小波包分析在變壓器油中放電聲信號檢測中的應(yīng)用

張義平，鄧 凱，陳俊武，蔡 禮，張 能，王凱睿

（1.國網(wǎng)江西省電力公司南昌供電分公司，江西南昌 330029；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

電力變壓器在電力傳輸系統(tǒng)中扮演著重要的電壓升降作用，是各電壓等級變電站的核心設(shè)備之一。變壓器運(yùn)行過程中，負(fù)荷的變化往往會導(dǎo)致變壓器內(nèi)部電壓變化，并繼而可能引起內(nèi)部絕緣介質(zhì)的擊穿放電。變壓器油為油浸式變壓器內(nèi)部主要絕緣介質(zhì)，其放電現(xiàn)象應(yīng)引起關(guān)注[1]。

變壓器油內(nèi)部放電時會伴隨一定的聲、光、熱等物理現(xiàn)象，基于放電產(chǎn)生的聲現(xiàn)象而發(fā)展的聲檢測法為一種常用的放電檢測方法。該方法為無損檢測，在石油、化工、航空航天等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[2]。可聽聲相比超聲波具有傳播過程衰減小的特點(diǎn)，因此本文將可聽聲檢測引入放電聲檢測中。

采集的變壓器油放電聲信號多為非平穩(wěn)信號。信號的奇異點(diǎn)上蘊(yùn)含了豐富的信息，且奇異點(diǎn)處能量占有相當(dāng)大比例，傳統(tǒng)的時域能量百分比計算方法不能將非平衡信號在突變點(diǎn)處的能量特征表現(xiàn)出來。小波包變換具有優(yōu)異的時-頻分辨率特性，適合處理不連續(xù)、突變和非平穩(wěn)的信號，兼顧了短時傅里葉變換和小波變換的優(yōu)點(diǎn)，并且小波包分解后的信號各頻帶信號獨(dú)立、能量守衡[3]。因此本文采用小波包分解分析變壓器油放電聲信號的能量特點(diǎn)。

1 小波包分析原理

設(shè)變壓器油放電聲信號為u（t），則可以按式（1）進(jìn)行小波包分解：

式中：h（k）為高通濾波器組；g（k）為低通濾波器組。

如圖1所示3層小波包分解，在每一層的分解中所有子帶均一分為二，并傳至下一層，這樣就構(gòu)成一種二叉樹的分解。圖中每一層都覆蓋信號所有頻率，并隨層數(shù)增加頻率分辨率也在增加。

圖1 三層小波包分解原理圖

對信號經(jīng)小波包分解后所得進(jìn)行重構(gòu)，可得各節(jié)點(diǎn)的重構(gòu)信號。重構(gòu)信號表示該節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)頻帶分量在原始信號中的分布情況，實(shí)現(xiàn)了對原始信號的頻域抽取。

本文應(yīng)用小波包分解與重構(gòu)方法計算信號各頻帶能量，方法如下[4]：

1）對信號進(jìn)行三層小波包分解并重構(gòu)，用S3k表示X3k的重構(gòu)信號，則總信號S可表示：

用E3j（其中j=0，1，…7）表示S3j所對應(yīng)的能量，可得：

式中：

xjk（j=0，1，…，7，k=1，2，…，n，）表示重構(gòu)信號S3j的離散點(diǎn)的幅值。

2）計算各頻帶能量值，用T表示：

為方便比較分析，本文對各頻帶能量值T歸一化處理，即各分量為各頻帶能量占總信號能量的比例。

式中：

2 仿真信號的小波包頻帶能量分析

為探索小波包在信號能量計算提取中的應(yīng)用效果，特取以下2個仿真信號進(jìn)行研究:

以上信號的時域波形如圖2所示。

圖2 仿真信號時域波形

以db10小波為小波包基函數(shù)，對信號進(jìn)行3層小波包分解，可以得到8個頻帶，按式（3）-（6）分別計算各頻帶能量占總能量的百分比，統(tǒng)計直方圖3為信號的各頻帶能量分布。

圖3 仿真信號各頻帶能量分布

從圖3中可以看出，2個信號的各頻帶能量占比差異明顯。信號s1的第1個和第5個頻帶能量占比分別為34.2%和29.9%，明顯高于其他6個頻帶。而信號s2第5個頻帶能量即占據(jù)了整個信號能量的大部分，達(dá)到了67.2%。因此兩信號的小波包頻帶能量特征顯著，可以從信號的能量分布直方圖很好地區(qū)分信號s1和信號s2。

3 變壓器油放電試驗(yàn)

為探究變電壓器油放電時的聲信號的基本特性，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計了如圖4所示試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)設(shè)備主要包括：變壓器（容量25 kVA，低壓側(cè)380 V/65.3A，高壓側(cè)100 kV/0.25A），調(diào)壓器，保護(hù)水電阻R0=1 MΩ，鐵制油箱（體積為100 cm×80 cm×60 cm），模擬放電電極，變壓器油（25號），電容分壓器（1000 1），聲信號采集裝置。

圖4 變壓器油放電試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

為模擬變壓器油中常見放電故障，試驗(yàn)中設(shè)計了針-針放電、針-板放電、沿面放電和懸浮電位放電共4種典型放電模型，分別模擬常見的不同形式的變壓器油內(nèi)部放電。試驗(yàn)過程中放電聲信號通過傳感器采集并最終上傳至控制PC。

4 變壓器油放電聲信號的小波包分析

基于前文中設(shè)計的試驗(yàn)平臺，在以上4種放電模型下進(jìn)行變壓器油放電試驗(yàn)，圖5所示為4種模型下放電聲信號原始波形示例。

圖5 變壓器油典型放電聲信號原始波形

從圖5可以看出，變壓器油放電聲信號具有一定的瞬時脈沖性，持續(xù)時間均只有0.1s左右。僅從時域波形外觀很難觀察分辨以上4種信號波形。參考前文對仿真信號的小波包分解思路，對信號進(jìn)行小波包頻帶能量分析。值得一提的是，由于試驗(yàn)時采集的聲信號不可避免地會混入一定程度的環(huán)境干擾噪聲，因此在進(jìn)行小波包分解前對原始信號波形進(jìn)行了消噪處理[5]。

同樣以db10小波為小波包基函數(shù)，對去噪后的信號進(jìn)行3層小波包分解，然后計算各頻帶能量占比。圖6為各放電形式下聲信號的小波包頻帶能量分布直方圖。

圖6 三層小波包分解各頻帶能量占比直方圖

通過對比圖6中各頻帶能量分布圖可以看出：不同放電形式下，頻帶能量分布不同。針-針放電下，高頻帶尤其是第7和第8個頻帶能量占據(jù)信號能量大部分，分別達(dá)到了35.14%和28.52%，其它頻帶都在10%以下，可見第7個和第8個頻帶為針-針放電的特征頻帶。針-板放電下則第3、6、7和8個頻帶能量分布較高，均在20%左右。沿面放電形式下各頻帶能量分布較為均勻，能量占比多在10%左右。懸浮放電表現(xiàn)了與針-針放電明顯不同的特點(diǎn)，其能量分布以低頻帶為主，第1和第2個頻帶能量占據(jù)了大部分能量，分別達(dá)到了35.42%和17.53%，說明第1個和第2個頻帶為懸浮放電的特征頻帶。

為驗(yàn)證以上分析的一般性，對每種放電形式再選取4組波形作相同的計算處理，所得各小波包頻帶能量分布繪制于同一坐標(biāo)系下，如圖7。不難看出，同一種放電形式下聲信號的頻帶分布基本一致，不同放電形式下聲信號各頻帶能量分布不同。

圖7 多組放電信號的小波包分解各頻帶能量占比分布

5 結(jié)論

1）本文采用的基于可聽聲的聲學(xué)檢測法有效采集了試驗(yàn)中變壓器油中放電聲信號；

2）采用小波包分解法可分析變壓器油中放電聲信號的各頻帶能量分布特點(diǎn)，變壓器油不同放電形式下各頻帶能量分布不同。

[1]張蕾，高勝友，談克雄.油中局部放電超聲信號模式識別的研究[J].電工電能新技術(shù).2002（03）:32-35.

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[3]劉珊，曹海泉，于海，等.基于小波包能量熵的變壓器振動信號特征研究[J].電網(wǎng)與清潔能源.2010（05）:35-38.

[4]孟永鵬，賈申利，榮命哲.小波包頻帶能量分解在斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].西安交通大學(xué)學(xué)報.2004（10）:1015-1017.

[5]王永，趙書濤，何平.變壓器局部放電信號小波消噪新算法與試驗(yàn)分析[J].高壓電器.2011（11）:72-76.