超聲波信號(hào)在局部放電檢測技術(shù)的特征集合探索

鄧 敏

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超聲波信號(hào)在局部放電檢測技術(shù)的特征集合探索

鄧 敏

（廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建廈門 361008）

高壓設(shè)備絕緣損壞會(huì)引起電力設(shè)備的局部放電，造成設(shè)備損壞。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備絕緣水平的有效監(jiān)控，防止嚴(yán)重放電事故的發(fā)生，避免造成嚴(yán)重的損失，必須深入研究設(shè)備局部放電特征。局部放電超聲信號(hào)檢測是一種行之有效的檢測方法，在檢測過程中，電磁干擾不會(huì)對(duì)局部放電的超聲波檢測造成影響，但傳播路徑對(duì)檢測結(jié)果的影響較大。本文對(duì)局部放電超聲波信號(hào)的傳輸特性進(jìn)行了介紹，對(duì)局部放電超聲波信號(hào)的特征提取方法進(jìn)行了分析，并利用小波分析對(duì)局部放電超聲波信號(hào)進(jìn)行了模式識(shí)別，對(duì)局部放電超聲波信號(hào)檢測的研究工作具有一定的參考價(jià)值。

超聲信號(hào)；局部放電；檢測技術(shù)；模式識(shí)別

電氣設(shè)備的絕緣缺陷是局部放電的主要原因，短暫的局部放電不會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，但是隨著絕緣的不斷老化，則會(huì)有絕緣擊穿的危險(xiǎn)發(fā)生，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，加強(qiáng)局部放電的研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣隱患，避免事故的發(fā)生是很必要的。近年來，隨著新型電力電子元件的應(yīng)用，硬件和軟件噪聲消除研究的日漸成熟，利用超聲波對(duì)局部放電位置和類型的檢測方法得到越來越多人的關(guān)注。R.Bozzo等研究人員利用超聲波檢測法實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)線棒局部放電的定位檢測。研究人員在線棒上人為制造出絕緣缺陷，然后在線棒上施加高于放電電壓的電壓，促使線棒的缺陷部位發(fā)生局部放電，然后通過超聲波分析，對(duì)缺陷的位置進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波法局部放電位置檢測準(zhǔn)確度十分準(zhǔn)確[1]。局部放電超聲波法檢測理論研究應(yīng)經(jīng)相當(dāng)成熟，超聲波法檢測也得到廣泛的應(yīng)用，很多超聲波檢測設(shè)備被投入使用。然而根據(jù)現(xiàn)場工作人員的反饋，這些設(shè)備的檢測效率都不高，而且數(shù)據(jù)分析能力不高。很多超聲波測試儀只能計(jì)算超聲波的幅值，對(duì)超聲波的其他特性的檢測較少，因此，檢測結(jié)果的可靠性不高[2]。要提高超聲波檢測裝置的性能和精度，就要對(duì)局部放電的超聲波信號(hào)特性進(jìn)行深入研究，本文對(duì)超聲波信號(hào)的傳輸特性進(jìn)行了介紹，對(duì)局部放電超聲信號(hào)的特征提取進(jìn)行了分析，并利用小波分析對(duì)局部放電超聲信號(hào)的放電模型進(jìn)行了研究。

1 局部放電超聲信號(hào)的產(chǎn)生及傳輸特性

當(dāng)局部放電在高壓設(shè)備中發(fā)生時(shí)，則會(huì)伴隨有沖擊波的產(chǎn)生，通過對(duì)沖擊波的特性進(jìn)行監(jiān)測可以提前發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備內(nèi)部的絕緣缺陷。通常沖擊波的頻率范圍會(huì)比較廣泛，為了避免外部噪聲的干擾，可以對(duì)超聲范圍內(nèi)的聲波進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)局部放電進(jìn)行監(jiān)測[3]。超聲波在設(shè)備內(nèi)部傳播時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的裂縫、夾層等會(huì)引起超聲波信號(hào)的相位、幅值、頻譜等特征的改變。利用壓電傳感器可以將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行變換、運(yùn)算等手段處理后，可以得到超聲信號(hào)的波形和傳播時(shí)間等信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息可以對(duì)設(shè)備內(nèi)部局部放電的情況進(jìn)行定量和定性分析，并可以對(duì)故障位置進(jìn)行定位[4]。局部放電超聲波信號(hào)傳播特性主要有如下幾種。

1）聲阻抗特性，研究聲阻抗主要考慮高壓局部放電的絕緣介質(zhì)不同，對(duì)現(xiàn)場實(shí)際檢測的信號(hào)靈敏度不同，其表達(dá)式如下：

式中，表示介質(zhì)密度；表示聲音在介質(zhì)中的傳播速度。對(duì)應(yīng)的高壓設(shè)備如變壓器使用的是變壓器油，GIS開關(guān)主要絕緣介質(zhì)是SF6氣體，高壓電纜主要絕緣介質(zhì)為高分子有機(jī)材料。

2）界面效應(yīng)特性，超聲波在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)阻抗的不同聲波會(huì)在介質(zhì)的分界面發(fā)生反射。兩種介質(zhì)的聲阻抗差別越大，聲波的反射也越多。反射系數(shù)代表了聲波在不同介質(zhì)分界面的反射情況。反射系數(shù)0的表達(dá)式為

式中，1表示第一種介質(zhì)的介質(zhì)密度；2表示第二種介質(zhì)的介質(zhì)密度；1表示在第一種介質(zhì)中的傳輸速度；2表示在第二種介質(zhì)中的傳輸速度。

聲波在不同介質(zhì)中傳播速度受不同因素的影響。聲波在氣態(tài)介質(zhì)、液態(tài)介質(zhì)和固態(tài)介質(zhì)中的傳播速度表達(dá)如式（3）所示：

式中，表示介質(zhì)比熱容；表示氣體壓力；表示介質(zhì)的的密度；表示介質(zhì)的體積彈性模量；表示樣式模量；=22(1)，是泊松系數(shù)。

聲波在介質(zhì)傳播過程中的衰減過程十分復(fù)雜，聲波的衰減和分子的吸收率、傳輸介質(zhì)的粘性系數(shù)和介質(zhì)的熱導(dǎo)率相關(guān)。衰減系數(shù)的表達(dá)式如式（4）所示：

式中，2為平面波的吸收系數(shù)；為介質(zhì)粘度系數(shù)；為頻率；0為介質(zhì)的平均密度；為聲波在介質(zhì)中的傳播速度；為介質(zhì)的比熱系數(shù)；p為固定壓強(qiáng)下的比熱容；為熱導(dǎo)率。

另外，超聲波還有聲強(qiáng)和聲壓兩個(gè)特性參數(shù)，聲強(qiáng)和聲壓如式（5）所示：

式中，0為初始聲壓；0為初始聲強(qiáng)；為聲波衰減系數(shù)；為聲波傳播距離。

2 局部放電超聲信號(hào)特征提取

提取局部放電超聲信號(hào)的目的在于提取最能代表信號(hào)特點(diǎn)的特征量，這些特征量應(yīng)可以明顯區(qū)分不同類型局部放電，從而可以借助超聲波信號(hào)的不同特征對(duì)對(duì)局部放電進(jìn)行分類。特征提取是把復(fù)雜信號(hào)從復(fù)雜的多為數(shù)據(jù)空間向低維數(shù)據(jù)空間映射，提取出簡單有效的特征量，通過這些特征對(duì)局部放電超聲信號(hào)進(jìn)行有效區(qū)分[5]。目前局部放電超聲信號(hào)特征提取的常用方法有時(shí)域分析法、頻域分析法和時(shí)頻域分析法，本文利用紅相電力開發(fā)的PDT-200設(shè)備采樣的數(shù)據(jù)和設(shè)備所采用的時(shí)域、頻域分析法作案例進(jìn)行說明，在時(shí)域分析時(shí)選取了方差（VAR）、絕對(duì)積分平均值（AVA）、超聲信號(hào)的峰度（BK）、偏度（BS）5個(gè)特征參數(shù)，頻域分析選取了功率譜最大值（MPS）、中值頻率（MF）、平均功率頻率（MPF）3個(gè)特征參數(shù)[6]。

用超聲波采集探頭對(duì)同一種局部放電采集的波形不是完全相同的，但當(dāng)信號(hào)變換到頻域時(shí)，相同的放電超聲頻域波形具有相對(duì)的穩(wěn)定性[7]，如圖1所示。

圖1 時(shí)域與相應(yīng)頻域波形對(duì)比圖

頻域特征提取采用的方法主要是利用傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，從而在頻域范圍中觀察超聲信號(hào)的頻率特征，往往采用功率譜密度進(jìn)行分析，計(jì)算式為

式中，()為局部放電超聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變化后的表達(dá)式；為局部放電超聲信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。

利用數(shù)字示波器可以記錄局部放電超聲信號(hào)的波形，將波形導(dǎo)出，可以利用Matlab編寫相應(yīng)的功能函數(shù)求得相應(yīng)特征參數(shù)。表1記錄了高壓導(dǎo)體突起（HVCP）、地電極尖刺（GES）、懸浮金屬顆粒（SMP）、自由金屬顆粒（FMP）、絕緣子表面固定金屬顆粒（IMP）、絕緣內(nèi)部氣泡（IB）幾種類型局部放電超聲信號(hào)的部分特征參數(shù)。

圖2將不同類型的局部放電超聲信號(hào)的特征參數(shù)放到坐標(biāo)軸中進(jìn)行比較，圖中縱坐標(biāo)表示特征參數(shù)的大小，橫坐標(biāo)表示特征參數(shù)的數(shù)量。其中1～88、89～176、177～264、265～352、353～440、411～528分別為高壓導(dǎo)體突起（HVCP）、地電極尖刺（GES）、懸浮金屬顆粒（SMP）、自由金屬顆粒（FMP）、絕緣子表面固定金屬顆粒（IMP）、絕緣內(nèi)部氣泡（IB）的放電數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，RMS可以辨別絕緣內(nèi)部氣泡放電，VAR可以辨別懸浮金屬顆粒放電，這樣根據(jù)特征參數(shù)的分布特點(diǎn)就可以區(qū)分不同局部放電的超聲信號(hào)。

3 局部放電超聲信號(hào)識(shí)別

本文對(duì)局部放電超聲信號(hào)進(jìn)行去噪的方法為小波分析法，小波分析以傅里葉變換為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行多層次的細(xì)微時(shí)域頻域分析。

表1 不同類型局部放電超聲信號(hào)的部分特征參數(shù)

圖2 不同類型的局部放電超聲信號(hào)的特征參數(shù)比較圖

小波分析去噪的步驟為：

1）對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行小波分解。選擇適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)進(jìn)行分解計(jì)算。

2）度不同分解尺度的信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

3）進(jìn)行小波逆變換重構(gòu)，重新建立信號(hào)[8]。

其流程圖如圖3所示。

圖3 小波去噪流程圖

小波分析的函數(shù)有多種，在工程應(yīng)用中，選擇適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)是非常重要的，不同的小波函數(shù)對(duì)超聲信號(hào)的處理結(jié)果是不同的。處理結(jié)果和理論結(jié)果越小說明小波函數(shù)的適應(yīng)度越好[9]。如下為幾種常用的小波函數(shù)。

1）Haar小波函數(shù)

Haar小波應(yīng)用較早，較為簡單，Haar小波的表達(dá)式如式（7）所示：

2）db小波函數(shù)

dbN小波的是小波的階數(shù)，小波函數(shù)和尺度函數(shù)的支撐區(qū)是2-1，是小波函數(shù)的消失矩，db只在=1時(shí)具有對(duì)稱性。db小波函數(shù)沒有固定的表達(dá)式。

當(dāng)令

（8）

其中

3）Morlet小波函數(shù)

Morlet小波是高斯包絡(luò)的正弦函數(shù)，其表達(dá)式為

式中，為波形重構(gòu)時(shí)的歸一化常數(shù)。

利用Matlab軟件對(duì)超聲波進(jìn)行小波去噪的閾值處理方法主要有默認(rèn)閾值、給定閾值和強(qiáng)制去噪三種方法[10]。下面利用Haar小波函數(shù)利用給定閾值法進(jìn)行去噪處理，分解層數(shù)是3。圖4（a）、（b）分別為信號(hào)去噪前和去噪后的信號(hào)波形對(duì)比圖。

圖4 小波去噪前后信號(hào)波形對(duì)比圖

對(duì)示波器采集的信號(hào)數(shù)據(jù)利用Matlab進(jìn)行小波去噪處理后，提取特征參數(shù)。表2包含部分不同局部放電超聲信號(hào)的特征參數(shù)值。

我們需要對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到[0,1]范圍內(nèi)。在特征參數(shù)中選擇88個(gè)，一般作為訓(xùn)練樣本，一半作為測試樣本，將特征參數(shù)樣本分類表號(hào)，其中HVCP、GES、SMP、FMP、IMP、IB依次用標(biāo)簽1—6標(biāo)識(shí)，然后利用如下的歸一化公式處理。

式中，為特征參數(shù)實(shí)際值，min=min()，max= max()，從而特征參數(shù)被歸化到[0,1]范圍內(nèi)。然后利用高斯核函數(shù)（RBF核函數(shù)）進(jìn)行模式識(shí)別。高斯函數(shù)的參數(shù)選1，參數(shù)選2，最終得出不同放電類型的信號(hào)識(shí)別結(jié)果見表3。

表2 部分不同局部放電超聲波信號(hào)的特征參數(shù)

表3 不同類型局部放電超聲信號(hào)的識(shí)別結(jié)果

通過對(duì)所選取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從識(shí)別結(jié)果中可以看出，經(jīng)小波去噪后懸浮金屬顆粒放電的識(shí)別率達(dá)到90%以上，其他類型放電的識(shí)別率達(dá)到了100%，通過大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，由于檢測對(duì)象和現(xiàn)場條件的實(shí)際復(fù)雜程度的不同，會(huì)對(duì)識(shí)別率造成一定的影響，但總體來說該方法的準(zhǔn)確度還是比較高的。

4 結(jié)論

局部放電的超聲波檢測是高壓設(shè)備絕緣檢測的重要手段，利用小波分析對(duì)局部放電超聲波信號(hào)進(jìn)行處理并提取特征參數(shù)，可以對(duì)局部放電模式進(jìn)行識(shí)別，從而精確的判斷出電力設(shè)備的絕緣故障類型。本文采用較少的特征參數(shù)，簡化了信號(hào)識(shí)別的過程，使識(shí)別速度提高了，在其他信號(hào)分析過程中可以嘗試其他去噪算法，以期進(jìn)一步提高去噪效果，獲得更高的準(zhǔn)確度。

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Research on Feature Set of Partial Discharge Detection Technology based on Ultrasonic Signal

Deng Min

(Xiamen Hongxiang Electric Power Equipment Co., Ltd, Xiamen, Fujian 361008)

High voltage equipment insulation damage will cause partial discharge of power equipment, resulting in equipment damage. In order to realize the effective monitoring of the insulation level of the power equipment, prevent the occurrence of the serious discharge accident and avoid the serious loss, the partial discharge characteristics of the equipment must be studied deeply. Partial discharge ultrasonic signal detection is an effective detection method in the detection process, caused by the effect of ultrasonic on the partial discharge detection of electromagnetic interference, but the propagation path effects on the testing results of large. The transmission characteristics of PD ultrasonic signal are introduced. The characteristics of partial discharge ultrasonic signal extraction methods were analyzed, and using wavelet analysis on partial discharge ultrasonic signals are used in pattern recognition of partial discharge ultrasonic signal detection research has a certain reference value.

ultrasonic signal; partial discharge detection; technology; pattern recognition

鄧 敏（1975-），男，福建省漳平市人，本科，工程師，主要從事電力設(shè)備狀態(tài)檢修業(yè)務(wù)的技術(shù)工作。