基于微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)

孟 想，趙 曄

(延安大學(xué) 物理學(xué)與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

現(xiàn)如今在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)下，電力系統(tǒng)供應(yīng)電能的需求日漸提升[1]，配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，而配電網(wǎng)能否穩(wěn)定的運(yùn)行是當(dāng)下電能供應(yīng)的核心所在。配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣性能的好壞決定著配電網(wǎng)的運(yùn)行效果，大多數(shù)供電事故中，因配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路造成的事故大約占據(jù)50%以上，其余電纜線(xiàn)路由于線(xiàn)路絕緣被擊穿，導(dǎo)致線(xiàn)路出現(xiàn)單相接地故障，從而給電力供能帶來(lái)一定影響。

配電網(wǎng)在運(yùn)行期間內(nèi)部存有數(shù)量龐大的絕緣部件[2]，由于供電需求較大，導(dǎo)致配電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)絕緣子生成外部環(huán)境因素及內(nèi)部因素等影響，致使絕緣子出現(xiàn)老化、交界面缺陷、劣化等現(xiàn)象。因此，為了降低絕緣子給配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路帶來(lái)的影響，需要對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣子進(jìn)行檢測(cè)。部分研究者基于電場(chǎng)分布測(cè)量法原理設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)便、成本低廉、適用性強(qiáng)的絕緣子帶電檢測(cè)裝置，通過(guò)ANSYS有限元軟件仿真計(jì)算了檢測(cè)裝置自身、劣化絕緣子位置和缺陷類(lèi)型對(duì)絕緣子串電場(chǎng)分布的影響，并利用相鄰作差法進(jìn)一步處理電場(chǎng)畸變數(shù)據(jù)，完成配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)[3]。但是研究發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)絕緣子檢測(cè)的方法存有不足，例如檢測(cè)安全性差、準(zhǔn)確度低等。為了防止電纜線(xiàn)路絕緣子檢測(cè)不精，本文提出了微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法。

1 配電網(wǎng)電纜絕緣信號(hào)去噪算法

在配電網(wǎng)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)中，大多電網(wǎng)信號(hào)都存有噪聲，為了提升配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)的精準(zhǔn)度，應(yīng)優(yōu)先處理采集后的配電網(wǎng)信號(hào)。

1.1 基于小波變換分析的絕緣信號(hào)濾波

配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣頻率信號(hào)主要通過(guò)時(shí)空信號(hào)向傅立葉轉(zhuǎn)換，從中獲取頻域最大分辨率。小波變換屬于時(shí)頻分析方法[4]，能夠以多種方面分析配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)。利用小波分析法對(duì)絕緣信號(hào)進(jìn)行濾波，再對(duì)濾波后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，具體操作如下所示[5-7]。

當(dāng)a、b持續(xù)變化時(shí)，ψa，b(t)是通過(guò)移位及伸縮后得到的小波變換基本函數(shù)。這時(shí)給出配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)f(t)，使其滿(mǎn)足于f(t)∈L2(R)，那么配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)f(t)的小波變換方程為：

(1)

式中，t與a、b相同，都是不斷產(chǎn)生變化的常數(shù)；Wf(a，b)為小波變換；a為尺度因子；b為時(shí)移因子；ψ(t)為母小波函數(shù)，當(dāng)其發(fā)生變化時(shí)會(huì)自動(dòng)生成新的函數(shù)，即ψa，b(t)，它也屬于小波基函數(shù)[8-12]。

在眾多函數(shù)中，既是實(shí)函數(shù)又是復(fù)函數(shù)的函數(shù)不占少數(shù)，母小波ψ(t)就是其中之一。當(dāng)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)f(t)為實(shí)信號(hào)時(shí)，母小波ψ(t)就是實(shí)函數(shù)，同理Wf(a，b)也為實(shí)函數(shù)，若配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)f(t)為復(fù)信號(hào)時(shí)，Wf(a，b)就是復(fù)函數(shù)[13-15]。

在方程(1)中，f(t)的具體時(shí)間位置主要由變量b來(lái)描述，變量b也是時(shí)間中心。在尺度因子a的影響下，線(xiàn)路伸縮時(shí)通過(guò)ψ(t)來(lái)描述，這時(shí)ψ(t)就會(huì)轉(zhuǎn)換成ψ(t/a)。若a>0，那么a的取值越大，ψ(t/a)在時(shí)域的支撐范圍就越廣；反之，若a<1，那么a的取值越小，這時(shí)ψ(t/a)的寬度就會(huì)變小[16-18]。通過(guò)上述分析可知，配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)f(t)的中心位置及時(shí)間寬度主要由a、b的變量取值來(lái)決定。

根據(jù)上述操作流程，完成基于小波分析法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣線(xiàn)路信號(hào)初步濾波，采用自適應(yīng)盲源分離法對(duì)濾波后的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)的去噪處理[16-18]。

1.2 配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)去噪

將濾波后的信號(hào)序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)，那么輸出的序列就與原始序列距離相近，從而完成對(duì)信號(hào)的去噪。

假設(shè){X(k)}(k=±1，±2，…)是信號(hào)平穩(wěn)發(fā)展的過(guò)程，同時(shí)具有n階矩，X(k)在非高斯情況下的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程中，n階累積量定義為：

(2)

首先以四階累積量為主，建立出自適應(yīng)盲源分離法的系統(tǒng)模型，設(shè)置在第k時(shí)刻時(shí)，原始信號(hào)由s(k)描述，b(k)為沖擊響應(yīng)，g(k)為加性高斯白噪聲序列，j(k)為數(shù)據(jù)序列，e(k)為濾波器的沖擊響應(yīng)；參考系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)由f(k)表示；x(k)為源信號(hào)，y(k)為參考系統(tǒng)輸出。

令系統(tǒng)模型中存有單輸入單輸出BE系統(tǒng)模型，假設(shè)用S表示單個(gè)隨機(jī)變量，若S的均值等于0，那么源信號(hào)路過(guò)信道時(shí)，它的過(guò)程利用方程表達(dá)式表示為：b(k)=[b(0)b(n)]，n為濾波階數(shù)。當(dāng)線(xiàn)性失真后，將信號(hào)與0均值高斯信號(hào)相互混合，從而建立出另一個(gè)混合信號(hào)，即jk=b(k)*s(k)+g(k)。其中，*為卷積算子。

當(dāng)線(xiàn)性均衡器有混合信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)，需要重新對(duì)平衡信號(hào)進(jìn)行建立，為了確保信號(hào)恢復(fù)正常，應(yīng)構(gòu)建出只有非0幅值分量的脈沖均衡組合：

u(k)=b(k)*e(k)=δ(k-k0)

(3)

式中，k為時(shí)間延遲；δ(k)為狄克拉δ函數(shù)。

將平衡信號(hào)合并后，通過(guò)均方誤差將其定義為：

MSE(e，k0)=E[x(k)-s(k-k0)]2

(4)

式中，MSE為均方誤差。

利用自適應(yīng)盲源分離法對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行去噪，以此提升了配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)在線(xiàn)檢測(cè)過(guò)程中的準(zhǔn)確性[19]。

2 微波反射法在線(xiàn)檢測(cè)配電網(wǎng)電纜絕緣

通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)進(jìn)行去噪處理，增強(qiáng)了配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)的精準(zhǔn)度，采用微波反射法對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，以此實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法[20]。基于微波反射法的在線(xiàn)檢測(cè)裝置如圖1所示。

圖1 基于微波反射法的在線(xiàn)檢測(cè)裝置Fig.1 On line detection device based on microwave reflection method

微波向電纜線(xiàn)路絕緣子射入時(shí)，射入的交界面會(huì)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此根據(jù)它的傳播過(guò)程，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣檢測(cè)。微波反射傳播過(guò)程如圖2所示，微波反射情況如圖3所示。

圖2 微波反射傳播過(guò)程Fig.2 Microwave reflection propagation process

圖3 微波反射情況Fig.3 Microwave reflection

當(dāng)平面波射入時(shí)，設(shè)置空氣介電常數(shù)為ε0，介電常數(shù)為ε1，磁導(dǎo)率為μ0。厚度為d的單層介質(zhì)具有2個(gè)交界面：界面1和界面2。在界面1中，入射波參數(shù)有電場(chǎng)強(qiáng)度Ei0、磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi0、入射角θi0；透射波參數(shù)有電場(chǎng)強(qiáng)度Et1、磁場(chǎng)強(qiáng)度Ht1、透射角θt1。界面2內(nèi)，共有透射波和反射波2種。透射波的參數(shù)基本有電場(chǎng)強(qiáng)度Ei2、磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi2、入射角θi2；反射波參數(shù)有Er2、磁場(chǎng)強(qiáng)度Hr2、入射角θr2。

當(dāng)界面2向界面1的反射波發(fā)射時(shí)，界面1在反射期間反射波的參數(shù)分別為：電場(chǎng)強(qiáng)度Er1、磁場(chǎng)強(qiáng)度Hr1、入射角θr1。它的總反射電磁波Er0、磁場(chǎng)強(qiáng)度Hr0、入射角θr0。通過(guò)交界面的電磁波邊界條件，列舉出下列方程，定義為：

(5)

為了取得微波在傳播過(guò)程中的特征矩陣M，需要引入方程k1=cosθi2/η1，這時(shí)方程表達(dá)式為：

(6)

式中，j為虛數(shù)單位；E1、H1為界面1的切向分量；E2、H2為界面2的切向分量。

依據(jù)多層介質(zhì)，在第p層介質(zhì)層中，Ep和Hp為電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間的切向分量，Mp為特征矩陣，則配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路的反射率r和透射率t，即：

(7)

式中，Et(n+1)為透射波電場(chǎng)分量；k0=cosθi1/η0。將其代入一組配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣子數(shù)據(jù)，根據(jù)分析可知，若絕緣子界面存在欠缺，那么就會(huì)對(duì)微波反射率造成影響，使反射波強(qiáng)度的改變效果增大，從而檢測(cè)出配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣存有缺陷，以此實(shí)現(xiàn)微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法。

綜上所述，微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法的具體流程如圖4所示。

圖4 絕緣在線(xiàn)檢測(cè)流程Fig.4 Insulation on-line detection process

3 應(yīng)用實(shí)例

為了驗(yàn)證微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法的整體有效性，選取C城市的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣子作為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)區(qū)域的不同將C城市劃分成多個(gè)不同的測(cè)試區(qū)域，對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Test site

(1)選取厚度分別為1～6 mm、7～12 mm的硅橡膠平板，對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行模擬測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為2個(gè)階段，對(duì)比本文所提方法在信號(hào)去噪前后的信號(hào)強(qiáng)度。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，第1階段，硅橡膠的厚度為1～6 mm，在此期間，所提方法未進(jìn)行信號(hào)去噪前，它的信號(hào)強(qiáng)度持續(xù)在0.8 V以下，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)去噪后，信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)，持續(xù)在0.8～1.0 V，可見(jiàn)所提方法去噪后信號(hào)強(qiáng)度有著顯著的提升。根據(jù)第2階段中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硅橡膠厚度為7～12 mm時(shí)，所提方法去噪前后的信號(hào)強(qiáng)度都隨著硅橡膠厚度的增加而逐漸降低。但從整體來(lái)看，所提方法的下降速度較快，而去噪后下降速度遲緩，信號(hào)強(qiáng)度高，由此可知所提方法去噪后，無(wú)論在哪種階段進(jìn)行測(cè)試，其信號(hào)強(qiáng)度都處于最高狀態(tài)。綜上所述，所提方法經(jīng)去噪后它的信號(hào)強(qiáng)度始終保持最高，這是因?yàn)樗岱椒ɡ米赃m應(yīng)盲源分離法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，以此提升了配電網(wǎng)電源線(xiàn)路絕緣信號(hào)的精準(zhǔn)度，進(jìn)而增強(qiáng)了配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣信號(hào)強(qiáng)度。

表1 不同階段下本文方法的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試Tab.1 Signal strength test of method in this paper at different stages

(2)為了驗(yàn)證配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)的精準(zhǔn)度，采用本文所提方法對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)不同缺陷尺寸對(duì)反射信號(hào)強(qiáng)度帶來(lái)的影響，首先需要對(duì)缺陷尺寸進(jìn)行設(shè)置，再利用所提方法對(duì)其進(jìn)行缺陷讀數(shù)偏移量測(cè)試。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 缺陷讀數(shù)偏移量的影響Tab.2 Influence of defect reading offset

依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷深度不斷增多時(shí)，所提方法的缺陷讀數(shù)偏移量也在持續(xù)提升，但在測(cè)試期間，所提方法的偏移量持續(xù)保持在1 V以下，說(shuō)明缺陷深度給所提方法帶來(lái)的影響較小，致使所提方法的缺陷讀數(shù)偏移量上升速度緩慢。

(3)在上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上，針對(duì)無(wú)缺陷配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣子進(jìn)行讀數(shù)偏移量測(cè)試，設(shè)置正常的讀數(shù)在0～1.2 V?；诒疚乃岱椒?，根據(jù)設(shè)置的固定閾值范圍，若檢測(cè)結(jié)果在設(shè)置范圍內(nèi)，說(shuō)明此次檢測(cè)沒(méi)有出現(xiàn)偏移，若超出設(shè)置范圍，說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差較大。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 無(wú)缺陷絕緣子的讀數(shù)偏移量測(cè)試Tab.3 Reading offset test of non-defective insulators

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在7次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，本文所提方法的讀數(shù)偏移量一直處于設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，說(shuō)明在測(cè)試期間所提方法的檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)偏移，表明所提方法的準(zhǔn)確率較高。

4 結(jié)論

在我國(guó)電能需求極高的形勢(shì)下，配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路的絕緣性起到?jīng)Q定性作用，它影響著配電網(wǎng)的運(yùn)行效果。針對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣檢測(cè)存在的問(wèn)題，提出微波反射法的配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法。該方法首先采用小波變換分析法對(duì)絕緣信號(hào)進(jìn)行濾波，利用自適應(yīng)盲源分離法對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行去噪，以此提升信號(hào)精準(zhǔn)度，通過(guò)微波反射法對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法。該方法對(duì)配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法的有效性有著顯著提升，在今后配電網(wǎng)電纜線(xiàn)路絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法中占據(jù)著重要地位。