局部放电信号的处理

摘 要：电缆发生局部放电时所采集到的信号非常小且受到噪声干扰，为了确定电缆故障，需对采集到的信号进行处理，包含放大和去噪。与运算放大器相比，LC谐振放大器放大效果明显。LC谐振放大器由信号源、LC谐振放大、电压跟随器组成，通过对谐振频率选取，元件参数计算，增益的分配，创建电路，最后通过Multisim对电路进行仿真。电路结构简单，经测试，具有良好的放大功能，且所得波形符合要求表明了电路的准确性。对于对信号的去噪则采用小波包变换，通过对阈值的计算，选择合适的数值，在MATLAB上进行编程，根据仿真结果可知小波包去噪的合理性。

关键词：电缆故障；高频小信号；小波包变换；MATLAB仿真；谐振放大器；电压跟随器；Multisim仿真

引言

电力电缆的使用范围越来越广，在电力输电网络中及高压电力设备中，因绝缘问题造成的局部放电现象是一个常见的电缆故障[1]。一旦电缆绝缘被击穿就有可能引起停电事故造成社会影响和经济损失。因此，局部放电检测对于及时发现早期故障，防止故障进一步扩大导致绝缘失效是一项非常有效的检测途径[2]，可以尽量减少财务损失[3]。另外，应用三脉冲法进行地埋电缆闪络性故障及高阻态故障的定位，局部放电信号检测也是关键技术之一。

在实际问题中，对电缆放电现场拾取得到的原始信号具有频率高且通频带窄、幅值非常小、且混杂着一定干扰信号和噪声等特点。因此，信号调理是局部放电检测关键环节。噪声的存在对信号的本质特征会产生严重的干扰，因此，在处理原始信号时，必须对混杂的噪声加以消除，去噪后信号的一些重要特征才能显现出来。文章将考虑对拾取到的信号进行硬件及软件相结合的滤波去噪处理。

对现场微小信号进行采集及数字处理的前提条件是信号放大。采用运算放大器可以满足所需放大倍数要求，但当放大倍数过大时容易使波形产生失真现象，同时对于频率高、通频带窄的局部放电信号难以满足适应频率和硬件滤波技术要求。与运算放大器相比LC谐振放大器对高频小信号有很好的放大作用且波形不易失真。

1 LC放大电路原理

电缆故障放电的信号幅值特别小，传感器感应到的信号是非常微弱的，一般在μA级，分析采集的信号，则先要将信号放大，这就需要用到高频小信号放大器来完成[4]。

LC并联谐振回路具有一个显著的特征，即为选频功能，可对所需测量的频率段的小信号进行放大处理。LC并联谐振回路的电流信号在谐振点处呈现出较大的阻抗，几乎是纯电阻性的，此时将需要的电流信号转变为电压信号进行输出，此时失谐点频率处的电流信号就会呈现较小的阻抗，可实现抑制失谐点频率处电流信号输出的作用，从而起到选择出需要测量的电信号，抑制无用的干扰信号的目的。

1.1 LC谐振放大器

LC谐振放大器由两部分组成，分别为LC谐振回路与放大器，共发射极接法高频小信号调谐放大器，它不但可以对有用频率信号进行放大，同时兼具一定的滤波功能，可以起到选择所需要的频率信号的作用。LC谐振放大器的原理是利用电容与电感两元件的电抗随着频率的变化而发生变化，在某一频率点或某一狭小频率带，只有与之相匹配的LC参数，才能满足谐振放大的条件，该频率点之外的信号将被滤掉。晶体管的静态工作点由三个电阻分别为R6、 R7、R8决定。放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，高频小信号调谐放大器对处于中心频率处的信号具有极大的放大能力[5]。

f0的表达式为：

（1）

1.2 电压跟随器

在放大电路中一般存在两个问题必须加以考虑，即信号在前级的输出电阻中因损耗产生的衰减问题和输入信号与反馈信号发生重叠造成信号失真问题。因此放大电路中还需要一个缓冲和隔离环节。电压跟随器的输入阻抗较高，可以达到几兆欧姆，而它的输出阻抗相对来说较低，一般只有几欧姆，甚至可能会更低，此时电压跟随器可达到缓冲作用。同时，在负反馈电路中，当输入信号与反馈信号发生重叠时，将导致采集到的信号不准确，影响测量结果，此时电压跟随器将产生隔离作用。电压跟随器可采用运放OPA355NA和电阻R1，R2组成，其中两个电阻的阻值是相等。

1.3 通频带和参数的选取

一般情况下，LC谐振放大电路只会对所设定的某一个特定频率范围内的信号进行放大，即具有选频作用。因此谐振回路中的电感L和电容C参数必须与设定频域相匹配。如果电路输入信号频率偏离谐振频率时，放大器的电压放大倍数就会有所下降，电压放大倍数A1下降到谐振电压放大倍数A2的0.707倍时所对应的频率偏移称为放大器的通频带BW。

BW=2△f0.7=f0/Q，Q为谐振回路的有载品质因数。

2 参数计算及电路仿真

旁路电容C1，C5一般大小选取为0.1μF，电容C13，C8的取值为0.001μF。f0=■=7MHz，C=0.1uf，则L=■=515ph，则L可选取标称值500ph。

局部放电脉冲信号放大的整体电路结构如图1所示。

图1是对高频小信号进行放大的电路图，在测量过程中为了防止幅值较大的发射脉冲可能窜入到接收通道从而击穿放大器，需要在信号放大之前加入一个并联倒置的二极管进行钳位处理；放大器则选用2N2222，具有较高的放大倍数和超高的频率。

采用Multisim软件，对上述电路作模拟仿真，局部放电信号是高频信号，在理论上可以用下面的数学模型等效。

（2）

其中A为局放信号的幅值；t0为放电脉冲起始时刻，fc为衰减振荡频率；？子为衰减时间常数。

此波形类似于一个逐渐衰减的正弦波，则可采用一个正弦信号作为信号源，仿真波形如图2所示。

从仿真结果图我们可以看出，局部放电信号有明显的放大，后续数字处理环节对信号等级及精度要求。但同时发现信号的相位发生了一定的偏移，产生此现象的原因是因为电路中存在着电容，电感和三极管2N222等一些惯性元件，信号经过这些元件后相位就会发生改变。

3 局部放电信号噪声数字处理

上述LC谐振放大电路对设定通频带外的信号能起到滤波作用，但如果通频带设置较宽或谐振参数选择有偏差，经放大后的信号除放电脉冲信号之外，依然含有其他干扰信号。因此对经放大后的信号数字化后仍需进一步进行去噪处理。

3.1 噪声处理方法

对于局部放电信号的去噪处理有多种方法：傅里叶变换去噪、小波分析去噪、小波包去噪。

小波包分析是一种时频联合局部化分析方法，它是在小波分析的基础上提出来的。与小波分析相比，小波包分析为信号提供的分析方法相对来说更加精细，在进行处理信号时，它会将信号的频带进行多层次的划分，对高频部分进行进一步分解，而小波分析则对高频部分没有细致的划分，同时小波包分析具有很高的自主性，可以根据被分析信号的特征，自适应地选择相应的频带，达到被分析信号的频带与信号的频谱相匹配的目的，从而使信号的时频分辨率有了较大的提高[6]。对于傅里叶变换去噪，如果干扰信号的中心频率发生变化，则原来设置的参数都将会失效，需重新计算，比较麻烦。

因此选用小波包去噪的方法对局放信号进行去噪处理。

3.2 小波包去噪步骤

小波包对信号去噪应用过程的步骤：

（1）信号的小波包分解。选择一个小波并确定一个小波分解的层次，然后对信号进行小波包分解。

（2）确定最优小波包基。对于一个给定的嫡标准，计算最佳树。

（3）小波包分解系数的阈值量化。对于每一个小波包分解系数，选择一个适当的阈值并对系数进行阈值量化。

（4）信号的小波包重构。根据最底层的小波包分解系数和经过量化处理系数，进行小波包重构。

利用小波包分析对一个含有噪声信号进行消噪处理。

sqrt_s=3；

init=231；

[a，b]=wnoise（3，12，sqrt_s，init）；

subplot（2，2，1），plot（a）

xlabel（"样本信号 n"）

ylabel（"幅值 A"）

title（"原始信号"）

subplot（2，2，2），plot（b）

xlabel（"样本信号 n"）

ylabel（"幅值 A"）

title（"加噪声后的信号"）

[thr，sorh，keepapp，crit]=ddencmp（"den"， "wp"，b）

[c，treed，perf0，perfl2]=wpdencmp（b，sorh，3，"db2"，crit，thr，keepapp）

subplot（2，2，3），plot（c）

xlabel（"样本信号 n"）

ylabel（"幅值 A"）

title（"默认阈值消噪信号"）

thr=thr+12

[d，treed，perf0，perfl2]=wpdencmp（b，sorh，3，"db2"，crit，thr，keepapp）

subplot（2，2，4），plot（d）

xlabel（"样本信号 n"）

ylabel（"幅值 A"）

title（"调节阈值后的消噪信号"）

图3左上为原始信号的波形，表示一个正弦信号，右上为加上噪声之后的波形，表示一个包含白噪声的正弦波信号，左下为在默认的阈值下进行消噪后得到的波形，从仿真结果看出去噪结果不理想，右下为在原始默认阈值thr的基础上对阈值大小进行改变，分析仿真得到的结果可知与原始信号相比去噪效果很明显，信号的一些重要特征会显现出来。

4 结束语

利用Multisim仿真软件对放电脉冲拾取信号进行调理电路辅助设计，电路结构采用了带电压跟随的LC谐振放大电路，按通频f0和通频带宽，经计算确定了满足谐振条件的匹配电感L和电容C。由仿真结果图可知被测信号被放大且没有明显失真，同时电路具有滤波，选频的功能，可以抑制无用的信号。根据结果进行电缆线路的分析，所设计的电路是符合要求的。

在小波包去噪分析过程中，从仿真结果图可以得知小波包在信号去噪方面有明显的效果，且对于具体问题中，不同的阈值下的信号去噪效果有很大差别。因此，在应用小波包去噪解决实际问题时要选取合适的阈值来进行信号去噪处理。

通过对局部放电信号的放大和去噪处理，采集到的信号有了明显的变换，最大程度地提取原始信号中的有用信息，信号的一些细节特征将会突现出来。分析处理过的信号易于观察出电缆的故障点，易于电缆故障的定位和检测。

参考文献

[1]OTRON H. History of Underground Power Cables[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，2013，29：52-57.

[2]RUDD S， MCARTHUR S， JUDD M. A Generic Knowledge-based Approach to the Analysis of Partial Discharge Data[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（1）： 149-156.

[3]GILLIE R， NESBITT A， RAMIRE-INIGUEZ R， et al. Correlation of IEC60270， HFCT RF Spectra and HFCT PQN Patterns for HV Cable Fault[C]. Jiangsu： Unknown，2014：15-18.

[4]任青莲.高频小信号放大器的设计与仿真[J].计算机仿真，2009，26（12）：315-319.

[5]黄相杰，林佳才.LC谐振放大器的设计[J].电子设计工程，2013，21（5）：176-179.

[6]黄婷.电力电缆局部放电定位方法的研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[7]胡昌华.基于MATLAB6.x的系统分析与设计——小波分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.

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