變壓器局部放電在線監(jiān)測(cè)信號(hào)中的電磁干擾及抑制

一、簡(jiǎn)介

廣義的電磁干擾除了包括與局放信號(hào)一起通過電流傳感器進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾以外，還包括影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的干擾，諸如接地、屏蔽、以及電路處理不當(dāng)所造成的干擾等，后者可通過改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、合理選擇電路和元器件、提高系統(tǒng)制作水平等加以解決?，F(xiàn)場(chǎng)電磁干擾特指前者，是研究重點(diǎn)。它可分為連續(xù)的周期型干擾、脈沖型干擾和白噪聲。周期型干擾包括系統(tǒng)高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等。脈沖型干擾分為周期脈沖型干擾和隨機(jī)脈沖型干擾。周期脈沖型干擾主要由電力電子器件動(dòng)作產(chǎn)生的高頻涌流引起。隨機(jī)脈沖型干擾包括高壓線路上的電暈放電、其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的局部放電、分接開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的放電、電機(jī)工作產(chǎn)生的電弧放電、接觸不良產(chǎn)生的懸浮電位放電等。白噪聲包括線圈熱噪聲、地網(wǎng)的噪聲和動(dòng)力電源線以及變壓器繼電保護(hù)信號(hào)線路中耦合進(jìn)入的各種噪聲等。

電磁干擾一般通過空間直接耦合和線路傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)入測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)不同，干擾耦合路徑會(huì)不同，對(duì)測(cè)量的影響也不同；測(cè)量點(diǎn)不同，干擾種類、強(qiáng)度也不相同。

變壓器局放監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取的原則是局放信號(hào)強(qiáng)度大、信噪比高，且測(cè)量簡(jiǎn)便。主要有外殼接地線和套管末屏接地線，有的還選擇中性點(diǎn)接地線、鐵心接地線和高壓出線端等。有時(shí)為了抑制干擾，還從變壓器動(dòng)力電源線處測(cè)量參考的干擾信號(hào)。由于中性點(diǎn)和高壓出線端安裝傳感器較為不便，且有的變壓器鐵心內(nèi)部接地，故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多選擇外殼和套管末屏接地線作為測(cè)量點(diǎn)。

二、常用的抑制方法

干擾的抑制總是從干擾源、干擾途徑、信號(hào)后處理三方面考慮。找出干擾源直接消除或切斷相應(yīng)的干擾路徑，是解決干擾最有效最根本的方法，但要求詳細(xì)分析干擾源和干擾途徑，且一般不允許改變?cè)械淖儔浩鬟\(yùn)行方式，因此在這兩方面所能采取的措施總是很有限。對(duì)于經(jīng)電流傳感器耦合進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各種干擾，采取各種信號(hào)處理技術(shù)加以抑制。一般從以下幾方面區(qū)分局放信號(hào)和干擾信號(hào)；工頻相位、頻譜、脈沖幅度和幅度分布、信號(hào)極性、重復(fù)率和物理位置等，并據(jù)此提出了大量的抗干擾技術(shù)。

在抗干擾技術(shù)中有兩種不同的思路：一種是基于窄帶（頻帶一般為10kHz至數(shù)10kHz）信號(hào)的。它通過合適頻帶的窄帶電流傳感器和帶通濾波電路拾取信號(hào)，躲過各種連續(xù)的周期型干擾，提高了測(cè)量信號(hào)的信噪比。這種方法只適合某一具體的變電站，使用上不方便。此外，由于局部放電信號(hào)是一種寬頻帶脈沖，窄帶測(cè)量會(huì)造成信號(hào)波形的失真，不利于后面的數(shù)字處理。另一種是基于寬頻（頻帶一般為10至1000kHz）信號(hào)的處理方法。檢測(cè)信號(hào)中包含局放的大部分能量和大量的干擾，但信噪比較低。對(duì)于這些干擾的處理步驟一般是：a.抑制連續(xù)周期型干擾；b.抑制周期型脈沖干擾；c.抑制隨機(jī)型脈沖干擾。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展及模式識(shí)別方法在局放中的應(yīng)用，這種處理方法往往能取得較好的效果。

依據(jù)上述兩種思路，可以獲取不同信噪比的檢測(cè)信號(hào)。在后級(jí)處理中，很多處理方法是一致的。可歸納為頻域處理和時(shí)域處理方法。頻域方法是利用周期型干擾在頻域上離散的特點(diǎn)處理之；而時(shí)域處理方法是根據(jù)脈沖型干擾在時(shí)域上離散的特點(diǎn)處理。有硬件和軟件兩種實(shí)現(xiàn)方式。下面分別介紹。

三、周期型干擾的抑制

周期型干擾也稱之為窄帶干擾，它在各類干擾中占有很大的比重，干擾的抑制和消除也應(yīng)首先由此入手。由于它強(qiáng)度大、相位分布固定，因此大多采用頻域方法處理。主要包括FFT閾值濾波器、自適應(yīng)濾波器、固定系數(shù)濾波器和理想多通帶數(shù)字濾波器（IMDF）等。

窄帶干擾抑制的算法較多，也較成熟。從應(yīng)用效果來看，固定系數(shù)濾波器和理想多帶通濾波器較理想。由于IMDF在處理數(shù)據(jù)時(shí)需進(jìn)行多次FFT和IFFT，將化費(fèi)大量計(jì)算時(shí)間，不利于實(shí)時(shí)處理。但根據(jù)IMDF找到的最佳監(jiān)測(cè)頻帶，可以形成固定系數(shù)的有限沖激響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器直接在時(shí)域處理，簡(jiǎn)化了操作，加快了處理速度。

上述方法均可通過軟件或硬件線路來實(shí)現(xiàn)。雖然硬件濾波調(diào)節(jié)上不靈活，但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇最佳頻帶后，可有效抑制窄帶干擾。軟件方法雖然調(diào)節(jié)較靈活，但存在實(shí)時(shí)運(yùn)算速度較慢的缺點(diǎn)。

四、周期型脈沖干擾的抑制

當(dāng)信號(hào)去除周期型干擾之后，其它干擾上升為主要矛盾。對(duì)于周期型脈沖干擾的抑制，主要有兩類處理方法：模擬方法和數(shù)字方法。模擬方法包括差動(dòng)平衡法、定向耦合法和參考信號(hào)法等；前兩種方法同樣適用于隨機(jī)脈沖干擾的抑制，將在后文中介紹。選擇只包含脈沖干擾而不包含放電脈沖的配電線路測(cè)量脈沖干擾信號(hào)，利用所測(cè)的干擾脈沖作為控制信號(hào)，當(dāng)信號(hào)水平超過設(shè)定閾值并且判定為干擾時(shí)，停止模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）工作，以消除來自配電線路的干擾脈沖。

數(shù)字方法的原理是利用干擾和局放信號(hào)相位分布不同的特點(diǎn)進(jìn)行處理。例如，KONIG.G.和KOPF.U.提出一種方法，首先記錄多個(gè)周期的信號(hào)，然后對(duì)每個(gè)周期同相位上的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，以此構(gòu)成模板同原始信號(hào)相減，從而消除周期型的干擾信號(hào)。此種方法當(dāng)局放信號(hào)較少并且分布特點(diǎn)比較明確的時(shí)候去除干擾的效果較好，當(dāng)局放信號(hào)多且強(qiáng)的時(shí)候效果不好。

印度的V.Nagesh和B.I.Gururaj提出一種方法，它借鑒了生物信號(hào)處理的一些成果，其基本原理是從局放信號(hào)同周期型干擾信號(hào)具有不同的形狀出發(fā)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，把脈沖從波形信號(hào)中分離出來，形成單個(gè)脈沖序列，利用FFT算法在頻域?qū)Ω髅}沖進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，判斷其相似度并按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分組，根據(jù)這些組脈沖求取類信號(hào)模板，然后對(duì)每一類的信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行合成。分析發(fā)現(xiàn)，局放信號(hào)的相位較分散，而干擾的則非常集中。利用這一特點(diǎn)剔除周期型脈沖干擾信號(hào)類，把剩余的信號(hào)重構(gòu)，可得到去除周期型脈沖干擾后的信號(hào)。

由此可知，利用局放和周期型脈沖干擾在波形和相位上的不同進(jìn)行干擾抑制是可行的。該方法還可用來定位，它通過分析不同放電點(diǎn)引起的脈沖波形的特征來識(shí)別。此法的缺點(diǎn)是：當(dāng)局放重復(fù)率較高時(shí)，有可能把相鄰的兩個(gè)脈沖看成一個(gè)，影響識(shí)別的效果；此外，當(dāng)脈沖波形較多時(shí)，運(yùn)算速度有影響，不過隨著微機(jī)運(yùn)算能力的大幅度提高，這種影響會(huì)越來越被忽略。