基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位技術研究

摘 要：電力電纜局部放電定位技術作為有效的電力電纜質量監測手段已經在電力系統中廣泛應用，由于異常放電信號在傳播過程中會受到各種因素的影響，因此常出現定位結果不準確的情況。本文應用小波重構對電力電纜局部異常放電定位技術進行研究。通過小波分解采集的電力電纜局部異常放電后進行信號重構，重構后的信號提取特征并識別定位電力電纜異常放電位置，實現對電力電纜質量狀態的監測。通過測試技術方法，證明基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位技術為電力電纜的維護和管理提供了有效的技術手段。

關鍵詞：小波重構；電力電纜；故障定位；局部放電；特征提取

中圖分類號：TM 71 " " " " 文獻標志碼：A

電力電纜的運行狀態直接影響整個系統的安全和穩定。局部異常放電是電力電纜常見的故障之一，如果不能及時發現和處理，就可能會導致電纜絕緣損壞，甚至引發嚴重的電力事故[1]。文獻[2]中提到的紫外光異常放電定位技術靈敏度高、定位精度高。但是受環境因素限制，在雨雪天氣條件下大氣吸收和散射都會影響定位效果。文獻[3]使用了雙光譜法對異常放電進行定位，此方法運用多光譜的互補性對電纜放電異常進行動態監測定位。然而，由于需要同時處理可見光和紅外光譜數據，因此數據處理和分析的過程變得十分復雜，對技術人員的專業素養和技能水平提出了很高的要求。文獻[4]對阻抗法定位電纜放電異常進行研究，簡化了計算過程，但應用范圍較小，僅適用于特定的電纜故障類型。

本文在以往的研究基礎上進行了基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位技術研究。該方法解決了環境干擾大、技術要求高以及應用范圍小等問題，在對電信號進行小波分解重構后，使用行波法提取特征并定位，快速準確地判斷了電纜健康狀況。

1 基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位方法設計

1.1 采集處理電力電纜局部異常放電信號

電力電纜因為電熱和機械等應力的影響會發生絕緣劣化。局部放電信號作為絕緣性退化的主要表征形式，可以在任何位置發生，因此準確地判斷異常放電位置是搶修電纜的重要條件。

使用磁吸式固定器將具有高度靈敏性和選擇性的傳感器安裝在電纜接頭或終端附近的關鍵位置，以此捕捉放電信號。高靈敏傳感器將微弱的放電信號全部采集，通過信號調理、模數轉換和數據格式化等操作處理，將原始信號轉化為計算機可識別的數據格式。

1.2 小波分解電力電纜局部異常放電信號

當對電纜局部放電進行采集時，電纜實際運行環境復雜，局部信號十分微弱，且被較高水平的噪聲干擾所淹沒，易對局部放電的定位精度造成影響。為了進行后續的分析和處理工作，需要細致地對采集的信號進行預處理操作。對信號中包括的異常數據進行清洗去除，同時消除了部分在提取時間序列上有線性變化趨勢的誤差。采用小波分解的方法進行降噪處理。小波分解可以將一個非平穩信號分解成多個具有不同頻率和時間分辨率的子信號。在電力工程應用中，通常只對信號特定的時段和頻帶感興趣，因此只需要最大可能地在所感興趣的點上對信號進行分解。小波分解需要根據信號本身的特征將信號的高、低頻同時進行分解并對頻段進行自適應選擇[5]。對含有噪聲的信號進行波形圖繪制，如圖1所示。

由于放電信號和噪聲信號在頻域上存在差異，放電信號往往具有特定的頻率峰值或能量分布，而噪聲信號則表現為更廣泛的頻帶分布和均勻的功率譜密度。對小波分解進行三層分解，示意圖如圖2所示。

通過小波分解將噪聲成分從子信號中分辨去除，從而得到較為純凈的放電信號。

1.3 小波重構電力電纜局部異常放電信號

經過小波分解后有效地去除噪聲成分，保留局部異常放電相關的有用信息。隨后將需要分解的信息小波重構。將三層分解的每個小波系數進行重構，得到重構信號Hm，n，得到重構信號后需要計算能量并按原順序進行排序，根據各級別的系數，逐步還原出信號的各個頻段成分，最終得到重構后的電力電纜局部異常放電信號。計算能量如公式（1）所示。

（1）

式中：Em，n為低頻信號；m為重構小波系數所在的分解層數；n為示重構小波系數在m層的排序位置；x為序列長度。

排序后獲得對應的重構信號能量序列Gm，第一層能量序列如公式（2）所示。

G1=（E1，1，E1，2，E1，3） " " " " "（2）

以此類推，對三層重構信號的能量序列進行排序，并根據重構信號繪制能量序列的波形。通過波形圖可以明顯區分電力電纜局部異常信號的能量分布差距。

1.4 電力電纜局部異常放電信號特征提取

經過小波分解重構強化放電信號后，需要對電力電纜局部異常信號進行特征提取。將特征提取模塊分割得到的第z個脈沖信號段進行特征參數提取，以此達到脈沖匹配時可以直接根據匹配調教進行脈沖參數檢驗的目的。繪制特征提取系統的流程圖，如圖3所示。

將正常信號與異常放電信號在經過特征提取后進行了系統性地整理，構建一個完整的數據集。為了讓模型能夠準確識別異常放電信號，為后續的電力電纜局部異常放電定位提供可靠的數據支持，在構建數據庫過程中需要確保數據集的全面性，信號數據需要覆蓋各種放電類型和程度。通過精心構建的數據集，模型提供了豐富的訓練樣本，使其能夠更好地適應各種實際情況，提高定位的可靠性。

1.5 電力電纜異常放電識別定位

提取特征后一旦識別出異常放電信號，就需要對其進行定位分析。基于信號的傳播特性和電纜的結構信息，本文采用行波法推算出電力電纜異常放電的位置并繪制行波法局部放電定位原理，如圖4所示。

在圖4中，直接抵達最近端的脈沖被稱為入射波，而經過電纜遠端反射后回到最近端的脈沖則被稱為反射波。通過計算時間差，將獲取信號在電纜中往返傳播所需的時間。再結合已知的脈沖在特定電纜上的最大傳播速度v，可以利用速度與時間的關系來精確地計算出局部放電發生的位置。計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：a為局部放電發生的位置；L為電纜長度；v為最大傳播速度；?t為入射波和反射波信號之間的時間差。

根據公式（3）計算即可得到電力電纜異常發電定位的具體數據，為電力電纜的日常維護和檢修提供重要技術支持。

2 基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位技術方法測試

2.1 測試準備

為了進一步驗證上文所提到的定位方法在實際中的應用效果，本次測試精心挑選了一段具有局部異常放電特征的電力電纜作為目標試驗對象。該測試中所使用的電纜關鍵參數見表1。

接著利用電纜的長度、波速以及校準系數等關鍵參數，分別采用人工定位方法、本文采用的定位方法、文獻[2]中紫外光檢測定位法以及文獻[3]中雙光譜檢測定位法對局部放電信號進行定位測試。

2.2 測試結果

統計不同測試方法的定位結果，并繪制局部放電定位圖，如圖5所示。

從圖5中可以清晰地看到，本文的定位方法與人工定位方法所得的定位點基本重合，定位點主要集中在電纜放電位置近端15m～25m的范圍內。但紫外光檢測定位法和雙光譜檢測定位法與人工定位的定位點有個別出入。為避免測驗的片面性，對不同電壓等級下3種定位方法與人工定位的定位點的重合數目和重合率進行進一步統計，并將統計結果匯總，見表2。

結合圖5和表2的數據可以看出，與紫外光檢測定位法和雙光譜檢測定位法相比，本文提出的方法與人工定位結果重合率更高，意味本文方法定位更精確。可以得出結論，在現場測試中，本文所提供的定位技術可以有效地取代傳統人工完成電力電纜局部放電的定位任務，其定位成果可以精確反應線纜的缺陷狀況，在實際工作中有良好的適用性和實用性。

3 結語

本文深入探討了基于小波重構的電力電纜局部異常放電定位技術，從信號采集與處理、特征提取、異常放電識別到精確定位，全面分析了該技術的實現原理和應用效果。通過小波變換和重構成功提取了異常放電信號的關鍵特征，實現了對放電點的精確定位。試驗結果表明，該技術具有較高的定位精度和穩定性，為電力電纜的維護和管理工作提供了有力的技術支持。

參考文獻

[1]肖小龍，郭佳豪，郭茂森，等.基于改進GCC算法的交流配電電纜局部放電在線定位方法研究[J].機械與電子，2024，42（3）：26-31，39.

[2]宋鵬，白曉晨，林曉煥，等.電力傳輸線異常放電紫外光檢測定位仿真與模擬驗證[J].光學精密工程，2022，30（10）：1160-1169.

[3]張弛，曹夢，何金，等.基于雙光譜輻射特性的絕緣異常放電檢測方法研究[J].絕緣材料，2021， 54（9）：79-85.

[4]袁建軍，歐陽本紅，夏榮，等.高壓電纜局部放電在線監測裝置有效性測評方法研究及現場應用[J].高電壓技術，2023， 49（增刊1）：17-23.

[5]鄒文磊，趙來軍，孫巖洲，等.基于CEEMDAN與改進小波閾值的電纜局部放電信號降噪方法[J].電工技術，2023，（13）：192-195，200.