基于時頻分析法的開關(guān)柜避雷器泄漏電流檢測

黃華，謝靜媛，汪正玲，申葳，張偉鵬

（國網(wǎng)福建省電力有限公司龍巖供電公司, 福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，實時監(jiān)控電網(wǎng)的健康狀態(tài)尤為重要[1-3]。開關(guān)柜是電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)之一[4-5]，為了保證柜內(nèi)電力設(shè)備的安全運行，通常都需要安裝避雷器，以減少雷擊事件或內(nèi)部操作帶來的影響[6-7]。避雷器在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下運行時，內(nèi)部的非線性電阻閥片表現(xiàn)為高阻、低通流狀態(tài)，使得經(jīng)過閥片的泄漏電流較為微弱。當避雷器由于自身原因或環(huán)境因素出現(xiàn)故障時，閥片電阻的絕緣性能會下降，等效阻值開始減小，致使泄漏電流中的阻性電流分量逐漸增大。如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理故障，則可能導(dǎo)致避雷器發(fā)生擊穿或者爆炸，對開關(guān)柜內(nèi)的電力設(shè)備造成沖擊，嚴重時甚至?xí)鸫蠓秶耐ｋ娛鹿?，進而造成不必要的經(jīng)濟損失。因此對開關(guān)柜中避雷器的泄漏電流進行實時檢測是十分重要的。

常見的泄漏電流檢測方法可以分成兩大類：一類是利用外部硬件直接測量得到泄漏電流中的阻性分量或者與其等價的變量，如三次諧波法和容性電流補償法等[8-10]；另一類則是利用軟硬件相結(jié)合的方式，通過相應(yīng)的分析和計算過程，間接獲取阻性電流分量，如諧波分析法及其改進算法等[11-13]。針對第一類檢測方法的研究起步較早，國內(nèi)外已有學(xué)者進行了相關(guān)工作，并且獲得了大量的成果。而第二類檢測方法則通常會加入離散傅里葉變換或者數(shù)字濾波器等算法，結(jié)合信號分析技術(shù)對測量信號進行處理，這些數(shù)學(xué)工具比較適用于解構(gòu)非線性問題，因此第二類檢測方法在測量準確度、特征量獲取等方面優(yōu)于前者。

然而當避雷器在穩(wěn)態(tài)下運行時，經(jīng)過閥片的泄漏電流較為微弱，很容易受到環(huán)境噪聲等因素的影響。在干擾強度大的情況下，泄漏電流的原始波形有可能完全被噪聲信號所淹沒。因此僅根據(jù)波形難以判別避雷器是否存在缺陷。針對這一問題，部分學(xué)者引入離散小波變換算法對泄漏電流信號進行預(yù)處理。相比傳統(tǒng)的數(shù)字濾波工具或離散傅里葉變換等處理手段，該方法對于突變信號的捕捉更為敏感，并且能夠通過時間和頻率兩種角度進行分析，從而更好地分辨出缺陷等情況引起的異化特征。Liu[14]參考了在傅里葉變換中加入窗函數(shù)的思路，將漢寧窗插值與小波消噪相結(jié)合，用于修正時頻分析過程得到的幅值和相位等特征量。文獻[15]根據(jù)信噪比參數(shù)的變化情況選擇合適的小波變換基函數(shù)，以達到改進小波消噪過程的目的。這些方法的提出對泄漏電流信號消噪方面的研究起到了重要的推動作用。

文章通過實驗研究和仿真分析相結(jié)合的方式，主要圍繞避雷器泄漏電流的檢測方式以及運行狀態(tài)的評估問題進行研究。首先，采用電流傳感器和分流器兩種方式分別獲取泄漏電流信號，根據(jù)測量結(jié)果進行對比分析；然后，利用傳統(tǒng)小波變換及其優(yōu)化算法對信號中的噪聲干擾進行處理，分析比較其在不同分解尺度下的消噪效果，通過結(jié)合白噪聲序列檢驗原理，確定了更為合適的分解尺度，并且引入信噪比參數(shù)進行驗證，分別在閥片老化、內(nèi)部受潮以及表面污穢等缺陷情況進行模擬實驗，驗證降噪算法的可行性；最后研制了一款泄漏電流的在線監(jiān)測裝置，通過單片機和無線串口模塊將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，對泄漏電流進行實時監(jiān)測。

1 泄漏電流波形分析

1.1 泄漏電流發(fā)生裝置

交流泄漏電流的實驗裝置如圖1 所示。首先，工頻電源經(jīng)過試驗變壓器和保護電阻后，分別接至高壓交直流電容分壓器和避雷器的高壓端。其中電容分壓器的作用是測量試驗變壓器輸出端的電壓信號及獲取波形數(shù)據(jù)。出于安全性等方面的考慮，需要將避雷器放置在兩只支柱絕緣子上，以保證其對地絕緣。然后，將避雷器低壓端的接地線穿過零磁通霍爾電流傳感器，并將精密無感電阻及其過壓保護器件的組合串聯(lián)于接地線中。最后，將電容分壓器輸出的參考電壓信號以及兩種測量方式所獲得的泄漏電流信號接入示波器中，并導(dǎo)出各信號的波形數(shù)據(jù)，以便進一步分析。

圖1 交流泄漏電流實驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of AC leakage current experiment

相關(guān)實驗設(shè)備的主要參數(shù)如下：（1）三相試驗變壓器線電壓為10 kV；（2）配電型避雷器型號為HY5WS-17/50；（3）電容分壓器的變比為1 000∶1；（4）示波器的型號為DSOX2020A，采樣頻率為20 kHz，采樣點數(shù)為2 000，采樣時長為0.1 s，共計5 個波形周期。泄漏電流信號采集器件的主要參數(shù)如下：（1）零磁通霍爾電流傳感器型號為SPM-2/CGQ，輸入、輸出的變比為1 μA∶10 μV；（2）精密無感電阻為9.62 kΩ，額定功率為10 W；（3）25D201KJ 型壓敏電阻，最大通流容量為20 kA，最大鉗位電壓峰值為330 V；（4）型瞬態(tài)電壓抑制器，脈沖峰值電流為10 kA，最大鉗位電壓峰值為340 V。

1.2 信號采集方法對比

實驗時，將三相試驗變壓器升至系統(tǒng)標稱電壓，其線電壓有效值為10 kV。再將電容分壓器輸出的參考電壓和兩種測量方式獲得的取樣電壓信號分別接入示波器通道。利用示波器顯示各信號的波形，并將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)出。根據(jù)信號采集電路的縮放比例，將取樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的泄漏電流，信號波形如圖2 所示。紅色曲線代表10 kV 線電壓u的波形，黑色曲線代表泄漏電流ix的波形。

圖2 泄漏電流及參考電壓波形Fig. 2 Leakage current and reference voltage waveform

比較兩種測量方式可以發(fā)現(xiàn)，通過傳感器采集法提取的泄漏電流波形混雜著較多的毛刺現(xiàn)象（總諧波畸變率為0.152），可能對波形的判斷結(jié)果造成影響。而分流器采集法獲得的波形則相對穩(wěn)定（總諧波畸變率為0.133），即抗干擾能力較強。值得注意的是，即使在實驗室條件下，測量所得的泄漏電流中仍然存在鋸齒狀紋波。這是避雷器閥片自身的非線性特性所致，該特性使得其阻性電流中必然會產(chǎn)生高次諧波成分。

在現(xiàn)場測量環(huán)境更為復(fù)雜的情況下，可能存在電網(wǎng)諧波、電磁場以及強噪聲等干擾因素，使得缺陷避雷器的劣化特征更加容易被干擾信號所淹沒，進一步影響泄漏電流的波形。這對于避雷器的在線監(jiān)測極為不利，僅從波形上很難區(qū)分正常和存在缺陷的避雷器。因此，有必要對泄漏電流信號進行消噪處理。

2 優(yōu)化的小波消噪

小波分解的過程可以近似看作高通濾波器和低通濾波器的組合，示意圖如圖3（a）所示。其中，S為待處理的信號序列，A表示該信號的低頻分量，D則表示該信號的高頻分量。信號消噪的簡化過程如圖3（b）所示，cA和cD分別對應(yīng)上述兩部分信號的小波系數(shù)，下標數(shù)字則表示當前的分解層次。

圖3 小波變換原理及過程Fig. 3 Wavelet transform principle and process

具體計算過程如下所示。首先信號f(t)∈L2(R)可以按照以下關(guān)系展開：

為了防止消噪處理后含噪聲信號的不連續(xù)鄰域中可能會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，引入平移不變量小波消噪法。假設(shè)待處理信號為s(t)(0≤t≤n)，其中t為時間，n為信號序列的長度。則經(jīng)過循環(huán)平移的消噪法表達式為：

為了檢驗重構(gòu)信號中的噪聲抑制效果，從而選取最佳重構(gòu)參數(shù)，假設(shè)給定的待檢驗信號序列為{x(n)，n=1，2，···，N}，則該信號序列的自相關(guān)系數(shù)可由以下表達式計算得到：

式（6）中，{ρk,k=1，2，···，m}表示給定信號序列的自相關(guān)系數(shù)估計值；自由度參數(shù)m2≤N，通常取值為5～10。根據(jù)時間序列分析理論，若該序列為白噪聲信號，則當N足夠大時，近似服從于m維標準正態(tài)分布。進一步推導(dǎo)知χ2(m)=N·(ρ12+ρ22+···+ρm2)將會近似服從于m維χ2分布。換言之，若序列表現(xiàn)為白噪聲的特征，也即含噪聲信號的高頻分量中仍然存在噪聲干擾，則可以得到以下關(guān)系式：

假設(shè)給定的顯著性水平為a，根據(jù)自由度m查表得χ2分布的臨界值λa，則檢驗統(tǒng)計量χ2必然符合以下關(guān)系式：

反之，當檢驗統(tǒng)計量χ2＞λa時，則表示該序列是相關(guān)序列。此時，含噪聲信號中的高頻分量均為有用信號，噪聲干擾已被消除。結(jié)合上述原理，設(shè)計最優(yōu)小波分解尺度的判斷流程如圖4 所示。

圖4 最優(yōu)小波分解尺度的判斷流程圖Fig. 4 Decision flow chart of optimal wavelet decomposition scale

3 離線分析

為了驗證小波分解尺度選擇算法的可行性，首先產(chǎn)生標準測試信號來模擬泄漏電流信號，表達式如下：

式中，k=1，3，5；A1=1 mA，A3=A5=0.03 mA。即包含3 次、5 次諧波分量的正弦波形。然后將高斯白噪聲疊加于標準測試信號中，如圖5 所示。其中，干擾信號由噪聲函數(shù)隨機生成，同樣取其均值為0，標準差為20，服從高斯分布。

圖5 泄漏電流模擬信號與加噪Fig. 5 Leakage current analog signal and noising

首先，針對疊加高斯白噪聲的標準測試信號，運用平移不變量小波變換進行消噪處理，部分結(jié)果如圖6 所示。在本次測試過程中，統(tǒng)一選擇sym8 作為小波變換的基函數(shù)，并依次取分解尺度j=1～9。從圖中可以看出，當分解尺度j=5 時，經(jīng)過消噪處理后的測試信號波形與其有用信號部分最為接近。

圖6 測試信號消噪效果（j=4～6）Fig. 6 Test signal denoising effect (j=4～6)

取自由度m=5，顯著性水平a=0.01，查表得2 分布的臨界值λa=15.086。在不同的分解尺度下，分別計算測試信號高頻分量對應(yīng)的小波系數(shù)的檢驗統(tǒng)計量。結(jié)果列于表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出，當分解尺度j=5 時，檢驗統(tǒng)計量大于臨界值，應(yīng)拒絕原假設(shè)，即是相關(guān)序列。這表示高頻分量的小波系數(shù)均為有用信號，噪聲干擾已被消除。信噪比R同樣在該分解尺度下達到最大值，此時的消噪效果達到最優(yōu)。

表1 檢驗統(tǒng)計量及信噪比Tab. 1 Test statistics and signal-to-noise ratio

然后針對疊加高斯白噪聲的泄漏電流原始信號，運用平移不變量小波變換進行消噪處理，部分結(jié)果如圖7 所示。此處同樣選擇sym8 作為小波變換過程的基函數(shù)，并依次取分解尺度j=1～9。從圖中可以看出，當j=5 時，很好地消除了噪聲干擾和高次諧波分量，且未過度消噪，較為符合泄漏電流有用信號的波形。

圖7 泄漏電流信號消噪效果（尺度=4～6）Fig. 7 Leakage current signal denoising effect (scale=4～6)

取和上述相同的自由度以及顯著水平。在不同分解尺度下，分別計算高頻分量對應(yīng)的小波系數(shù)的檢驗統(tǒng)計量。當j=5 時，檢驗統(tǒng)計量大于臨界值。這表示高頻分量的小波系數(shù)均為有用信號，噪聲干擾已被消除，與圖6 中對波形的判斷結(jié)果相符合。

4 在線檢測

文章中設(shè)計的泄漏電流在線監(jiān)測裝置由信號采集、信號處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞讉€部分組成。其中，信號采集部分包括供電電源模塊、電壓互感器取樣電阻及其外圍電路；信號處理部分包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機、輕觸按鍵以及顯示模塊；數(shù)據(jù)傳輸部分則包括無線串口模塊和上位機軟件。如圖8 所示是泄漏電流在線監(jiān)測裝置的總體設(shè)計框圖。

圖8 樣機設(shè)計框圖Fig. 8 Block diagram of prototype design

4.1 采集模塊

由于分流器采集法測量所得的泄漏電流信號更不易受到環(huán)境噪聲等干擾的影響，信號的波形較為穩(wěn)定。本設(shè)計最終決定采用該方式進行檢測，泄漏電流信號的采集電路如圖9 所示。其中，R8和V3分別為壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管，R9為精密無感電阻。測量部分的主要設(shè)計思路已經(jīng)在1.2 節(jié)中進行了相關(guān)描述，故不再重復(fù)。瞬態(tài)抑制二極管V4的作用是構(gòu)成二級保護，從而進一步提高保護電路對雷擊過電壓或內(nèi)部操作過電壓的防護能力，提升測量電路的可靠性。對于不同廠家生產(chǎn)的各種型號避雷器來說，其泄漏電流的大小均可能存在一定差異。因此，需要在取樣電阻的兩端添加一個電壓放大電路，以擴大該監(jiān)測裝置的適用范圍，使之能夠更加有效地完成信號采集工作。將取樣電壓連接至雙運算放大器LM358，根據(jù)閉環(huán)增益公式，選擇合適的電阻進行匹配，使得該運放的增益系數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)。其中，輸入電阻R1=1 kΩ，反饋電阻為RF=10 kΩ的可調(diào)電位器，平衡電阻RP=R1//≈1 kΩ。

圖9 泄漏電流信號采集電路Fig. 9 Leakage current signal acquisition circuit

4.2 控制模塊

STM32F 系列芯片是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的微控制單元，通常也可以直接稱作單片機。其內(nèi)部已經(jīng)集成了定時/計數(shù)器和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器等多種外設(shè)功能，能夠在一定程度上減少外圍電路的使用，以減小監(jiān)測裝置的體積。本設(shè)計最終選擇使用STM32F051C8T6 型單片機作為泄漏電流監(jiān)測裝置的控制芯片，其外圍電路的引腳接線設(shè)計如圖10 所示。值得注意的是，在實際使用時，一般將該芯片的電源電壓設(shè)置為3.3 V。因此，需要在供電電源模塊的5 V 直流輸出端，再連接5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 的線性穩(wěn)壓電路。本設(shè)計選用三端口穩(wěn)壓芯片AMS1117 作為核心器件。并將陶瓷電容、電解電容并聯(lián)連接于電壓輸入和輸出端。其中，輸入端電容的主要作用是吸收高頻干擾信號，防止高頻自激；而輸出端電容則起到輸出濾波的作用，降低電壓波動，從而進一步穩(wěn)定輸出直流電的平滑度。

圖10 控制單元及其外圍電路Fig. 10 Control unit and its peripheral circuit

4.3 無線模塊

本設(shè)計選用E36-TTL-100 型無線串口模塊，作為控制芯片與計算機之間的數(shù)據(jù)遠傳器件。該模塊不需要用戶重新編寫射頻驅(qū)動程序或進行硬件調(diào)試，僅通過串口本身便可以完成射頻信號的發(fā)送和接收操作。此外，還具有功率密度集中，抗干擾能力強的優(yōu)勢；在空曠環(huán)境中，其數(shù)據(jù)傳輸距離可以接近2 km。

無線串口模塊電路如圖11 所示。其中，引腳VCC、GND 分別連接3.3 V 直流源和公共地極。引腳RXD 和TXD 為該模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵耐ǖ?，引腳AUX 通常用于指示模塊的運行狀態(tài)。若模塊連接至電源，則該引腳將立即固定為低電平，并保持狀態(tài)直至串口初始化設(shè)置完畢。在編寫程序時，可以將AUX 引腳輸出的第一個上升沿信號作為模塊開始工作的標志。此外，當該串口模塊正在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，而數(shù)據(jù)沒有完全發(fā)送或接收時，該引腳也將一直保持低電平。引腳M1 和M0 用于設(shè)置串口的工作模式，通常將其設(shè)置為默認狀態(tài)，即串口執(zhí)行初始化程序，可以進行數(shù)據(jù)遠傳功能。

圖11 無線串口模塊電路圖Fig. 11 Circuit diagram of wireless serial port module

4.4 上位機設(shè)計

通過結(jié)合上位機軟件的圖形界面，將關(guān)鍵參數(shù)以及信號波形可視化，則可以起到較好的補充作用。這樣既可以便于運維檢修人員直觀地了解避雷器的各項參數(shù)，及時對異常信號進行觀測和排查，也能夠通過軟件對接收到的信號數(shù)據(jù)作進一步分析。

本設(shè)計采用Qt 來設(shè)計避雷器泄漏電流監(jiān)測裝置的上位機軟件。Qt 作為一款圖形用戶界面應(yīng)用程序的開發(fā)工具，具備適用范圍廣、可移植性強、穩(wěn)定以及易用等特點，這些特性都使得該工具被廣泛應(yīng)用于計算機程序的設(shè)計。文章所設(shè)計軟件的程序總體結(jié)構(gòu)如圖12（a）所示。結(jié)合泄漏電流監(jiān)測裝置，上位機軟件實現(xiàn)的主要功能如下：首先，利用串口通信協(xié)議，將計算機的USB 接口與該軟件相連接；然后，通過無線串口模塊以及軟件的串口通信功能，與控制芯片進行實時通信，接收參考電壓和泄漏電流等數(shù)據(jù)；最后，將避雷器的關(guān)鍵參數(shù)、運行狀態(tài)以及相關(guān)波形顯示于圖形界面。圖12（b）為上位機軟件的程序設(shè)計流程圖。通過以上設(shè)置，即可以實現(xiàn)上位機軟件與監(jiān)測裝置的串口通信。由監(jiān)測裝置通過串口發(fā)送檢測到的數(shù)據(jù)到軟件，再使用Qt 設(shè)計開發(fā)的界面接收數(shù)據(jù)，然后截取并顯示數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)參考電壓、泄漏電流等信息的數(shù)據(jù)接收與顯示，實時反映避雷器的運行狀態(tài)。

圖12 上位機軟件的程序結(jié)構(gòu)Fig. 12 Program structure of upper computer software

利用QWidget 模塊創(chuàng)建并編輯圖形顯示界面，如圖13 所示。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，圖形界面分為主窗口和串口設(shè)置部分，且后者在初始時為隱藏狀態(tài)。主窗口由軟件基礎(chǔ)信息、泄漏電流監(jiān)測裝置發(fā)送的特征量和波形顯示等幾個模塊組成，串口設(shè)置部分則由端口選擇、端口設(shè)置、接收設(shè)置、發(fā)送設(shè)置以及幫助等幾個分窗口組成。其中，軟件基礎(chǔ)信息包括設(shè)備編號、測量日期和時間；特征量包括參考電壓有效值、泄漏電流有效值、相位差、阻性電流有效值、容性電流有效值以及檢測結(jié)果等；波形顯示部分則包括參考電壓和泄漏電流的波形。

圖13 主窗口圖形界面Fig. 13 Graphical interface of main window

5 結(jié)論

文章將白噪聲檢驗原理融入平穩(wěn)小波消噪法，實現(xiàn)了泄漏電流測量信號與其分解尺度的最優(yōu)匹配。相對霍爾電流傳感器而言，使用分流器采集法獲取的泄漏電流信號波形的質(zhì)量更好，也即抗干擾能力較強，不容易受到環(huán)境噪聲等因素的影響。在疊加強噪聲的情況下，平穩(wěn)不變量消噪法的效果相對較好，當分解尺度較大時，也不容易出現(xiàn)過度消噪現(xiàn)象。將白噪聲檢驗原理與平穩(wěn)小波消噪法相結(jié)合，根據(jù)自相關(guān)系數(shù)以及卡方檢驗的判斷關(guān)系式，能夠確定更為合適的分解尺度，使其更好地適應(yīng)強噪聲環(huán)境。根據(jù)分流器法采集泄漏電流信號，并結(jié)合無線串口和上位機軟件，研制了泄漏電流的在線監(jiān)測裝置。在實驗室條件下，該裝置能夠很好地實現(xiàn)避雷器泄漏電流的在線監(jiān)測工作。