周朝枫

摘要：当温度过高或工作在高压状态时，变压器的绝缘能力会下降。文章以固体绝缘介质含气隙缺陷模型为例，通过对变压器局部放电信号中的常见干扰信号特点进行分析，应用小波阈值法滤除白噪声干扰，应用多级联数值滤波器滤除周期性窄带干扰，并将这两种方法综合起来处理混合干扰信号，通过仿真和实测信号的分析和验证，达到了预期的效果。

关键词：变压器；局部放电信号；白噪声干扰；窄带干扰；组合去噪 文献标识码：A

中图分类号：TM407 文章编号：1009-2374（2015）28-0011-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.28.006

1 概述

近些年来各种先进的电力设备逐渐被应用到生产和生活中，对用电质量的要求发生了较大的变化，急需电力部门进行技术的改革和推进。特别是近些年来，单台变压器的容量已经不能满足需求。用电容量大，用电范围也日益扩大，变压器负荷的增大加速了变压器性能的下降，造成大面积的停电，影响正常的生产生活。因此大型电力变压器的设计技术和生产技术急需提高。大量研究资料表明，电力变压器在长期运行中，变压器中采用的绝缘材料的性能会出现较大的变化，如产生气隙和不同种类的分解物等，严重影响其绝缘性能。一旦变压器中电场的强度增加到一定程度，就会出现电场被击穿的现象，从而引起变压器局部范围内产生放电现象，所以进行放电信号的检测能够有效提高变压器的使用性能和质量，也是变压器在线检测的重要内容。变压器工作过程中电和磁的转换非常频繁，其工作环境中分布着大量的电磁信号，会对变压器中的各种信号造成一定的影响，即干扰。再加上局部放电情况不是特别明显，干扰信号的存在会严重影响放电信号检测的质量，导致变压器状态判断和评估的失误，因此必须对变压器工作过程中的干扰信号进行抑制，提高采集到的变压器局部电压信号质量，为变压器运行状态的判断提供准确的参考依据。

2 电力变压器局部放电机理及干扰分析

由式（3）可知，在相同的运行环境下，气隙与固体绝缘介质所处场强与其相对介电常数存在反比关系。气隙中的数值为1，但是绝缘介质的值大于1，这也就意味着气隙放电现象产生的场强大小超过了介质本身场强的大小，而气体发生击穿所需要的场强小于绝缘介质，所以当绝缘材料上所施加的电压强度达到一定程度后，气隙会先于绝缘介质被击穿，从而发生局部放电现象，所以我们可以依据这个特性进行变压器绝缘材料性能的分析。变压器在使用过程中，环境中存在着不同强度大小的磁场和电场信号，这些信号的存在会影响变压器局部放电信号的检测和测量，在这里我们将这些不同强度大小的磁场和电场信号统称为干扰信号。

3 小波变换对干扰信号抑制的研究

3.1 局部放电信号的小波变换特点

式中：A表示幅值，t1和t2为衰减时间常数，wd=2pfd为振荡角频率，j=tg-1（wd/t2）。将振荡脉冲信号经过小波分解，然后分析小波分解得到的结果，得到计算过程中需要的小波基，通过对波形信号的对比，我们可以清楚地看到这两个信号的相似度较高，经过适当的处理后基本能够得到原波形，因此要想得到最理想的处理结果，就必须要根据被分析信号的特点，选择跟其波形信号变化情况相似性较高的小波，并且将Daubechies小波函数作为本次信号分析过程中的基本小波函数，这样我们就可以方便地得到被分析信号中各个分量的大小。图2分别给出了低频信号和高频信号的仿真情况，信号波形图清楚地显示了信号数据跟其分解层数之间的关系，二者成反比例关系，特别是当层数为5时，信号波形出现了较大的变形，对于各个分解层上的低频信息来说，包括高频信号中携带的数据信息以及低频重构信号的信息两个部分。

3.2 白噪声的小波变换特点

变压器局部放电信号中受到的干扰信号均值为0，方差为常数，属于随机噪声信号的一种，在变压器工作过程中噪声信号会发生比较强烈的振动，但是其振幅的概率密度仍然服从正态分布。

通过图3我们可以看到，噪声信号随着分解层数的增加逐渐减弱。所以只要设置合适的分解层数就能够消除放电信号中存在的各种类型的干扰信号。

3.3 连续性周期型干扰信号的小波变换特点

连续性周期型干扰是变压器运行过程中经常出现的一种干扰现象，是电力系统自身产生的，属于低频信号的一种；而干扰信号中的高频带干扰则是变压器运行环境中的广播、电视或者移动通信信号等造成的。通过对信号频域分析，我们可以看到整个信号的频谱比较分散，频带的宽度较大，最大的甚至超过了一般信号的2倍以上。为了验证我们的假设，我们采用了先进的信号仿真系统对其进行验证，本次验证过程中将信号的采样频率设置为60Ms/s，局部放电脉冲幅值为1，并且将变压器中产生的局部放电信号跟干扰信号做叠加处理，采用的干扰信号的频率分别为100kHz、200kHz、500kHz、900kHz和1.5MHz，其幅值比为0.5∶0.3∶1∶0.6∶0.8。利用仿真系统优秀的仿真性能，对采样信号进行5层分解，得到信号在不同尺度上的小波分解分量，如图4所示：

通过图2和图4的分析结果，我们可以看到变压器工作过程中其局部放电信号跟其小波分解信号具有一定的差异性，且干扰信号和信号分解过程中选择的分解层数大小无关，不论采用几层分解，信号的能量都分布在跟其信号频率相关的几个尺度上，在进行信号干扰抑制设计过程中我们就利用了这个特性，实现了对干扰信号的抑制。

4 白噪声和窄带干扰组合的信号抑制

前面分别分析了局部放电信号、白噪声、周期性干扰信号的小波变换的特点区，但是在真正的信号测试过程中，我们发现采集到的信号同时包括了多种类型的干扰信号以及变压器产生的局部放电信号，所以在进行信号干扰抑制设计过程中要充分考虑不同干扰信号的特点，采用合适的信号处理方法对干扰信号进行处理，如干扰信号中的白噪声，其变化比较平缓，在进行信号处理过程中得到的信号分解系数较小，只要用户设置一个合适的信号处理阈值就能够实现对白噪声信号的快速抑制。而窄带周期干扰具有与局部放电信号类似的瞬变特点，经小波阈值处理后，仍然有较多的杂波残留。由于陷波器对频率已知的信号具有较好的干扰信号滤除性能，所以在本次设计过程中，我们选择了IIR格型陷波器，并且利用优秀的小波阈值算法实现了对变压器局部放电信号中噪声信号的滤除。组合滤波结构流程图如图5所示：

4.1 干扰抑制仿真效果分析

实验过程中我们将信号的采样频率设置为60Ms/s。假定变压器中产生局部放电信号的幅值为A1，然后将其跟幅值分别为A2和A3的干扰信号进行叠加。图6是SNR=0.25（信噪比）局部放电混合波形组合去噪结果。

通过图6我们可以看到，当采集信号中噪比达到0.25时，变压器局部放电信号会直接被噪声信号覆盖。但是经过组合滤波处理后，能够真实地还原变压器中的局部放电情况。

4.2 组合方法对实测信号的干扰抑制效果分析

本次实验信号的采样频率为10Ms/s，T为0.02s，这就意味着每个T时间内需要采集20万个放电信号数据。图7中给出了采样信号不同处理后的功率谱图。从图7中可以看出经过傅里叶处理后的信号功率谱图中能够真实地看出局部放电信号中存在的干扰信号频率，然后对其频率范围进行分析，我们可以获得该干扰信号主要是中波广播信号。从图7中数据我们可以看出，经过组合滤波以后，局部放电信号中的干扰信息得到了有效的抑制。

5 结语

局部放电信号是一种持续时间短、幅值小的脉冲信号。实际测量信号中，包含白噪声和窄带干扰等干扰信号。白噪声变化平缓，幅值波动较小，窄带干扰信号与局部放电信号有相似的瞬变性。对多种不同类型的干扰同时与局部放电信号混合时，单纯使用一种抑制干扰的方法很难达到理想的效果。针对实测信号中主要包含的白噪声和窄带干扰，使用小波阈值法和多级2阶陷波器级联的组合方法能达到较好的效果。

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（责任编辑：周 琼）