基于聲音在線監(jiān)測的變壓器異常判別方法

譚風雷，張根源，張海華，陳 昊

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京211102）

0 引言

電力變壓器是一種能夠實現(xiàn)電壓轉換的電力設備，可將某一電壓等級的交流電轉化為另一電壓等級的交流電且頻率保持不變。基于電壓變換特性，電力變壓器廣泛應用于電力系統(tǒng)的輸變領域，可有效減少電能的輸送損失，保證輸電效率［1-4］。近年來，隨著電力變壓器的大量應用，其故障頻率日益增加。電力變壓器故障一般包括一般、嚴重和危急3個過程，若能在電力變壓器故障發(fā)生初期，通過某種手段及時發(fā)現(xiàn)故障，即可避免故障擴大，有效提高變壓器的使用壽命［5-9］。

目前，已有大量文獻對電力變壓器故障診斷方法進行了深入研究［10-12］，其診斷原理各不相同，主要包括基于振動信號、聲音特征和絕緣油中溶解氣體含量等3類，文獻［13］采用一種基于振動信號和指標能量的電力變壓器機械故障判斷方法，實現(xiàn)了繞組、鐵芯機械故障的監(jiān)測，并通過試驗進行了驗證。文獻［14］采用一種基于隨機森林和聲音信號特征的電力變壓器機械故障判別方法，并以某臺10 kV變壓器為例，對典型機械故障進行了診斷，準確率高于95%。文獻［15］采用一種基于絕緣油中溶解氣體和深度信念網絡的電力變壓器故障識別算法，通過分析網絡層數和節(jié)點數對基于深度信念網絡故障識別準確率的影響，驗證了方法的可行性。

電力變壓器工作在不同狀態(tài)，其產生的聲音信號不同。當變壓器正常運行時，一般會產生嗡嗡的聲音，且隨著負荷大小的變化而改變；而當變壓器內部故障時，一般會產生噼啪、咕嚕等聲音，這是由于變壓器內部接觸電阻較大或絕緣水平不夠等問題引起的［16-20］。長期以來，變電站工作人員可通過工作經驗來判斷變壓器的故障狀態(tài)，但通過聲音一般只能判斷較為嚴重的故障，而故障初期的異常狀態(tài)是難以判斷的，只有待其進一步發(fā)展成為嚴重故障時才能被發(fā)現(xiàn)［21-24］。為解決此類問題，本文提出了一種基于聲音在線監(jiān)測的變壓器異常判別方法。首先基于電力變壓器結構確定聲音傳感器的安裝位置及數量；然后研究變壓器聲音的特征頻率和基于聲音特征頻率的異常狀態(tài)判別方法；最后通過試驗樣機和現(xiàn)場應用來驗證方法的有效性。

1 基于聲音衰減規(guī)律確定聲音傳感器的安裝位置

變壓器結構示意圖如圖1所示，呈長方體結構，有左側、右側、前部、后部、頂部5個面暴露在空氣中，其中頂部面安裝聲音傳感器較為困難，考慮在左側、右側、前部、后部四個面分別安裝一個聲音傳感器。前部和右側面加裝了風扇，后部和左側面沒有加裝風扇，顯然聲音變化是不同的。

圖1 變壓器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformer structure

假設變壓器的中心點為振源中心，聲音在變壓器內部和空氣中傳播時，聲音的衰減規(guī)律［25-27］是不同的，設聲音在變壓器內部與空氣中的傳播阻抗比為R1，變壓器長度為a，寬度為b，高度為h，則聲音沿變壓器長度方向的衰減聲壓級為

式（1）中，ΔLa表示沿長度方向距離變壓器為r1的衰減聲壓級。

聲音沿變壓器寬度方向的衰減聲壓級為

式（2）中，ΔLb表示沿寬度方向距離變壓器為r2的衰減聲壓級。

設變壓器振源中心的聲壓級為L0，則聲音沿長度和寬度方向的聲壓級衰減率為

式（3）中，ka表示聲音沿長度方向的聲壓級衰減率；kb表示聲音沿寬度方向的聲壓級衰減率。

基于聲音衰減規(guī)律的聲音傳感器安裝位置應滿足：

式（4）中，kL表示采樣點的聲壓級衰減率。

另外，變壓器附近環(huán)境較為復雜，還存在設備聲、風聲、雨聲、動物聲和車輛聲等多種干擾噪聲，為保證變壓器聲音的測量精度，需消除干擾噪聲。變壓器周邊有防火墻，其對聲音具有一定阻擋作用，考慮在防火墻外側裝設2個聲音傳感器，用于測量干擾噪聲。

設聲音在防火墻內部與空氣中的傳播阻抗比為R2，防火墻厚度為d，且防火墻距離變壓器距離為c，則外側距離防火墻r3處的衰減聲壓級為

式（5）中，ΔLc表示距離防火墻外側r3處的衰減聲壓級。

距離防火墻外側r3處的聲壓級衰減率為

式（6）中，kc表示距離防火墻外側r3處的聲壓級衰減率；kmin表示聲音傳感器能夠測量的最小聲壓級。

根據前面的分析，6個聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側的聲音傳感器安裝在右側面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，同時ra1和rb1滿足式（4）。

2）左側的聲音傳感器安裝在左側面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時ra2和rb2滿足式（4）。

3）防火墻外側兩個傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時ra3和rb3滿足式（6）。

上述聲音傳感器布置位置主要適用于相鄰兩側均勻安裝風扇，另外兩側未安裝風扇的變壓器風扇排列結構，而變壓器其他風扇排列結構略有差異，但都是基于變壓器各側聲壓級衰減率相等的原則來確定聲音傳感器布置位置的。例如針對自冷變壓器無風扇排列結構，6個聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側的聲音傳感器安裝在右側面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，左側的聲音傳感器安裝在左側面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時ra1、ra2、rb1和rb2滿足式（4）。

2）防火墻外側兩個傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時ra3和rb3滿足式（6）。

針對僅一側安裝風扇（假設為變壓器后部安裝風扇），其余三側未安裝風扇的變壓器風扇排列結構，6個聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側的聲音傳感器安裝在右側面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，左側的聲音傳感器安裝在左側面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，同時ra1、ra2和rb1滿足式（4）；

2）后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時聲音沿寬度方向的聲壓級衰減率大于等于kL；

3）防火墻外側兩個傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時ra3和rb3滿足式（6）。

2 基于聲音信號的變壓器異常判別方法

聲音傳感器安裝位置確定后，為減少現(xiàn)場干擾信號，文中采用滑動平均濾波法對聲音傳感器采集的聲音信號進行濾波處理，設定滑動窗口為50個工頻周期（1 s），即當前工頻周期內聲音傳感器采集的聲音信號經濾波處理后為從當前工頻周期算起前50個工頻周期內聲音傳感器采集的聲音信號平均值。下面研究變壓器異常判別方法，具體流程如圖1所示。

圖2 變壓器異常判別流程圖Fig.2 Flow chart of abnormality judgment of transformer

步驟1：計算變壓器實際發(fā)出的聲音。

將安裝于變壓器前部和右側的2個聲音傳感器采集的聲音濾波信號平均值作為變壓器聲音測量信號1；將安裝于變壓器后部和左側的2個聲音傳感器采集的聲音濾波信號平均值作為變壓器聲音測量信號2；將安裝于變壓器防火墻外側的2個聲音傳感器采集的聲音濾波信號平均值作為干擾聲音。變壓器聲音測量信號1與干擾聲音的差稱為變壓器實際發(fā)出聲音信號1；變壓器聲音測量信號2與干擾聲音的差稱為變壓器實際發(fā)出聲音信號2。

步驟2：提取變壓器聲音的特征頻率。

設變壓器實際發(fā)出聲音信號1和2經傅里葉變換后可表示為

式（7）中，P1表示變壓器實際發(fā)出聲音信號1經傅里葉變換后的頻率向量，P2表示變壓器實際發(fā)出聲音信號2經傅里葉變換后的頻率向量，p1i表示變壓器實際發(fā)出聲音信號1的第i倍頻幅值（50 Hz為基頻），p2i表示變壓器實際發(fā)出聲音信號2的第i倍頻幅值，N表示倍頻數。

對變壓器實際發(fā)出聲音信號1按頻率幅值大小進行排序，設變壓器實際發(fā)出聲音信號1排序第j的頻率對應為f1（j）；對變壓器實際發(fā)出聲音信號2按頻率幅值大小進行排序，設變壓器實際發(fā)出聲音信號2排序第j的頻率對應為f2（j）。

變壓器實際發(fā)出聲音信號1中前n個頻率占比H1（n）為

變壓器實際發(fā)出聲音信號2中前n個頻率占比H2（n）為

根據“二八原則”［28-30］，當H1（n）≥0.8時，認為變壓器實際發(fā)出聲音信號1中排序前n個頻率為變壓器實際發(fā)出聲音信號1的特征頻率；當H2（n）≥0.8時，認為變壓器實際發(fā)出聲音信號2中排序前n個頻率為變壓器實際發(fā)出聲音信號2的特征頻率。

步驟3：計算變壓器正常狀態(tài)的特征頻率。

當變壓器正常運行時，變壓器發(fā)出聲音信號1的典型特征頻率數為n1，其典型特征頻率前第j個頻率幅值為pn1j；變壓器實際發(fā)出聲音信號2的典型特征頻率數為n2，其典型特征頻率前第j個頻率幅值為pn2j。

步驟4：判斷變壓器異常狀態(tài)。

計算變壓器實際發(fā)出聲音信號1的特征頻率與變壓器正常運行時發(fā)出聲音信號1的典型特征頻率距離D1為

計算變壓器實際發(fā)出聲音信號2的特征頻率與變壓器正常運行時發(fā)出聲音信號2的典型特征頻率距離D2為

設變壓器正常時D1≤D1max且D2≤D2max，根據D1和D2判斷變壓器狀態(tài)，判別條件具體如下：

1）當D1＞D1max，且D2＞D2max時，表示變壓器存在異常；

2）當D1＞D1max，且D2≤D2max時，表示變壓器本體正常，變壓器風扇存在異常；

3）當D1≤D1max，且D2＞D2max時，表示變壓器異常判據沖突，需結合變壓器實際狀態(tài)修正判據，當變壓器正常時，需增大D2max，當變壓器異常時，需減小D1max。

變壓器狀態(tài)判別精度受判別閾值D1max和D2max的影響，而判別閾值D1max和D2max的選擇是基于現(xiàn)場實測數據得到的，故變壓器狀態(tài)判別精度受現(xiàn)場實測數據的影響。在現(xiàn)場實際應用時，需要根據實測數據對判別閾值D1max和D2max進行持續(xù)修正，從而不斷提高變壓器狀態(tài)判別精度。當變壓器狀態(tài)判別精度能夠滿足現(xiàn)場實際需求時，此時對應的判別閾值即為最終的判別閾值D1max和D2max。

3 裝置驗證

為驗證變壓器異常判別方法的有效性，本文構建了裝置結構示意圖如圖3所示，主要包括主控電路、傳感器接口模塊、人機交互模塊和通信模塊四個部分，其中主控電路主要用于在線提取變壓器實際發(fā)生聲音的特征頻率幅值，并與變壓器正常運行時發(fā)出聲音的典型特征頻率幅值比較，實現(xiàn)變壓器異常狀態(tài)的判別；傳感器接口模塊是聲音傳感器的接口，將聲音信號轉換為電信號并輸入主控電路，包括濾波電路和信號調理電路，濾波電路主要用于濾除干擾信號，信號調理電路主要用于將聲音信號轉換為主控電路可識別電壓信號；人機交互模塊用于顯示變壓器聲音特征頻率幅值、當前狀態(tài)和歷史狀態(tài)；通訊模塊用于將變壓器狀態(tài)傳送至變電站監(jiān)控后臺，方便變電站工作人員及時掌握變壓器狀態(tài)。

圖3 裝置結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of device structure

結合裝置結構示意圖，本文研制了一套便攜式變壓器異常聲響判別裝置，裝置于2020年9月研制成功后，在江蘇地區(qū)某特高壓變壓器上進行了安裝與使用。使用8個月以來，裝置工作良好，未發(fā)生任何死機、通訊長時間中斷等現(xiàn)象。期間該特高壓變壓器運行正常、未出現(xiàn)任何故障，與本裝置監(jiān)測結果一致，未出現(xiàn)誤告警的情況，表明本裝置在變壓器狀態(tài)監(jiān)測工作中具有一定作用。同時本裝置測量的特高壓變壓器正常狀態(tài)下的聲音信號，有助于進一步補充完善變壓器正常狀態(tài)下的聲音頻率特征，對提高變壓器異常狀態(tài)判別準確率具有重要意義。

4 結語

1）在充分研究電力變壓器結構的基礎上，根據聲音衰減規(guī)律，明確了6個聲音傳感器的安裝位置；

2）根據6個聲音傳感器采集信號計算得到變壓器實際發(fā)出聲音后，基于“二八原則”實現(xiàn)變壓器聲音特征頻率的提取，并通過計算與典型特征頻率的距離，實現(xiàn)變壓器異常狀態(tài)的判別。

3）在充分研究裝置功能結構的基礎上，研制了一套便攜式變壓器異常聲響判別裝置，并在江蘇地區(qū)某特高壓變壓器上進行了試用，現(xiàn)場實際運行效果驗證了裝置的有效性。