CN207300606U - 基于声学原理的变压器信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于声学原理的变压器信息采集装置，包括数据存储装置以及分别与所述数据存储装置连接的声学数据采集模块和变压器参数采集模块，所述声学数据采集模块包括声强传感器、振动传感器和声音传感器，所述数据存储装置运行于微机系统上，所述声音传感器包括麦克风阵列，所述麦克风阵列连接声音增强器。本实用新型可以通过传感器组和信息化手段采集变压器的声学信号，为变压器的故障分析诊断提供依据。

Description

基于声学原理的变压器信息采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种变压器信息采集技术领域，尤其是涉及一种基于声学原理的变压器信息采集装置。

背景技术

变压器运行过程中，在内部电流、磁场等多种因素的共同作用下产生机械形变，经自身结构传导，这种信号经周围空气介质传播，产生了变压器的运行的声音信号。这些信号能够反映变压器的运行状况。有经验的技术人员往往可以通过工业听诊器听取变压器内部声音来判断变压器运行状况，发现故障甚至对故障进行粗略定位。这种广泛运用的诊断方式严重依靠技术人员的主管判断和个人经验。这种现象证明了通过声学信号诊断变压器故障的可行性，借助高灵敏度的传感器和现代数字信号处理识别技术，可以实现比人更加客观可靠的变压器声学检测和诊断。

目前国内外对于变压器声学诊断研究主要集中在变压器本体为噪声分析法、超声波分析法以及声发射分析技术。噪声分析法研究变压器运行中各主要部件的噪声来源以及噪声的强度，通过研究噪声为设计及生产制造厂家提供改进设备研究、生产、制造提供依据。如通用电气、ABB等厂家在80年代就开始这方面的研究，国内西变、特变电工的生产制造企业在这方面也开展研究。超声波检测方法是目前应用较为广泛的诊断技术。主要利用安置在变压器箱体表面的超声波传感器接受局部放电信号，进行故障定位分析。基于超声局放检测、探伤等研究成果已经在电力行业中得到广泛的应用。

国内外对于基于音频特征的变压器故障检测方法，目前还没有相应的研究成果。主要是声音识别这方面研究集中在安防监控系统、语音识别等方面，所以在变压器声音故障诊断方面还没有研究。而变压器运行过程中，在内部电流、磁场等多种因素的共同作用下产生机械形变，经自身结构传到，表现为振动信号。这一信号经周围空气介质传播，产生了变压器的运行的声音信号。这些信号能够在很大程度上反映变压器的运行状况。现场巡检操作中，有经验的技术人员往往可以通过工业听诊器贴紧变压器箱体，仔细听取变压器内部的声音来判断变压器运行状况，发现故障类型甚至对故障进行粗略定位。这种广泛运用的诊断方式严重依靠技术人员的主观判断和个人经验，具有很大的不确定性。但这一现象充分证明了通过声学信号诊断变压器故障的可行性，借助高灵敏度的传感器和现代数字信号处理技术，必然可以实现比人耳更加客观可靠的变压器声学检测和诊断。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于声学原理的变压器信息采集装置，通过传感器组和信息化手段采集变压器的声学信号，为变压器的故障分析诊断提供依据。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：基于声学原理的变压器信息采集装置，包括数据存储装置以及分别与所述数据存储装置连接的声学数据采集模块和变压器参数采集模块，所述声学数据采集模块包括声强传感器、振动传感器和声音传感器，所述数据存储装置运行于微机系统上，所述声音传感器包括麦克风阵列，所述麦克风阵列连接声音增强器。

进一步地，所述振动传感器包括加速度振动传感器和激光测振仪。

进一步地，所述变压器参数采集模块包括数据采集卡和智能电能表，所述数据采集卡采集变压器油色谱数据、变压器局放数据、变压器内部结构图数据，所述智能电能表采集变压器运行状况电力数据。

进一步地，所述数据存储装置前端设置降噪装置，所述降噪装置包括信号分解器和滤波器。

进一步地，所述微机系统包括安装有人机交互界面的PC终端，所述人机交互界面进行数据的输入与查询。

进一步地，所述微机系统连接专用数据通信接口和网络端口。

本实用新型的有益效果体现在以下方面：

本实用新型针对这些电力变压器所处环境复杂，又属于高压电力设备，具有危险性，声强法和声强法这种单一的测量方法很难准确测量辐射的噪声，因此本项目首次提出基于声振耦合，通过测量振动和声音特性，利用相关性分析方法找到一种测量电力变压器声学的新方法。本实用新型采用“非接触检测”技术，传感器和整个系统的安装、调试丝毫不影响变压器的正常运行，适合高电压、强电磁场恶劣电磁环境，或高温、有腐蚀环境下对变压器的运行状态监测。传感器采用具有高分辨率的声波感应传感器，可方便的安装于设备外部，并不对设备造成影响。该实用新型系统可以在变压器带电情况下，布置测量传感器，可以实现变压器带电状态下测试，使得用户可以更加全面及时了解运行变压器的工作状况，为变压器的可靠运行提供有力保障，值得广泛推广与使用。

附图说明

图1是本实用新型的组成结构图。

图2是本实用新型的测量原理图。

图3是本实用新型声强传感器安装示意图。

图4是本实用新型声强传感器测量流程图。

图5是本实用新型振动传感器安装示意图。

图6是本实用新型振动传感器测量流程图。

图7是本实用新型声音传感器测量示意图。

图8是本实用新型声音增强器示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。

实施例

如图1至图8所示，基于声学原理的变压器信息采集装置，包括数据存储装置以及分别与所述数据存储装置连接的声学数据采集模块和变压器参数采集模块，所述声学数据采集模块包括声强传感器、振动传感器和声音传感器，所述数据存储装置运行于微机系统上，所述声音传感器包括麦克风阵列，所述麦克风阵列连接声音增强器。

振动传感器包括加速度振动传感器和激光测振仪。变压器参数采集模块包括数据采集卡和智能电能表，数据采集卡采集变压器油色谱数据、变压器局放数据、变压器内部结构图数据，智能电能表采集变压器运行状况电力数据。声学传感器通过以振动传感器贴在变压器壳体探测变压器振动、以非接触式声强传感器探测变压器声强和声功率、非接触式麦克风阵列探测变压器整体声音。完成变压器的振动、声强和声音采集，将采集信号传输给数据存储装置。微机系统连接专用数据通信接口和网络端口，通信接口包括100Base-FX多模ST接口、10BASE-T/100BASE-TX RJ45接口和USB 2.0接口。

在具体实施时，我们对申请单位所辖220kV /110KV变电站作为现场实施，进行传感器现场部署和数据采集。整个信息采集装置采用“非接触检测”技术，传感器和整个系统的安装、调试不影响变压器的正常运行，适合高电压、强电磁场恶劣电磁环境，或高温、有腐蚀环境下对变压器的运行状态监测。传感器采用具有高分辨率的声强传感、振动传感和麦克风声音阵列，可方便的安装于设备外部，并不对设备造成影响。由于采用非接触式新型传感器，提高工作人员工作效率，减少了停电时间，增加效益、降低变压器运行安全风险。

声强传感器基于高斯定理，通过障碍物反射到高斯面的声音对面积分结果无影响。声强法可以忽略声源周边环境对测量结果的影响。因而，声强法对测量环境的要求不高，适合于在变电站内实测变压器声音。对运行变压器安装声强传感器测量示意图如图3，测量流程如图4。确定变压器声音的基准声发射面（一般选择为变压器）和测量轮廓线（距离变压器基准声发射面一定距离的轮廓线）。在测量轮廓线上均匀分布12个噪声检测点。传声器应位于规定的轮廓线上，测量点彼此间距大致相等，根据不同等级变压器的噪声特点，分别选取基准水平面，设置12个测量点进行数据采集。测量应在背景噪声值近似恒定时进行。在测量开始前对测量仪器进行校准。测量每个测量点的A计权声强级和声功率，记录每个测点上的A计权声强级和声功率。

振动是变压器的主要技术指标之一，同时近年来，针对变压器振动的测量和研究工作越来越多。变压器的声学主要由机械噪声、电磁噪声、和空气动力三部分组成。其中电磁和机械都与变压器结构的固有频率有直接关系，统称为结构振动。在电力变压器中，结构声学主要是由于铁芯、绕组、油箱(包括磁屏蔽等)以及冷却装置的振动产生的，是一种连续性的声音。铁芯、绕组、油箱统称为变压器的本体。本体的振动主要来源于：由硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动；桂钢片接缝处和叠片之间存在因漏磁而产生的电磁力而引起的铁芯振动；当绕组中有负载电流通过时，由漏磁引起的绕组振动。因此可以通过测量电力变压器的器身振动来反映绕组和铁芯的振动情况，进而评估计算变压器的声功率。

振动测量的测量示意图如图5。变压器稳定运行状态下，首先对振动测量传感器进行校准，然后测量并记录每个检测点的振动加速度，测量流程如图6。测量轮廓线为在变压器箱体表面距离地面一定高度的轮廓线，贴于变压器本体表面进行测试，根据不同等级变压器，可以选择测量基准水平面。在测量轮廓线上分布12个振动检测点。振动测试传感器应位于规定的轮廓线上，测量点彼此间距大致相等。

由于声音信号是一种宽带的非平稳信号，在传输过程中会夹杂各种干扰噪声，所以必须选用具有较宽的带宽内抑制噪声干扰来减少声音信号的失真。选用麦克风阵列能够充分利用声音信号的时空特性，对于干扰信号具有较强的抗干扰能力，麦克风阵列在去除背景噪声和跟踪目标声源方面具有很好工作特性，它能够不断地调整来使电气设备工作声音的采集达到最好。利用麦克风阵列采集变压器声音信号可以使阵列形成的波束瞄准目标声音信号，这个可以最大限度地获取目标声源的声音信号。麦克风阵列形成的波束即解决了在使用一个麦克风时需要我们手动调节麦克风的指向性的问题，又大幅提升了输出声音信号的信噪，这样可以自由地获取到了高质量的变压器声音信号。在室内变电站，变压器设备正常工作的时候会发出声音，但是周围环境中也有一些干扰声音，包括变压器工作声音经过墙面发射、衍射等形成的混响，噪声源也是如此.

麦克风阵列采集声音信号比单卖克风系统更具优势。首先，麦克风阵列采用阵列信号而具有空间选择性，麦克风阵列可以形成波束并使其主瓣对准生源来获取高质量的声音信号；其次单麦克风系统只能拾取一路声音信号并且其指向性并不随声源而改变，与之相比，麦克风阵列系统可以自动探测，并在可接收区域内追踪多个正在发声的目标，这样能够获取更多的声源。麦克风阵列连接声音增强器，声音增强器采用延迟-累加波束形成的麦克风阵列声音增强技术，这种麦克风阵列通过对每一路麦克风采集到的声音信号作适当的时延补偿，来保持各路在同一方向保持输出的同步，这样就获得在该方向上最大增益的入射声音信号。这种方法较简单也容易实现，但很难获得较高的噪声抑制能力，且没有对非相干噪声源的抑制能力，环境适应性较差，如图8所示。

在具体安装使用时，麦克风阵列根据不同类型的变压器，选择测量高度。变压器声音测量布点在无防火墙的开放侧以三相变压器为例，声音测量示意图如图7。对测得的声音信号进行处理，得到变压器A、B、C各相声音曲线。

数据存储装置主要是对变压器声强、振动和声音特征量进行特征提取与存储，并与采集的变压器检测获取数据建立声学对症表，并通过微机系统上的人机交互界面进行数据的查询与输出、输出、变更等操作，数据存储装置前端设置降噪装置，降噪装置包括信号分解器和滤波器，对采集到声学特征数据进行处理，信号分解器可以根据不同阈值对声学信号进行分解，将分解后的脉冲高频信号送入滤波器进行降噪滤波。

电力设备运行发出的声信号一般是一维信号且通常表现为较为平稳的低频信号，而一般的噪声信号主要是一些近似于脉冲状高频不稳定信号。因为被检测的信号中时常存在有噪声信号，当噪声信号与有用信号特征相似时，则降噪方法的选择就显得更加关键，若降噪方法选择不当就会使降噪的同时也滤除了有用信号。针对信号分解器的不同阈值，可以分为基于传统阈值的降噪算法分析和基于分层阈值的降噪算法分析：在基于传统阈值的降噪算法分析中，设备声信号存在断续的奇异点，噪声也具有同样的性质。关于这种信号的降噪处理，若采用传统的傅里叶变换或者用固定阈值选取，处理后的信号系数会变得稀疏。因此，采用先对系数的无偏似然估计，根据降噪信号方差最小时，确定统一阈值的非线性小波变换阈值法，一般分为：线性小波阈值法和软阈值估计法。线性小波阈值法主要运用于分析特征较为熟悉的噪声信号或进行噪声的深度分析。可运用经验公式来确定阈值的大小。若不能充分了解噪声特性可选择软阈值估计法确定阈值的大小。基于 Stein无偏似然估计原理的软阈值估计算法主要过程分为，先预测阈值的似然估计，后最小化似然函数得到阈值。在基于分层阈值的降噪算法分析，综合分析非线性小波变换阈值算法产生了分层阈值降噪法，实现较低尺度量级上保留有用信号，最大尺度量级上消除噪声信号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：包括数据存储装置以及分别与所述数据存储装置连接的声学数据采集模块和变压器参数采集模块，所述声学数据采集模块包括声强传感器、振动传感器和声音传感器，所述数据存储装置运行于微机系统上，所述声音传感器包括麦克风阵列，所述麦克风阵列连接声音增强器。

2.如权利要求1所述的基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：所述振动传感器包括加速度振动传感器和激光测振仪。

3.如权利要求1所述的基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：所述变压器参数采集模块包括数据采集卡和智能电能表，所述数据采集卡采集变压器油色谱数据、变压器局放数据、变压器内部结构图数据，所述智能电能表采集变压器运行状况电力数据。

4.如权利要求1所述的基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：所述数据存储装置前端设置降噪装置，所述降噪装置包括信号分解器和滤波器。

5.如权利要求1所述的基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：所述微机系统包括安装有人机交互界面的PC终端，所述人机交互界面进行数据的输入与查询。

6.如权利要求1所述的基于声学原理的变压器信息采集装置，其特征在于：所述微机系统连接专用数据通信接口和网络端口。