基于聲陣列的變電站設備聲源識別分析

袁國剛 何益豪

摘要：針對現有的聲學檢測方法無法準確識別電力設備噪聲源的現象，開展了基于聲陣列的變電站設備聲源識別技術研究，并在某特高壓變電站開展了測試應用，分別測試了架空母線、變壓器及電抗器設備，分析結果表明：聲陣列測試技術可以在變電站內的復雜環境中準確識別出電暈放電、風機噪聲、機械振動異常等噪聲源。

關鍵詞：聲陣列;聲源識別;噪聲源

0? ? 引言

隨著社會經濟的快速發展，近些年電力需求的增長也在加快，電網運行電壓等級逐步提高，這對電網供電的可靠性和安全性提出了更高的要求[1-2]。變電站內的電力設備在運行過程中通常都會產生振動，振動信號特征是表征機械特性的重要指標，設備的大量運行狀態信息都存在于設備振動信號中，通過對這些狀態信息進行有效挖掘，就可以實現敞開式設備的缺陷分析診斷。設備在產生振動的同時都會伴隨相應的可聽聲波信號，振動和可聽聲波信號有很強的耦合性，相比于振動信號的采集分析，聲信號的獲取不需要接觸設備，使得采用聲信號進行故障診斷具有傳感器布置靈活、裝置簡單、對設備影響小、測量簡單快捷等特點[3-5]。

在電磁應力及機械振動傳遞等作用下，或是由于固有機械特性的改變，設備缺陷位置會產生異常的振動，并最終以噪聲的方式輻射出去，設備運行時發出的聲音中含有豐富的狀態信息[6]。通過響度、音色等方面的差異，有經驗的工作人員就可以從嘈雜的聲音中辨別設備異響位置及當前狀態，并根據特征噪聲信號的特點判別異響缺陷類型[7]。但聲信號通常通過空氣傳播采集，因此極易受到周圍環境的干擾，變電站內噪聲環境極為復雜，變壓器、電抗器、GIS等設備運行噪聲混雜，導致所測聲信號實際為多個設備聲場綜合作用的結果，僅憑人耳或者單個的聲音傳感器難以對單一聲源噪聲水平進行準確采集，影響結果分析。

1? ? 聲源識別方法

1.1? ? 傳統噪聲源識別方法

1.1.1? ? 近場測量法

近場測量法需要將聲傳感器放置在距離設備很近的地方，通常小于0.5 m，靠近聲源位置去測量其聲壓級的大小，該方法適合在大型設備上使用，并且所測聲源的位置相距較遠，但一旦周圍存在較大的干擾源，該方法就無法準確使用，無法對較弱的聲源進行辨識。實際工作環境中通常都存在多個聲源，因此該方法并不適合在變電站這種復雜環境內應用。

1.1.2? ? 表面強度法

表面強度法是在設備表面布置一個加速度計測量法向振動速度，進行表面聲場中質點振速的測量，并在加速度計附近布置一個聲傳感器接收聲壓信號，將采集到的振速信號幅值和聲壓信號幅值相乘得到設備表面的聲強大小。該方法的優點是能同時獲得聲強及表面速度信息，便于聲輻射效率計算;缺點是工作量大，并且對于運行中的變壓器、電抗器等電力設備而言，該方法無法實現。

1.1.3? ? 聲強法

首先對變壓器的測量面進行定義并建立測試網格，根據ISO 9614-2（掃描法），數據采集系統控制聲強探頭按照一定順序在測量網格上對變壓器進行掃描測量，并對數據進行存儲。通過分析軟件對采集到的信號進行計算得到變壓器的輻射聲功率及聲場分布。

但對于目前變電站的測試環境和電抗器的尺寸來說，聲強法同時測量的點數少，測量時間長（不符合變電站的操作規程），同時聲強法不能測量非穩態噪聲（只能測量穩態噪聲），且存在近場效應誤差、相位不匹配誤差等固有缺陷，因此選用聲強法進行聲源定位實現比較困難。

1.2? ? 基于傳聲器陣列的可視化聲源識別方法

相對于傳統的聲源識別技術而言，基于傳聲器陣列的可視化噪聲源識別技術作為一類新興技術在近年來備受關注。由于測量速度快，計算效率、分辨率高，適宜中長距離測量，對穩態、瞬態及運動聲源均能準確定位，基于傳聲器陣列的可視化噪聲源識別技術被廣泛應用于航空航天、汽車、電子等行業。傳聲器陣列是由一定數量的聲傳感器在空間中按照一定的幾何形狀排列組合而成，常用陣列拓撲結構形式通常有線陣列、十字陣列、星形陣列、三角形陣列、矩形陣列、圓形陣列以及螺旋形陣列等，不同的陣列有著不同的識別效果。通常而言，陣列尺寸越大在低頻的識別效果就越好，而傳聲器數量越多，在高頻的虛像抑制能力就越強;圓形陣列的主瓣寬度最小，螺旋形陣列的識別動態范圍更高[8]。電力設備噪聲源特征頻率散布范圍廣，并且現場測試環境復雜多變，因此在實際應用過程中，合理選擇陣列結構對于噪聲檢測工作有著事半功倍的作用。

基于傳聲器陣列的可視化聲源識別技術基本原理是通過“延時-求和”的過程進行聲場重構，其基本過程是先將聲源測量面劃分網格，由于陣列中傳聲器所處位置不同，聲源信號到達每個傳聲器的時間也有所不同，根據時差對測量面上的網格點依次進行重構并與傳聲器接收到的信號進行疊加，當重構點與聲源位置重合時輸出值最大（主瓣），當網格點與聲源位置不一致時輸出值被減小（旁瓣），從而獲得聲源在測量面上的聲場分布云圖。由于原理原因，測試結果與陣列結構、測試距離、分析方式等都相關。該方法因為計算效率高且性能穩定得到了非常廣泛的應用。

2? ? 變電站聲源定位測試

2.1? ? 試驗儀器

本次測試聲源識別系統選用螺旋形傳聲器陣列，該設備由112個麥克風通道組成，主要針中高頻瞬態和穩態噪聲進行定位，通過波束形成算法實現聲音可視化，具有高動態范圍和分辨率的特點，采樣率48 kHz，動態范圍40 dB，有效成像頻率范圍為450 Hz～20 kHz，適用于放電、站內設備機械缺陷異響識別等場景，具體參數如圖1所示，圖1（b）為陣列對應的響應函數，該陣列突出優點為旁瓣抑制效果突出，在復雜環境下有更好的成像定位精度。