制、放电量标定、局放定位及模式识别等方面，至今都没有得到根本性的 解决。尤其在现场，存在载波通讯、外部带电体的电晕放电、工作场所电焊和接 地系统等强烈的干扰，使目前在线监测中常用的以脉冲电流为特征的检测局部放 电的方法，还很难达到实际工程应用的水平。因此，如何运用现有的软、硬件技 术，更有效地去除各种干扰，来准确提取局放信号，为后续的绝缘诊断提供更可 靠的信息是困扰局放在线监测实施的难题之一。基于这一点，本文对局部放电在 线监测的抗干扰和模式识别进行了研究。 1 . 2文献综述 1 . 2 . 1在线监测的发展及研究现状 1 .2 . 1 . 1历史回顾 j o h n s o n 是电机局部放电检测的先驱者之一。 早在 2 0 世纪 5 0 年代， 他就发现 了具有较高放电幅值的槽放电。他设计了一种谐振检测电路，该电路在电机引线 端接有一藕合电 容， 如图1 - 1 所示。 停机时， 利用一高压无电晕实验变压器对电 机 的 各 项 分 别 测 试 13 1 鞍山 科技大学硕士论文 第 1 章绪论 发电机 诱波器示波器 图1 - 1 j o h n s o n 和w a r e n 的检测方法 该装置从定子绕组的中性点引出放电信号，通过一带通滤波器进入示波器， 在示波器上显示出信号的时域波形。 j o h n s o n 和w a r e n 利用这种方法， 在位于三个 实验地点的八台水轮发电机观察到了电机运转情况下的放电脉冲，这是发电机中 线在线监测法的萌芽。这种方法在实际应用中，噪声信号和放电信号要由有经验 的 操作人员来识别。 而后， 在 1 9 7 3 年和 1 9 7 9 年， k u r t z 4 1 等人对这种祸合电 容法 进行了改进，把检测电路设计成便携式，可在不停机的情况下安装与拆离。该法 在监测放电 信号时， 将三个电 容( 每个3 7 5 p f , 2 5 k v ) 搭接在发电 机三相出 线上， 通过电容检测出放电信号，此信号通过一带通滤波器 ( 截止频率为3 0 k h z )引入 示波器，显示出放电信号的时域波形。其缺点仍是噪声信号和放电信号要由有经 验的操作人员来识别。 在发电机的局部放电在线监测中，目前应用较多的除对称祸合法外，还有中 线无线电 频率 ( r a d i o f re q u e n c y ) 监测法。 2 0 世纪7 0 年代后期， 在电 力研究院 一 西屋基金支持下， e m e ry等人开始着手汽轮发电 机的中 线r f 在线监测研究。 1 9 7 9 年，h a r r o l d等人提出了利用中线 r f技术对于大型汽轮发电机初始电弧故障的探 测方法4 1 。 利用高频电 流互感器从发电 机定子绕组中性线上引出 放电 信号， 通过采 用两种频率测量范围可手动调节的无线电干扰场强表对信号进行频谱分析和时域 波形分析，由有经验的操作人员综合频谱特征和时域波形来区分内部放电 信号和 外部干扰信号。 而后， e m e ry等人进一步改进了 这一方法， 但是， 对于某些类型发 电机定子绕组电弧，利用单频监测有可能产生漏测。 鞍山 科技大学硕士论文第 t 章绪论 变压器 中线接地 图1 - 2 e m e r y 的 检测方法 2 0 世纪8 0 年代中后期， 随着电子技术的发展， 信号采样速度提高， 在电机局 部放电 检测方面， 人们开始从传统的频域分析， 深入到 局部放电 波形的时域分析5 1 数字电子系统的局部放电测量得到不断发展。早期的数字化局部放电测量系统如 英国j .a u s t i n 等设计的数字计算机测量系统。 之后， 又有一些利用单片机或数字信 号处理芯片组成的数字化测量系统。p c机普及后，出现了一些新的基于p c机的 功能强大的数字化测量系统。如澳大利亚 n e w s o u t h w a l e s大学 r .e .j a m e s ,b .t p h u n g 等 研制了 基于1 6 位i s a插 槽的 局 部 放电 测量 系 统 6 1 。 数 字 化 局部放电测量系统普遍采用如下如下图1 - 3 的框图结构: 图1 - 3 数字化局放测量系统 数字化测量为局部放电的研究提供了强有力的手段，使局放测量技术进入了 一个新阶段。通过数字化测量，可以使研究和检测人员更准确、更简单地了解电 机绝缘情况， 从而使得局放识别不再象以前那样依靠测试人员的实验经验。 1 . 2 . 1 . 2国内在线监测研究现状 国内带电测试和在线监测刚刚兴起，已研制出的变电站在线监测装置有:变 压器局放和油中色谱分析，避雷器泄露电流，电力设备的红外测温等。在数据分 析和诊断中采用了模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等。2 0 世纪8 0 年代后期， 鞍山 科技大学硕士论文第 1 章绪论 我国一些电力实验研究所和高校就开展了变电站设备绝缘的在线监测研究，取得 了一定的进展。1 9 9 1年，武汉高压研究所与北京无线电仪器厂合作研制成功发电 机局部放电 监测装置， 并采 用计算 机传输数据先进技术7 1 。 此外， 它 研制的 监测系 统， 采用带宽1 0 1 0 0 0 k h z 的宽带电 流传感器，并利用变压器绕组在特定频率范 围内 等值电 路的 特点， 进行放电 点定位8 1 。 清华大学、 西安交大、 武汉高压研究所 等还开发了 其他多种电 力设备的局放在线监测系统9 - 1 2 1 目 前国内带电 测试和在线监测仍然处于发展时期，许多技术尚处于起步摸索 阶段，在基础研究和工程实施中还有大量的研究课题。如何更好地进行绝缘状态 的在线监测和以在线监测为基础实现状态维修，是目前高压绝缘领域的前沿课题。 1 . 2 .2小波分析在局放在线监测抗干扰技术中的研究现状及展望 1 .2 .2 . 1研究现状 局部放电信号是典型的具有突变和强奇异性的信号，采用传统分析平稳信号 的f o u r i e r 变换的方法并不适合。而小波变换是基于非平稳信号的分析手段，非常 适合于突变信号的处理，在时域、频域同时具有良好的局部化性质。利用其捕捉 突变信号的能力和优越的消噪功能，小波分析可以作为抑制干扰、提取局放信号 强有力的数学工具。上世纪9 0 年代初期，就已经有学者尝试着用小波变换来去除 局放在线监测中强烈的电磁干扰，并取得了一定的效果，近年来，用小波技术进 行抑制干扰已成为局放在线监测研究的热点之一。 文献1 3 - 1 9 探讨了 把小波变换应用于局部放电 在线监测中去除窄带干扰， 以 提 高局部放电测试灵敏度。由于局放信号为宽带信号，经小波变换后分布在整个尺 度空间，而窄带干扰的能量有限，经小波变换后仅仅分布在有限的尺度上，利用 这一差异，用小波变换可以去除强窄带干扰。这些文献分别利用了连续小波变换、 二进小波变换和小波包变换方法，并在数值模拟、实验室条件下得到了较好的结 果。 文献1 9 通过仿真模拟计算，分析了基于小波变换提取局部放电脉冲特征的效 果及有关影响因素。 文献2 0 - 2 6 探讨了用小波变换去除白噪声的问 题。 其中文献2 0 , 2 1 利用模极 大值法来提取局放信号，文中指出，由 于白 噪与局部放电 信号的l i p s c h i t z 指数明 显不同，可以利用原信号中信号与白噪的小波变换极大值在多尺度上的变化差异， 来区别局部放电 信号和白噪声， 从而将放电 信号从白噪中鉴别出来。文献2 1 提出 了用信号自 相关函数的小波变换去除白噪声的方法，以及通过对去噪后局部放电 信号自 相关函数特征的分析，从小波反变换后的自 相关函数中提取局部放电信号 鞍山 科技大学硕士论文 第 i 章绪论 的方法。在此基础上，文献2 2 , 2 3 用基于小波变换的门限法来去除白干扰，文献 2 5 对传统的进行了改进，提出了一种估计小波系数的模平方的处理方法。文献2 2 针对局放在线监测的三维图谱进行处理， 而文献2 3 直接针对测得的信号。 文献2 4 提出了一种用于抑制窄带干扰和白噪干扰的平稳一 非平稳滤波器，并且分析了影响 因素。 1 . 2 . 2 .2研究展望 小波分析的基本思想的提出已经有几十年了，但算法真正得到重视和发展还 是最近1 0 年的事， 在电 机局部放电在线监测中的应用更处于初期，还有不少尚待 研究的问题。 ( 1 ) 本文只对白 噪声干扰和窄带周期干扰的 抑制进行了 研究， 在现场监测中还 有一种干扰一随机脉冲干扰，这种干扰特性与局放信号都比较接近，研究如何利 用小波分析抑制这种干扰是非常有意义的。 ( 2 )结合小波理论和其他信号处理技术在局部放电信号监测中有广阔的应用 前景。如小波分析和神经网络的结合，研究基于小波的神经网络系统来识别局部 放电的类型等。 1 .3电 机中局部放电 的基本理论2 6 2 9 1 1 . 3 . 1局部放电的形成及放电过程 绝缘体中只有局部区域发生放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，这种现 象称之为局部放电。局部放电可能发生在绝缘体的内部，也可能发生在表面，前 者称之为内部局部放电，后者称之为表面局部放电。发生在被气体包围的导体附 近的放电，称之为电晕。 当绝缘体中局部区域的电 场强度达到击穿场强时，该区域就发生放电。在实 际的绝缘系统中，有的是由复合材料构成的，在不同材料中的电场强度不同，而 且击穿场强也不同，这就可能在某种材料中首先出现局部放电。有的绝缘系统虽 然是由 单一的材料做成，但由于在制造中残留， 或在使用中绝缘老化而产生气泡、 裂缝或其他杂质，在这些绝缘的缺陷中往往会首先发生放电，其中最常发生的是 气泡的放电。因为气体的介电常数总是小于液体或固体材料的介电常数。在交变 电场下，电场强度是与介电常数成反比的，所以气泡中的电场强度要比周围介质 中高得多，而气体击穿场强一般都比液体或固体低得多，因此当气泡内的电场强 度达到击穿场强时，气泡就首先放生放电，而其他介质仍然保持绝缘性能，这就 鞍山 科技大学硕士论文第i 章绪论 形成了局部放电。 气隙中的放电时间很短，约为1 0 - 气数量级。 1 . 3 . 2局部放电及其分类 根据局部放电发生的位置和机理不同，可分为内部局部放电、表面局部放电 以及电晕放电三种 变化规律各不相同 。各种局部放电的起始条件、放电波形以及放电随施加电压的 1 . 3 . 2 . 1内部局部放电 内部局部放电在介质内部或介质与电极之间的气隙内发生。固体绝缘中产生 气隙的原因很多，有的是在产品制造中就残留在绝缘结构中;有的是在使用中有 机材料进一步固化和裂解而放出气体形成的:有的是在使用中承受机械应力如振 动、热胀冷缩等造成的局部开裂。例如:a级绝缘浸渍不良 或材料老化过程中失 去结晶水而形成气隙; 浸渍绝缘材料由 于氧化、 分解或聚合反应产生气隙或裂缝; 云母材料内部有空气夹层或云母制品用的有机胶合剂劣化，使云母材料松散而形 成气隙;运行中的机械振动和热胀冷缩会造成局部开裂。油绝缘中除因油和大气 接触从大气吸收气体以 及运行中油质劣化分解出 气体外， 气泡来源还有: ( 1 ) 阴极 强场发射的电 子流的加热作用使油分解: ( 2 )电极表面不规则处的电 晕放电引 起油 气化; ( 3 )电 子碰撞油分子引起电 离; ( 4 )电 极表面上的气孔或吸附的气泡。 放电是外施电压在气隙上的分压和放电电荷在气隙内建立的电压共同作用的 结果。 在起始放电时，内部放电总是首先出现在试验电压的瞬时值上升接近9 0 0 或 2 7 的相位。随着试验电压的增高，出现放电脉冲的相位范围逐渐扩展，甚至可 以 超过0 0 和1 8 0 0 。 但在9 0 和 2 7 0 0 之后的一段相位内 总是不会有放电 脉冲出 现。 各次放电大小不等、疏密度不均匀，放电量小的间隔时间短，放电次数较多;放 电量大的间隔时间长，放电次数较少。当气隙的四周都是介质时，在试验电压的 正负半周出 现的放电波形是对称的，如图1 - 4 。当气隙是介于金属 ( 电极) 与介质 之间时，放电波形就不对称了，如图1 - 5 ，靠气隙一边的导体是接地的，负半周放 电脉冲大而稀，正半周小而密。这是由于导体为负极性时发射电子容易，气隙的 击穿电压降低，导致视在放电电荷减小、放电次数增加。 鞍山 科技大学硕士论文 第 i 章绪论 1 s o * 1 s 0 * u =认2 7 0 02 7 0 0 介认 图1 - 4介质包围的 气隙内的局部放电 相位分布 田一外加电压:u i 一起始放电电 压) 1 8 0 0 2 7 0 0 图1 - 5介质一 金属气隙内的局部放电 相位分布 1 . 3 . 2 . 2表面局部放电 表面局部放电是当沿介质表面的电场强度达到击穿场强时所发生的局部放 电。在电 机绕组、电缆、套管等绝缘结构的端部，从导体到介质表面经常会出现 这种局部的放电。在空气中的表面放电和在介质与导体之间的内部放电 类似，放 电所积累的空间电荷将影响放电图形。在对称电极系统中，高压端和低压端电极 边缘产生放电的几率是相同的，放电图形基本对称。在不对称电极系统中，当产 生边缘放电的电极是处于高电位时，在负半周出现的放电脉冲是大而稀，在正半 周出现的是小而密， 如图1 - 6 所示。 当电 极边缘的介质表面涂以半导电层或将介质 表面浸在绝缘油中时，能改善电场分布，减少表面放电的发生。 外加电压升高时， 表面局部放电的放电量随之增大，这是由于放电的通道增长，放电面积增大之故。 表面局部放电与介质表面的状态密切相关，当湿度增大时，局部放电的起始电压 一般要下降。但在电场极不均匀的情况下，由于介质表面上的水分使电场分布变 为均匀一些，从而使放电起始电压反而提高。放电生成的各种半导电物质，会沉 积在介质表面，往往能改善电场分布，使局部放电间断或完全熄灭。由于影响介 质表面状态的因素很多，表面局部放电很不稳定。 鞍山 科技大学硕士论文 第 1 章绪论 1 8 0 0 图1 - 6不对称电 机高电 位表面局部放电 相位分布 1 .3 .2 .3电晕放电 在气体中，高电压导体周围所产生的局部放电称为电晕。如高压传输线、高 压变压器等高压电气设备，因高压接线端暴露在空气中，都有可能产生这种局部 放电。电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体附近的电场强度达到气体的击 穿场强时发生。电晕放电过程与前面所述的内部和表面局部放电的过程略有不同。 在外加工频电压的一个周期内可能出现多次放电，而且随着电压升高放电次数增 多， 但各次放电的大小几乎不变。电晕放电总是首先出现在负半周 ( 由于气体中 的离子在电场作用下迁移较快，放电产生的电荷很快就消失 ( 复合)不会像内部 放电那样积累在介质表面，形成很强的反电场，故首先出现在负半周，只有在更 高的电压下放电才出现正半周。正负两半周中放电波形极不对称，如图1 - 7 所示。 9 0 0 1 8 0 0 1 8 0 0 z 户u , 2 7 0 0 2 7 0 0协认 图1 - 7电晕放电 相位分布 ( u一外加电 压:u i 一起始放电电 压) 1 . 3 . 3 局部放电 对绝缘的破坏机理 根据大量的己损坏的高压电气设备的解剖和许多电老化的实验研究可以看 出，局部放电是造成绝缘损坏的主要原因之一。局部放电分散发生在极微小的空 间内，放电的能量很小，电极间并不形成贯穿性通道，所以它几乎不影响当时整 体绝缘物的抗电强度。 但是，局部放电时产生的电子、离子往复冲击绝缘物，会 使绝缘物逐渐分解、破坏，分解出化学活动性高的物质 ( 例如臭氧、氧化氮等) 使绝缘物氧化、腐蚀:同时使该处的局部电场畸变更大，进一步加剧局部放电的 程度。 局部放电也可能产生局部的高温，使绝缘物老化、破坏。如果绝缘物在正 常工作电压下就有一定程度的局部放电，则这些过程将在其正常工作的全部时期 鞍山 科技大学 硕士论文 第 i 章绪论 中持续发生，并会进一步地发展，加速绝缘物的老化和破坏，最后导致在正常工 作电压下发生整个绝缘的击穿或沿面闪络。局部放电对于绝缘的损坏是日 积月累 的，逐渐发展的，它是一个由量变到质变的过程，它是经过多次局部放电的积累， 然后突然发生事故的过程。 局部放电对绝缘造成的破坏作用可以归纳如图1 - s o 实际上，局部放电对绝缘的破坏往往是以某一种破坏作用为主，多种破坏作 用并存。绝缘材料的本性和试验条件不同，破坏作用也有差异。 局部放电对绝缘的危害决定于实际放电电荷，而气隙的形状、放电的位置以 及其它许多因素也对危害程度有影响。可以通过局部放电信号本身的表征参数来 图1 - s局部放电 对绝缘的 破坏作用 评价其对绝缘的危害性。大多数学者认为，应该根据放电电荷的最大值来评价局 部放电的危害程度;但也有学者认为，放电量小而放电次数多的局部放电比放电 量大而放电次数少的更为有害;还有学者认为，绝缘材料的老化是由于发生化学 反应的结果，而化学反应的速度与局部放电消耗的能量直接相关;还有学者认为 应考虑放电的发展趋势，开始放电量虽小但随时间推移而不断增加的局部放电， 比一开始放电量虽大但随时间的推移而趋于稳定甚至是衰减的危害更大。 研究局部放电产生的原因、表现形式以及对绝缘的影响程度等，有助于指导 放电检测系统的研制，有助于确定危害性大的放电形式而有针对性的研究其诊断 方 法 c 鞍山 科技大学硕士论文 第 1 章绪论 1 . 4研究目 标和工作内 容 在已有研究成果的基础上，本文对局部放电信号的消噪和模式识别方法做进 一步的研究，主要研究内容如下: ( 1 )对小波理论应用于局部放电在线监测中去干扰的原理进行系统分析，确 定了 小波技术在去干扰应用中的 适用范围。从小波基函 数、分解尺度、阀 值函 数、 阀 值选取等方面研究了可用于局部放电在线监测的小波消噪方法。根据小波在不 同尺度上的分解系数是变化的这一规律，提出了一种自 动阀值的选取规则并与综 合门限的阀值处理方法相结合，以求达到最优的消噪效果。 ( 2 )不同设备内的放电 有不同的放电形式，必须有针对性地构造放电模型。 本文在发电机线棒的仿真模型的基础上进行局部放电测量，对测试到的数据提取 了二维谱图的特征参数。用支持向量机的方法对四种放电类型进行模式识别，并 与神经网络的识别方法进行了比较。 鞍山 科技大学 硕士论文第2 章小波分析方法及其特点 第二章 小波分析方法及其特点(3 1 -3 5 1 wa v e l e t ，这一名词最早被研究信号分析的工程师mo r l e t . j在2 0 世纪8 0 年 代初提出。 历史上第一个小波基是由s t ro m b e r g j . o于1 9 8 2 年首先构造出 来。 1 9 8 5 年 m a y e r 等人 通过构成l z ( r ) 的一 个准正 交完全 集的 方法 选取连续小 波的 一个离 散子集，称之为框架，并证明了一维小波函数的存在性。另一个具有突破性的进 展是 m a l l a t 提出的多分辨率分析的概念，统一了 在此之前提出的各种小波的构造 方法，给出了构造正交小波基的一般方法和快速小波算法，为小波变换在各研究 领域的应用奠定了基础。 小波变换具有 “ 变焦距”的特征，小波函数中存在的与局部频率相对应的尺 度因子，可以改变时频窗口的形状，当尺度因子逐渐减小时，小波函数的频谱便 渐趋向高频方向，而其宽度则渐趋狭小，据此满足了信号的频度愈高，它在时、 空域上的分辨率愈高的要求。小波分析由于对高频成分采用逐步精细的时域或空 域取样步长，从而可以聚集到对象的任意细节，故赢得了“ 数学显微镜”的美誉。 2 . 1标准傅里叶变换、短时傅里叶变换和小波变换 傅里叶 ( f o u r i e r )变换是信号处理、图像处理、量子物理等众多科学领域分 析研究的重要数学工具之一。傅里叶变换定义了 “ 频率”的概念，用它可分析信 号能量在各个频率成分中的分布情况。 如设输入信号f ( t ) e l z ( t ) ( 其中t 为复平面 的 单位圆) ， 则l z ( t ) 等价于以2 二 为周期的 平方可积函数， 此时 有傅里叶展开 f ( t ) = 艺c k e 式中 c k= f ( t ) e k d t ( 2 . 1 . 1 ) ( 2 . 1 . 2 ) 为函数的 傅里叶系数。如果f ( t ) r l 2 ( t ) ( r为实轴) ，则 式中: f (t ) = 皿 f (a )e - d w f (co ) = 皿 f (t)e w d t ( 2 . 1 . 3 ) ( 2 . 1 . 4 ) 为函数的傅里叶变换。 傅里叶分析就其实质而言，是将 ( 0 , 2 二)上平方可积函数空间中任一函数 分解成一组正交三角函数的叠加。利用傅里叶变换， 可将信号从时域变换至频域， 鞍山科技大学硕士论文第2 章 小波分析方法及其特点 并分解成不同尺度上连续重复的成分。 傅里叶变换在应用中仍存在不足之处。傅里叶变换的每一个基函数都是不同 频率地覆盖整个时域的正弦波，因此不能分析局部信号，不具备时间局部化的能 力，而在实际的信号处理中，尤其是在非平稳信号处理中，信号附近的频域特征 是很重要的，仅从时域或频域上来分析是不够的。为了把时域和频域结合起来描 述信号的时域特征， 短时傅里叶变换 s t f t ) 应运而生。 它由d e n n i s g a b o r 于1 9 4 6 年引入 ( 也称g a b o r 变换或加窗傅里叶变换) 。它把非平稳信号看成是一系列短时 平 稳 信号的 叠 加， 而 短时 性 是 通过时 域 加窗 获 得的。 f ( t ) e l ( t ) 的 加窗 傅 里 叶 变 换定义为 f (t ) , t ) 一 皿 e 0 g (x 一 ; )f (x )dx ( 2 . 1 . 5 ) 式中:g ( x ) 称为窗m 数。 窗函数所确定的窗口是对其局部性的一次刻画，该函数在时、频两域上窗口 越小， 则局部化程度越高. 但依据海森堡( h e i s e n b e r g ) 测不准原理，两域的窗口 不 可能同时任意的小，二者之间存在一定的制约关系，即当基函数确定后，由于对 所有频率都使用同样的窗，矩形窗口的形状就确定了。短时傅里叶变换实质上是 具有单一分辨率的分析，其时间分辨率和频率分辨率是确定不变的，若要改变分 辨率，则必须重新选择基函数。因此，短时傅里叶变换用来分析非平稳信号有它 的局限性。 小波变换对短时傅里叶变换的局部化思想作了进一步的发展，克服了后者中 窗口的大小，形状固定不变的不足，而表现出 “ 变焦距”的特性。小波函数中存 在的与局部频率相对应的尺度因子，可以改变时频窗口的形状，却不改变窗口的 面积，当尺度因子逐渐减小时，小波函数的频谱便渐趋高频方向，而其宽度则渐 趋狭小，据此满足了信号的频度越高，它在时、空域上的分辨率越高的要求。 2 .2连续小波变换 设 给 定 小 波+p e l z ( r ) ， 则 信 号f e l ( r ) 的 连 续 小 波 变 换叽f ( a , b ) 定 义 为 w ,f (a ,b ) = la l y了 f (x )v ( x 一b _ . ) 口 尤 ( 2 . 2 . 1 ) 9/ .,e (x ) = ja i -y v ( x - 立 ) ( 2 .2 . 2 ) 式中:a 力e re r ，a * 0 ， 则式2 .2 . 1 可简记为 一j 3 鞍山 科技大学硕士论文第2 章小波分析方法及其特点 巩f ( a , b ) = ( f l y w a .b ) ( 2 . 2 . 3 ) 将式2 .2 . 1 与下面的短时傅里叶变换( k b f ) ( w ) ( k b f ( 0 = j e f ( t ) w ( t - b )d t ( 2 . 2 .4 ) 对比可以发现连续小波变换与短时傅里叶变换在形式上很相似，只是把短时傅里 叶 变 换 中 的 e 一 换 成 w (x - 立 ) 。 a 连 续 小 波 变 换 中 的 参 数b 可以 解 释 为 时 间 定 位 中 心， 每 个w a .b ( t ) 是 围 绕t= b 局 部 化 的 ， 而 参 数。 则 影 响 汽 ，)v o w涉 及 的 频 率 区 域 : 大 的 尺 度 参 数 同 相 应 于 低 频 或 很 粗 的 尺 度 ， 小 的 ia l 则 相 应 于 高 频 或 很 细 的 尺 度 。 假 定 y / e l ? ( r ) ， 为 了 由 连 续 小 波 变换式2 .2 . 1 重构ax ) ，需要w 满足容许性条件 c , =f iai iw (a) ( 2 .2 . 5 ) 如 果 v e l 2 ( r ) 满 足容 许 性条 件 2 .2 .4 ， 则 称w 为 一个 基小 波， 相 应的 式2 .2 . 称为关于这个基小波的连续小波变换 ( 或积分小波变换) 。 2 . 2 . 1连续小波的，构 一个函 数f 能 够由 它的小 波变换重构。 令w 是一 个基小 波， 它定 义了 一 个连续 小 波 变 换 叽f ( a , b ) ， 那 么 对 于 任 何 f e e ( r ) 和 f 的 连 续 点 ， e r ， 有 f ( x ) = c a, 1 ( w f ) ( a ,b ) 扒 ，合 (x ) d a d ba ( 2 . 2 . 6 ) 式2 .2 .6 说明函数f 可以由小波变换完全重构。 2 .2 .2小波的时间一绷率特性 小波变换和傅里叶 变换都可以 看作把信号和某个窗函 数f ( t 一 分离出 信号在某个时段和频段上的信息。为考察窗函数f ( t f ( t - b ) 的窗口中 心t ( f ( t - b ) ) 和窗口 半径 ( f ( t - b ) ) 为 一 b ) 相乘后积分， - b ) 的性能，定义 t*(f (t- b)= iif (x l b)ii fl,一 ”)if 一 ”)i2dx o cf cr 一 ， ) 汁一 上一