摘 要：電纜發(fā)生局部放電時(shí)所采集到的信號(hào)非常小且受到噪聲干擾，為了確定電纜故障，需對采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，包含放大和去噪。與運(yùn)算放大器相比，LC諧振放大器放大效果明顯。LC諧振放大器由信號(hào)源、LC諧振放大、電壓跟隨器組成，通過對諧振頻率選取，元件參數(shù)計(jì)算，增益的分配，創(chuàng)建電路，最后通過Multisim對電路進(jìn)行仿真。電路結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)測試，具有良好的放大功能，且所得波形符合要求表明了電路的準(zhǔn)確性。對于對信號(hào)的去噪則采用小波包變換，通過對閾值的計(jì)算，選擇合適的數(shù)值，在MATLAB上進(jìn)行編程，根據(jù)仿真結(jié)果可知小波包去噪的合理性。

關(guān)鍵詞：電纜故障；高頻小信號(hào)；小波包變換；MATLAB仿真；諧振放大器；電壓跟隨器；Multisim仿真

引言

電力電纜的使用范圍越來越廣，在電力輸電網(wǎng)絡(luò)中及高壓電力設(shè)備中，因絕緣問題造成的局部放電現(xiàn)象是一個(gè)常見的電纜故障[1]。一旦電纜絕緣被擊穿就有可能引起停電事故造成社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。因此，局部放電檢測對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期故障，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大導(dǎo)致絕緣失效是一項(xiàng)非常有效的檢測途徑[2]，可以盡量減少財(cái)務(wù)損失[3]。另外，應(yīng)用三脈沖法進(jìn)行地埋電纜閃絡(luò)性故障及高阻態(tài)故障的定位，局部放電信號(hào)檢測也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

在實(shí)際問題中，對電纜放電現(xiàn)場拾取得到的原始信號(hào)具有頻率高且通頻帶窄、幅值非常小、且混雜著一定干擾信號(hào)和噪聲等特點(diǎn)。因此，信號(hào)調(diào)理是局部放電檢測關(guān)鍵環(huán)節(jié)。噪聲的存在對信號(hào)的本質(zhì)特征會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因此，在處理原始信號(hào)時(shí)，必須對混雜的噪聲加以消除，去噪后信號(hào)的一些重要特征才能顯現(xiàn)出來。文章將考慮對拾取到的信號(hào)進(jìn)行硬件及軟件相結(jié)合的濾波去噪處理。

對現(xiàn)場微小信號(hào)進(jìn)行采集及數(shù)字處理的前提條件是信號(hào)放大。采用運(yùn)算放大器可以滿足所需放大倍數(shù)要求，但當(dāng)放大倍數(shù)過大時(shí)容易使波形產(chǎn)生失真現(xiàn)象，同時(shí)對于頻率高、通頻帶窄的局部放電信號(hào)難以滿足適應(yīng)頻率和硬件濾波技術(shù)要求。與運(yùn)算放大器相比LC諧振放大器對高頻小信號(hào)有很好的放大作用且波形不易失真。

1 LC放大電路原理

電纜故障放電的信號(hào)幅值特別小，傳感器感應(yīng)到的信號(hào)是非常微弱的，一般在μA級，分析采集的信號(hào)，則先要將信號(hào)放大，這就需要用到高頻小信號(hào)放大器來完成[4]。

LC并聯(lián)諧振回路具有一個(gè)顯著的特征，即為選頻功能，可對所需測量的頻率段的小信號(hào)進(jìn)行放大處理。LC并聯(lián)諧振回路的電流信號(hào)在諧振點(diǎn)處呈現(xiàn)出較大的阻抗，幾乎是純電阻性的，此時(shí)將需要的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)進(jìn)行輸出，此時(shí)失諧點(diǎn)頻率處的電流信號(hào)就會(huì)呈現(xiàn)較小的阻抗，可實(shí)現(xiàn)抑制失諧點(diǎn)頻率處電流信號(hào)輸出的作用，從而起到選擇出需要測量的電信號(hào)，抑制無用的干擾信號(hào)的目的。

1.1 LC諧振放大器

LC諧振放大器由兩部分組成，分別為LC諧振回路與放大器，共發(fā)射極接法高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器，它不但可以對有用頻率信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)兼具一定的濾波功能，可以起到選擇所需要的頻率信號(hào)的作用。LC諧振放大器的原理是利用電容與電感兩元件的電抗隨著頻率的變化而發(fā)生變化，在某一頻率點(diǎn)或某一狹小頻率帶，只有與之相匹配的LC參數(shù)，才能滿足諧振放大的條件，該頻率點(diǎn)之外的信號(hào)將被濾掉。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)由三個(gè)電阻分別為R6、 R7、R8決定。放大器的調(diào)諧回路諧振時(shí)所對應(yīng)的頻率f0稱為放大器的諧振頻率，高頻小信號(hào)調(diào)諧放大器對處于中心頻率處的信號(hào)具有極大的放大能力[5]。

f0的表達(dá)式為：

（1）

1.2 電壓跟隨器

在放大電路中一般存在兩個(gè)問題必須加以考慮，即信號(hào)在前級的輸出電阻中因損耗產(chǎn)生的衰減問題和輸入信號(hào)與反饋信號(hào)發(fā)生重疊造成信號(hào)失真問題。因此放大電路中還需要一個(gè)緩沖和隔離環(huán)節(jié)。電壓跟隨器的輸入阻抗較高，可以達(dá)到幾兆歐姆，而它的輸出阻抗相對來說較低，一般只有幾歐姆，甚至可能會(huì)更低，此時(shí)電壓跟隨器可達(dá)到緩沖作用。同時(shí)，在負(fù)反饋電路中，當(dāng)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)發(fā)生重疊時(shí)，將導(dǎo)致采集到的信號(hào)不準(zhǔn)確，影響測量結(jié)果，此時(shí)電壓跟隨器將產(chǎn)生隔離作用。電壓跟隨器可采用運(yùn)放OPA355NA和電阻R1，R2組成，其中兩個(gè)電阻的阻值是相等。

1.3 通頻帶和參數(shù)的選取

一般情況下，LC諧振放大電路只會(huì)對所設(shè)定的某一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行放大，即具有選頻作用。因此諧振回路中的電感L和電容C參數(shù)必須與設(shè)定頻域相匹配。如果電路輸入信號(hào)頻率偏離諧振頻率時(shí)，放大器的電壓放大倍數(shù)就會(huì)有所下降，電壓放大倍數(shù)A1下降到諧振電壓放大倍數(shù)A2的0.707倍時(shí)所對應(yīng)的頻率偏移稱為放大器的通頻帶BW。

BW=2△f0.7=f0/Q，Q為諧振回路的有載品質(zhì)因數(shù)。

2 參數(shù)計(jì)算及電路仿真

旁路電容C1，C5一般大小選取為0.1μF，電容C13，C8的取值為0.001μF。f0=■=7MHz，C=0.1uf，則L=■=515ph，則L可選取標(biāo)稱值500ph。

局部放電脈沖信號(hào)放大的整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1是對高頻小信號(hào)進(jìn)行放大的電路圖，在測量過程中為了防止幅值較大的發(fā)射脈沖可能竄入到接收通道從而擊穿放大器，需要在信號(hào)放大之前加入一個(gè)并聯(lián)倒置的二極管進(jìn)行鉗位處理；放大器則選用2N2222，具有較高的放大倍數(shù)和超高的頻率。

采用Multisim軟件，對上述電路作模擬仿真，局部放電信號(hào)是高頻信號(hào)，在理論上可以用下面的數(shù)學(xué)模型等效。

（2）

其中A為局放信號(hào)的幅值；t0為放電脈沖起始時(shí)刻，fc為衰減振蕩頻率；？子為衰減時(shí)間常數(shù)。

此波形類似于一個(gè)逐漸衰減的正弦波，則可采用一個(gè)正弦信號(hào)作為信號(hào)源，仿真波形如圖2所示。

從仿真結(jié)果圖我們可以看出，局部放電信號(hào)有明顯的放大，后續(xù)數(shù)字處理環(huán)節(jié)對信號(hào)等級及精度要求。但同時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的相位發(fā)生了一定的偏移，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是因?yàn)殡娐分写嬖谥娙?，電感和三極管2N222等一些慣性元件，信號(hào)經(jīng)過這些元件后相位就會(huì)發(fā)生改變。

3 局部放電信號(hào)噪聲數(shù)字處理

上述LC諧振放大電路對設(shè)定通頻帶外的信號(hào)能起到濾波作用，但如果通頻帶設(shè)置較寬或諧振參數(shù)選擇有偏差，經(jīng)放大后的信號(hào)除放電脈沖信號(hào)之外，依然含有其他干擾信號(hào)。因此對經(jīng)放大后的信號(hào)數(shù)字化后仍需進(jìn)一步進(jìn)行去噪處理。

3.1 噪聲處理方法

對于局部放電信號(hào)的去噪處理有多種方法：傅里葉變換去噪、小波分析去噪、小波包去噪。

小波包分析是一種時(shí)頻聯(lián)合局部化分析方法，它是在小波分析的基礎(chǔ)上提出來的。與小波分析相比，小波包分析為信號(hào)提供的分析方法相對來說更加精細(xì)，在進(jìn)行處理信號(hào)時(shí)，它會(huì)將信號(hào)的頻帶進(jìn)行多層次的劃分，對高頻部分進(jìn)行進(jìn)一步分解，而小波分析則對高頻部分沒有細(xì)致的劃分，同時(shí)小波包分析具有很高的自主性，可以根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)的頻帶，達(dá)到被分析信號(hào)的頻帶與信號(hào)的頻譜相匹配的目的，從而使信號(hào)的時(shí)頻分辨率有了較大的提高[6]。對于傅里葉變換去噪，如果干擾信號(hào)的中心頻率發(fā)生變化，則原來設(shè)置的參數(shù)都將會(huì)失效，需重新計(jì)算，比較麻煩。

因此選用小波包去噪的方法對局放信號(hào)進(jìn)行去噪處理。

3.2 小波包去噪步驟

小波包對信號(hào)去噪應(yīng)用過程的步驟：

（1）信號(hào)的小波包分解。選擇一個(gè)小波并確定一個(gè)小波分解的層次，然后對信號(hào)進(jìn)行小波包分解。

（2）確定最優(yōu)小波包基。對于一個(gè)給定的嫡標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算最佳樹。

（3）小波包分解系數(shù)的閾值量化。對于每一個(gè)小波包分解系數(shù)，選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)拈撝挡ο禂?shù)進(jìn)行閾值量化。

（4）信號(hào)的小波包重構(gòu)。根據(jù)最底層的小波包分解系數(shù)和經(jīng)過量化處理系數(shù)，進(jìn)行小波包重構(gòu)。

利用小波包分析對一個(gè)含有噪聲信號(hào)進(jìn)行消噪處理。

sqrt_snr=3；

init=231；

[a，b]=wnoise（3，12，sqrt_snr，init）；

subplot（2，2，1），plot（a）

xlabel（'樣本信號(hào) n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'原始信號(hào)'）

subplot（2，2，2），plot（b）

xlabel（'樣本信號(hào) n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'加噪聲后的信號(hào)'）

[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（'樣本信號(hào) n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'默認(rèn)閾值消噪信號(hào)'）

thr=thr+12

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

subplot（2，2，4），plot（d）

xlabel（'樣本信號(hào) n'）

ylabel（'幅值 A'）

title（'調(diào)節(jié)閾值后的消噪信號(hào)'）

圖3左上為原始信號(hào)的波形，表示一個(gè)正弦信號(hào)，右上為加上噪聲之后的波形，表示一個(gè)包含白噪聲的正弦波信號(hào)，左下為在默認(rèn)的閾值下進(jìn)行消噪后得到的波形，從仿真結(jié)果看出去噪結(jié)果不理想，右下為在原始默認(rèn)閾值thr的基礎(chǔ)上對閾值大小進(jìn)行改變，分析仿真得到的結(jié)果可知與原始信號(hào)相比去噪效果很明顯，信號(hào)的一些重要特征會(huì)顯現(xiàn)出來。

4 結(jié)束語

利用Multisim仿真軟件對放電脈沖拾取信號(hào)進(jìn)行調(diào)理電路輔助設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)采用了帶電壓跟隨的LC諧振放大電路，按通頻f0和通頻帶寬，經(jīng)計(jì)算確定了滿足諧振條件的匹配電感L和電容C。由仿真結(jié)果圖可知被測信號(hào)被放大且沒有明顯失真，同時(shí)電路具有濾波，選頻的功能，可以抑制無用的信號(hào)。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行電纜線路的分析，所設(shè)計(jì)的電路是符合要求的。

在小波包去噪分析過程中，從仿真結(jié)果圖可以得知小波包在信號(hào)去噪方面有明顯的效果，且對于具體問題中，不同的閾值下的信號(hào)去噪效果有很大差別。因此，在應(yīng)用小波包去噪解決實(shí)際問題時(shí)要選取合適的閾值來進(jìn)行信號(hào)去噪處理。

通過對局部放電信號(hào)的放大和去噪處理，采集到的信號(hào)有了明顯的變換，最大程度地提取原始信號(hào)中的有用信息，信號(hào)的一些細(xì)節(jié)特征將會(huì)突現(xiàn)出來。分析處理過的信號(hào)易于觀察出電纜的故障點(diǎn)，易于電纜故障的定位和檢測。

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