何 杰， 黨軍朋， 楊紅偉， 羅康順， 吳振升， 丁 浩

（1. 云南省電網(wǎng)有限公司玉溪供電局，云南玉溪 653100；2. 北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

與電瓷以及玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子由有機材料合成，其質(zhì)量輕且具有很好的彈性。另外，硅橡膠復(fù)合絕緣子還具有優(yōu)良的耐污性能[1]，由于這些突出的優(yōu)點，硅橡膠復(fù)合絕緣子在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。但隨著其廣泛應(yīng)用，諸多問題開始顯露出來，例如，隨著運行時間的延長，硅橡膠復(fù)合絕緣子的老化現(xiàn)象會異常嚴重[2]。絕緣子老化狀態(tài)檢測技術(shù)有傅里葉變換紅外光譜法、泄露電流檢測、熱刺激電流法等，這些方法或易受環(huán)境以及操作人員的影響[3]，或只能探究絕緣子局部的老化，故誤差較大。因此，復(fù)合絕緣子的狀態(tài)檢測被廣泛研究。文獻[4]通過使用泄漏電流分析法，研究證明了泄漏電流的增大和放電能夠加重破壞復(fù)合絕緣子的憎水性能，進而加速復(fù)合絕緣子的老化程度。文獻[5]通過研究硅橡膠復(fù)合絕緣子在外部環(huán)境中長期運行而出現(xiàn)的老化問題，提出一種基于模糊綜合評價的絕緣子狀態(tài)評估方法，結(jié)果表明該方法能夠有效準確地檢測出絕緣子的老化狀態(tài)。文獻[6]通過研究復(fù)合絕緣子表面腐蝕等的老化途徑，研究表明硅橡膠材料有很好的抗老化性能。文獻[7]表明，復(fù)合絕緣子在潮濕的環(huán)境中可能會出現(xiàn)電暈放電，進而加快復(fù)合絕緣子的老化。

1974 年，F(xiàn)leming 在描述光譜線頻率范圍時，首次提出了太赫茲波（Terahertz）這一概念。太赫茲波指頻率在（0.1～10）THz 范圍內(nèi)的電磁波，其波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體等物質(zhì)的特征譜。相較于傅里葉變換紅外光譜，太赫茲脈沖的典型脈寬以皮秒為量級單位，因此其穩(wěn)定性更優(yōu)，抗干擾性更強[8]。相較于X 射線，太赫茲光子的能量很低，1 THz 的光子能量只有約4 meV，所以對于被檢測物質(zhì)來說，不易使其遭受破壞，并且能檢測出其他射線檢測不到的密度相對較小的物質(zhì)材料。與其他射線相比較，太赫茲波對一些材料的穿透能力更強。

基于以上理論，為了更好地檢測出復(fù)合絕緣子的老化程度，本項目通過研究太赫茲信號在復(fù)合絕緣子中傳輸?shù)奶匦?，提出了一種新的探索狀態(tài)檢測的方法。結(jié)果表明，基于太赫茲技術(shù)更能精確地檢測復(fù)合絕緣子的老化程度。

1 太赫茲信號的測量原理分析

在電力系統(tǒng)運行過程中，隨著時間的增加，復(fù)合絕緣子的老化程度也在增大，在電網(wǎng)運行中出現(xiàn)的故障亦會增加[9]。實驗過程中，硅橡膠復(fù)合絕緣子充當為傳輸介質(zhì)，利用太赫茲技術(shù)向硅橡膠復(fù)合絕緣子發(fā)送太赫茲波來檢測絕緣子的老化程度。在電磁波理論中，電磁波傳輸特性中非常重要的一個參數(shù)是波矢量，用表示。當介質(zhì)為理想介質(zhì)時，波矢量按式（1）計算：

式中：e→n為波的傳輸方向的單位矢量；k為波數(shù)，表示波矢量的大??；ω為波的角頻率；ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ為介質(zhì)相對磁導(dǎo)率。從式（1）可看出，當電磁波在理想介質(zhì)中傳播時，電磁波的幅值不會發(fā)生衰減。當電磁波在有損耗介質(zhì)中傳播時，則波矢量按式（2）計算：

從式（2）中可以看出，當介質(zhì)為有損介質(zhì)時，電磁波在該介質(zhì)中傳輸時波形會發(fā)生衰減。同時，當電磁波從一種媒介穿過至另一種媒介時，會發(fā)生波的折射和反射。根據(jù)電磁波理論，反射系數(shù)按式（3）計算：

式中：η1為電磁波穿入第一種介質(zhì)的波阻抗，η2為電磁波穿入第二種介質(zhì)的波阻抗。

透射系數(shù)按式（4）計算：

老化會使復(fù)合絕緣子的電導(dǎo)率和介電常數(shù)發(fā)生改變，所以當電磁波在老化后的絕緣子中傳播時，會發(fā)生電磁波的反射，使電磁波的能量衰減。并且由于老化后的絕緣子內(nèi)部分層比較多，電磁波會發(fā)生多次折反射，加劇了電磁波能量衰減。

可用散射參數(shù)S來描述信號在介質(zhì)中傳播的損耗特性，如圖1所示。

圖1 信號折反射示意圖

如圖1所示，當入射波穿入介質(zhì)時，會發(fā)生波的反射和透射，且反射波和透射波隨著傳輸介質(zhì)的不同而不同，即入射信號表現(xiàn)出不同的散射程度?；夭〒p耗（S11）和插入損耗（S21）表達式分別為式（5）和式（6）：

式中：a1為輸入功率；b1為反射功率；b2為透射功率。因此，隨著絕緣子老化程度的增加，輸入的損耗也會增大。通過比較S參數(shù)，可以判斷絕緣子的老化程度。本研究通過比較S11參數(shù)來判斷絕緣子的老化程度。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的太赫茲信號處理

2.1 太赫茲信號的產(chǎn)生

本研究對11 種老化程度不同的絕緣子進行檢測。檢測設(shè)備為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，該系統(tǒng)由擴頻控制機、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機以及S參數(shù)測試模塊構(gòu)成。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機產(chǎn)生本振信號和射頻信號，之后兩種信號進入擴頻控制機。擴頻控制機中含有中頻增益控制模塊，兩種信號分別進入相應(yīng)的信號放大裝置中進行功率放大和穩(wěn)幅。將放大后的信號輸送到兩個S參數(shù)測試模塊中，其中一個S參數(shù)測試模塊接收信號，另外一個發(fā)送信號。在S參數(shù)測試模塊中，射頻信號經(jīng)過多級放大與倍頻模塊后會產(chǎn)生太赫茲信號，再經(jīng)過混頻器變頻為中頻信號，最后經(jīng)擴頻控制機放大后送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主機進行信號分析，通過對中頻信號的提取來獲取測試的S參數(shù)。測試原理如圖2所示。

圖2 太赫茲矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試原理

2.2 基于小波變換的太赫茲信號去噪處理

由于信號產(chǎn)生過程中設(shè)備易受到環(huán)境以及人為因素的影響，造成信號中可能會存在一些干擾信號。為使實驗的結(jié)果更加準確，在檢測實驗之前，采用小波變換對信號進行去噪預(yù)處理。

在小波變換去噪中，閾值去噪法具有計算量較小、實現(xiàn)簡單、去噪效果較好等優(yōu)點，所以本研究選擇閾值去噪法對太赫茲信號進行去噪處理[10]。

小波閾值去噪過程一般涉及到對小波基和分解層數(shù)的選擇、閾值的選取規(guī)則和閾值函數(shù)的設(shè)計，這些因素都會影響最終的去噪效果。

2.2.1 小波基的選擇

一般來說，選取小波基函數(shù)要考慮支撐長度、消失矩、對稱性、正則性以及相似性等因素。常見的小波基有haar 小波、dbN 小波、symN 小波、coifN小波等。本研究選擇symN 對太赫茲信號進行去噪。

2.2.2 分解層數(shù)的選擇

分解層數(shù)取得越大，則噪聲和信號表現(xiàn)的不同特性越明顯，越有利于二者的分離。文獻[11]提出了一種基于白噪聲檢驗的確定分解層數(shù)的方法，本研究選用該方法來確定分解層數(shù)。

2.2.3 閾值的選取

常見的閾值的選取方法有固定閾值估計、極值閾值估計、無偏似然估計以及啟發(fā)式閾值估計等。通過對比發(fā)現(xiàn)，固定閾值估計和啟發(fā)式閾值估計去噪比較徹底，故本研究選用啟發(fā)式閾值估計來確定閾值。

2.2.4 閾值函數(shù)選擇

常用的閾值函數(shù)有軟閾值和硬閾值方法。文獻[12]綜合考慮軟閾值和硬閾值的優(yōu)缺點，提出了一種雙閾值的去噪方法。結(jié)果表明，雙閾值的小波去噪方法的去噪效果更優(yōu)，故本研究選用該文獻所提出的雙閾值的小波去噪方法。

2.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別的太赫茲信號處理

在對太赫茲信號進行去噪處理后，通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對去噪后的信號進行老化程度識別處理。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)

本文將老化程度分為5個等級，如圖4所示。

圖4 樣品老化程度標定分類

根據(jù)圖4，將老化等級分為5類，見表1。

表1 樣品老化程度標定分類

通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別各個樣品的老化程度，將BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出的預(yù)測值與真實值相比較，以此判斷BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是否精確。目標函數(shù)為誤差函數(shù)，表達式為式（7）。

式中，yi為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出值；yi0為期望輸出值，e為誤差，e越小，精確度越高。若e較大，則BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將不斷學(xué)習(xí)，直至e下降到某一可接受的誤差范圍。

經(jīng)過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測后的部分結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，4#和3#的預(yù)測值在真實值附近，且距真實值極近。由此可得結(jié)論，經(jīng)過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測后的誤差在可滿足的范圍內(nèi)，預(yù)測精度較高。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測結(jié)果

3 實驗過程及其結(jié)果分析

3.1 取樣與樣品預(yù)處理

實驗的樣品為來自10 kV～110 kV 電力線路的復(fù)合絕緣子，并將絕緣子分為11 個樣本，其中包含兩只新的、未使用過的硅橡膠絕緣子。將這11個絕緣子樣本全部編號，之后分別在每支絕緣子的高壓側(cè)、遠離高壓側(cè)以及中間部分用小刀割下相同數(shù)量的傘裙樣本，即以絕緣子高壓側(cè)的第一片傘裙為起點，以間隔同樣的距離取樣，直至低壓側(cè)的最后一片傘裙為止。之后再利用切片機將樣本進行切片處理，每個樣本切成厚3 mm，邊長為20 mm 的正方形薄片，每支絕緣子各取10組樣品，一共11組。

將樣品用無水乙醇浸泡，然后用去離子水清洗掉表面污穢，靜置于真空烘干機中烘干，最后將所有樣品在無塵環(huán)境中密封保存以備使用。

3.2 結(jié)果分析

本實驗使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行太赫茲信號的產(chǎn)生與檢測實驗設(shè)備如圖6。

圖6 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)備

樣品經(jīng)預(yù)處理后，實驗測得11組樣本的S11參數(shù)曲線如圖7 所示。從圖7 中曲線可以看出，硅橡膠絕緣子的老化程度與THz 信號的回波損耗成正比，所以曲線由下到上排序表示S11參數(shù)依次減小。老化程度不同的樣品測出的曲線位置相差較大，老化程度相接近的樣本測得的曲線出現(xiàn)交叉重疊的現(xiàn)象。同時，老化嚴重的樣本測得的回波損耗更大一些。

圖7 1-11#樣本THz信號S11參數(shù)曲線

橫向來看，所有曲線總體上在整個頻段內(nèi)隨著頻率的增加S11參數(shù)呈現(xiàn)出下降變化趨勢；縱向來看，大致在頻段（0.18～0.19）THz 和（0.2～0.21）THz之間，各曲線之間S11參數(shù)具有不錯的區(qū)分度，靈敏度較高。

將圖7 曲線中的整個頻段S11參數(shù)求和并取均值，按照老化程度的增加進行擬合。圖8 所示為沒有進行小波去噪與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的結(jié)果。

圖8 信號未經(jīng)過處理的實驗擬合曲線

當信號經(jīng)過小波去噪與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后，其結(jié)果如圖9所示。

圖9 信號經(jīng)過處理的實驗擬合曲線

比較圖8 與圖9 可知，當太赫茲信號經(jīng)過小波變換去噪和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別后，與未經(jīng)過處理的信號得到的結(jié)果相比，前者的擬合曲線效果更好，對絕緣子老化程度的預(yù)測精度更高。以此能更加精確地追蹤絕緣子老化的狀態(tài)，保障電氣設(shè)備和電網(wǎng)的運行安全和穩(wěn)定。

4 結(jié)論

選取了11支10 kV～110 kV線路電壓等級的棒形懸式復(fù)合絕緣子樣品，將樣品進行處理后，進行了老化程度標定并作出了老化分級。使用THz 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作的11組老化樣品進行了實驗，測繪S11參數(shù)曲線。進而對THz 信號進行小波去噪和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型識別等預(yù)處理，得到以下結(jié)論。

（1）由測繪的S11參數(shù)曲線知，S11參數(shù)與老化程度近似于線性關(guān)系。

（2）實驗結(jié)果比之未進行數(shù)據(jù)預(yù)處理時結(jié)果更精確。

（3）由實驗結(jié)果可知，本實驗提出的檢測絕緣子老化的方法可精確得出復(fù)合絕緣子所處老化等級，判斷其老化狀態(tài)。