基于EMD 分解的泄漏电流偏移补偿分析

李意星

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

1 人工雾室试验

1.1 接触网绝缘子在线监测装置

接触网绝缘子在线监测装置分4 部分，即前端测量传感器、数据处理模块、无线发送模块和上位机软件。前端测量传感器的作用是感应接触网绝缘子泄漏电流以及相对应的环境温湿度信息，由温湿度传感器和泄漏电流传感器组成；数据处理模块负责采集泄漏电流、温湿度信息并存储数据，进而处理采集的数据，主要由微处理器、信号调理电路、数据存储单元及信号采集电路组成；无线发送模块的主要作用是完成数据结果的发送；上位机软件可以实现系统自检、历史数据查询、设置初始参数、运行参数等功能。

接触网绝缘子污秽在线监测装置由专用小电流传感器、监测分析仪和远程数据管理站等组成。

接触网绝缘子污秽在线监测装置主要测量污秽绝缘子稳态泄漏电流和临近污闪时的脉冲电流，电流幅值范围一般在几十微安到几百毫安，具有频率高、变化范围大等特点。测量稳态电流的传感器要求铁心材料具有高导磁、线性工作范围要宽的特点，而测量闪络脉冲电流的传感器要求铁心材料具有相对磁导率高、剩磁小、频带响应宽的特点。由此，系统选取单匝穿芯式电流互感器制成的高灵敏度闭合式泄漏电流传感器[1]。

1.2 试验原理

本试验根据GB/T 4585—2004《交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》，将绝缘子按照一定角度安装在3m×3m×3m 的人工雾室中，由蒸汽发生器产生蒸汽清洁雾对污秽绝缘子进行湿润。

试验电源由250kW 发电机提供，调压变压器，工频试验变压器，其额定容量为100kV·A、额定电流为1A，以及水电阻保护装置组成，满足GB/T 4585—2004 的要求。

1.3 试验过程

1.3.1 电流传感器测试

穿心式电流传感器不会产生电流泄放现象，但是由于泄漏电流比较小，现场环境干扰不能忽略，将产生一个对周围环境的感应信号。利用在线监测装置检测电流传感器对周围环境的感应，得到如图1 所示信号。之后利用函数发生器产生一个模拟电流信号（标准正弦信号），并用同一套在线监测装置检测该模拟信号（见图2）。

图1 感应信号波形

图2 给定模拟电流信号

如图1 所示，环境产生的感应电流很小，随着时间的增长，成直线状，可对感应信号求均值，用该均值模拟感应信号。计算出的均值形成的直线大小为0.159 8，与实测曲线的拟合优度大于0.9（0.915 40），因此，该直线是合理的。

由图2 可以看出，采集的给定模拟电流信号发生了偏移，通过均值直线对给定信号进行偏移矫正，结果如图3 所示。

由图3 可以看出，给定信号的偏移得到了有效的改善，证明电流传感器对周围环境的感知会对采集信号造成偏移。

1.3.2 人工污秽试验

本试验试品采用憎水性强、质量轻、强度高以及耐老化的棒形复合绝缘子FQBJ-25/8-760P。根据电气化铁路标准TB/T 2007—1997《电气化铁路接触网绝缘污秽等级标准》配置了3 种污秽度的污物分别涂刷3 支标准试品，其中ESDD 为等值盐密，NSDD 为灰值盐密。采用固体涂污法涂刷绝缘子，将试品涂好垂直悬挂24h 自然阴干。

图3 给定信号偏移矫正

模拟棒形腕臂复合绝缘子现场安装方式，将污秽绝缘子以一定的安装角度固定在特定机械架上。由蒸汽发生器产生蒸汽清洁雾对污秽绝缘子湿润，湿润后给污秽绝缘子施加25kV 交流电压，同时利用接触网绝缘子污秽在线监测装置进行在线实时监测，并实时记录污秽绝缘子的泄漏电流和温湿度数据。

1.4 试验数据采集

1.4.1 污秽部分湿润条件下的泄漏电流

将3 支试品依次安装在人工气雾室中，分别受潮10min（无加雾操作）并测量该气雾室的温度、相对湿度。在该条件下，绝缘子污秽受潮后为部分湿润。分别针对试品1#、2#、3#进行人工污秽试验。测量每组试验的温度和相对湿度，得出数据。选取此环境下复合绝缘子加压运行稳定后的一段数据，绘制泄漏电流波形。

1.4.2 污秽完全湿润条件下的泄漏电流

将3 支试品依次安装在人工气雾室中，分别受潮10min（加雾操作）并测量该气雾室的温度、相对湿度。在该条件下，绝缘子污秽受潮后为完全湿润。分别针对试品1#、2#、3#进行人工污秽试验。

测量每组试验的温度和相对湿度，得出数据。选取此环境下复合绝缘子加压运行稳定后的一段数据，绘制泄漏电流波形。

2 试验数据分析

2.1 经验模态分解

经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）分解的实质是一个筛选过程，EMD 分解的具体操作步骤，得到信号x（t）经EMD 分解后可表示为：

式中，imfi（t）为原信号按由高到低的瞬时频率分解得到的第i个IMF（信号基本模式分量），rn（t）为信号x（t）的中心趋势。

2.2 偏移分析

任取一段时间内的试验泄漏电流信号，对信号进行EMD分解，并从原信号中除去趋势项，进行偏移矫正。可以明显看出信号偏移得到了良好改善。

对污秽部分湿润的情况下的泄漏电流进行EMD 分解，然后消除偏移，选取平均值为参考量，计算矫正前后泄漏电流平均值。

对污秽完全湿润的情况下的泄漏电流进行EMD 分解，然后消除偏移，计算矫正前后泄漏电流平均值（见表1 和表2）。

表1 部分湿润泄漏电流平均值

表2 完全湿润泄漏电流平均值

由实验数据可以看出，泄漏电流在矫正前平均值约为0.16mA，与环境感应电流测试结果0.159 8 接近。利用EMD 分解趋势项矫正后的泄漏电流平均值接近零，由此可见，泄漏电流偏移得到了有效的矫正。

3 结论

接触网污秽绝缘子在线监测装置中电流传感器对周围环境的感应信号对采集数据造成了偏移，这是系统本身造成的，不可避免，但是利用EMD 分解的趋势项可以有效地改善泄漏电流信号偏移的问题，为进一步分析泄漏电流特性奠定了良好的基础。