小波包分析在變壓器油中放電聲信號(hào)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(jí)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(huì)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(shí)會(huì)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]?？陕犅曄啾瘸暡ň哂袀鞑ミ^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(hào)多為非平穩(wěn)信號(hào)。信號(hào)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(shí)域能量百分比計(jì)算方法不能將非平衡信號(hào)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(shí)-頻分辨率特性，適合處理不連續(xù)、突變和非平穩(wěn)的信號(hào)，兼顧了短時(shí)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(hào)各頻帶信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)。重構(gòu)信號(hào)表示該節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)頻帶分量在原始信號(hào)中的分布情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始信號(hào)的頻域抽取。

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

1）對(duì)信號(hào)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(hào)，則總信號(hào)S可表示：

用E3j（其中j=0，1，…7）表示S3j所對(duì)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(hào)S3j的離散點(diǎn)的幅值。

2）計(jì)算各頻帶能量值，用T表示：

為方便比較分析，本文對(duì)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(hào)能量的比例。

式中：

2 仿真信號(hào)的小波包頻帶能量分析

為探索小波包在信號(hào)能量計(jì)算提取中的應(yīng)用效果，特取以下2個(gè)仿真信號(hào)進(jìn)行研究:

以上信號(hào)的時(shí)域波形如圖2所示。

圖2 仿真信號(hào)時(shí)域波形

以db10小波為小波包基函數(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，可以得到8個(gè)頻帶，按式（3）-（6）分別計(jì)算各頻帶能量占總能量的百分比，統(tǒng)計(jì)直方圖3為信號(hào)的各頻帶能量分布。

圖3 仿真信號(hào)各頻帶能量分布

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

3 變壓器油放電試驗(yàn)

為探究變電壓器油放電時(shí)的聲信號(hào)的基本特性，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了如圖4所示試驗(yàn)平臺(tái)。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(hào)），電容分壓器（1000 1），聲信號(hào)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(jì)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(hào)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(hào)的小波包分析

基于前文中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)，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(hào)原始波形示例。

圖5 變壓器油典型放電聲信號(hào)原始波形

從圖5可以看出，變壓器油放電聲信號(hào)具有一定的瞬時(shí)脈沖性，持續(xù)時(shí)間均只有0.1s左右。僅從時(shí)域波形外觀很難觀察分辨以上4種信號(hào)波形。參考前文對(duì)仿真信號(hào)的小波包分解思路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波包頻帶能量分析。值得一提的是，由于試驗(yàn)時(shí)采集的聲信號(hào)不可避免地會(huì)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(duì)原始信號(hào)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(duì)去噪后的信號(hào)進(jìn)行3層小波包分解，然后計(jì)算各頻帶能量占比。圖6為各放電形式下聲信號(hào)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(duì)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(gè)頻帶能量占據(jù)信號(hào)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(gè)和第8個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)和第2個(gè)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(duì)每種放電形式再選取4組波形作相同的計(jì)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(hào)的頻帶分布基本一致，不同放電形式下聲信號(hào)各頻帶能量分布不同。

圖7 多組放電信號(hào)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(hào)；

2）采用小波包分解法可分析變壓器油中放電聲信號(hào)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(hào)模式識(shí)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(dòng)信號(hào)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(bào).2004（10）:1015-1017.

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