CN110703150B - 基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法，属于变压器监测领域。该方法采用结构振动声辐射原理将振动信号与声信号进行耦合分析，将内部声场与振动声辐射进行分离，研究声波穿透油箱壁的透射系数，再逆推得到变压器内部声信号。故障诊断过程采用振动信号和声信号共同分析，得到故障状态的精确结果，并通过传感器阵列实现内部故障点定位。本发明突破了只采用单一信号评估变压器运行状态的局限性，实现了在不停电、不拆卸的前提下对变压器内部声场的测量，在提高检测准确性的同时实现了故障点的准确定位。

Description

基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法

技术领域

本发明属于变压器监测领域，涉及基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法。

背景技术

变压器是输变电系统中非常重要的一个环节，其正常运行对电网的供电可靠性、稳定性和安全性具有十分重要的意义。变压器通常造价昂贵，发生故障必须停电检修，不仅维修费用高、维修时间长，而且会导致大范围停电，造成重大的经济损失，一旦发生重大事故，还会造成人员伤亡，社会影响极为严重。为了避免这些事故的发生，相关的变压器故障检测和状态监测技术必须予以重视。

变压器内部故障主要表现在内部绝缘破损、绕组绝缘破坏、绕组变形、铁芯变形和绝缘油老化等，目前，在变压器故障检测方面采用最多的依然是直流电阻测量、绝缘电阻测量、泄漏电流测量等传统的停电试验的方法，工作繁琐且必须切断供电；而在线监测方法相对比较成熟的是油色谱分析技术，这种方法可以根据油中溶解气体的成分分析变压器的故障类型和故障程度，对于内部绝缘破损和老化的检测效果很好，但该方法缺乏对绕组和铁芯故障的诊断手段，且只能判断故障类型和故障程度，无法对故障点进行定位。

振动检测法是近年来应用到变压器在线监测中的一种新兴技术，其装置轻便、操作简单，检测准确性高，可以实现初步定位，并且与换流变压器没有直接的电气连接，安全性能好，因此成为变压器在线监测领域的研究热点问题。但这种方法依然存在一些局限性，在变压器油箱壁上选取的不同测点测量结果差异很大，加重了后续信号分析的工作难度；仅仅采集油箱壁上的振动信号无法准确还原铁芯、绕组的振动情况；由于变压器结构复杂，无法准确分析其振动信号的传递过程，因此只能初步判断故障点的大概位置，无法实现故障点的准确定位。因此，亟需一种能够通过变压器油箱壁表面信号反映内部铁芯、绕组振动信号的检测方法以及故障点的准确定位方法，进一步提升变压器铁芯、绕组故障监测的准确性，实现故障点的准确定位。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法，该方法包括以下步骤：

(1)油箱壁结构振动声辐射推算；

(2)声振信号的耦合；

(3)传感器的吸声性能；

(4)声波透射系数的计算；

(5)噪声信号分析；

(6)进行声定位。

可选的，所述步骤(1)具体为：

将油箱壁上的测点位置等效为有限空间内的自由边界薄板结构，将薄板按照四节点等参单元网格进行剖分，并使用瑞利积分获得结构表面声压与结构法向振动速度的关系：

{p}＝[Z]{v_n}

其中，{p}为结构表面声压矩阵，[Z]为声阻抗矩阵，{v_n}为结构法向振动速度矩阵，结构法向振动速度由贴合在油箱壁表面的振动传感器获取；

采用振动传感器的振动数据推知油箱壁的表面声压，获取由油箱壁振动产生的声辐射信号，同时振动信号作为故障诊断的依据，用于故障特征频率的提取。

可选的，所述步骤(2)具体为：

将变压器油箱壁外表面产生的振动声辐射等效为一个点声源，将油箱壁内表面等效为一个模拟点声源，声振耦合过程是获得油箱壁内表面模拟点声源声压级的过程；声传感器采集到的声压是两个声源声压在传感器采集点的叠加，采用双声源声压级叠加公式得到内部模拟点声源经过油箱壁后的透射声波的声压级，双声源声压级叠加公式如下：

其中，L_p为叠加声压级，L_P1为声源1的声压级，L_P2为声源2的声压级；

采用振动信号的声辐射分析结果作为外表面等效点声源的声压，采用声传感器采集到的信号作为声压叠加结果，从而获得内部声场穿透油箱壁后的透射声波声压，作为还原内部实际声场的分析基础。

可选的，所述步骤(3)具体为：

依赖声振传感器完成振动信号和声音信号的采集，传感器采用内吸声外隔音的双面材料封装，从而起到隔绝外部干扰噪声，减少内部由壁面多次反射引起混响声的作用，使传感器采集到的信号仅为结构振动声辐射与内部声场透射的叠加信号。

可选的，所述步骤(4)具体为：

变压器内部噪声穿透油箱壁传播出来时，由于要穿过油箱壁，使声波出现大幅度衰减；油箱壁内侧介质为变压器油，油箱壁外侧介质为空气，而油箱壁本身是介质为钢制材料的中间层，声波在透射过程中需要经过三种介质，两个边界层；

声波在介质中的特性阻抗与介质的物理性质有关，结合两个边界层的边界条件并建立三层介质声波透射计算数学模型，得到声波穿透油箱壁的声压透射系数，计算方法如下：

其中，R₁、R₂、R₃分别为三种介质的特性阻抗，k₂为介质2中声波的波数，D为中间层厚度；

采用声振信号耦合处理后的声压信号作为已知信号，运用声波穿透油箱壁的透射系数逆推得到油箱壁内侧的原始声压信号。

可选的，所述步骤(5)具体为：

首先由振动信号的时频域分析初步诊断故障类型和故障程度，提取故障特征频率；然后由内部噪声信号对故障特征频率进行针对分析，进一步实现故障状态的精确诊断。

可选的，所述步骤(6)具体为：

采用立体阵传感器阵列，利用逆推得到的变压器油箱壁内侧噪声信号作为已知信号，采用计算故障特征信号到达各个阵元时间差的方法，结合各个阵元位置关系实现变压器内部的故障空间定位。

本发明的有益效果在于：突破了只采用单一信号评估变压器运行状态的局限性，采用结构振动声辐射原理将振动信号与声信号进行耦合分析，将变压器油箱壁振动的声辐射效果最大程度消除，从而捕获内部振动源产生的原始声信号。通过研究变压器油箱壁材料及内外介质等影响声波传递的因素，得出声波穿透油箱壁的透射系数，从而获得油箱壁内表面声信号。变压器油箱内部可以看做一个由变压器油为介质的有限声场，基于到达时间差的声定位技术和传感器阵列可以实现内部声源定位。与传统振动检测法和噪声检测法相比，采用该方法获得的噪声信号不包含外部设备产生的干扰信号，其绝大部分由内部振动源辐射而来，可以更准确地反映振动源的振动特性；同时，该方法利用外部声振信号还原内部噪声信号，创造性的将变压器的噪声分析转移到油箱内部，实现故障点的准确定位。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为声振传感器结构示意图；

图2为声波穿透油箱壁三层介质透射示意图；

图3为传感器布置示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

(1)参见图1，油箱壁结构振动声辐射推算与声振耦合

将油箱壁上的振动传感器测点位置等效为有限空间内的自由边界薄板结构，将薄板按照四节点等参单元网格进行剖分，并使用瑞利积分获得结构表面声压与结构法向振动速度的关系：

{p}＝[Z]{v_n}

其中，{p}为结构表面声压矩阵，[Z]为声阻抗矩阵，{v_n}为结构法向振动速度矩阵，结构法向振动速度由贴合在油箱壁表面的振动传感器获取。

由于声振传感器内壁采用吸声材料制造，减少了由于内壁反射产生的混响声的干扰，其内部可以看做无限大自由声场。将油箱壁内侧(图1中①所示)作为一个模拟声源，振动的油箱壁产生的声辐射(图1中②所示)作为一个声源，声传感器(图1中③所示)采集到的信号为①的透射波与②的叠加信号。②所示声信号已由结构振动声辐射计算得到，再运用声场叠加原理得到①所示信号的透射声压。双声源声压级叠加公式如下：

其中，L_p为叠加声压级，L_P1为声源①的声压级，L_P2为声源②的声压级。

(2)参见图2，声波透射系数的计算

变压器内部噪声穿透油箱壁传播出来时，由于要穿过油箱壁，使声波出现大幅度衰减。油箱壁内侧介质为变压器油，油箱壁外侧介质为空气，而油箱壁本身是介质为钢制材料的中间层，因此，声波在透射过程中需要经过三种介质，两个边界层。

声波在介质中的特性阻抗与介质的物理性质有关，同时要确定两个边界层的边界条件，对于介质Ⅰ、Ⅱ的边界层，根据其声学边界条件可得：

p_1i+p_1r＝p_2t+p_2r

v_1i+v_1r＝v_2t+v_2r

对于介质Ⅱ、Ⅲ的边界层，根据其声学边界条件可得：

式中p和v分别代表声压和法向振速。

建立三层介质声波透射计算数学模型，可以得到声波穿透油箱壁的声压透射系数，计算方法如下：

其中，R₁、R₂、R₃分别为三种介质的特性阻抗，k₂为介质2中声波的波数，D为中间层厚度。

(3)参见图3，传感器的布置与故障点定位

图3为一种吸附在变压器箱体上的五元立体传感器阵列布置方法，在一侧平面上有四个传感器呈等距正方形分布，另一个传感器在其对侧平面的中点，保证其与正方形传感器阵列的四个元距离相等。经过(1)和(2)所述步骤，已经得到了油箱壁内侧各传感器对应点的声信号，此时的变压器内部空间已经可以作为半自由声场进行分析。采用基于到达时间差的声定位技术，测量五元立体传感器阵列中各元之间的声程差，并从测量信号中提取故障特征信号到达各个阵元的时间差，即可求得故障点的方位角和距离。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于声振耦合信号的变压器内部故障检测与定位方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)油箱壁结构振动声辐射推算；

(2)声振信号的耦合；

(3)传感器的吸声性能；

(4)声波透射系数的计算；

(5)噪声信号分析；

(6)进行声定位；

所述步骤(1)具体为：

将油箱壁上的测点位置等效为有限空间内的自由边界薄板结构，将薄板按照四节点等参单元网格进行剖分，并使用瑞利积分获得结构表面声压与结构法向振动速度的关系：

{p}＝[Z]{v_n}

其中，{p}为结构表面声压矩阵，[Z]为声阻抗矩阵，{v_n}为结构法向振动速度矩阵，结构法向振动速度由贴合在油箱壁表面的振动传感器获取；

采用振动传感器的振动数据推知油箱壁的表面声压，获取由油箱壁振动产生的声辐射信号，同时振动信号作为故障诊断的依据，用于故障特征频率的提取；

所述步骤(2)具体为：

将变压器油箱壁外表面产生的振动声辐射等效为一个点声源，将油箱壁内表面等效为一个模拟点声源，声振耦合过程是获得油箱壁内表面模拟点声源声压级的过程；声传感器采集到的声压是两个声源声压在传感器采集点的叠加，采用双声源声压级叠加公式得到内部模拟点声源经过油箱壁后的透射声波的声压级，双声源声压级叠加公式如下：

其中，L_p为叠加声压级，L_P1为声源1的声压级，L_P2为声源2的声压级；

采用振动信号的声辐射分析结果作为外表面等效点声源的声压，采用声传感器采集到的信号作为声压叠加结果，从而获得内部声场穿透油箱壁后的透射声波声压，作为还原内部实际声场的分析基础；

所述步骤(3)具体为：

依赖声振传感器完成振动信号和声音信号的采集，传感器采用内吸声外隔音的双面材料封装，从而起到隔绝外部干扰噪声，减少内部由壁面多次反射引起混响声的作用，使传感器采集到的信号仅为结构振动声辐射与内部声场透射的叠加信号；

所述步骤(4)具体为：

变压器内部噪声穿透油箱壁传播出来时，由于要穿过油箱壁，使声波出现大幅度衰减；油箱壁内侧介质为变压器油，油箱壁外侧介质为空气，而油箱壁本身是介质为钢制材料的中间层，声波在透射过程中需要经过三种介质，两个边界层；

声波在介质中的特性阻抗与介质的物理性质有关，结合两个边界层的边界条件并建立三层介质声波透射计算数学模型，得到声波穿透油箱壁的声压透射系数，计算方法如下：

其中，R₁、R₂、R₃分别为三种介质的特性阻抗，k₂为介质2中声波的波数，D为中间层厚度；

采用声振信号耦合处理后的声压信号作为已知信号，运用声波穿透油箱壁的透射系数逆推得到油箱壁内侧的原始声压信号；

所述步骤(5)具体为：

首先由振动信号的时频域分析初步诊断故障类型和故障程度，提取故障特征频率；然后由内部噪声信号对故障特征频率进行针对分析，进一步实现故障状态的精确诊断；

所述步骤(6)具体为：

采用立体阵传感器阵列，利用逆推得到的变压器油箱壁内侧噪声信号作为已知信号，采用计算故障特征信号到达各个阵元时间差的方法，结合各个阵元位置关系实现变压器内部的故障空间定位。

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