基于微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測

孟 想，趙 曄

(延安大學 物理學與電子信息學院，陜西 延安 716000)

現如今在我國社會經濟發展趨勢下，電力系統供應電能的需求日漸提升[1]，配電網在電力系統中占據著重要地位，而配電網能否穩定的運行是當下電能供應的核心所在。配電網電纜線路絕緣性能的好壞決定著配電網的運行效果，大多數供電事故中，因配電網電纜線路造成的事故大約占據50%以上，其余電纜線路由于線路絕緣被擊穿，導致線路出現單相接地故障，從而給電力供能帶來一定影響。

配電網在運行期間內部存有數量龐大的絕緣部件[2]，由于供電需求較大，導致配電網在運行過程中對絕緣子生成外部環境因素及內部因素等影響，致使絕緣子出現老化、交界面缺陷、劣化等現象。因此，為了降低絕緣子給配電網電纜線路帶來的影響，需要對配電網電纜線路絕緣子進行檢測。部分研究者基于電場分布測量法原理設計了一種操作簡便、成本低廉、適用性強的絕緣子帶電檢測裝置，通過ANSYS有限元軟件仿真計算了檢測裝置自身、劣化絕緣子位置和缺陷類型對絕緣子串電場分布的影響，并利用相鄰作差法進一步處理電場畸變數據，完成配電網電纜線路絕緣在線檢測[3]。但是研究發現，目前對絕緣子檢測的方法存有不足，例如檢測安全性差、準確度低等。為了防止電纜線路絕緣子檢測不精，本文提出了微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測方法。

1 配電網電纜絕緣信號去噪算法

在配電網采集的信號數據中，大多電網信號都存有噪聲，為了提升配電網電纜線路絕緣在線檢測的精準度，應優先處理采集后的配電網信號。

1.1 基于小波變換分析的絕緣信號濾波

配電網電纜線路絕緣頻率信號主要通過時空信號向傅立葉轉換，從中獲取頻域最大分辨率。小波變換屬于時頻分析方法[4]，能夠以多種方面分析配電網電纜線路絕緣信號。利用小波分析法對絕緣信號進行濾波，再對濾波后的信號數據進行去噪，具體操作如下所示[5-7]。

當a、b持續變化時，ψa，b(t)是通過移位及伸縮后得到的小波變換基本函數。這時給出配電網電纜線路絕緣信號f(t)，使其滿足于f(t)∈L2(R)，那么配電網電纜線路絕緣信號f(t)的小波變換方程為：

(1)

式中，t與a、b相同，都是不斷產生變化的常數；Wf(a，b)為小波變換；a為尺度因子；b為時移因子；ψ(t)為母小波函數，當其發生變化時會自動生成新的函數，即ψa，b(t)，它也屬于小波基函數[8-12]。

在眾多函數中，既是實函數又是復函數的函數不占少數，母小波ψ(t)就是其中之一。當配電網電纜線路絕緣信號f(t)為實信號時，母小波ψ(t)就是實函數，同理Wf(a，b)也為實函數，若配電網電纜線路絕緣信號f(t)為復信號時，Wf(a，b)就是復函數[13-15]。

在方程(1)中，f(t)的具體時間位置主要由變量b來描述，變量b也是時間中心。在尺度因子a的影響下，線路伸縮時通過ψ(t)來描述，這時ψ(t)就會轉換成ψ(t/a)。若a>0，那么a的取值越大，ψ(t/a)在時域的支撐范圍就越廣；反之，若a<1，那么a的取值越小，這時ψ(t/a)的寬度就會變小[16-18]。通過上述分析可知，配電網電纜線路絕緣信號f(t)的中心位置及時間寬度主要由a、b的變量取值來決定。

根據上述操作流程，完成基于小波分析法的配電網電纜線路絕緣線路信號初步濾波，采用自適應盲源分離法對濾波后的信號數據進行去噪，實現配電網電纜線路絕緣信號的去噪處理[16-18]。

1.2 配電網電纜線路絕緣信號去噪

將濾波后的信號序列對信號進行自適應，那么輸出的序列就與原始序列距離相近，從而完成對信號的去噪。

假設{X(k)}(k=±1，±2，…)是信號平穩發展的過程，同時具有n階矩，X(k)在非高斯情況下的平穩隨機過程中，n階累積量定義為：

(2)

首先以四階累積量為主，建立出自適應盲源分離法的系統模型，設置在第k時刻時，原始信號由s(k)描述，b(k)為沖擊響應，g(k)為加性高斯白噪聲序列，j(k)為數據序列，e(k)為濾波器的沖擊響應；參考系統的沖擊響應由f(k)表示；x(k)為源信號，y(k)為參考系統輸出。

令系統模型中存有單輸入單輸出BE系統模型，假設用S表示單個隨機變量，若S的均值等于0，那么源信號路過信道時，它的過程利用方程表達式表示為：b(k)=[b(0)b(n)]，n為濾波階數。當線性失真后，將信號與0均值高斯信號相互混合，從而建立出另一個混合信號，即jk=b(k)*s(k)+g(k)。其中，*為卷積算子。

當線性均衡器有混合信號經過時，需要重新對平衡信號進行建立，為了確保信號恢復正常，應構建出只有非0幅值分量的脈沖均衡組合：

u(k)=b(k)*e(k)=δ(k-k0)

(3)

式中，k為時間延遲；δ(k)為狄克拉δ函數。

將平衡信號合并后，通過均方誤差將其定義為：

MSE(e，k0)=E[x(k)-s(k-k0)]2

(4)

式中，MSE為均方誤差。

利用自適應盲源分離法對濾波后的信號進行去噪，以此提升了配電網電纜線路絕緣信號在線檢測過程中的準確性[19]。

2 微波反射法在線檢測配電網電纜絕緣

通過對配電網電纜線路絕緣信號進行去噪處理，增強了配電網電纜線路絕緣信號的精準度，采用微波反射法對配電網電纜線路絕緣進行在線檢測，以此實現配電網電纜線路絕緣在線檢測方法[20]。基于微波反射法的在線檢測裝置如圖1所示。

圖1 基于微波反射法的在線檢測裝置Fig.1 On line detection device based on microwave reflection method

微波向電纜線路絕緣子射入時，射入的交界面會對信號強度產生影響，因此根據它的傳播過程，實現配電網電纜線路絕緣檢測。微波反射傳播過程如圖2所示，微波反射情況如圖3所示。

圖2 微波反射傳播過程Fig.2 Microwave reflection propagation process

圖3 微波反射情況Fig.3 Microwave reflection

當平面波射入時，設置空氣介電常數為ε0，介電常數為ε1，磁導率為μ0。厚度為d的單層介質具有2個交界面：界面1和界面2。在界面1中，入射波參數有電場強度Ei0、磁場強度Hi0、入射角θi0；透射波參數有電場強度Et1、磁場強度Ht1、透射角θt1。界面2內，共有透射波和反射波2種。透射波的參數基本有電場強度Ei2、磁場強度Hi2、入射角θi2；反射波參數有Er2、磁場強度Hr2、入射角θr2。

當界面2向界面1的反射波發射時，界面1在反射期間反射波的參數分別為：電場強度Er1、磁場強度Hr1、入射角θr1。它的總反射電磁波Er0、磁場強度Hr0、入射角θr0。通過交界面的電磁波邊界條件，列舉出下列方程，定義為：

(5)

為了取得微波在傳播過程中的特征矩陣M，需要引入方程k1=cosθi2/η1，這時方程表達式為：

(6)

式中，j為虛數單位；E1、H1為界面1的切向分量；E2、H2為界面2的切向分量。

依據多層介質，在第p層介質層中，Ep和Hp為電場與磁場之間的切向分量，Mp為特征矩陣，則配電網電纜線路的反射率r和透射率t，即：

(7)

式中，Et(n+1)為透射波電場分量；k0=cosθi1/η0。將其代入一組配電網電纜線路絕緣子數據，根據分析可知，若絕緣子界面存在欠缺，那么就會對微波反射率造成影響，使反射波強度的改變效果增大，從而檢測出配電網電纜線路絕緣存有缺陷，以此實現微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測方法。

綜上所述，微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測方法的具體流程如圖4所示。

圖4 絕緣在線檢測流程Fig.4 Insulation on-line detection process

3 應用實例

為了驗證微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測方法的整體有效性，選取C城市的配電網電纜線路絕緣子作為測試對象，根據區域的不同將C城市劃分成多個不同的測試區域，對配電網電纜線路絕緣進行測試分析。測試現場如圖5所示。

圖5 測試現場Fig.5 Test site

(1)選取厚度分別為1～6 mm、7～12 mm的硅橡膠平板，對配電網電纜線路絕緣檢測的信號強度進行模擬測試，實驗測試分為2個階段，對比本文所提方法在信號去噪前后的信號強度。具體測試結果見表1。

由表1可知，第1階段，硅橡膠的厚度為1～6 mm，在此期間，所提方法未進行信號去噪前，它的信號強度持續在0.8 V以下，對其進行信號去噪后，信號強度增強，持續在0.8～1.0 V，可見所提方法去噪后信號強度有著顯著的提升。根據第2階段中的數據發現，當硅橡膠厚度為7～12 mm時，所提方法去噪前后的信號強度都隨著硅橡膠厚度的增加而逐漸降低。但從整體來看，所提方法的下降速度較快，而去噪后下降速度遲緩，信號強度高，由此可知所提方法去噪后，無論在哪種階段進行測試，其信號強度都處于最高狀態。綜上所述，所提方法經去噪后它的信號強度始終保持最高，這是因為所提方法利用自適應盲源分離法對信號進行去噪處理，以此提升了配電網電源線路絕緣信號的精準度，進而增強了配電網電纜線路絕緣信號強度。

表1 不同階段下本文方法的信號強度測試Tab.1 Signal strength test of method in this paper at different stages

(2)為了驗證配電網電纜線路絕緣在線檢測的精準度，采用本文所提方法對絕緣子進行檢測，針對不同缺陷尺寸對反射信號強度帶來的影響，首先需要對缺陷尺寸進行設置，再利用所提方法對其進行缺陷讀數偏移量測試。具體測試結果見表2。

表2 缺陷讀數偏移量的影響Tab.2 Influence of defect reading offset

依據表2中的數據發現，當缺陷深度不斷增多時，所提方法的缺陷讀數偏移量也在持續提升，但在測試期間，所提方法的偏移量持續保持在1 V以下，說明缺陷深度給所提方法帶來的影響較小，致使所提方法的缺陷讀數偏移量上升速度緩慢。

(3)在上述實驗測試的基礎上，針對無缺陷配電網電纜線路絕緣子進行讀數偏移量測試，設置正常的讀數在0～1.2 V。基于本文所提方法，根據設置的固定閾值范圍，若檢測結果在設置范圍內，說明此次檢測沒有出現偏移，若超出設置范圍，說明檢測結果出現偏差較大。測試結果見表3。

表3 無缺陷絕緣子的讀數偏移量測試Tab.3 Reading offset test of non-defective insulators

根據表3中的數據發現，在7次實驗測試中，本文所提方法的讀數偏移量一直處于設定的閾值范圍內，說明在測試期間所提方法的檢測結果沒有出現偏移，表明所提方法的準確率較高。

4 結論

在我國電能需求極高的形勢下，配電網電纜線路的絕緣性起到決定性作用，它影響著配電網的運行效果。針對配電網電纜線路絕緣檢測存在的問題，提出微波反射法的配電網電纜線路絕緣在線檢測方法。該方法首先采用小波變換分析法對絕緣信號進行濾波，利用自適應盲源分離法對濾波后的信號進行去噪，以此提升信號精準度，通過微波反射法對配電網電纜線路絕緣進行在線檢測，實現檢測方法。該方法對配電網電纜線路絕緣在線檢測方法的有效性有著顯著提升，在今后配電網電纜線路絕緣在線檢測方法中占據著重要地位。