（电力系统及其自动化专业论文）局部放电信号的消噪及特性分析.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r t i a ld i s c h a r g ei sc o n s i d e r e da so n em a i nn 珀s o nt h a tl e a dt oe l e c t r i c a l e q u i p m e n t sd a m a g e ，s op a r t i a ld i s c h a r g eo n - l i n em o n i t o r i n gi sm e a n i n g f u li np r e c i s e i n t e r p r e t a t i o no fi n s u l a t i n gc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l sa l e d i s c u s s e df r o ms e v e r a lf a c e t w i mc o n s i d e rt od i f f e r e n tt y p e so ft h en o i s ep o s s i b l ye n c o u n t e r e di np a r t i a l d i s c h a r g es i g n a l s , s o m e t i m e st h e ys u b m e r g e dp a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l s ，s od e n o i s e p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l sb e c o m eab i gp r o b l e ma tp a r t i a ld i s c h a r g em o n i t o r i n g t h i s p a p e ri sb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mc o m b i n ew i t hm a m e m a t i e a lm o r p h o l o g y m e t h o dt oe l i m i n a t et h en o i s e so fp a r t i a ld i s c h a r g e ，a n du s es e l f - a d a p t i v em e t h o d st o s e l e c tt h et h r e s h o l dc o c 佑c i e n t s w a v e l e tt r a n s f o r mt h r e s h o l da n dw a v e l e tt r a n s f o r m m o d u l a rn i n l u mh a v ec o m p a r e dw i t ht h i sm e t h o d t h e s er e s e a r c hr e s u l t sp r e s e n t u s e f u ld e s i g nr e f e r e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y - b a s e d f i l t e r si np o w e rs i g n a lm o n i t o r i n ga n dp r o c e s s i n g f o rt h es t r o n gn a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c eo fp a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l s ，an e wm e t h o di sp u tf o r w a r dt os u p p r e s s p e r i o d i cn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c ei np a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l sb a s e do nf f ra n d w a v e l e tt h e o r y s i m u l a t i o n p r o v e st h a tt h ew a v e l e ti r a n s f o r mc o m b i n ew i t h m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g ym e t h o dc a l lb em o r ee f f e c t i v e l ye l i m i n a t et ot h en o i s e so f p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l s ，a n dp r e s e r v et h eo r i g i n a ls i g n a l sv e r yw e l l a tt h es a n l e t i m e t h ef f ta n dw a v e l e tt h e o r ym e t h o dc a nb ee l i m i n a t et h es t r o n gn a r r o w - b a n d i n t e r f e r e n c eo f p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l s ，a n dt h ed i s t o r t i o no f p a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l s i sv e r ys m a l l t h i s p a p e r d e t a i l e d a n a l y z i n g t h e s l 玎】：t i 】r ee l e m e n to fm a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y ，r e g a r d i n g t h ei m p a c t so f t h es h a p e ，a m p l i t u d ea n dw i d t ho f t h es t r u c t u r e e l e m e n to f m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y b a s e d d i g i t a lf i l t e r s - n c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i si su s e di ni n t e m a ld i s c h a r g e s , s l o td i s c h a r g e sa n de n d w i n d i n gd i s c h a r g e s t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ep a r t i a ld i s c h a r g es i g n a l sf r o mf i g u r e ， f r e q u e n c ys p e c t r u m , e l l e r g ys p e c t r u ma n dp a t t e rs p e c t r u m , a n ds u p p l y i n ga n e wi d e a k e y w o r d s ：p a r t i a ld i s c h a r g e ；d e - n o i s e ：c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i szw a v e l e tu a n s f o r l n ； m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y - i n 论文原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 卜， 论文作者签名：盔劾施 日期： 望盟年三月。聋日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名；二盏盘 导师签名：垄鑫云 日期：2 鲤z 年土月丑日 第1 章绪论 第1 章，绪论 1 1 课题背景及意义 随着我国现代化建设全面步入2 1 世纪，国民经济的发展对能源的需求，尤 其是对电能的需求不断增加。电力系统必将向超高压、大电网、自动化的方向 发展。电压等级的提高使得电气设备的绝缘问题显得越来越突出，运行中的电 气设备无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、 绝缘子等，一旦发生故障就会引起局部乃至全地区的停电，给国民经济其他部 门的生产和运作造成严重的后果。 电气设备在高电压、高电场的作用下，运行过程中的放电、电磁力、热应 力、湿热环境、有害的活性气体、油污、粉尘等更会造成绝缘材料性能的逐步 劣化，同时这种劣化是不可逆的且不断加速。因此在局部高电场作用下高压设 备中某些绝缘薄弱环节会发生局部放电。所以局部放电是由于绝缘体电场分布 不均匀，局部电场过高，导致绝缘介质中局部范围内的电气放电或击穿现象。 文献【1 】中介绍了可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中或不同介质特性 的绝缘层间的局部放电。如果电场强度高于介质的特定值，局部放电也可能发 生在液体或固体绝缘中。局部放电既是绝缘劣化的征兆，也是造成高压电气设 备最终发生绝缘击穿的主要原因。在实际生产中，绝缘中的某些薄弱部位会影 响到产品的合格率及产品的内在质量；在设备运行过程中，局部放电则会对安 全运行构成威胁。因此对局部放电进行在线检测，判断其类型和发展程度，防 止事故的发生，是极其有必要的。 长期以来，电力设备的绝缘状态沿用传统的定期试验方式，但是由于电力 工业的迅速发展，电网容量的增大，设备数量的急剧增加，传统的预防式方法 在许多方面显出了很多不足： ( 1 ) 设备必须停电，试验工作量大； 东北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 试验周期长，获得有效数据少； ( 3 ) 试验电压低，所得的数据有时不能真实反映出设备的绝缘状态； 高压设备的绝缘化是一个累积和发展的过程，在很多情况下预防性试验无 法发现潜在的缺陷。而且局部放电在线监测系统中，为了提取尽可能多的局部 放电信息，硬件采集系统正向宽频带方向发展，但宽频采集在保留信号的同时， 也带来了大量的干扰信号，电磁干扰一般通过交流电源、电磁耦合、传感器等 途经进入监测系统。由于干扰的频率范围很广，往往形成强大的噪声，而的局 部放电信号非常微弱，所以有时会完全淹没局部放电信号，直接影响在线监测 设备对局放信号检测的灵敏度和可靠性。尤其在变电站现场，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噪声，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，还很难达到工程应用 水平。 从现有的国内外文献【2 “】中也可看出，高压电力设备局部放电在线检测系 统重点仍是消噪的方法。消噪总是从干扰源、干扰途径、信号后处理这三方面 来考虑。找出干扰源直接消除或切断相应的干扰路径，是解决干扰最有效最根 本的方法，但要求详细分析干扰源和干扰途径，由于一般不允许改变原有电力 设备的运行方式，因此在这些方面所能采取的措施总是很有限。 八十年代以来，随着电子技术的进步，传感技术、光纤技术、计算机技术、 信息处理等技术的发展和向各领域的渗透，国内外在带电测量技术的基础上， 发展电气设备绝缘在线监测技术。它能对被监测设备的绝缘参数进行随时测量， 大大缩短了运行设备的检测时间及周期，为电力系统的安全运行提供可靠的保 证，其优越性已得到越来越多的管理和技术部门的共识。因此，从以离线试验 为主的预防维修，逐步过渡到以在线监测为基础的状态维修体制，已成为电气 设备维修体制发展的必然趋势，同时也是近代科学技术迅速发展引发的一次设 备维修体制的变革，到目前为止国内外已经研究了很多方法用于电力设备的绝 缘在线监测吼 因此，如何应用现有的先进的软、硬件技术，更有效地去除各种噪声，准 确提取局部放电信号，更靠、更灵敏地为后续的绝缘诊断提供信息，为后续的 绝缘诊断提供更可靠的信息，目前正是困扰变压器局部放电在线监测实施的难 第1 章绪论 题i s , 9 l ，所以成为局部放电在线监测中的重要研究课题。同时对局部放电信号 进行深入的研究和分析，并对不同的电力设备制定出有效的测试方法及判断准 则，从而提出预防事故的措施，也是生产实践中提出的迫切要求。 1 ，2 课题的研究现状 随着现代数字处理技术的发展，局部放电在线监测中噪声消除的措施正趋 于软件化方向发展，即对采集信号经行数字处理。同时，人们正努力将硬件和 软件处理结合起来，以最大限度地消除噪声，获得局部放电信息，形成一套完 整的消噪体系。局部放电在线监测中主要采用的消噪方法主要有： ( 1 ) 基于f f t 和硬件滤波法处理方法 i o - 1 1 1 ：主要用来去除周期性的窄带干扰。 首先对信号进行f f t 交换，得到信号的频谱分布，而后在信号的频谱上设一个 门限值，把所有大于门限值的值置0 ，可以非常方便地去除窄带干扰。这主要利 用了周期窄带干扰信号的频带有限，在频域中表现为尖脉冲，幅值也比较大， 而局部放电信号属宽带信号，较均匀地分布于整个频带空间，幅值也较小。但 是由于f f t 存在栅栏效，信号失真很大。且只对窄带干扰有很好的消噪作用， 对于局部放电信号中存在的其它类型的干扰效果不好。可是由于该技术实现简 单，目前仍被广泛采用。 ( 2 ) 模式识别法u 2 】：该方法的本质仍是利用信号的相位特性进行区别。但是 该方法需要积累大量的先验知识找出干扰信号和局部放电信号间的特定差异。 而实际在线监测中，在强烈的噪声信号中找出这些差异比较困难，带有很大的 经验性成分，不便于学习和掌握。 ( 3 ) 信号相关法【l 习：主要用来去除周期性脉冲干扰。其基本原理是从局部放 电信号同周期性脉冲干扰信号在发生位置、波形及幅值等方面具有不同的相关 度，来去除周期性脉冲干扰。相关分析法既可在频域上进行，也可在时域上进 行。这种方法的计算量较大，致使实际应用时处理效果明显下降。 ( 4 ) 二阶点阵滤波法【1 4 】：该方法对噪声的抑制比高，波形畸变少，应用效果 比较好。但是存在干扰频率难以确定、。计算时间过长等缺点。 ( 5 ) 自适应滤波法u 5 】：该方法主要是用来去除连续性周期窄带干扰，但是该 东北电力大学硕士学位论文 方法的收敛性较差，尤其在信号中同时出现多种干扰频率时，若连续性周期窄 带干扰的频率范围较宽，就非常容易发散，滤波效果很不稳定。 ( 6 ) 卡尔曼滤波法【1 6 】：该方法主要是用来去除连续性周期窄带干扰，但是它 滤波后的局部放电信号能量损失较大，波形严重畸变，计算时间也比较长，因 此该方法很少被应用。 ( 7 ) 有限冲击响应滤波法旧：设计一个带通滤波器，滤波器的频带范围根据 现场噪声的情况事先确定，该方法只能适用于特定的现场情况，当现场的载波 通讯等干扰的频率变化时，就必须改变滤波器的参数，因此这种方法难以推广 总而言之，为了解决局部放电检测中的消噪问题，已涌现出大量的方法， 数字处理技术和人工智能领域中的一些成果已被广泛加以应用。但是，到目前 为止，消噪问题并没有被完全解决，依旧存在着具有能量损失，波形失真较大 等问题。所以消噪问题一直是局部放电在线监测中面临的一大难题，也是当前 研究的热点所在。 近年来，小波分析的数学理论和方法在科技界引起了一场时频分析方法的 新革命t 给信号处理领域带来了崭新的思想，是刻画函数空间以及算子的强有 力工具。小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是本世纪数学研究成果中杰出代表之一， 是继傅立叶分析后的一个突破性的进展。传统的信号分析是建立在傅立叶 ( f o u r i e r ) 变换的基础之上的，由于傅立叶分析使用的是一种全局的变换，无 法表述信号的时频局域性质，而这种性质恰恰是非平稳信号最根本和最关键的 性质。小波分析克服f o u r i e r 分析的不足。作为数学学科的一个分支，它最早被 应用于算子理论、偏微分方程数值解、图像处理、语音分析、模式识别、量子 物理及众多非线性等多个领域【1 8 l ，都取得了令人满意的结果，被形象的誉为“数 学显微镜”。随后，小波分析理论逐渐地在电力系统中得到了广泛的应用【1 9 , 2 0 ， 研究小波变换1 2 u 在局部放电在线监测中的应用已经成为该领域的热点之一。小 波分析具有时域和频域同时只有良好的局部化性质，由于小波变换对高频成分 在时域中采用逐渐精细的采用步长，从而可以聚焦到对象的任意细节。小波对 信号的突变点非常敏感，非常适合于突变信号或非平稳信号处理。因此，小波 变换在局部放电消噪研究中的应用取得了良好的干扰抑制效果，文献【2 1 ，2 2 很 好的证明了小波分析理论在局部放电消噪的优越性。 第l 章绪论 i 1 3 本文的主要工作 以上各种消噪的方法虽然能够很好的消除噪声，并能准确的提取出局部放 电信号，但是它们存在的共同缺点就是在一定程度上会使一部分信号的能量损 失，造成信号失真。本文对传统局部放电信号研究方法中存在的某些问题及局 部放电信号特性分析中一些特性不明显提出了一些方法，以便更好地解决问题。 本文的主要工作如下： 1 运用m 棚，a b 仿真软件模拟出的局部放电信号模型。 2 分别采用余弦型、三角型、扁平型结构元素对电力系统信号中最常含有 的几种干扰进行消噪，从而得出选取数学形态学结构元素的一些规律。为形态 学滤波器在电力信号监测和处理中的应用提供了设计依据。 3 选取合适的结构元素，运用小波分析和数学形态学相融合的方法，对模 拟的局部放电信号和现场提取的局部放电信号经行消噪。在消噪的过程中，采 用了自适应的方法选取阈值系数。 ， 4 针对含有幅值比局部放电信号高几倍的连续性周期窄带干扰运用小波变 换和f f r 的方法进行处理，针对模拟出的局部放电信号和现场提取的局部放电 信号进行消噪。 5 针对发高压电机的三种放电类型采用f f t 及小波变换分别对它的波形特 征、频谱和小波能量方面进行分析，找出这三种放电类型和差异。利用数学形 态学的形态谱对高压发电机的三种放电类型进行处理，可能为局部放电的模式 识别提供一个额的思路。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章局部放电的理论基础 绝缘损坏是大型电力设备发生事故概率最高的部分，能在运行状况下在线检测 电力设备绝缘状况，并及时查出早期故障，则可大大减少恶性绝缘事故的发生，从 而产生巨大的经济效益【“。而局部放电检测是进行绝缘故障检测的重要手段。在实 际的测量中，局部放电信号表现出不同的特征，干扰信号更是多种多样。了解局部 放电信号和干扰信号特征、来源和传播途径，才能有针对性的采取合适的处理方法， 有效的抑制干扰，减小信号的失真，达到检测信号的目的，进而更有效的分析信号。 2 1局部放电的机理分析 局部放电是在电场的作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，而没有 贯穿施加电压的导体之问。产生局部放电的主要原因是绝缘体各区域承受的电 场强度不均匀，而且电介质也是不均匀的，有的是不同材料组成的复合绝缘体， 如气体一固体复合绝缘；液体一固体复合绝缘，以及固体一圆体复合绝缘等。有的 虽是单一的材料，但在制造或使用过程中会残留一些气泡或其它杂质，于是在 绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度，某些区域 的击穿场强低于平均击穿场强。因此在某些区域就会首先发生放电，而其它区 域仍然保持绝缘的特性，这就形成了局部放电。 局部放电的机理f l l 以最简单的平行板电容器为例，可用如图2 1 中a ) 所 示的模型解释，假定在一个平行板电容器中，固体介质的内部有一个气泡，该 模型为含有一个气隙的介质a ，图中c 代表气隙，b 是与气隙串联部分的介质。 在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可用图2 1 中b ) 所示的等效电路 来分析。则此绝缘系统可用气泡的等效电阻足与电容e 、气泡与介质串联部分介 质的等效电阻见及电容g 以及其它部分介质的等效电阻兄和电容e 组成的串并 联等效电路来表示。由于气泡中每次放电时间都是很短暂的，大约为1 0 4 1 0 - 7 s ， 第2 章局部放电的理论基础 即放电产生的脉冲频率是很高的。因此，在分析这一信号在等效电路中的响应时， 可以忽略电阻，只考虑由e 、c 及e 组成的等效电路。 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 u h 。几一 u g abc u a 。骶二：t - u 沁 。璐啜u 一 fa 图2 - 2 局部放电过程示意图 如果外施电压是正弦交流电压( 如图2 2 ) ，当电压瞬时值上升使得气隙上 的电压址达到了气隙的击穿电压己k 时，气隙发生放电。由于放电的时间极短， 可以看作气隙上的电压低于气隙的击穿电压，放电暂停( 相应图2 2 中的a 点) 。 此后气隙上的电压又随外加电压瞬时值的上升丽上升，直到气隙上的电压又回 东北电力大学硕士学位论文 | _ _ | 目_ _ | _ 目_ _ _ - _ i _ e | _ 目_ _ _ _ i i 目_ i l l - l _ - _ i i _ ii - 升到气隙的击穿电压玑。时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降 u ，于是放电又暂停。假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷 没有泄漏掉则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为- - 2 a u , 。依此类推，如 果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了一次放电，每次放电产生的电荷都是 相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为一n a u 。在外加电压过峰值后，气 隙上的外加电压分量玩逐渐减小，当【乞= l - 以以i 时，即气隙上的实际电压为 零( 相应图2 2 的e 点) 一 外加电压的瞬时值继续下降，当i 玑。一n a u 小= 玑。时，即气隙上实际的电压 达到击穿电压，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于在此以前放 电电荷所建立的电场玩，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际 电压为卜_ c 一0 1 ) a u 。l 【么，于是放电暂停( 相应m 2 - - 2 q b 的f ：点) 。此后随外 施电压继续下降到负半周，当重新达到p 。一( n - 2 ) a u 。i u 。时，气隙又发生 放电。依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为 n a u 。 随着电压回升，在一段时间内一儿+ n a 玑 不会出现放电，直到当 u 。+ n a u 。= c k 时气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为l u 。十q 一1 ) a u 。i u 。于是放电又暂停( 相应图2 2 中的h 点) 。此后随着外加电压升高放电又继 续出现。在外施电压一个周期内的放电次序如图2 2 所示。 由此可见，在正弦交流电压下，局部放电时出现在外加电压的一定相位上， 当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电又一定间隔时 间。电压越高放电次数就越多。 2 2 局部放电分类及数学模型 从局部放电发生的位置、放电过程和显现来看，局部放电可分为内部局部 放电、表面局部放电和电晕放电三种： 1 内部局部放电造成内部放电的常见原因是固体绝缘体内部存在气隙或 液体绝缘内部存在气泡；绝缘内部气隙发生放电的机理随气压和电极系统的变 第2 章局部放电的理论基础 化而异。 ( 1 ) 局部放电按放电机理可分为：以电子碰撞电离为主的汤逊放电；以 光电离为主的流注放电；以热电离为主的热电离放电。 ， ( 2 ) 根据放电的表现形式，局部放电可分为：脉冲型火花型，持续时间1 一l o o m 。包括低幅度、上升对闳较缓慢的汤逊型火花放电藕大幅度、快上升时 间的似流注火花放电；放电和非脉冲型辉光放电，具有无脉冲性质，占据半 个工频周期的大部分区域；亚辉光放电，也称群放电，存在小幅度的离散脉 冲，是辉光放电和火花放电之间的过渡形式。 三种放电形式的存在和转变与气隙大小、气隙上的过电压、气压等有关。 辉光放电或亚辉光放电多发生在小气隙或气泡和低过电压情况下。而当存在大 气隙和高过电压时。电子崩可以充分发展，容易产生火花脉冲放电。气隙不变， 过电压增大，辉光放电、亚辉光放电向火花放电转变。在短气隙局部放电中， 三种形式的放电均以电子崩碰撞电离为主，属于汤逊放电，可以较明显地分辨 电子电流和离子电流。高过电压下，由于阴极发射增强，局部放电电流以电子 电流为主。离子电流所占比重不大。低过电压下。电子电流显著减少，光电离 作用突出，离子电流增大，造成放电电流尾部加长，所产生的汤逊脉冲放电表 现为低幅值、慢上升时间的小脉冲，放电量相对较小。而在大气隙中，放电脉 冲多属于流注型，幅值大，上升沿陡，放电量较大。 理论上，内部放电的波形在工频正、负半波是对称的，但由于气隙或气泡 周围绝缘材料的绝缘电阻并非理想情况下的无穷大，同时由于在放电中可能发 生沿气隙或气泡壁表面放电等原因，实际的正、负工频周期放电图形是不完全 对称的，而且与电极系统的形式有很大的关系一电极系统结构相对越对称，正、 负工频周期放电图形就越对称。它接连放电脉冲波形的特点是：局部放电总是 首先出现在试验电压的瞬问值上升接近9 0 0 或2 7 0 0 的相位。 2 表面局部放电在电气设备的高电压端，由于电场集中，而且沿面放电 场强又比较低，往往会产生表面局部放电：绝缘体表面放电的过程及机理与绝 缘内部气隙或气泡放电的过程及机理相似，不同的是放电空间一端是绝缘介质， 另一端是电极。如果电极系统是不对称的，发生在工频正、受半波的放电图形 也是不对称的。当放电的一端是高压电极，不放电的电极接地时，在正半周出 现的放电脉冲是大而稀，负半周出现的是小而密；在对称电极系统中，正负二 半周放电情况相同，放电图形基本上是对称的。 3 。电晕放电电晕放电通常发生在高压导体周围完全是气体情况下。由于 气体中的分子自由移动，放电产生的带电质点不会固定在空间某一位置上。对 于针一板电极系统，针尖附近场强最高而发生放电，由于负极性时容易发射电子， 同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电在负极性时最先出现。当外 加电压较低时，电晕放电脉冲出现在外加电压负半周9 0 0 相位附近，并几乎对 称于9 0 0 ：当电压升高时，正半周会出现少量幅值大而数量少的放电脉冲。正 负两半周中的放电波形是极不对称的。 除以上是三种最基本的局部放电形式外，绝缘体中存在水珠、导电杂质、 电气设备内部存在悬浮电位体也会引起局部放电。液体绝缘内部也可能出现固 体表面局部放电和电晕放电。 局部放电信号为高频信号，实验研究发现，局部放电脉冲上升沿通常为几 到几十纳秒，下降沿为几到几十微秒。因此在理论分析中可用下面的数学模型 等效i l 】如图2 3 所以，为一个脉冲波形： ，( f ) = 彳( g 一。3 0 一v 7 一e - 2 , 2 ( t - v 。) s i n ( f 。2 万( f t o ) )( 2 一1 ) 式中 为局部放电信号的幅值；f o 为放电脉冲起始时刻；工为衰减振荡频率； r 为衰减时间常数。 l 萱o 第2 章局部放电的理论基础 2 3 局部放电信号的干扰 2 3 1 干扰的分类 从于扰的来源分【”，主要有测量系统本身的干扰和测量系统以外的干扰。测 量系统本身的干扰包括供电开关电源中开关和放大器自身的热噪、自激等产生 的干扰；测量系统外的干扰主要是指来自被测设备之外的、能被检测传感器检 测到的干扰。由于系统自身的干扰总是可通过改善测量系统的设计来减小或消 除，因此，通常所说的干扰主要是指来自测量系统以外的干扰。现场电磁干扰 是研究的重点，它可分为连续性周期性干扰、脉冲型干扰和白噪声干扰。往往 干扰强大，甚至完全淹没了局放信号。 1 连续性周期型干扰电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰和无 线电干扰。这类通常是高频正弦波，干扰强度较大，每种干扰的时域波形有固 定的谐振频率和频带宽度，有的频率较高，有的频率较低。在频域上是离散的， 频域内能量集中，振幅是以主频为中心，以两倍调制频率为宽度的脉冲波形。 其相位分布固定。这类干扰包括电力系统谐波、高频保护、载波通信及无线电 广播通信等。 2 脉冲型千扰信号包括供电线路或高压端的电晕放电；电网中的开关、 晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰：电力系统中其它非检测设备放电 引起的干扰；试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰；浮动电位物体放电引 起的干扰；设备的本机噪音和其它的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间 很短的脉冲信号，而在频域上是包含各种频率成分的宽带信号，具有与局部放 电信号相似的时域和频域特征，但其相位集中。从示波器上观察可以发现此类 干扰出现在位置相对固定的地方，它们的波形及其小波变换系数都与放电脉冲 的波形及系数极其相似。然而幸运的是这类脉冲典型的频率一般都小于l m i - i z ， 因而在时间轴上分布极为稀疏，而且有规则，据此可将其与局部放电脉冲区分。 3 白噪声干扰信号包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、电子器 件本身的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种 噪声以及检测线路中半导体器件的散粒噪声等。理论上，白噪声干扰的功率谱 为恒定常数，分布在整个频段上；而在实际应用中，若其频谱在较宽频段上为 连续平缓的即可认为是白噪声。 2 3 2 干扰的传播途径 电气设备，特别是大型发电机和变压器，其结构复杂、体积庞大，干扰可 通过传导、感应、辐射等多种耦合方式从多个路径侵入。 1 如对变压器主要有以下几种干扰入侵途径 ( 1 )所有的窄带信号( 系统高次谐波、载波通信、无线电通信和高频保护) 、 线路和绝缘电晕放电、其它电气设备内部放电、开关设备动作产生的脉冲型放 电或各种冲击波( 雷电波、操作波) 产生的高频电流脉冲等主要通过高压线路 以传导方式进入变压器； ( 2 )晶闸管整流、换流器和静止无功补偿器中的电力电子器件动作等引起的 强大的周期型脉冲干扰和电弧炉等产生的随机噪声和脉冲，干扰主要从变压器 的低压侧以传导的方式侵入； ( 3 )晶闸管或其它的开关类器件动作产生的脉冲信号、各种电机产生的电弧 放电及配电线路中存在的大量随机噪声等通过风机、潜油泵和变压器控制柜的 动力电缆或各种信号电缆以电容耩合或直接传导引入。这些干扰统称为由变压 器配电线路引入的二次干扰； ( 4 )当变压器多点接地时各接地线构成环形天线，耦合引入各种空间干扰、 地网干扰等。 2 那么干扰侵入发电机的路径主要有 ( 1 ) 励磁供电系统产生的干扰和由于碳刷与滑环之问接触不良所产生的火 花放电往往从电机的励磁系统引入t 第2 章局部放电的理论摹础 ( 2 )与电机相连的设备产生的干扰从连接导线处引入； ( 3 )无线电干扰和其它随机性干扰通过空间辐射方式引入。 深入了解干扰进入电力设备的途径，对于选择最佳的监测点具有较大的参 考价值。对某些干扰也可通过切断干扰途径来抑制。当然对绝大多数干扰来说， 仍主要考虑有效的抗干扰措施来抑制。 东北电力大学硕士学位论文 第3 章小波分析及数学形态学理论 3 1 小波分析理论 小波变换是一种信号的时间一尺度( 时间一频率) 分析方法，它具有多分辨 率分析( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ) 的特点，在时域和频域都具有表征信号局部 特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状( 时间窗和频率窗) 都可以改 变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间 分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。利用小波变 换进行动态系统故障检测与诊断具有良好的效果。 定义。2 5 1 ：设杪( f ) r ( 震) ，( 上2 q ) 表示平方可积的实数空间，即能量有限 的信号空间) ，其傅立叶变换为i ；f ，( ) 。当矿( 国) 满足允许条件( a d m i s s i b l e c o n d i t i o n ，也称为容许性条件) ： q = r l 矿( 犷d 。6 0 和g = f o ，i ，膨一l 上的离 散函数，且n m 。这里，厂( 力为输入序列，g ( m ) 为结构元素，m 分别为 其长度，则f ( n ) 关于“棚) 的腐蚀( e r o s i o n ) 和膨胀( d i l a t i o n ) 分别定义为： ( 厂o g ) ( 国= m a x f ( n 一拼) + g ( 嬲) 】n e 0 , i , 2 , ，一i ( 3 - - 1 6 ) ( f o g ) ( n ) = m i n f ( n + m ) - g ( m ) m e 0 , 1 , 2 , ，m - ! ( 3 - - 1 7 ) 有灰度膨胀和腐蚀的组合可以得到两个很重要的灰度形态算子开和闭运 算。以下是它们的定义： u o g ) ( 吣，己r 嘧o g ) ( ”)( 3 1 8 ) 盯o g ) ( n ) = o g o g ) ( n )( 3 1 9 ) 图3 - 3 用一个扁平结构元素对输入信号( 集合) 的形态运算 东北电力大学硕士学位论文 图3 - - 3 中的e ) 和f ) 给出了厂( x ) 被g ( x ) 开和闭运算的结果。图中阴影 区域为开和闭的结果，虚线部分为原函数厂b ) 。直观的来看，数学形态学的 开运算可用于过滤信号上方的峰值噪声，去除信号边缘的毛刺、孤立斑点及小 桥结构：闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声，填补信号的漏洞和裂 缝。所以，基于形态学的开、闭运算可以构造开一目滤波器、闭一开滤波器、混 合滤波器和交替混合滤波器 2 s , 2 9 ： 【u ) o 盱( g ) 】( 露) = ( ，og g ) ( 力( 3 - - 2 0 ) 【( ，) ( g ) 】( 玎) = ( ，go g ) ( 甩) ( 3 2 1 ) 【( ，) 矗，( g ) 】( 霸) = ( ，o g + 7 g ) ( n ) 2 ( 3 2 2 ) 【( 乃口域g ) 】( 日) = 【盯) d c ( g ) + ( d c d ( g ) 】( ，力2 ( 3 - - 2 3 ) 式中o c 、c o 为先开后闭和先闭后开的交替滤波运算：h f 为混合滤波运算； 曲为交替混合滤波运算。 通常开一闭滤波器和闭一开滤波器虽然可以同时滤除信号的正负脉冲噪声， 但存在着统计偏移现象。这是由于开运算的收缩性导致开一闭滤波器输出幅度较 小，而闭运算的扩张性导致闭一开滤波器输出幅度较大。为解决信号输出韵偏移 现象，一般选用混合滤波器和交替混合滤波器。 类似于小波变换。数学形态学也可以进行多尺度的分析。多刻度形态学运 算采用不同尺寸的结构元素对图象进行变换，因而不同刻度的运算恰好就是对 图象中不同尺寸结构的处理和分析。这种与感知机制相匹配的多层次特点是多 刻度方法的最为重要的优势。 假设形态运算，( ，) ，基于，的多刻度运算 定义为p 0 1 ： 囊( ，) _ a p k m i l ，a ( 3 - - 2 4 ) 式中 磊( 砷= ，( 舡) ，2 ，o 为e ( ，) 的刻度。 由式( 3 - - 2 4 ) 可以推导出多刻度腐蚀、膨胀、开运算和闭运算的定义为： 0 q g 、l = 9 a g i 漉( 3 - - 2 5 ) 第3 章小波分析及数学形态学理论 ( 厂o g ) 。= 厂。馅m ( 厂。g l = 。馅，a ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( f l g ) j = ，2 9 l ，4 ( 3 - - 2 8 ) 通常，当结构函数为凸函数时随着五的增大，( ，) 会使图像的形态越来 越简单。 由多刻度形态学进而发展了数学形态学形态谱1 3 1 - 3 3 1 ，也称形态形状量值直 方图，是图象分析中形状表示的重要方法，可以用于图象中物体形状描述、形 状特征提取和形状识别等。 ， 令f ( x ) ，工震”，m = 1 , 2 ，m - 1 为一非负函数，g ( 曲为一凸的结构函 数。( 曲形态谱定义为p 1 】： f 一d a ( f o a g ) 五o 船( 触，旯) 2 一竺垡塾塑川 ( 3 - 2 9 ) l，d r 式中 = j ( 枷表示在定义域内【，( ( z ) ) 的有限面积；当五o 时，为开 运算形态谱，五 0 时为闭运算形态谱； u ( ( x ) ) 称为函数厂o ) 的本影，定义为： 吣) = e ：鬈拶胚弛) ) ( 3 - - 3 0 ) 形态谱描述了信号在不同刻度下的变化，能更好地表现信号的形态特征。 3 2 2 结构元素选取的仿真分析 由于数学形态学是近几年的- - f - j 新兴学科，其结构元素的选取并没有定性 的原则。但是形态滤波器的输出不仅取决于变换的形式，而且取决于结构元素 的尺寸和形状。一般只有与结构元素的尺寸和形状相匹配的信号才能被保持。 东北电力大学硕士学位论文 电力数据采集信号一般为工颓5 0 h z 正弦信号，它可能被不同的干扰或噪声污 染，这里假设干扰的主要形式包括：高频连续干扰、随机背景噪声干扰和电磁 瞬态干扰。下面采用余弦型、三角型和偏平型的结构元素分析不同干扰。在下 述分析中，皆取待处理信号的采样频率为5 0 k h z ( 每工频周期1 0 0 0 个采样点) ， 除非是专门分析采样频率对选取结构元素的影响时。当信号的采样频率不变时， 改变结构元素的宽度，消噪效果也各不相同。 3 ，2 。2 。1 消除高频连续干扰设待处理信号为叠加了5 k h z 连续干扰的工频信 号，其中基波幅值为1 v ，高频干扰幅值为1 s v ，见图3 4 所示。通过改变结构 元素的宽度与幅值，来分析形态学滤波器对高频干扰的滤波性能。 u v 圈3 - 4 叠加高频连续干扰的i $ f l 号 t g 1 余弦型结构元素随着结构元素幅值与宽度的改变，形态滤波器的滤波 性能也不同，在此作了详细分析。相对于原基波幅值1 v ，分别取结构元素的幅 值为原信号幅值的1 1 0 、1 5 0 、1 1 0 0 、u 5 0 0 和1 1 0 0 0 ，当元素宽度在2 1 0 0 之 间变化时，采用混和滤波器对图3 4 中的信号进行处理。图3 5 中a ) 给出了误 差曲线。图3 5 中a ) ，为结构元素宽度，其单位为数据点数，e 为滤波误差。 滤波误差变化的一般规律为；当结构元素的幅值不变时。随着宽度尸值的增加， 滤波误差先减小后增大，故对于每一条曲线，均存在一个宽度p 的最优值使滤 波误差到达极小值；p 值一定时，随着结构元素蝠值的减小，误差值也在减小。 总体而言，不管结构元素的幅值如何，只要其宽度取在1 0 - - 4 5 之间，就可保证 滤波误差在0 6 以内。由此可见，对于高频连续干扰，设计形态学滤波器时， 其余弦型结构元素的宽度存在一个最优范围。 第3 章小波分析及教学形态学理论 2 三角型结构元素相对于原基波幅值1 v ，分别取结构元素的幅值为原基 波信号幅值的1 1 0 、1 5 0 、1 1 0 0 、1 5 0 0 和1 1 0 0 0 ，当元素宽度在2 1 0 0 之间 变化时，采用混和滤波器对图3 4 中的信号进行了处理。图3 5 中b ) 给出了的 误差曲线，当结构元素的幅值不变时，随着宽度p 值的增加，滤波误差将减小。 当p 值不变时，随着结构元素幅值的增加，滤波误差也在减小。总体而言，不 管三角型结构元素的宽度如何，只要其幅值为原信号幅值的1 1 0 时，就可保证 滤波误差在0 3 以内。 3 扁平型结构元素当元素宽度在2 1 0 0 之间变化时，采用混和滤波器对 图3 4 中的信号进行了处理。由于扁平结构元素( 定义域内幅值为o ) 的形状不 受其幅值影响，而仅由其宽度p 值决定，故在此处的滤波特性分析中仅考虑p 值 的变化。仿真计算表明，如图3 5 中c ) 所示，随着膻的增加，误差值先减少 而后增加，在p = 1 5 左右时达到最优值，此时滤波误差约为0 5 5 左右； a ) 余弦型结构元素的滤波误差曲线b ) 三角型结构元素的滤波误差曲线 c ) 扁平型结构元素的滤波误差曲 圈3 5 消除高频连续型干扰采用不同结构元素滤波的误差曲线 东北电力大学硕士学位论文 从图3 5 可以看出，对于电力系统含有高频连续干扰的信号三角结构元素 的滤波效果最佳，而余弦和扁平结构元素的滤波效果相当。而这三种结构元素 处理后都会有一个最优的雅。选余弦型结构元素时，当雅为原信号数据长度 的1 5 0 ，幅值为原信号幅值的1 1 0 0 - - 1 1 0 0 0 时，误差达到了最小；选取三角型 结构元素时，当幅值增大时p 值相应的增大才能达到最优值，结构元素的宽度为 原来信号数据长度的1 2 5 ，幅值为原信号幅值的1 1 0 时，滤波效果达到了最佳； 取扁平型结构元素时，结构元素的长度应在原信号数据长度的1 5 0 左右 3 2 2 2 消除随机背景噪声干扰图3 - -