（电力系统及其自动化专业论文）基于小波变换的局部放电信号消噪研究.pdf

的消噪结果，本文通过仿真分析了小波基、分解层数和阈值选择对局部 放电消噪结果的影响。 关键词：局部放电；小波变换：小波包变换；阈值；消噪 a bs t r a c t p a r t i a ld i s c h a r g c ( p d )f o rl a r g cp o w e re q u i p m e n ti s a l w a y sa ni m p o r t a n c e s t u d yi t e mi ni n s u l a t i o ns u b j e c t ，a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e o ni n s u l a t i o nd i a g n o s i sa n dl i f e t i m ep r e d i c t i o na n do n l i n em o n i t o r i n go ne l e c t r o n i c d c v i c e s a l t h o u g ha l o to fs t u d yo np a r t i a ld i s c h a r g e si n s u l a t i o nd i a g n o s i sa n d o n l i n em o n i t o r i n go ne l e c t r o n i cd e v i c e sf o rl a r g cp o w e re q u i p m e n th a sb e e n d o n e ，t h ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nt h a t s t i l l p u z z l i n gi m p l e m e n t a t i o n o n p a r t i a ld i s c h a r g e so n - l i n em o n i t o r i n g t h e r ea r em a n ym e t h o d sa n di d e a s o ni n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o n ，b u t s e l d o mo ft h e mc a nr e a l l y a p p l i e st o m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h a t s m o r e ，t h e a f f e c t sa r en o ti d e a l w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h em o d e r n i z a t i o n d i g i t a ip r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f s u p p r e s s i o nt e c h n i q u e s m e t h o d sf o rp a r t i a l d i s c h a r g e s o n l i n em o n i t o r i n gt r e n dt os o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，t em o s t t y p i c a lc a s ei sf o u r i e rt r a n s f o r m s i n c et h ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o ni sb a s e d o ns t a t i o n a r ys i g n a l ，s oi ti sn o ts u i t a b l ef o rt h es t u d yo ft h et y p i c a lp a r t i a l d i s c h a r g ew h i c hi sm u t a t i o na n ds i n g u l a r i t y r e c e n t l y ，w a v e l e tt r a n s f o r m a n dw a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o nw h i c hh a v ee x c e l l e n tt i m e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i ca r ea p p l i c a b l et 0a n a l y z ei n s t a n t a n e o u ss i g n a l0 rt i m ec h a n g e s i g n a l t h i ss t u d ya n a l y z e st h cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es i g n a l so fp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) a n dw h i t c n o i s ci n t e f f c r c n c ei no n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m t h e s i g n a l s o f p a r t i a ld i s c h a r g e h a s l a g e fa m p l i t u d ei n m o s ts c a l e ，b u tt h ew h i t c - n o i s e i n t e r f e r e n c ei st oz e r ow i t hi n c r e a s i n gs c a l e a c c o r d i n gt ot h cd i f f e r e n ts p e c i f i c p r o p e r t i e so fd e c o m p o s i t i o ns c a l co fw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nm o d u l u sm a x i m u mo f p ds i g n a l sa n dw h i t en o i s e ，w cc a na p p l yt h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o dt or e m o v ct h e w h i t en o i s eo fp ds i g n a l s m a n yt h r c s h o l dd e n o i s i n gm e t h o d s a r eu s e dt o d c n o i s i n g ，b u ts o m e t i m e st h e s et h r e s h o l dd e n o i s i n gm e t h o d s a r cn o ts u i t a b l ct op d s i g n a l s am e t h o do fp u n i s hf u n c t i o nt h r e s h o l dm e t h o di sg i v e ni nt h i sp a p e r f o u rt h r e s h o l dm e t h o d si nt w 0t h r e s h o l da l g o r i t h ma r eu s e dt od e n o i s ei n t h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h ew a v e f o r m sa n dm s e ，t h ep u n i s h f u n c t i o nt h r e s h o l dm e t h o dt ou s e dt ob ed e n o i s e di sb e t t e ri n h a r d t h r e s h o l da n ds o f t t h r e s h o l d t h em e t h o dw a sa p p l i e dt or c a l - l i f ep d m s l g n a l st or e m o v et h ew h l t en o l s ea n de x c e l l e n tr e s u l th a sb e e na c h i e v e d w a v e l e t p a c k a g e t r a n s f o r m a n a l y s i s m e t h o dw a s a d o p t e d t o d e c o m p o s eh i g h f r e q u e n c y a p p l y i n gi tt 0p ds i g n a l d e - n o i s i n ga n ds i m u l a t i o nr e s u l tw a s g i v e ni n t h ep a p e r e x p e r i m e n ts h o w st h a td e n o i s i n gb a s e do nw a v e l e t p a c k a g et r a n s f o r ma n a l y s i sm e t h o dc a ng e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t t h ew a v e l e tp a c k a g ec a nm u l t i l a y e rd i v i s e st h ef r e q u e n c yb a n do f s i g n a l sa n dd e c o m p o s eh i g hf r e q u e n c yt h a tc a nn o tb es u b d i v i s e dw i t h w a v e l e tt r a n s f o r m a l s o ，t h ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yb a n dm a t c h e dt ot h e s i g n a ls p e c t r u mc a nb ea d a p t i v ec h o o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f s i g n a l s w h i c h i m p r o v c s t h e t i m e f r e q u e n c yr e s o l u t i o n a p p l y i n g i tt o d e 。n o i s i n go fp ds i g n a la n ds i m u l a t i o nr e s u l tw a sg i v e ni nt h ep a p e r e x p e r i m e n ts h o w st h a td e n o i s i n gb a s e do nw a v e l e tp a c k a g et r a n s f o r m a n a l y s i sm e t h o dc a ng e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t i n0 r d e rt 00 b t a i nb e t t e r d e n o i s i n g ，n o t0 n l y a p p r o p r i a t cw a v e l e t f u n c t i o nm u s tb es e l e c t e d ，b u ta l s ot h eb e s td e c o m p o s i t i o nl a y e ra n dt h e a p p r o p r i a t et h r e s h o i ds h o u l db ed e t e r m i n e d t h es e i e c t i o no ft h r e s h o l d a f f e c t st h ef i n a ld e - n o i s i n ge f f e c td i r e c t l y ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s t h a tw a v e l e tf u n c t i o na n dd e c o m p o s i t i o nl a y e r sa n da p p r o p r i a t et h r e s h o l d a f f e c tt h ef i n a ld e n o i s i n g ：k e yw o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ： w a v e l e tt r a n s f o r m ；w a v e l e tp a c k e t t r a n s f o r m ： t h r e s h o l d ； d e - n o i s i n g i v 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：苏去例日期：矽年r 月2l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：；参；坼 日期：f 年r 月江日 导师签名：z 发钮l 日期：f 年厂月7 日 第一章绪论 1 1 研究局部放电在线监测技术的背景和意义 随着电力行业的发展，电网规模的日益增大，电压等级的逐渐提高， 以及电力市场的经济制约，电力生产、管理、研究部门对发电系统及配 电系统中各种类型的电力元件进行了大量研究，进而解决电力设备运行 可靠性的问题。电气设备的运行可靠性在很大程度上取决于其绝缘的可 靠性。电力系统的绝缘材料一般为有机材料，绝缘体中各区域的电场一 般情况下是不均匀的，然而电介质本身通常也是不均匀的，有的是不同 的材料组成的复合绝缘体：有的虽然是单一的材料，但在制造或使用过 程中会产生一些气泡或掺入其它杂质，于是在绝缘体内部或表面就比较 容易出现局部放电现象。局部放电既是电力设备绝缘劣化的前兆，又是 造成绝缘恶化的重要原因，所以对局部放电进行比较有效的在线监测对 于电力设备的安全可靠稳定的运行具有非常重要的意义 5 1 。 长期以来电力系统都是沿用定期试验方式( 或者称预防性试验) 来 检测高压设备的绝缘状况。但由于预防性试验存在以下不足之处哺1 ： ( 1 ) 试验的电压等级比试验运行电压要低的多，所得到的数据有时并 不能说明电力设备的绝缘缺陷情况。传统预防性试验电压一般都低于 1 0 k v ，随着电力系统电压等级的提高，试验电压与运行电压之间的差距 也就越来越大，所以，有些一般性的绝缘缺陷就不容易被发觉，而且试 验时的现场中的各种干扰的影响也相应增大，从而影响到试验结果的准 确性。曾多次进行预防性试验合格后不久，电力设备就发生事故的情况。 ( 2 ) 预防性试验时必须停电，这样会给国民经济带来一定的经济损 失。 ( 3 ) 预防性试验的周期比较长。预防性试验的周期一般为一年，一些 发展较快的故障很容易在两次规定试验之间的时间内发展成为事故。 ( 4 ) 预防性试验的工作量比较大，绝缘劣化是累计发展的过程，潜在 的绝缘缺陷也就很难在预防性试验中检测到。 从8 0 年代开始，日本进入了以状态监测为主的预维修时期，在第四 次中日绝缘诊断技术讨论会上，日本教授作了“期望寿命基于绝缘诊断一 的报告，提出了电力设备维修技术的发展趋势。如图1 1 所示 1 。 图1 1 维修状态的未来发展趋势 不但国外的电力设备监测技术飞孟发展，国内在线监测技术也在迅 速发展。目前的电力设备绝缘在线监测装置有：变压器局部放电色谱分 析装置、避雷器的泄漏电流在线监测装置和设备红外线测温的在线监测 装置等等。8 0 年代后期，我国一些电力研究所和研究机构开始了电力设 备绝缘在线监测研究，并取得了一定的进展。这几年，武汉高压研究所 研发出的变压器局部放电自动监测系统，在湖南常德等变电站成功的记 录了运行中的变压器过载的局部放电现象：1 9 9 3 年以来，多功能全自动 的在线监测系统，也投入到了变电站的运行阳1 ；上海交通大学也研究出 了汽轮发电机局部放电在线监测系统阳1 ：清华大学等也开发了多种电力设 备的局部放电在线监测装置o 1 。 尽管人们对电力设备在线监测及绝缘故障诊断这一课题进行了比较 多的研究，但与实际中状态维修制的要求还有一定差距。在工程研究领 域存在大量的研究课题，这中间大型电力设备的局部放电在线监测和故 障诊断技术最为突出。由于现场存在比较强烈的电磁干扰现象，目前经 常用的以脉冲电流为特征的局部放电的在线监测方法，还很难达到实际 工程应用的水平，所以抑制干扰也就成为困扰局部放电在线监测实施的 重要难题2 13 1 。 1 2 局部放电在线监测中抑制干扰处理方法的现状 局部放电信号干扰是多种多样的，表现出的特性当然也是多样的， 所有的干扰都用一种方法来消噪是不可能实现的，所以不同的干扰，需 采用不同的消噪措施，综合利用，从而达到消噪的目的。抑制干扰的方 法有典型的三种：消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理1 。对于 由于设计有误而引起的人为噪声，则可通过改进系统的设计结构，加强 屏蔽等方法来进行清除：通过电源滤波可以消除电源引来的噪声；把测 试仪器进行较好的屏蔽，可以消除因空的间耦合而造成的噪声干扰；确 保检电路中各部分良好连接，也可以消除由于接触不良引来的噪声；一 点接地，则可消清除孤立导体，也可以消除由于浮动电位物体引来的噪 声干扰。对于由于利用传感器而引进的干扰，这就需利用硬件和软件的 方法，进行抑制干扰。 按时域信号的特征可将噪声干扰分为连续的周期性窄带噪声干扰、 脉冲型噪声干扰和随即白噪声干扰三大类引。虽然我们在硬件上已经成 2 功研究出了较多的抑制噪声干扰的方法，但这些方法用在线监测系统中 的消噪效果并不好，甚至噪声根本不能消除。目前数字处理技术的飞速 发展，抑制局部放电噪声干扰的方法也正趋向软件化方向。即对采集的 含噪局部放电信号进行数字化消噪处理。小波及小波包等数字处理技术 的应用使局部放电在线监测中利用软件来抑制噪声干扰的效果有了进 步。在数字处理技术发展的同时，人们也试着将硬件和软件结合起来抑 制消噪干扰，得到比较准确局部放电信息，形成一套比较完整的抗噪声 干扰体系引。目前局部放电信号在线监测中采用的抗噪声干扰的数字信 号处理方法有： ( 1 ) 有限冲击响应滤波方法引：这种方法主要是设计一个带通滤波 器，但是该带通滤波器的频带范围必须根据现场噪声的情况事先确定， 这种方法只能适用于特定的现场情况，当现场的噪声干扰的频率有变化 时，那就必须得改变带通滤波器的参数，所以这种方法很难推广。 ( 2 ) 自适应滤波方法引：这种方法比较适用周期性噪声干扰的抑制。 但是此方法的收敛性比较差，如果在信号里同时出现多种噪声干扰时， 而且周期性窄带干扰的频率范围较宽，那么就容易很难收敛，滤波效果 也相当差。 ( 3 ) 卡尔曼滤波方法引：这种方法也主要是用在消除周期性窄带噪声 干扰，此方法的缺点是消噪后局放电信号能量损失比较严重，波形有很 大的畸变，而且算法中有矩阵运算，所以计算时间较慢，所以该方法很 少应用在实际中。 ( 4 ) 模式识别方法心们：次方法的是利用信号的相位特性进行区分。该 方法需要积累大量的先验知识，并必须找到干扰和局放间的差异，但是 实际中，在比较强的噪声中很难找出这些差异。 ( 5 ) 信号相关方法心：此方法对于消除周期性脉冲干扰比较有效。这 种方法是根据局放信号同周期性脉冲噪声干扰信号在产生位置、波形形 状及幅值大小等方面都具有不同的相关度，从而去除周期脉冲窄带干扰。 ( 6 ) f f t 阈值滤波方法纠：这种方法也主要是消除周期性窄带噪声干 扰。此滤波方法先对信号进行f f t 变换，得到信号的频谱，然后在信号 的频谱上设置一个阈值，把所有大于阈值的部分清零，这样就可以有效 除窄带干扰。这种滤波方法的缺点是阈值的选择非常难，尤其是现场的 干扰信号随时间不断变化，阈值就更难选择，但该技术实现起来比较简 单，所以现在仍被广泛采用。 ( 7 ) 二阶点阵滤波方法心引：此种方法的明显优点是干扰抑制比高，波 形的畸变较少，有比较好的滤波效果。但是该方法同f f t 阈值滤波法一 3 样，在现实中存在干扰频率难以确定、运算比较慢等缺点。 现在消除噪声干扰的措施虽然很多，但真正能有效的用于在线监测 系统的并不多，且滤噪效果并不理想，需要在理论和实践中进一步摸索。 1 3 小波变换在局部放电抗干扰中的应用 近来，数字信号处理技术特别是小波变换的发展，吸引着很多电力 爱好者，并且也有了一定的进展。小波变换由于具有时频局部化和时频 窗大小可变的特性，所以非常适用于处理突变的信号，因此，目前在电 力系统中的应用也比较广泛心4 2 引。本文的局部放电信号是典型的突变信 号，所以，基于小波变换的抗干扰方法被应用到电气系统的局部放电监 一测中。 “局部放电 是指在电场力的作用下，绝缘体只有部分区域发生放 电而并没有形成贯穿性通道的一种放电现象心7 1 。从检测位置来看，局部 放电信号大体分为三类：指数衰减脉冲、高斯脉冲和三角脉冲。这些信 号含有比较多的频率信息。开始也介绍到，傅立叶基数变换是针对平稳 信号的，而局部放电是典型的具有突变和强奇异的局部性信号，所以基 于傅立叶变换的分析法不适用。小波变换分析的是非平稳信号，而且此 分析方法在时域、频域上同时具有较好的局部化特性，所以比较适合于 突变信号的处理。根据小波变换的捕捉突变信号的能力和优越的消噪功 能，此方法作为消除噪声、提取有用的局部放电信号是一种比较理想数 学工具1 。 今年来，基于小波消噪的方法非常多，最典型的有模极大值方法、阈 值方法、小波系数自相关方法、平移不变方法，这中间用的比较多的是 模极大值方法和阈值方法。模极大值方法是根据干扰噪声和局放信号的 小波变换系数的模极大值沿尺度具有不同的变换特性，根据这种典型特 性来消除白噪声干扰妇引。文献【2 9 】试着利用小波变换来抑制白噪干扰， 从而达到提高局部放电信号的信噪比的目的。模极大值方法的宗旨是根 据目标信号与白噪声干扰的小波变换的极大值在尺度上的变换的不同特 性，来区分局部放电信号与白噪声干扰信号，从而可从白噪声干扰中把 局部放电信号提取出来。文献【3 0 】利用了也是根据局部放电信号和白噪声 小波变换特性的不同，从干扰信号中提取局部放电信号。模极大值方法 的典型优点是分解后信号的重构精度很高，但是实际应用中，这种方法 需要较多的交错投影计算，还有矩阵运算，所以计算速度很慢，而且模 极大值点的确定很难，不实用。文献【3l 】提到了根据自相关函数的小波变 换消除白噪声干扰的方法，这种方法是根据消噪后的局部放电信号自相 4 关函数的特性，再从小波反变换后的自相关函数中把局部放电信号区分 出来。文献【3 2 】分析了小波相关滤波法，通过对含有干扰噪声的冲击响应 信号的判别，说明此方法可以在较强干扰中比较准确地提取到冲击响应 信号。文献【3 3 3 4 】里用到的小波域滤波法，这种方法是根据目标信号和 干扰噪声在不同尺度上的小波变换的形态不一样，从而可以把信号和噪 声区别开来。其实质是根据小波变换系数在各尺度上相关性很强，而干 扰噪声所对应的小波变换系数却没有表现出比较强的相关性。此方法的 缺点是：如果小波分解不准确，那么就会影响到相关系数的计算，从而 造成相关系数与小波系数的比较就没有任何意义。d o n o h o 在这些方法的 基础上提出了基于小波变换阈值的消噪方法，并对此方法进行了研究。 该方法认为信号对应的小波分解系数，其幅值较大，但数目很少；而噪 声干扰所对应的小波分解系数是一致分布的，数目较多，但幅值很小。 根据这一特性，把绝对值相对较小的小波分解系数清零，绝对值相对大 的小波分解系数保留原值或进行阈值收缩，可以得到阈值处理后的小波 系数，再把阈值处理后的小波分解系数进行信号的重构，从而达到了去 噪的目的。文献【3 5 3 6 】提到是利用基于小波变换的门限法来去除白噪声 干扰，该方法实现起来很容易，所以在很多领域中已被广泛应用。文献【3 7 】 研究了利用小波阈值方法来消除局部放电信号中的白噪声，并根据局部 放电信号的突变的特性，说明选择小波基的选择非常重要。从以前的研 究中可以看出，基于小波变换的消噪方法计算量小，而且比较实用，但 是在具体实现中，小波分解与信号重构、小波基的选择、分解层数以及 阈值的选择等对消噪结果都有较大影响。所以这些影响因素是此方法在 应用中的难题，也成为了当今研究的热点8 4 0 1 。 1 4 本文使用的软件介绍 m a t l a b 仿真工具是由m a t hw o r k s 公司开发，目前已成为最流行的 科学与工程计算的软件工具，m a t a l b 现在不仅仅只是“矩阵实验室”， 它已经是一种具有广泛应用前景高级编程语言了，一部分人现在把它叫 作“第四代一计算机语言，m a t l a b 在高校和科研单位正扮演着非常重 要的角色。目前m a t l a b 工具的功能越来越强大，且不断更新来适应新 的要求。在科学计算、自控与绘图领域中，m a t l a b 语言一直都保持其 领先的地位。m a t l a b 工具具有强大的运算能力、方便实用的绘图功能 及语言的高度集成性，这些优点使它在其它领域的应用也是越来越广泛， 并且应用前景非常广泛和比较大的发展潜力。另外m a t a l b 提供了比较 多的工具箱，为日后的科研工作带来了非常大的方便。 5 1 5 本文的主要内容和工作 基于以上方法的优点和缺点本文采用小波变换方法和小波包分解法 对局部放电信号进行消噪处理。在构建消噪数学模型时，首先模拟四种 局部放电信号模型，再把白噪声这些干扰因素加入局部放电模型中，形 成带噪的仿真局部放电模型。用小波变换、小波包分解把含噪信号分解， 用阈值处理的方法把噪声滤掉，最后重构信号，即得到相对精确的局部 放电信号。从实验室实测局部放电信号，用同样的方法进行消噪处理， 验证仿真结果。 论文的主要内容和工作： ( 1 ) 对局部放电产生机理及干扰特性等进行了研究。 ( 2 ) 建立含有白噪声干扰的局放模型，采用小波变换及小波包变换对 含噪的局放模型进行多层次分解，用软硬阈值化方法，采用四种阈值对 分解系数进行消噪处理和信号重构。根据最小均方误差及波形的比较得 出：利用小波包变换的惩罚函数阈值的软阈值消噪方法优于其它方法。 ( 3 ) 用同样的方法对实测含噪的局放信号进行消噪处理，其结果与仿 真消噪结果一致。 ( 4 ) 最后，本文分析了小波基的选择、分解层数的选择及阈值的选择 对消噪结果的影响。 1 6 本章小结 本章主要介绍了局部放电信号在线监测的背景、意义及研究现状。 通过介绍已有的抑制局部放电信号干扰方法的优缺点，进而引入基于小 波变换的局部放电抗干扰方法。 6 第二章局部放电原理及其干扰特性分析 绝缘损坏是造成电气设备事故发生概率高的主要的原因，在电力设 备运行情况下，能在线监测出电气设备的绝缘情况，查出早期潜在的故 障，这样可最大限度的降低恶性绝缘故障的发生率，从而带来非常可观 的经济效益。从而可以看出，局部放电在线监测是查出绝缘故障的重 要手段。在实际的应用中，局部放电信号的特性不同，干扰信号更是各 异。只有对局部放电和干扰信号特性、来源和传播途径了解清楚，才能 有选择比较合适的方法，有效的消除干扰，尽量减小信号的失真，达到 能较准确地提取目标信号的目的，进而可以更有效的分析信号。 2 1 局部放电基本概念及其机理分析 2 1 1 局部放电基本概念 电力设备的绝缘材料大多为有机材料，如矿物油、绝缘纸和有机合 成材料。绝缘体各部分承受电场能力一般是不相同的，电介质本身的质 地通常也是不均匀的。有些是由不同的材料组成的复合绝缘体，如气体一 固体的复合绝缘体，液体一固体的复合绝缘体，以及固体一固体的复合绝 缘体等。有些材料虽然比较单一，但是在制造或者是使用过程中会出现 一些气泡或者其它的杂质。由于上面的种种原因，在绝缘体的内部或者 表面的一些区域的电场强度会高于平均电场强度，而一些区域的击穿场 强低于平均击穿场强，这样在一些区域内就会首先发生放电，而剩余的 区域仍然保持绝缘状态，这样就形成了局部放电现象。“局部放电 是 指在电场力的作用下，绝缘体中只有部分区域发生放电而并没有形成贯 穿性的放电通道的一种放电现象心 6 1 。 2 1 2 局部放电产生机理 固体绝缘的电工产品的应用过程中，例如塑料电缆、电机、胶纸套 管和浇注变压器等，可能在绝缘体系中含有气隙。造成气隙的原因很多， 有些是在产品的制造过程中就残留在绝缘体系中的；有些是在实际的使 用过程中，一些有机材料进一步固化或裂解而释放出气体形成的气隙： 有些是在实际应用中，承受了机械应力如震动、热胀冷缩等造成的局部 开裂而造成的气隙。这些气隙在电场力的作用下就会产生局放现象。 最简单的情况是在介质的内部有一个气隙，如图2 1 中( a ) 所示。图 7 中c 代表的是气隙，b 代表是与气隙串联部分的介质，a 代表的是除了b 之外的其它的介质。假设这一介质是处在平行板电极中的，那么在交流 电场的作用下，气隙和介质中的放电过程就可以用图2 1 ( b ) 所示的等效电 路来进行分析。假设在介质中的气隙是扁平形状的，而且是与电场方向 相垂直的，则按电流连续性原理可以得到： u 。【= 【，6 匕 ( 2 1 ) 堡： u 在工频电场中若圪和托都小于1 0 - 1 1 ( q m ) ， 里：上厶：叠 毛埘 ( 2 2 ) 则式子( 2 2 ) 可简化为 ( 2 3 ) 里：丛 ( 2 4 ) 氏7 c 式中e 、毛一气隙和介质中的电场强度( v m ) ； 【，、以一气隙和介质上的电压( v ) ： i 、k一 气隙和介质的导纳( 1 q ) ； 气、一 气隙和介质的相对介电常数： 以、九一 气隙和介质的等效电导率( q m ) ； 万、d 一气隙和介质的厚度( m ) 。 在图2 1 ( b ) 中，c c 是气泡的电容( f ) ，g 是与气泡串联部分介质的电 容( f ) ，e 是剩余部分介质的电容( f ) ；r 是气泡的电阻( q ) ，民是与气泡 串联部分介质的电阻( q ) ，民是其余部分介质的电阻( q ) 。 ( a ) 局部放电的机理模型( b ) 局部放电的等值电路 图2 1 局部放电的机理模型及等值电路 由以上可知，在工频电场中，气隙中的场强是介质中的场强的垒倍。 陀 通常情况下s 。1 ，气2 ，也就是说气隙中的电场强度要比介质中的高的 多，另一方面气体的击穿场强，即气隙发生击穿时的电场强度一般情况 下都比固体的击穿场强要低。所以，外界的施加电压足够高的时候，气 隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持绝缘状态，这样电极之间就没有 形成贯穿性的通道，这种现象就叫做局部放电。 在液体一固体的混合绝缘体系中，像油纸电缆、油纸电容器、油纸套 管等，这些因为在制造过程中采用了真空干燥浸渍等工艺技术，基本上 可以使绝缘结构中不含有气隙，但是却不可避免地存在着充满绝缘油的 间隙。这些绝缘油的介电常数通常情况下比固体介质介电常数要小的多， 而对应的击穿场强又比固体介质的低的多。因此，在绝缘油隙中也可能 会出现局部放电现象，但与气隙的相比，固体要在高的多的电场强度下 才能发生局部放电现象。 还必须清楚的是，虽然有时在介质中可能不含气隙或油隙，但是只 要介质中的电场强度分布是不均匀的，这也是造成局部放电发生的原因。 如埋在介质中的针尖形状的电极或者电极表面上的毛刺，或者其它物体 附近的场强比介质中其它部位的场强要高得多。当局部的场强达到介质 的本征击穿场强的时候，介质首先发生局部击穿而形成局部放电引。 在气隙放电时，气隙中的气体出现游离现象，使中性分子分离为带 正电的离子和电子。在外加电场的作用下，带正电的离子沿着电场的方 向移动，电子( 或者负离子) 则沿相反方向移动。所以这些空间电荷的 定向移动就建立了与外施电场致方向相反的电场瓦( 如图2 2 所示) ，那 么现在气隙中的实际电场为 e = 一 ( 2 5 ) 也就说气隙中的场强下降了e 肉，或者说气隙中的电压降低了玑。那么气 隙中的实际场强就比该气体的击穿场强要低，这时气隙中的放电就会暂 停。气隙中发生一次放电过程的时间非常短，大约是l o - 3 5 数量级；油隙 中发生这样一次放电过程的时间则相对比较长，可以达到1 0 巧s 数量级。 如果外界的施加电压是正弦的交流电压，如图2 3 所示，当电压的瞬 时值上升到使气隙上的电压u 。达到气隙的击穿电压【，。b 时，气隙内就发生 放电。这种放电的时间非常短，当气隙上的电压低于气隙的击穿电压时， 则可认为放电暂停( 相应图2 3 中的a 点) 。这点以后，气隙上的电压又随 着外加电压瞬时值的上升继而上升，直到气隙上的电压又重新回升到气 隙的击穿电压【，。日时，气隙又一次发生放电。瞬间，气隙上的电压又一次 下降u 。，于是放电又一次暂停。假定气隙表面的电阻非常高，而且前一 次放电产生的空间电荷也没有漏掉，那么此时气隙中由于放电电荷而建 9 立的反向电压为一2 【，。按照此推下去，如果在外界施加电压的瞬时值 达到峰值之前发生了疗次放电，且假定每次放电产生的电荷都是相等的， 那么气隙中由放电电荷而建立的电压为一n u 。当外加电压超过峰值后， 气隙上的外加电压u ，。就逐渐减小，当u 。= | _ n u 一时，也就说当气隙上的 实际电压为零( 相应图2 3 的e 点) ，放电停止。此时外加电压的瞬时值继 续下降，当l 【，。，一n u ，l = u 。时，气隙上实际电压达到了击穿电压，气隙又 一次发生放电，由于放电电荷移动的方向决定于以前放电电荷所建立的 电场巨。，所以原来放电所积累的电荷也相对减少了，这使气隙上的实际 电压l u 。一o 1 ) u 。i u 以，那么放电暂停( 相应图2 3 中的f 点) 。这以后外 施电压继续下降到负半周，当电压重新变为l u 。一n 一2 ) 【，。l 【，阳时，气隙又 一次发生放电。依此类推直到外加电压达到负的峰值，这时由气隙中放 电电荷而建立的电压为n u ，。随着电压的回升，在一段时间内出现 一u 。+ 力u 。 芝 j ： - 3 ： 图2 4 局部放电四种模型 其中图2 4 ( a ) 代表模型1 ，图2 4 ( b ) 代表模型2 ；图2 4 ( c ) 代表模型3 ； 图2 4 ( d ) 代表模型4 。 2 3 局部放电干扰特性分析 2 3 1 局部放电干扰分类 局部放电测量中的噪声干扰是多种多样的，按照频带可将其大体分 为窄带干扰和宽带干扰，按时域波形特征来划分，则大致可分为连续的周 期性干扰、脉冲型干扰和白噪声干扰三类h 5 1 。 1 连续性周期型干扰这类噪声干扰的波形通常是高频正弦波，有比 较固定的谐振频率和频带宽度。连续的周期性干扰包括： 电力系统载波通信和高频保护信号引起的噪声干扰； 无线电噪声干扰。 2 脉冲型干扰信号这种类型的干扰在时域上是持续时间比较短的 脉冲信号，而在频域上则是包含多种频率成分在内的宽带信号，与局部放 电信号具有相似的局部性特征。脉冲型噪声干扰包括： 线路中或高压两端的电晕放电； 电网中开关、晶闸管设备的闭合或开断而引起的脉冲噪声干扰； 其它非检测设备放电而引起的噪声干扰； 线路或邻近处的接地不良而引起的噪声干扰； 浮动电位物体放电而引起的噪声干扰； 电力设备的本机噪音或其它的随机噪声干扰。 3 白噪声干扰信号包括各种各样的随机噪声，如变压器绕组运作 引起的热噪声、配电线路和继电保护线路中因耦合而引进的噪声以及系 统监测线路中的半导体设备的散粒噪声等。理论上，白噪声干扰的功率 谱是恒定常数，且均匀的分布在整个频段上；而在实际工程应用中，如 果频谱在比较宽的频段上是连续平缓的，就可把此噪声干扰认为是白噪 声。 2 3 2 局部放电干扰的传播途径 电力设备，尤其是大型的发电机和变压器，其结构比较复杂、体积 又比较庞大，噪声干扰可通过传导、感应、辐射等多种方式从多个路径 侵入。 1 干扰信号在发电机中的主要传播途径有 ( 1 ) 由于励磁供电系统引进的干扰及由于碳刷与滑环间接触不良所 产生的摩擦火花放电基本上都是从电机的励磁侧引入的； 1 6 ( 2 ) 与电机相连的设备所产生的噪声干扰一般是从连接导线处引入 的； ( 3 ) 无线电干扰和其它随机性的噪声干扰一般是通过空间辐射方式 引入的。 2 干扰信号在变压器中的主要传播途径有” ( 1 ) 所有的周期性窄带信号( 如电力系统的高次谐波、载波通信、无 线电通信和高频保护都属于窄带信号) 、线路和绝缘设备的电晕放电、电 气设备的内部放电、开关等设备的闭合和开端引起的脉冲型放电或各种 冲击波( 如雷电波、操作波) 引起的高频电流脉冲等，这些信号主要通过 高压线路以传导方式进入变压器的； ( 2 ) 晶闸管整流设备、换流器及静止无功补偿器中的电力电子元件的 动作而引起的周期型脉冲干扰以及电弧炉的应用而引起的随机噪声干扰 和脉冲，这些噪声干扰主要经过变压器的低压侧，以传导的方式侵入的； ( 3 ) 晶闸管或其它的开关类器件因动作而产生的脉冲干扰、电机运作 而产生的电弧放电及配电线路中出现的随机噪声等，这些干扰信号主要 是通过风机、潜油泵和变压器控制柜的动力电缆或者各种信号的电缆以 电容耦合或直接传导引入的。这些噪声干扰都可认为是由变压器配电线 路而引入的二次干扰： ( 4 ) 变压器多点接地时，那么各接地线就会构成环形天线，这就可能 耦合引入各种空间的噪声干扰、地网噪声干扰等。 比较透彻了解噪声干扰信号以什么样的途径传入电力设备的，这对 怎样选择最佳的监测位置具有较大的意义。对于其它的一些噪声干扰也 可以通过切断其干扰的途径进行抑制。 2 4 本章小结 主要对局部放电发生机理、产生原因、表征参数以及四种典型模型 作了介绍。并对局部放电中存在的干扰类型、干扰的产生原因及传播途 径进行了分析。 1 7 第三章小波分析理论基础 很长期以来，傅立叶变换一直是信号处理的非常重要的手段，但是 傅立叶变换只能获得信号的整个频谱，对于信号的局部特性很难获得， 所以不能充分刻画时变的非平稳信号。近年来出现的小波变换，它通过 引入可变的尺度和平移因子，在分析信号的时候具有可调的时频窗口， 这样就非常容易的解决了时频局部化