基于微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测

孟 想，赵 晔

(延安大学 物理学与电子信息学院，陕西 延安 716000)

现如今在我国社会经济发展趋势下，电力系统供应电能的需求日渐提升[1]，配电网在电力系统中占据着重要地位，而配电网能否稳定的运行是当下电能供应的核心所在。配电网电缆线路绝缘性能的好坏决定着配电网的运行效果，大多数供电事故中，因配电网电缆线路造成的事故大约占据50%以上，其余电缆线路由于线路绝缘被击穿，导致线路出现单相接地故障，从而给电力供能带来一定影响。

配电网在运行期间内部存有数量庞大的绝缘部件[2]，由于供电需求较大，导致配电网在运行过程中对绝缘子生成外部环境因素及内部因素等影响，致使绝缘子出现老化、交界面缺陷、劣化等现象。因此，为了降低绝缘子给配电网电缆线路带来的影响，需要对配电网电缆线路绝缘子进行检测。部分研究者基于电场分布测量法原理设计了一种操作简便、成本低廉、适用性强的绝缘子带电检测装置，通过ANSYS有限元软件仿真计算了检测装置自身、劣化绝缘子位置和缺陷类型对绝缘子串电场分布的影响，并利用相邻作差法进一步处理电场畸变数据，完成配电网电缆线路绝缘在线检测[3]。但是研究发现，目前对绝缘子检测的方法存有不足，例如检测安全性差、准确度低等。为了防止电缆线路绝缘子检测不精，本文提出了微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测方法。

1 配电网电缆绝缘信号去噪算法

在配电网采集的信号数据中，大多电网信号都存有噪声，为了提升配电网电缆线路绝缘在线检测的精准度，应优先处理采集后的配电网信号。

1.1 基于小波变换分析的绝缘信号滤波

配电网电缆线路绝缘频率信号主要通过时空信号向傅立叶转换，从中获取频域最大分辨率。小波变换属于时频分析方法[4]，能够以多种方面分析配电网电缆线路绝缘信号。利用小波分析法对绝缘信号进行滤波，再对滤波后的信号数据进行去噪，具体操作如下所示[5-7]。

当a、b持续变化时，ψa，b(t)是通过移位及伸缩后得到的小波变换基本函数。这时给出配电网电缆线路绝缘信号f(t)，使其满足于f(t)∈L2(R)，那么配电网电缆线路绝缘信号f(t)的小波变换方程为：

(1)

式中，t与a、b相同，都是不断产生变化的常数；Wf(a，b)为小波变换；a为尺度因子；b为时移因子；ψ(t)为母小波函数，当其发生变化时会自动生成新的函数，即ψa，b(t)，它也属于小波基函数[8-12]。

在众多函数中，既是实函数又是复函数的函数不占少数，母小波ψ(t)就是其中之一。当配电网电缆线路绝缘信号f(t)为实信号时，母小波ψ(t)就是实函数，同理Wf(a，b)也为实函数，若配电网电缆线路绝缘信号f(t)为复信号时，Wf(a，b)就是复函数[13-15]。

在方程(1)中，f(t)的具体时间位置主要由变量b来描述，变量b也是时间中心。在尺度因子a的影响下，线路伸缩时通过ψ(t)来描述，这时ψ(t)就会转换成ψ(t/a)。若a>0，那么a的取值越大，ψ(t/a)在时域的支撑范围就越广；反之，若a<1，那么a的取值越小，这时ψ(t/a)的宽度就会变小[16-18]。通过上述分析可知，配电网电缆线路绝缘信号f(t)的中心位置及时间宽度主要由a、b的变量取值来决定。

根据上述操作流程，完成基于小波分析法的配电网电缆线路绝缘线路信号初步滤波，采用自适应盲源分离法对滤波后的信号数据进行去噪，实现配电网电缆线路绝缘信号的去噪处理[16-18]。

1.2 配电网电缆线路绝缘信号去噪

将滤波后的信号序列对信号进行自适应，那么输出的序列就与原始序列距离相近，从而完成对信号的去噪。

假设{X(k)}(k=±1，±2，…)是信号平稳发展的过程，同时具有n阶矩，X(k)在非高斯情况下的平稳随机过程中，n阶累积量定义为：

(2)

首先以四阶累积量为主，建立出自适应盲源分离法的系统模型，设置在第k时刻时，原始信号由s(k)描述，b(k)为冲击响应，g(k)为加性高斯白噪声序列，j(k)为数据序列，e(k)为滤波器的冲击响应；参考系统的冲击响应由f(k)表示；x(k)为源信号，y(k)为参考系统输出。

令系统模型中存有单输入单输出BE系统模型，假设用S表示单个随机变量，若S的均值等于0，那么源信号路过信道时，它的过程利用方程表达式表示为：b(k)=[b(0)b(n)]，n为滤波阶数。当线性失真后，将信号与0均值高斯信号相互混合，从而建立出另一个混合信号，即jk=b(k)*s(k)+g(k)。其中，*为卷积算子。

当线性均衡器有混合信号经过时，需要重新对平衡信号进行建立，为了确保信号恢复正常，应构建出只有非0幅值分量的脉冲均衡组合：

u(k)=b(k)*e(k)=δ(k-k0)

(3)

式中，k为时间延迟；δ(k)为狄克拉δ函数。

将平衡信号合并后，通过均方误差将其定义为：

MSE(e，k0)=E[x(k)-s(k-k0)]2

(4)

式中，MSE为均方误差。

利用自适应盲源分离法对滤波后的信号进行去噪，以此提升了配电网电缆线路绝缘信号在线检测过程中的准确性[19]。

2 微波反射法在线检测配电网电缆绝缘

通过对配电网电缆线路绝缘信号进行去噪处理，增强了配电网电缆线路绝缘信号的精准度，采用微波反射法对配电网电缆线路绝缘进行在线检测，以此实现配电网电缆线路绝缘在线检测方法[20]。基于微波反射法的在线检测装置如图1所示。

图1 基于微波反射法的在线检测装置Fig.1 On line detection device based on microwave reflection method

微波向电缆线路绝缘子射入时，射入的交界面会对信号强度产生影响，因此根据它的传播过程，实现配电网电缆线路绝缘检测。微波反射传播过程如图2所示，微波反射情况如图3所示。

图2 微波反射传播过程Fig.2 Microwave reflection propagation process

图3 微波反射情况Fig.3 Microwave reflection

当平面波射入时，设置空气介电常数为ε0，介电常数为ε1，磁导率为μ0。厚度为d的单层介质具有2个交界面：界面1和界面2。在界面1中，入射波参数有电场强度Ei0、磁场强度Hi0、入射角θi0；透射波参数有电场强度Et1、磁场强度Ht1、透射角θt1。界面2内，共有透射波和反射波2种。透射波的参数基本有电场强度Ei2、磁场强度Hi2、入射角θi2；反射波参数有Er2、磁场强度Hr2、入射角θr2。

当界面2向界面1的反射波发射时，界面1在反射期间反射波的参数分别为：电场强度Er1、磁场强度Hr1、入射角θr1。它的总反射电磁波Er0、磁场强度Hr0、入射角θr0。通过交界面的电磁波边界条件，列举出下列方程，定义为：

(5)

为了取得微波在传播过程中的特征矩阵M，需要引入方程k1=cosθi2/η1，这时方程表达式为：

(6)

式中，j为虚数单位；E1、H1为界面1的切向分量；E2、H2为界面2的切向分量。

依据多层介质，在第p层介质层中，Ep和Hp为电场与磁场之间的切向分量，Mp为特征矩阵，则配电网电缆线路的反射率r和透射率t，即：

(7)

式中，Et(n+1)为透射波电场分量；k0=cosθi1/η0。将其代入一组配电网电缆线路绝缘子数据，根据分析可知，若绝缘子界面存在欠缺，那么就会对微波反射率造成影响，使反射波强度的改变效果增大，从而检测出配电网电缆线路绝缘存有缺陷，以此实现微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测方法。

综上所述，微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测方法的具体流程如图4所示。

图4 绝缘在线检测流程Fig.4 Insulation on-line detection process

3 应用实例

为了验证微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测方法的整体有效性，选取C城市的配电网电缆线路绝缘子作为测试对象，根据区域的不同将C城市划分成多个不同的测试区域，对配电网电缆线路绝缘进行测试分析。测试现场如图5所示。

图5 测试现场Fig.5 Test site

(1)选取厚度分别为1～6 mm、7～12 mm的硅橡胶平板，对配电网电缆线路绝缘检测的信号强度进行模拟测试，实验测试分为2个阶段，对比本文所提方法在信号去噪前后的信号强度。具体测试结果见表1。

由表1可知，第1阶段，硅橡胶的厚度为1～6 mm，在此期间，所提方法未进行信号去噪前，它的信号强度持续在0.8 V以下，对其进行信号去噪后，信号强度增强，持续在0.8～1.0 V，可见所提方法去噪后信号强度有着显著的提升。根据第2阶段中的数据发现，当硅橡胶厚度为7～12 mm时，所提方法去噪前后的信号强度都随着硅橡胶厚度的增加而逐渐降低。但从整体来看，所提方法的下降速度较快，而去噪后下降速度迟缓，信号强度高，由此可知所提方法去噪后，无论在哪种阶段进行测试，其信号强度都处于最高状态。综上所述，所提方法经去噪后它的信号强度始终保持最高，这是因为所提方法利用自适应盲源分离法对信号进行去噪处理，以此提升了配电网电源线路绝缘信号的精准度，进而增强了配电网电缆线路绝缘信号强度。

表1 不同阶段下本文方法的信号强度测试Tab.1 Signal strength test of method in this paper at different stages

(2)为了验证配电网电缆线路绝缘在线检测的精准度，采用本文所提方法对绝缘子进行检测，针对不同缺陷尺寸对反射信号强度带来的影响，首先需要对缺陷尺寸进行设置，再利用所提方法对其进行缺陷读数偏移量测试。具体测试结果见表2。

表2 缺陷读数偏移量的影响Tab.2 Influence of defect reading offset

依据表2中的数据发现，当缺陷深度不断增多时，所提方法的缺陷读数偏移量也在持续提升，但在测试期间，所提方法的偏移量持续保持在1 V以下，说明缺陷深度给所提方法带来的影响较小，致使所提方法的缺陷读数偏移量上升速度缓慢。

(3)在上述实验测试的基础上，针对无缺陷配电网电缆线路绝缘子进行读数偏移量测试，设置正常的读数在0～1.2 V。基于本文所提方法，根据设置的固定阈值范围，若检测结果在设置范围内，说明此次检测没有出现偏移，若超出设置范围，说明检测结果出现偏差较大。测试结果见表3。

表3 无缺陷绝缘子的读数偏移量测试Tab.3 Reading offset test of non-defective insulators

根据表3中的数据发现，在7次实验测试中，本文所提方法的读数偏移量一直处于设定的阈值范围内，说明在测试期间所提方法的检测结果没有出现偏移，表明所提方法的准确率较高。

4 结论

在我国电能需求极高的形势下，配电网电缆线路的绝缘性起到决定性作用，它影响着配电网的运行效果。针对配电网电缆线路绝缘检测存在的问题，提出微波反射法的配电网电缆线路绝缘在线检测方法。该方法首先采用小波变换分析法对绝缘信号进行滤波，利用自适应盲源分离法对滤波后的信号进行去噪，以此提升信号精准度，通过微波反射法对配电网电缆线路绝缘进行在线检测，实现检测方法。该方法对配电网电缆线路绝缘在线检测方法的有效性有着显著提升，在今后配电网电缆线路绝缘在线检测方法中占据着重要地位。