CN105004412A - 一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法，系统包括麦克风支架、噪声传感器阵列、振动传感器、数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块以及辅助设备；噪声传感器阵列由固定布置在麦克风阵列支架上的多个麦克风组成，各个麦克风分别布置在田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆上；田字阵列中心安装有用于拍摄被测对象照片的照相机。方法包括步骤：系统的搭建与连线；测试系统自检；阵列位置选择；阵列校准；声源定位成像；振动测量；阵列拆除。本发明采用田字形麦克风阵列提高系统在低频段噪声信号进行声源定位的精度，加入振动监测实现振动信号与噪声信号同步测量，提高变压器、电抗器的低频段噪声源定位精度。

Description

一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法

技术领域

本发明涉及输变电设备状态检修领域，具体涉及一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法，实现定位变压器、电抗器噪声源，同时测量变压器、电抗器振动信号。

背景技术

随着电力事业的发展，变压器、电抗器噪声振动所带来的危害越来越多地受到人们的关注。近年来，大型特高压变压器、电抗器的噪声振动问题越来越突出，而在该领域国内的研究一直比较少，噪声的实验研究基本还停留在测量声压级、频谱的阶段，这些研究远不能满足深入了解大型变压器、电抗器振动噪声产生传播机理、进一步降低大型变压器、电抗器噪声需求。实践表明，变压器、电抗器有着异常的振动噪音信号时，往往会对应着特定的缺陷或故障，但现阶段我国的大型变压器、电抗器振动噪声故障监测还处于起步阶段，由于大型变压器、电抗器结构复杂，理论计算很难准确分析出噪声的产生及传播规律。

基于传声器阵列的波束形成声源识别方法(beamforming)，是将一组传声器按一定的方式布置在空间的不同位置上，组成传声器阵列来接收声音信号，经过适当的延迟求和处理，进而提取声源位置等信息。将噪声源空间分布与被测目标的光学照片叠加形成“声音照片”。“声音照片”直观地显示被测目标噪声的二维平面位置。

波束形成技术是一种利用传声器阵列获取高度方向性波束特征的方法。假设的平面波声源入射到阵列，波束形成输出公式为：

式中是聚焦方向为时的输出，P₀为平面波幅值，M是传声器个数，为聚焦方向的波数向量，为平面波真实发生方向的波数向量，为与之差，为第m号传声器位置向量，为传声器阵列的阵列模式，是反映传声器阵列性能的一个重要参量。当聚焦方向与平面波传播方向一致时，阵列模式取得最大值，称为“主瓣”，否则结果衰减，称为“旁瓣”。旁瓣相互叠加形成“鬼影”，旁瓣鬼影影响波束形成声源识别的精度和准确性。

波束形成传声器阵列的性能主要体现在分辨率、截止频率、有效动态范围三个方面。分辨率主要体现于主瓣的宽度，主瓣越窄，分辨率越好。用声源平面上能被准确区分的两个声源间的距离表征分辨率，根据瑞利准则，得出其公式如下：

其中α为阵列系数，对于线性阵列，α＝1，对于圆形平面阵列，α＝1.22；z为声源平面与阵列平面间的距离；λ为声波的波长。可见分辨率与阵列孔径尺寸D、信号频率f、阵列张角θ等因素有关，且D或f越大，θ越小，分辨率越好。

截止频率由混叠现象引起，是波束形成可准确识别信号的最高频率，其值越高越好，由空间采样定理得出截止频率公式如下：

其中，c为声速。显然，阵列张角θ和传声器间隔d越大，截止频率越低。阵列孔径尺寸D、传声器数目M相互作用共同影响传声器间隔d，进而影响截止频率的高低。

有效动态范围定义为最大旁瓣水平相对于主瓣峰值的差值，主要体现于波束形成输出阵列模式径向分布函数及最大旁瓣水平函数。阵列模式径向分布函数和最大旁瓣水平函数公式如下：

可见其值的大小主要取决于传声器阵列的阵列模式而由式(2)可得，阵列模式与有关，取决于传声器的布置形式。

传声器阵列是由一定数量的传声器按照一定的空间几何位置排列而成的。阵列参数包括传声器的数目，阵列的孔径大小，传声器间距，传声器的空间分布形式等几何参数；另外还包括指向性，波束宽度，最大旁瓣级等衡量阵列性能优劣的特征参数。设计一个好的阵列，需要考虑实际被测对象的特征及需求。

传声器的数目和阵列孔径决定了一个阵列实现的复杂程度。阵列的传声器个数越多，布线方式越复杂。阵列孔径表示的是阵列在空间占据的体积，阵列孔径越大，结构实现越困难。传声器数目还影响阵列增益。由于阵列是在噪声背景下检测信号的，阵列增益是用来描述阵列作为空间处理器所提供的信噪比改善程度。一般来说，传声器数目和阵列增益成正比。

设计麦克风阵列设计时一般都根据被测对象的噪声特性进行针对性设计。变压器、电抗器的噪声声源分为本体噪声和冷却系统噪声。铁心的硅钢片在交变磁场的作用下，长度发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动。绕组在漏磁场电磁力作用下使一些部件产生振动，引起噪声。铁心电磁吸力和磁致伸缩、绕组间电动力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸缩等所产生的电磁噪声，一起构成变压器、电抗器的本体噪声，该噪声由油箱传递给外界，和冷却系统产生的空气动力噪声相叠加，构成变压器、电抗器的总体噪声。

变压器、电抗器噪声主要是两倍电源频率为其基频(100HZ)的具有明显谐波成分的低频噪音。主要频段是100HZ、200HZ、300HZ、400HZ、500HZ。在设计阵列时，根据公式(3)，为了使阵列分辨率更高(即更小)，尽量选取较小的声源与阵列距离z；以及扩大阵列孔径D。

专利《一种应用在变压器及电抗器上的噪声源定位装置》(CN201320007114.X)公开了一种应用在变压器、电抗器上的噪声源定位装置，采用声成像技术，通过十字型麦克风传感器阵列采集变压器、电抗器的声波信号，计算各传感器接收到的信号的相位差，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即声像图，其中以图像的颜色和亮度代表声音的强弱。将声像图与阵列上配装的摄像头(照相机)所拍的视频图像以透明的方式重叠在一起，就可以直观分析变压器、电抗器的噪声状态。使用的阵列为十字规则整列，使用40个麦克风，麦克风间距为0.1米，麦克风孔径为2米。阵列的成像结果数值模拟如图3所示。

然而，经实践现场实验发现此阵列对变压器、电抗器本体的低频噪音分辨率不够，在针对大型变压器低频段噪声信号进行声源定位时，存在定位模糊，精度不高的问题，同时存在无法同步测量变压器、电抗器振动信号的缺陷。主要制约因素是阵列孔径太小，大型变压器尺寸较大(截面尺寸大约为5*6米)，为了包含整个变压器截面，阵列需离变压器距离较远，这样就降低了分辨率。另外变电站现场安全要求较高，阵列摆放位置往往受限。为了提高阵列低频分辨率、抑制旁瓣鬼影以及抗混叠的能力，必须扩大阵列的有效动态范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足之处，提供一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法，采用田字形麦克风阵列提高系统在低频段噪声信号进行声源定位的精度，加入振动监测并实现振动信号与噪声信号的同步测量，提高变压器、电抗器的低频段噪声源定位的精度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：它包括麦克风支架、噪声传感器阵列、振动传感器、数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块以及辅助设备；

所述麦克风支架由麦克风阵列支架以及麦克风三脚架构成，所述麦克风阵列支架用于固定噪声传感器阵列，麦克风阵列支架由田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆组成，麦克风阵列支架固定在麦克风三脚架上；

所述噪声传感器阵列由固定布置在麦克风阵列支架上的多个麦克风组成，用于适应变压器、电抗器低频噪声源定位，各个麦克风分别布置在田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆上；田字阵列中心安装有用于拍摄被测对象照片的照相机；

所述振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器被测对象的预定位置，用于采集被测对象的振动信号；

所述数据采集系统包括多个采集卡，各个采集卡通过通信电缆与噪声传感器阵列的各个麦克风以及振动传感器连接，实现噪声、振动信号的采集；

所述麦克风阵列成像模块用于定位噪声源，麦克风阵列成像模块内集成了噪声、振动信号的时域及频域分析算法模块(在NI LabView软件平台上编写，采用传声器阵列的波束形成声源识别方法beamforming)，将静止或运动的被测对象的噪声分布与图片或视频叠加，生成声音图片或声音视频，直观显示被测对象的噪声分布；

所述噪声振动测试模块用于完成信号采集、存储、回放、分析、和报告生成功能(基于NI LabVIEW开发，配合NI的数据采集系统，满足多种数据采集与振动噪声应用需要，可采集噪声、振动等多种类型信号并无间断连续采集存储，分析和信号处理功能包括滤波、积分、微分、功率谱、时频分析、倍频程Octave等)；

所述辅助设备包括电源线盘以及显示器，所述麦克风支架用于固定噪声传感器阵列，电源线盘用于现场取电，显示器用于现场测量操作及数据显示。

按上述方案，所述噪声传感器阵列的各个麦克风的布置位置为：若干麦克风等间距安装在田字支架中心十字形部分，若干麦克风等间距安装在田字支架四周正方形部分，若干麦克风等间距安装在田字支架左、右、上引出的支杆上。

按上述方案，所述麦克风阵列支架为2m*2m的田字支架与田字支架左、右、上各引出的1m支杆构成的4m*3m支架结构，田字支架中心2m*2m的十字形部分横竖分别安装10枚间距0.2m的麦克风；田字支架四周2m*2m的正方形部分安装16枚麦克风，正方形每边放置4个间距0.4m的麦克风；田字支架左、右、上各引出的1m支杆上分别安装2枚间距0.5m的麦克风(田字支架中心十字形20枚、四周正方形16枚、支杆6枚，总计支架42枚麦克风)。

按上述方案，所述麦克风采用北京声望公司的MPA416型，1/4英寸预极化自由场测量传声器(灵敏度‐50mV/Pa、本底噪声29dBA、频率响应范围20Hz～20kHz，同时相位差可控制在3-5°之内以符合噪声阵列的要求)。

按上述方案，所述照相机采用佳能IXUS 132型卡片机。

按上述方案，所述振动传感器采用美国Dytran3100D24型通用型加速度传感器(主要参数：灵敏度±1000Mv/g、量程±5g、频响(±5％)1-1000Hz、温度范围-51–121℃，满足变压器振动信号以100Hz及其倍频信号为主的特点)。

按上述方案，所述数据采集系统采用NI-PXI数据采集系统，系统主要包括嵌入式控制器、采集卡，所述嵌入式控制器选用NIPXI-8106(配有IntelCore2DuoT7400，2.16GHz双核处理器和双通道667MHzDDR2内存双核处理器)，所述采集卡选用NIPXI-4472动态信号采集模块(共6块，每块采集模块可进行8通道动态信号采集以及高精度频域测量，集成了用于振动传感器和麦克风的集成电路压电式(IEPE)信号调理单元，可在直流到45kHz的带宽上同时数字化多路输入信号)。

本发明还提供了一种利用上述改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统进行现场测量方法，包括如下步骤：

1)系统的搭建与连线：先搭好麦克风阵列支架，然后固定到麦克风三脚架上，再安装噪声传感器阵列的各个麦克风，然后通过通信线缆一一连接麦克风和数据采集系统的采集卡，数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块均设置在PXI机箱内；

2)测试系统自检：系统搭建完成，线路连接完毕之后，开启PXI机箱，打开麦克风阵列成像模块，采集声音信号，观察所有通道柱状图，检查是否所有通道运行正常，有无连线不紧、麦克风损坏、采集卡异常情况；

3)阵列位置选择：噪声传感器阵列在满足尽可能靠近变压器的位置的同时满足包括整个变压器，且立体角小于45度；同时为了避免噪声传感器阵列的噪声干扰，噪声传感器阵列隔离附近频段与变压器、电抗器相同的强声源干扰；

4)阵列校准：用于将阵列成像结果同光学照片对应，对于平面二维成像时，校准时将2个扬声器分别放置在成像平面的左下和右上并拍照，分别开启2个扬声器，同时采集声音信号，保存实验数据；导入照片，拖动光标定位到照片上的2个扬声器处，选取对应的扬声器声源信号，计算保存校准结果；

5)声源定位成像：现场正式测量时，尽量避免人为干扰，保存足够长时间的数据(一般为30秒左右)，一组测量完毕之后，初步查看定位成像结果，观察实验的正确性，再重复做几组测试；

6)振动测量：将振动传感器连接到数据采集系统的采集卡，启动振动测量程序，将振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器器身预定位置，开始测量采集数据，保存约30秒时长的数据之后，更换测点，继续测量，当所有测点测量完毕后，结束振动测量，将振动传感器拆下归置；

7)阵列拆除：将PXI机箱与其他结构之间的连线有序整齐拆除，避免绕线。

按上述方案，步骤1)中将PXI机箱与噪声传感器阵列间隔一定距离(5米左右)放置(避免采集时PXI机箱自身噪声的干扰)。

本发明的有益效果在于：采用田字形麦克风阵列提高系统在低频段噪声信号进行声源定位的精度，加入振动监测并实现振动信号与噪声信号的同步测量，指导现场实际测量工作，提高变压器、电抗器的低频段噪声源定位的精度。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明的田字麦克风阵列结构示意图；

图3为现有技术采用十字阵列的麦克风阵列结构及成像效果；

图4为本发明采用田字阵列的麦克风阵列结构及成像效果。

具体实施方式

下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

参照图1～图2所示，本发明所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统改进了传声器的布置形式，在原来规则的等间距十字结构基础上，采用变间距设计，添加横向纵向传声器。改进之后的阵列孔径从原来的2m*2m，，扩大到了4m*3m，明显提高了低频声音的分辨率。麦克风间距，从原来的均应间隔0.1m，改进成了具有0.2、0.4、0.5m等不同间隔，这种不规则性对抑制旁瓣鬼影，扩大阵列的有效动态范围具有显著的效果。阵列的成像结果数值模拟如图4所示。

现以一现场应用实例来说明本发明的具体实施方式。采用本发明所述的一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法对某变电站内500kV主变压器进行声源定位及振动测量。

以谭家湾变电站500KV变压器测试为例，现场测量方法具体包括如下步骤：

1)首先进行系统的搭建与连线。先搭好麦克风阵列支架，然后固定到麦克风三脚架上，再安装噪声传感器阵列的各个麦克风，然后连接通信线缆，一一对应麦克风传感器和数据采集系统的采集卡的通道，数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块均设置在PXI机箱内；通信线缆较多而且比较长，安装连线时要格外注意，连线时注意分批次，有顺连接，避免线头不牢，线头受力，移动时出现拉线绕线等情况；接线完成后逐一检查，避免错接线；为了避免采集时PXI机箱自身噪声的干扰，将PXI机箱放置在距离阵列5米左右。

2)系统搭建完成，线路连接并检查完毕之后，开启PXI机箱，打开麦克风阵列成像模块，采集声音信号，观察所有通道柱状图，检查是否所有通道运行正常，若有某通道运行不正常，可能存在连线不紧，麦克风损坏、采集卡异常等情况，排除异常后继续测量。

3)接下来进行阵列位置的选择。依据式(2)，为了获得较高的定位分辨率，理论上阵列越靠近变压器越好(d更小)，但阵列成像必须要包括整个变压器，且立体角一般要求小于45度。麦克风阵列距被测变压器表面6m左右，麦克风阵列的孔径这里可以取4m，从公式(3)可以得出：当频率取1000HZ时分辨率为0.25m，此变压器的主体尺寸约为5*6m，此分辨率满足精度要求。根据公式(4)截止频率为2300Hz附近，高于变压器、电抗器噪声主要频率范围，符合要求。此阵列的有效动态范围通过前期数值模拟、及模拟实验检验，旁瓣及鬼影均得到了有效抑制，均满足实验要求。

4)为了将阵列成像结果同光学照片对应起来，不同被测物体测试前必须进行校准。校准时将2个扬声器分别放置在成像平面的左下和右上并拍照，分别开启2个扬声器(扬声器声音频率固定为1KHz，扬声器声压要能够从背景噪音中区分出)，同时采集声音信号，保存实验数据，运行照片校准程序，导入照片，拖动光标定位到照片上的2个扬声器处，选取对应的扬声器声源信号，计算保存校准结果。

5)现场正式噪声源定位测量时，尽量避免人为干扰(让人员停止谈话、走动，停止其他产生噪声的工作)，保存足够长时间的数据，一般为30秒左右，一组测量完毕之后，最好初步查看定位成像结果，观察实验的正确性，再重复做几组测试，便于以后的详细分析，定位结果见附图4。

6)然后进行振动测量试验，将振动传感器连接到数据采集系统的采集卡，启动振动测量程序，将振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器器身预定位置，开始测量采集数据，保存约30秒时长的数据之后，更换测点，继续测量，当所有测点测量完毕后，结束振动测量，归置好振动传感器。

7)最后拆除阵列及机箱等仪器，整套系统较多连线复杂，为了下次实验时安装方便，拆除时要有序，整齐，避免绕线。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：它包括麦克风支架、噪声传感器阵列、振动传感器、数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块以及辅助设备；

所述麦克风支架由麦克风阵列支架以及麦克风三脚架构成，所述麦克风阵列支架用于固定噪声传感器阵列，麦克风阵列支架由田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆组成，麦克风阵列支架固定在麦克风三脚架上；

所述噪声传感器阵列由固定布置在麦克风阵列支架上的多个麦克风组成，用于适应变压器、电抗器低频噪声源定位，各个麦克风分别布置在田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆上；田字阵列中心安装有用于拍摄被测对象照片的照相机；

所述振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器被测对象的预定位置，用于采集被测对象的振动信号；

所述数据采集系统包括多个采集卡，各个采集卡通过通信电缆与噪声传感器阵列的各个麦克风以及振动传感器连接，实现噪声、振动信号的采集；

所述麦克风阵列成像模块用于定位噪声源，麦克风阵列成像模块内集成了噪声、振动信号的时域及频域分析算法模块，将静止或运动的被测对象的噪声分布与图片或视频叠加，生成声音图片或声音视频，直观显示被测对象的噪声分布；

所述噪声振动测试模块用于完成信号采集、存储、回放、分析、和报告生成功能；

所述辅助设备包括电源线盘以及显示器，所述麦克风支架用于固定噪声传感器阵列，电源线盘用于现场取电，显示器用于现场测量操作及数据显示。

2.根据权利要求1所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述噪声传感器阵列的各个麦克风的布置位置为：若干麦克风等间距安装在田字支架中心十字形部分，若干麦克风等间距安装在田字支架四周正方形部分，若干麦克风等间距安装在田字支架左、右、上引出的支杆上。

3.根据权利要求2所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述麦克风阵列支架为2m*2m的田字支架与田字支架左、右、上各引出的1m支杆构成的4m*3m支架结构，田字支架中心2m*2m的十字形部分横竖分别安装10枚间距0.2m的麦克风；田字支架四周2m*2m的正方形部分安装16枚麦克风，正方形每边放置4个间距0.4m的麦克风；田字支架左、右、上各引出的1m支杆上分别安装2枚间距0.5m的麦克风。

4.根据权利要求1所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述麦克风采用北京声望公司的MPA416型，1/4英寸预极化自由场测量传声器。

5.根据权利要求1所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述照相机采用佳能IXUS 132型卡片机。

6.根据权利要求1所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述振动传感器采用美国Dytran3100D24型通用型加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：所述数据采集系统采用NI-PXI数据采集系统，系统主要包括嵌入式控制器、采集卡，所述嵌入式控制器选用NIPXI-8106，所述采集卡选用NIPXI-4472动态信号采集模块。

8.一种利用上述权利要求1-7任意之一所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统进行现场测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)系统的搭建与连线：先搭好麦克风阵列支架，然后固定到麦克风三脚架上，再安装噪声传感器阵列的各个麦克风，然后通过通信线缆一一连接麦克风和数据采集系统的采集卡，数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测试模块均设置在PXI机箱内；

2)测试系统自检：系统搭建完成，线路连接完毕之后，开启PXI机箱，打开麦克风阵列成像模块，采集声音信号，观察所有通道柱状图，检查是否所有通道运行正常，有无连线不紧、麦克风损坏、采集卡异常情况；

3)阵列位置选择：噪声传感器阵列在满足尽可能靠近变压器的位置的同时满足包括整个变压器，且立体角小于45度；同时为了避免噪声传感器阵列的噪声干扰，噪声传感器阵列隔离附近频段与变压器、电抗器相同的强声源干扰；

4)阵列校准：用于将阵列成像结果同光学照片对应，对于平面二维成像时，校准时将2个扬声器分别放置在成像平面的左下和右上并拍照，分别开启2个扬声器，同时采集声音信号，保存实验数据；导入照片，拖动光标定位到照片上的2个扬声器处，选取对应的扬声器声源信号，计算保存校准结果；

5)声源定位成像：现场正式测量时，避免人为干扰，保存足够长时间的数据，一组测量完毕之后，初步查看定位成像结果，观察实验的正确性，再重复做几组测试；

6)振动测量：将振动传感器连接到数据采集系统的采集卡，将振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器器身预定位置，开始测量采集数据，保存约30秒时长的数据之后，更换测点，继续测量，当所有测点测量完毕后，结束振动测量，将振动传感器拆下归置；

7)阵列拆除：将PXI机箱与其他结构之间的连线有序整齐拆除，避免绕线。

9.根据权利要求8所述的改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统进行现场测量方法，其特征在于：步骤1)中将PXI机箱与噪声传感器阵列间隔一定距离放置。