變壓器局部放電在線監測信號中的電磁幹擾及抑制

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一、簡介

廣義的電磁幹擾除了包括與局放信號一起通過電流傳感器進入監測系統的幹擾以外，還包括影響監測系統本身的幹擾，諸如接地、屏蔽、以及電路處理不當所造成的幹擾等，後者可通過改進系統設計、合理選擇電路和元器件、提高系統製作水平等加以解決。現場電磁幹擾特指前者，是研究重點。它可分為連續的周期型幹擾、脈衝型幹擾和白噪聲。周期型幹擾包括系統高次諧波、載波通訊以及無線電通訊等。脈衝型幹擾分為周期脈衝型幹擾和隨機脈衝型幹擾。周期脈衝型幹擾主要由電力電子器件動作產生的高頻湧流引起。隨機脈衝型幹擾包括高壓線路上的電暈放電、其他電氣設備產生的局部放電、分接開關動作產生的放電、電機工作產生的電弧放電、接觸不良產生的懸浮電位放電等。白噪聲包括線圈熱噪聲、地網的噪聲和動力電源線以及變壓器繼電保護信號線路中耦合進入的各種噪聲等。

電磁幹擾一般通過空間直接耦合和線路傳導兩種方式進入測量點。測量點不同，幹擾耦合路徑會不同，對測量的影響也不同；測量點不同，幹擾種類、強度也不相同。

變壓器局放監測點選取的原則是局放信號強度大、信噪比高，且測量簡便。主要有外殼接地線和套管末屏接地線，有的還選擇中性點接地線、鐵心接地線和高壓出線端等。有時為了抑制幹擾，還從變壓器動力電源線處測量參考的幹擾信號。由於中性點和高壓出線端安裝傳感器較為不便，且有的變壓器鐵心內部接地，故監測系統多選擇外殼和套管末屏接地線作為測量點。

二、常用的抑制方法

幹擾的抑制總是從幹擾源、幹擾途徑、信號後處理三方面考慮。找出幹擾源直接消除或切斷相應的幹擾路徑，是解決幹擾最有效最根本的方法，但要求詳細分析幹擾源和幹擾途徑，且一般不允許改變原有的變壓器運行方式，因此在這兩方面所能採取的措施總是很有限。對於經電流傳感器耦合進入監測系統的各種幹擾，採取各種信號處理技術加以抑制。一般從以下幾方面區分局放信號和幹擾信號；工頻相位、頻譜、脈衝幅度和幅度分布、信號極性、重複率和物理位置等，並據此提出了大量的抗幹擾技術。

在抗幹擾技術中有兩種不同的思路：一種是基於窄帶（頻帶一般為10kHz至數10kHz）信號的。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，躲過各種連續的周期型幹擾，提高了測量信號的信噪比。這種方法只適合某一具體的變電站，使用上不方便。此外，由於局部放電信號是一種寬頻帶脈衝，窄帶測量會造成信號波形的失真，不利於後面的數字處理。另一種是基於寬頻（頻帶一般為10至1000kHz）信號的處理方法。檢測信號中包含局放的大部分能量和大量的幹擾，但信噪比較低。對於這些幹擾的處理步驟一般是：a.抑制連續周期型幹擾；b.抑制周期型脈衝幹擾；c.抑制隨機型脈衝幹擾。隨著數位技術的發展及模式識別方法在局放中的應用，這種處理方法往往能取得較好的效果。

依據上述兩種思路，可以獲取不同信噪比的檢測信號。在後級處理中，很多處理方法是一致的。可歸納為頻域處理和時域處理方法。頻域方法是利用周期型幹擾在頻域上離散的特點處理之；而時域處理方法是根據脈衝型幹擾在時域上離散的特點處理。有硬體和軟體兩種實現方式。下面分別介紹。

三、周期型幹擾的抑制

周期型幹擾也稱之為窄帶幹擾，它在各類幹擾中佔有很大的比重，幹擾的抑制和消除也應首先由此入手。由於它強度大、相位分布固定，因此大多採用頻域方法處理。主要包括FFT閾值濾波器、自適應濾波器、固定係數濾波器和理想多通帶數字濾波器（IMDF）等。

窄帶幹擾抑制的算法較多，也較成熟。從應用效果來看，固定係數濾波器和理想多帶通濾波器較理想。由於IMDF在處理數據時需進行多次FFT和IFFT，將化費大量計算時間，不利於實時處理。但根據IMDF找到的最佳監測頻帶，可以形成固定係數的有限衝激響應（FIR）數字濾波器直接在時域處理，簡化了操作，加快了處理速度。

上述方法均可通過軟體或硬體線路來實現。雖然硬體濾波調節上不靈活，但經過現場試驗選擇最佳頻帶後，可有效抑制窄帶幹擾。軟體方法雖然調節較靈活，但存在實時運算速度較慢的缺點。

四、周期型脈衝幹擾的抑制

當信號去除周期型幹擾之後，其它幹擾上升為主要矛盾。對於周期型脈衝幹擾的抑制，主要有兩類處理方法：模擬方法和數字方法。模擬方法包括差動平衡法、定向耦合法和參考信號法等；前兩種方法同樣適用於隨機脈衝幹擾的抑制，將在後文中介紹。選擇只包含脈衝幹擾而不包含放電脈衝的配電線路測量脈衝幹擾信號，利用所測的幹擾脈衝作為控制信號，當信號水平超過設定閾值並且判定為幹擾時，停止模數轉換器（ADC）工作，以消除來自配電線路的幹擾脈衝。

數字方法的原理是利用幹擾和局放信號相位分布不同的特點進行處理。例如，KONIG.G.和KOPF.U.提出一種方法，首先記錄多個周期的信號，然後對每個周期同相位上的數據進行平均，以此構成模板同原始信號相減，從而消除周期型的幹擾信號。此種方法當局放信號較少並且分布特點比較明確的時候去除幹擾的效果較好，當局放信號多且強的時候效果不好。

印度的V.Nagesh和B.I.Gururaj提出一種方法，它借鑑了生物信號處理的一些成果，其基本原理是從局放信號同周期型幹擾信號具有不同的形狀出發，首先進行數據分段，把脈衝從波形信號中分離出來，形成單個脈衝序列，利用FFT算法在頻域對各脈衝進行互相關計算，判斷其相似度並按照一定的標準進行分組，根據這些組脈衝求取類信號模板，然後對每一類的信號在時域進行合成。分析發現，局放信號的相位較分散，而幹擾的則非常集中。利用這一特點剔除周期型脈衝幹擾信號類，把剩餘的信號重構，可得到去除周期型脈衝幹擾後的信號。

由此可知，利用局放和周期型脈衝幹擾在波形和相位上的不同進行幹擾抑制是可行的。該方法還可用來定位，它通過分析不同放電點引起的脈衝波形的特徵來識別。此法的缺點是：當局放重複率較高時，有可能把相鄰的兩個脈衝看成一個，影響識別的效果；此外，當脈衝波形較多時，運算速度有影響，不過隨著微機運算能力的大幅度提高，這種影響會越來越被忽略。

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