基于改进变分模态分解去噪的...亚胺局部放电温-频特性研究_徐黄宽.pdf

2023 年2 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.3 第 38 卷第 3 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.221258 基于改进变分模态分解去噪的高频电应力下聚酰亚胺局部放电温-频特性研究 徐黄宽 张 黎 Bilal Iqbal Ayubi 邹 亮 王 冠（山东大学电气工程学院 济南 250061）摘要 局部放电是导致高频电力变压器中聚酰亚胺（PI）绝缘劣化的重要原因。为研究高频电压下聚酰亚胺局部放电机理，探索温度、频率因素对局部放电特性的影响，建立了高频局部放电测试平台。针对使用脉冲电流传感器采集局部放电信号容易受噪声干扰的问题，采用变分模态分解（VMD）对局部放电原始信号进行去噪。其中，针对 VMD 难以自适应选取分解参数的问题，使用平衡优化器（EO）算法获得最优模态分解个数 K 与惩罚因子。实验获取了 25100四个温度点与 1050kHz 五个频率点下的聚酰亚胺局部放电情况，并分析其变化规律。实验结果表明，温度越大放电起始电压越小，而频率与局部放电起始电压无关；最大放电幅值、总放电幅值和单周波平均放电次数与温度、频率呈正相关；频率越高，温度对局部放电特征量的影响越大，而温度越高，频率对局部放电特征量的影响也更为显著，两者呈现一种耦合促进关系。关键词：局部放电 平衡优化器 变分模态分解 温度 频率 聚酰亚胺 中图分类号：TM855 0 引言 当前能源与电力系统的发展呈现出可再生分布式电源大量接入、大型交-直流电网互联以及电力电子装备广泛应用等新的特征。电力电子变压器（Power Electronic Transformer,PET）是一种新型电力输变电装备，因其两侧电压、电流可控，可任意调节功率因数，改善电能质量的特点，具有非常广阔的应用前景1。高频电力变压器（High Frequency Power Transformer,HFPT）是 PET 的核心组件，负责实现电压等级变换。聚酰亚胺（Polyimide,PI）具有良好的耐高温、耐辐射特性及优异的介电性能，被广泛地应用在 HFPT 的匝间绝缘和对地绝缘中。聚酰亚胺在 HFPT 中的工作环境非常恶劣，通常需要承受 10kHz 以上的高频电压2；同时，高频电压下趋肤效应、邻近效应更为显著，铁耗、铜耗、介质损耗、开关损耗远大于工频情况，使 HFPT 正常工作温升远大于普通变压器3-4，由此带来的电-热耦合应力导致的局部放电（Partial Discharge,PD）是致使材料绝缘失效的主要因素。由于局部放电检测通常处于复杂的电磁环境下，实际采集到的局部放电信号包含着大量的混合噪声，影响检测效果5。目前采用的去噪方法中，小波变换可以用来滤除实验信号中的高斯白噪声，但小波变换难以选择合适的小波基函数和分解层数5-6；经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）算法则存在严重的模态混叠和端点效应7；而变分模态分解（Variational Mode Decomposition,VMD）通过引入变分模型，构造约束模型寻优的方式将原始信号分解为多个单分量模态8，可以有效地避免EMD 方法中的模态混叠现象，但其惩罚因子和分解个数必须事先确定，这两个参数选取不当将严重影响 VMD 算法的分解效果。本文采用改进的 VMD 算法分解 PD 信号，利用平衡优化器（Equilibrium Optimizer,EO）算法优化分解个数 K 与惩罚因子，并以峭度准则确定有效分量，对重构信号使用小波阈值去噪进一步去除残留的白噪声。该去噪方法能有效地抑制 PD 信号中的混合噪声，保留 PD 信号的完整性，有利于局部放电后续的研究。研究表明，温度、频率等影响因子对绝缘的局部放电有很大影响。刘思华等发现电源频率更高时，局部放电起始电压显著降低，放电相位更宽，而单 国家自然科学基金资助项目（52077127,51929701）。收稿日期 2022-06-29 改稿日期 2022-07-29 566 电 工 技 术 学 报 2023 年 2 月 位周期内的平均放电幅值与放电次数先增后降，在20kHz 达到极大值9。A.Cavallini 等研究发现，局部放电幅值随频率的增加而减小10。徐跃等研究了 110kHz 下的聚酰亚胺薄膜局部放电，发现频率增加导致放电残余电荷不易扩散，放电次数增多，高频情况下，温度升高使得局部放电显著增强11。韩帅等模拟了固态变压器中高频正弦电压下聚酰亚胺绝缘的局部放电，发现随着温度升高，最大放电幅值、平均放电幅值与放电次数都显著增大12。罗杨等研究了连续方波脉冲下的聚酰亚胺局部放电特性，发现随着实验温度增加，放电幅值与放电次数均会减小13。现有研究成果均是在不同高频电压参数下对绝缘材料高频放电特性进行的分析与表征，学者们针对温度、频率对绝缘材料高频放电特性的影响给出了不同甚至截然相反的结论。因此，针对温度、频率及二者间可能存在的耦合协同作用对局部放电的影响机理仍需深入研究。本文设计了高频电-热联合局部放电测试平台，实验研究了 25100四个温度点与 1050kHz 五个频率点下的聚酰亚胺局部放电情况，使用 EO-VMD 去噪算法进行数据处理后，统计了局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage,PDIV）、最大放电幅值、放电次数等特征量，分析了温度、频率及二者的耦合协同作用对高频电应力下聚酰亚胺局部放电的影响机理。1 实验平台 1.1 实验平台与试样 选择杜邦公司的 75m 聚酰亚胺薄膜作为试样。高频局部放电测试平台如图 1 所示。其中，高频高压电源可以输出峰-峰值为 020kV、频率为 550kHz 的高频正弦电压，通过调频单元档位可实现频率的连续可调。由于球-板电极之间存在稍不均匀电场，兼有法向和切向电场分量，选择球-板电极模拟 HFPT 中 PI 所承受的实际电场，其尺寸参考国际标准 IEC 602431:2013绝缘材料电气强度试验方法 第一部分：工频下试验，其中，球电极直径为 20mm，板电极厚为 10mm、直径为 75mm。基于高频电应力下 PD 信号宽频带、低幅值的特点，选择测量带宽 10kHz100MHz 的ETS93686 型脉冲电流传感器采集 PD 信号。采用泰克 MDO3024 四通道示波器同时采集高频正弦信号和局部放电信号，并将实时采集的数据上 图 1 高频局部放电测试平台 Fig.1 High frequency partial discharge test platform 传到计算机中保存。1.2 实验流程 选择 25、50、75、100四个温度点与10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz 五个频率点进行实验。首先，设定恒温老化箱加热温度，升温至设定值后在该温度稳定持续 30min。参考工频下局部放电短时快速升压方法，选取 200V/s 作为升压速度，在不同温度、频率条件下施加电压至初次产生重复性放电脉冲，观察并记录此时电压幅值即局部放电起始电压。实验发现，同一温度不同频率下的 PDIV 大致相同，室温下 1050kHz 实验中 PDIV均为 1.30kV 左右。不同温度下 PDIV 略有差异，总体随温度增大而降低。不同温度、频率条件下局放起始电压见表 1。表 1 不同温度、频率条件下局部放电起始电压 Tab.1 PDIV under different temperatures and frequencies 温度/PDIV/kV 10kHz 30kHz 50kHz 25 1.320.2 1.330.1 1.290.2 50 1.300.1 1.280.1 1.270.1 75 1.280.2 1.280.2 1.260.1 100 1.220.2 1.250.2 1.240.1 选择 PDIV 的 1.52 倍作为不同实验条件下的局部放电测试电压14，保持每次实验在 2.5kV 恒电压条件下进行，每个实验条件下重复进行五组实验。使用上述 PD 数据采集存储系统记录局部放电的幅 第 38 卷第 3 期 徐黄宽等 基于改进变分模态分解去噪的高频电应力下聚酰亚胺局部放电温-频特性研究 567 值与相位。为避免电极在高温下发生氧化或熔融产生表面杂质，影响电极表面光滑度并对实验结果产生影响，放电实验后应使用酒精擦拭电极表面15。2 EO-VMD 与小波阈值函数联合去噪 实验过程中，脉冲电流传感器所测得数据中会存在大量噪声信号，包括外部空间电磁干扰、测量仪器电源线引入电磁干扰、接地线干扰等，因此直接使用原始数据无法准确获得局部放电的特征量，而使用 EO-VMD 与小波阈值函数联合的去噪算法可以实现对局部放电信号的良好滤波效果。2.1 VMD 原理 VMD 是一种非递归、准正交的自适应模态分解算法，它需要构建一个变分模式分解模型，在模型框架中不断迭代，获得使各模态分量估计带宽之和最小的最优解16，最后将原始信号分解为一系列有限带宽的本征模态函数（Band-limited Intrinsic Mode Function,BIMF）。各模态分量彼此相互独立，有效抑制了 EMD 算法存在的模态混叠现象。VMD将输入信号 f(t)分解为 K个模态函数ui(t)，i=1,2,K。构建的约束变分模型为 ()()()()2j2j+emins.t.iiititiiiuu tutttf t=，（1）式中，i为各固有模态分量对应的中心频率；(t)为单位脉冲函数。在模型框架中求解式（1）的最优解，引入拉格朗日乘法算子(t)使约束变分问题转化为非约束变分问题，则扩展的拉格朗日表达式为()()()()()()()()()()2j222j,+e,2itiitiiiiiiLu ttttf tu tu ttf tu t=+（）式中，为惩罚因子，保证噪声条件下信号的重构精度；,a b为变量 a 与 b 求内积。使用交替方向乘子算法（Alternate Direction Meth-odof Multipliers,ADMM）迭代求取增广拉格朗日函数的“鞍点”，即为原约束变分问题的最优解。2.2 平衡优化器 平衡优化器是一种基于质量平衡方程启发的优化算法，即控制体积内输入、输出和产生的质量守恒17。首先根据预设的粒子数和维数在搜索空间中随机均匀构造初始种群，即 ()0minmaxmin1,2,iiCCr CCin=+=,（3）式中，Cmin和 Cmax分别为待优化变量的最小值和最大值；ri为0,1之间的随机数；n 为种群数。然后基于粒子适应度函数的排序确定平衡候选解。平衡池eq,poolC中的前四项为当前迭代中适应度值前四位的粒子，有助于提高全局搜索能力；第五项为前四项的算术平均值，有助于提高局部开发能力，即 eq,pooleq,1eq,2eq,3eq,4eq,ave,CCCCCC=（4）指数项系数 F 用于平衡算法的探索和开发。其中，时间 t 定义为迭代函数，随着迭代次数的增加而减少。产生率 G 通过改进开发阶段提供精确解。0()0et tGG F=（5）其中 ()1eq202GG0.50 Ps CCsPGs=（6）式中，s1,s2,为0,1之间的随机数；PG为产生概率，用于控制探索和开发能力，在 PG=0.5 时，探索和开发能力达到平衡；G0为初值，受产生概率 PG控制；C 为使用产生项更新状态的粒子；Ceq为平衡池Ceq,pool中随机一项。经过对质量平衡方程的改进与抽象处理，EO 算法的更新规则为 ()()eqeq+1GCCF CCFV=+（7）式中，V 为单位体积。2.3 基于 EO 算法优化的 VMD 去噪过程 VMD 算法分解效果受分解个数 K 和惩罚因子 的影响。K 选取不当时，会出现过分解和欠分解；惩罚因子 影响 VMD 分解得到的 BIMF 的带宽。因此，需根据 PD 信号特点合理选择分解参数。为了更好地保留 P