电力设备局部放电测量中抗干扰研究的现状和展望

摘要 ：综述了国内外电力设备局部放电测量中抗干扰研究的现状。讨论了局部放电信号的特性以及常见干扰的类型、特点和传播途径；分频域开窗、时域开窗和时－频分析 3 类，详细介绍了现有的抗干扰措施，分析了它们的优缺点和适用范围；为了定量地评价干扰的抑制性能，以实现去噪的最优化，给出了几种表征抗干扰效果的特征量；最后展望了今后抗干扰研究的发展方向。

关键词 ：电力设备；局部放电；抗干扰

1 引言
随着电力设备电压等级的提高和各种有机绝缘材料的广泛应用，电力设备的局部放电问题越来越突出。局部放电既是设备绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因，因此对局部放电进行有效的离线或在线检测对于电力设备的安全稳定运行具有重要意义。

局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。因此针对这些现象，局部放电检测的基本方法有电气测量法（包括脉冲电流法和无线电干扰法）、声测法、光测法和化学检测法等 ［ 1 ， 2 ］ 。其中脉冲电流法由于其具有以下优点而得到广泛应用： ① 放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征（如 φ － q － n 谱图）和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势； ② 对于突变信号反应灵敏，易于准确及时地发现故障； ③ 易于定量。国内不少单位研制的局部放电检测装置普遍采用这种方法来提取放电信号，但实际应用效果往往不够理想，主要原因是现场噪声干扰太大，以至很难获取真正的局部放电信号。有效地削弱和抑制干扰是提高局部放电检测装置检测效果的重要保证，在此方面已有很多方法，有的已应用于监测系统，但仍有不少测量设备抗干扰措施还远未达到实用化，难以确保系统的可靠性，其检测灵敏度也有待提高。

2 局部放电信号和干扰的特性分析

在实际测量中，局部放电信号表现出不同的特征，干扰信号更多种多样。了解局放信号和干扰的特征、来源和传播途径，才能有针对性地选取合适的处理方法，有效地抑制干扰，减小信号的失真，达到去噪的目的。

2.1 局部放电信号的特性

局部放电根据发生的位置和机理不同，通常可分为 6 种类型 ［ 3 ］ ： ① 绝缘内部局部放电，包括介质内部或介质与电极之间的气隙放电； ② 沿介质表面的电场强度达到起始放电场强时产生的表面放电； ③ 被气体或液体包围的高压导体附近发生的电晕放电； ④ 在固体介质内由于存在尖锐导体或气隙而引起的电树枝的发展所产生的局部放电； ⑤ 在高压设备中或在其附近，由于某部位接地不良而产生的悬浮放电； ⑥ 由于试样中导体接触不良或接地不良引起的接触放电。

几乎所有的高压电气设备，如电力变压器、汽轮发电机、气体绝缘装置（ GIS ）等都存在局部放电问题。不同的电气设备，其局放的类型和特点不同。如在变压器等油纸绝缘设备的局放检测中，主要检测的是内部放电和表面放电。这两者的波形特征基本相似，具有如下特征 ［ 4 ］ ： ① 起始放电总是首先出现在外施电压的瞬时值上升接近 90° 或 270° 相位处，随着外施电压的升高出现放电脉冲的相位范围逐渐扩展，可能超过 0° 和 180° ，但在 90° 和 270° 之后的一个相位内不会出现放电脉冲； ② 各次的放电量大小不等，疏密度不均匀，放电量小的时间隔时间短，放电次数多，放电量大的间隔时间长，放电次数少； ③ 正负半周的放电波形不对称。而大型发电机主要检测的是内部放电、端部放电和槽放电，其波形特征表现为 ［ 5 ］ ： ① 放电往往出现在外施电压的 0° ～ 90° 、 180° ～ 270° 相位上； ② 内部放电正负半周放电脉冲幅值基本相同，对称性好；端部放电正负半周放电脉冲极不对称，正脉冲幅值大，所占相位宽度窄；而槽放电刚好与端部放电相反，负脉冲幅值大，所占相位宽度窄。这些特征有利于进行局放定位。而 GIS 内充有高压 SF 6 气体，局放总是先在很小的范围内发生，具有极快的击穿时间特征，放电脉冲上升沿很陡，包含很多高频分量 ［ 6 ］ ；而且 GIS 中局放产生的电磁波与通常的波传播方式不同，以波导方式传播，高频信号衰减很小，目前特高频法已较成功地应用于 GIS 局放的检测。

2.2 干扰特性

2.2.1　干扰的分类

局部放电测量中的干扰信号是多种多样的，按频带可分为窄带干扰和宽带干扰，而按其时域波形特征可分为连续的周期性干扰、脉冲型干扰和白噪 3 类 ［ 4 ］ 。

连续的周期性干扰包括： ① 电力系统载波通信和高频保护信号引起的干扰； ② 无线电干扰。此类干扰的波形通常是高频正弦波，有固定的谐振频率和频带宽度。

脉冲型干扰信号包括： ① 供电线路或高压端的电晕放电； ② 电网中的开关、晶闸管整流设备闭合或开断引起的脉冲干扰； ③ 电力系统中其他非检测设备放电引起的干扰； ④ 试验线路或邻近处的接地不良引起的干扰； ⑤ 浮动电位物体放电引起的干扰； ⑥ 设备的本机噪音和其他的随机干扰。此类干扰在时域上是持续时间很短的脉冲信号，而在频域上是包含多种频率成分的宽带信号，具有与局部放电信号相似的时域和频域特征。

白噪包括各种随机噪声，如变压器绕组的热噪声、配电线路及变压器继电保护信号线路中由于耦合进入的各种噪声以及监测线路中的半导体器件的散粒噪声等。理论上，白噪干扰的功率谱为恒定常数，分布在整个频段上；而在实际应用中，若其频谱在较宽频段上为连续平缓的即可认为是白噪声。

2.2.2　干扰的传播途径

电气设备，特别是大型发电机和变压器，其结构复杂、体积庞大，干扰可通过传导、感应、辐射等多种耦合方式从多个路径侵入。

如对变压器主要有以下几种干扰入侵途径 ［ 7 ］ ： ① 所有的窄带信号（系统高次谐波、载波通信、无线电通信和高频保护）、线路和绝缘电晕放电、其他电气设备内部放电、开关设备动作产生的脉冲性放电或各种冲击波（雷电波、操作波）产生的高频电流脉冲等主要通过高压线路以传导方式进入变压器。 ② 晶闸管整流、换流器和静止无功补偿器中的电力电子器件动作等引起的强大的周期性脉冲干扰和电弧炉等产生的随机噪声和脉冲，干扰主要从变压器的低压侧以传导的方式侵入。 ③ 晶闸管或其它开关类器件动作产生的脉冲信号、各种电机产生的电弧放电及配电线路中存在的大量随机噪声等通过风机、潜油泵和变压器控制柜的动力电缆或各种信号电缆以电容耦合或直接传导引入。这些干扰统称为由变压器配电线路引入的二次干扰。 ④ 当变压器多点接地时各接地线构成环形天线，耦合引入各种空间干扰、地网干扰等。

干扰侵入发电机的路径主要有 ［ 8 ］ ： ① 励磁供电系统产生的干扰和由于碳刷与滑环之间接触不良所产生的火花放电往往从电机的励磁侧引入； ② 与电机相连的设备产生的干扰从连接导线处引入； ③ 无线电干扰和其它随机性干扰通过空间辐射方式引入。

深入了解干扰进入电力设备的途径，对于选择最佳的监测点具有较大的参考价值。对某些干扰也可通过切断干扰途径来抑制。当然对绝大多数干扰来说，仍主要靠有效的抗干扰措施来抑制。

3 抗干扰措施

干扰是多样的，表现出的特性也不同，用一种方法来有效地抑制所有的干扰是不可能的，针对不同的干扰源，需采取不同的措施，综合运用，达到抗干扰的目的。抑制干扰的措施有消除干扰源、切断干扰途径和干扰的后处理 3 种方法 ［ 2 ］ 。对于因系统设计不当引起的各种噪声，可以通过改进系统结构、合理设计电路、增强屏蔽等加以消除；保证测试回路各部分良好连接，可以消除接触不良带来的干扰；提供一点接地，消除现场的弧立导体，可以消除浮动电位物体带来的干扰；通过电源滤波可以抑制电源带来的干扰；屏蔽测试仪器，可以抑制因空间耦合造成的干扰。而对于其他的通过测量传感器进入监测系统的干扰，则需要通过各种硬件和软件的方法，进行干扰的后处理来抑制。这些措施主要包括频域开窗和时域开窗。频域开窗利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗利用脉冲干扰在时域上离散的特点来消除。对于这两种处理方法，应采用频域开窗在前、时域开窗在后的原则。近年来，小波分析的发展，又开辟了通过时－频分析来抑制干扰的新思路。

3.1 频域开窗

频域开窗硬件是利用选择合适频带的窄带电流传感器和采用程控带通滤波电路躲过各种连续的周期性干扰。但它往往只适合于某一个具体的变电站，使用上不灵活，并且在安装前须经过细致的试验以选择最佳的频带。此外，由于局部放电是一种频带很宽的脉冲，窄频带测量只能获得其中很小一部分能量，并且会造成检测波形的严重畸变 ［ 2 ］ 。由于现场的干扰频谱较低，用特高频法能有效地抑制干扰，因此该方法已成功地用于 GIS 局放检测 ［6，10］，并尝试在旋转电机、变压器、电力电缆等的局放检测中使用。

软件上进行频域开窗即采用各种数字滤波方法，如 FFT 滤波、自适应滤波、非自适应滤波、多通带滤波等。文献［ 7 ］在对变电站现场测得的干扰信号分析发现载波干扰和无线电干扰等窄带干扰占很大比重，提出了采用多带通滤波器来对此进行抑制；但由于局放信号很微弱，剩余的百分之几的干扰信号仍将对局放检测产生很大的影响。印度的 V ． Nagesh ［ 9 ］ 等人从干扰抑制比、波形畸变等方面对各种数字滤波方法作了评估，认为在各种方法中，使用级联的二阶 IIR 点阵陷波固定系数滤波器是最佳的方法，具有对周期性干扰抑制比高、对局放脉冲波形畸变最小、对脉冲干扰稳定性好以及处理时间少等优点。但这种滤波器对于多谐波成分的周期型干扰存在参数调整困难、滤波时间长、占用内存大等问题，文献［ 4 ］针对这些问题提出了直接陷波滤波法，但并不能完全解决上述问题。

3.2 时域开窗

时域开窗分硬件和软件两类。硬件方法主要有差动平衡法和脉冲极性鉴别法 ［ 4 ］

，用于变压器和大型电机的局放检测。二者都是利用在两个测量点间外来脉冲同极性、而内部局放脉冲则表现出反极性这一特征，来抑制外部干扰脉冲。但在实际应用中，由于进入的两种脉冲干扰的来源和途径不同，导致两路脉冲干扰在相位、幅值和波形上都有很大的差别，也会导致测得的两路脉冲不符合对干扰极性相同、对局放极性相反的规律，无法有效地抑制干扰。我国有人提出多端调节 —— 定向耦合差动平衡法 ［ 11 ］ ：首先通过多端调节抑制相间干扰，再通过差动平衡处理抑制本相干扰。这一改进虽然有一定的效果，但并不能从根本上弥补其缺陷。

软件的时域开窗包括直接的时间轴处理和相域处理［2］。直接的时间轴处理包括软件的差动和极性鉴别，以及借助超声波信号识别脉冲干扰等；它可以抑制随机脉冲型干扰和周期脉冲干扰。相域处理则是将来采集的时域局放信号变换到工频相域 0°～ 360°中，利用周期脉冲型干扰相位固定的特点采用神经元网络和模糊逻辑将其消除 ［ 12 ］ 。印度的 V.Nagesh 等人提出了另外一种消除周期脉冲型干扰的算法 ［ 13 ］ ，首先对采集的几个工频周期时域信号按照一定的算法进行脉冲识别，分辨出一个脉冲，利用 FFT 在频域上对各个脉冲波形进行相关计算，以判断各个脉冲波形的相似形。将相似波形的脉冲分成一组，得到许多组脉冲，再根据这些组脉冲分别绘制成相应的 N － Φ 图。由于周期脉冲型干扰波形一致，且分布在固定相位上，每一种周期脉冲型干扰对应于一个 N － Φ 图，这样就很容易被识别出来，从时域波形中将其消除，得到只剩下局放脉冲的时域波形。该算法还可用来研究脉冲时间间隔分布以及识别变压器中不同放电点引起的局放脉冲，有可能成为在线检测局部放电数字处理的一种通用算法。

3.3 时 — 频分析

无论信号的时域波形还是频域波形都包含着信号的全部信息，但有些信号，如周期性信号，频域特征明显；有些信号，如离散性信号，则时域特征明显；而更多的信号单从时域或频域来分析，往往只能了解信号的部分特性，只有同时从时域和频域两方面来看，才能对信号有更清晰和全面的了解。各种时频分析方法，特别是近年来发展起来的小波分析为局放去噪研究提供了新的强有力的工具 ［ 14 ～ 16 ］ 。

S.Mallat 在分析了信号沿不同尺度的传递特性的基础上，提出了一种有效去除白噪声的方法—模极大值法 ［ 14 ］ 。其主要思路是：信号和白噪声具有不同的小波分析特性，白噪声的模极大值点随尺度的减小急剧增加，而信号的模极大值点随尺度变化不大，这样可以认为在某一较大的尺度上模极大值点主要是信号的；根据模极大值点的传递特性，保留信号对应的模极大值点，通过反变换就可获得去噪后的信号。该方法仅对去除白噪声有效，而且需要进行十几次交错投影，计算速度慢。文献［ 15 ］针对载波通信干扰，提出了 3 种基于小波变换的放电脉冲提取方法：二次小波变换法、小波反变换法和小波包变换法。它们都是通过小波变换，把信号分解到不同的频段，把干扰所在的频段置零，从而提取放电信号。这 3 种方法实际上就是一种带通滤波方法，不同之处仅在于如何获得各频带的信号和如何恢复原信号。美国斯坦福大学的 Donoho 和 Johnstone 教授提出了一种基于小波变换门限值的去噪声方法 ［ 16 ］ ，他们称作 “Wavelet Shrinkage” 。经过深入的理论分析，他们给出了 4 种门限值的选取方法：通用门限值、 Stein 无偏风险门限值、试探法的 Stein 无偏风险门限值和最大最小门限值。该方法对去除白噪声和载波干扰都有效，而且实现容易、运算量小。

4 表征去噪声效果的特征量

干扰抑制的目的在于提高信噪比。在数字信号处理中对于含有加性噪声的信号 x （ n ）＝ s （ n ）＋ u （ n ），信噪比 SNR 定义为 ［ 17 ］ SNR ＝ 10 lg （ P s ／ P u ），其中 P s 为信号的功率， P u 为噪声的功率。

在局部放电测量中，由于局部放电脉冲持续时间很短，信噪比一般定义为 SNR ＝ A s ／ A u ［ 7 ］ ，其中 A s 为信号脉冲峰值， A u 为最大概率噪声峰值。这种定义比较直观，尤其适合在现场试验中利用示波器测量。但在计算机处理中，无法直接确定噪声的最大概率峰值，文献［ 7 ］中定义信噪比为 SNR ＝ 20 lg （｜ A s ｜／ 3σ ）， σ 是噪声偏差，并定义噪声抑制比 NRR ＝ 10 （ lgσ 2 1 － lgσ 2 2 ），来评价干扰抑制的性能。

5 抗干扰研究展望

目前抑制干扰的方法和思路虽很多，但真正成功地用于监测系统的不多，有的效果并不理想，需要在理论和应用方面作进一步的研究。

（ 1 ）进一步研究噪声干扰的特性，特别是对排除了载波干扰和无线电干扰等已知的且较易排除的强大干扰后的其它干扰进行深入的分析，并探寻其它未知的干扰。

（ 2 ）深入分析局部放电脉冲在电力设备中的传播规律，从多个侧面了解其内部放电的特性。除了常用的放电波形、 Φ － q － n 谱图外，也有人尝试用放电的分形特性来研究 ［ 18 ， 19 ］ ，但这种方法还处于初步研究阶段，需要进一步深入研究。

（ 3 ）在硬件方面，向着超宽频（ UWF ）和超高频（ UHF ）检测技术发展。高速采样的数字示波器、波形数字转换装置以及高速摄影机等的应用，将使我们能够获得更多的信息，不仅可以提出局部放电检测的灵敏度、有效地消除或抑制干扰，而且为了解放电部位的局部放电脉冲真实波形，判断绝缘系统中局部放电的性质和来源提供了可能。

（ 4 ）在软件方面，要综合运用已有的各种抗干扰措施，并随着对局部放电信号和干扰信号特性的进一步了解，不断探索新的去噪方法。小波分析因它所特有的优点，具有很好的应用前景，关键在于寻找合适的小波函数和去噪算法，并有可能与其他方法（诸如模糊分析、相关分析等）相结合；对于短时 Fourier 变换、 Wign er 分布、 Cohen 类等其它的时频分析也应有相应的应用领域。

（ 5 ）找到更好的表征去噪效果的特征量，才能有效地对各种去噪算法进行评价，可以运用神经元网络、专家系统等技术从多种去噪方案中优选，使去噪软件包具有灵活性、自动性和最优性。

相信随着研究的深入和各种硬件设备性能的提高，局放抗干扰的难题将会得到很好的解决，从而极大地提高局放监测系统的精度和稳定性，迅速准确　　地预测设备故障，更好地保证电力系统的安全稳定运行。