特征机械波在电力设备状态检测中的应用

胡兴海，胡立信，刘钦，林文杰，蔡怡然

(1.兴义供电局，兴义 562400;2.厦门红相电力设备股份有限公司，厦门 361001)

0 前言

根据频率的不同，机械波可分为次声波、声波、超声波。频率小于20 Hz 的机械波称为次声波，频率在20 Hz～20 kHz 范围的机械波称为声波，频率大于20 kHz 的机械波称为超声波。

不同频段机械波产生、传播和接收等特征预知或分析物体情况［1］;利用声波的传输速度，可以定位爆炸点;利用超声波频率高、能量大、方向性强特征，可非侵入式地检查金属或非金属材料内部缺陷(如气孔、裂纹等)大小、位置。因此，同样可利用机械波在电力设备中的传播特性，利用这些特征可实现从体外检测及诊断电力设备运行状态，预知故障隐患，提高工作效率，并保证电网的安全运行。

1 信号处理及验证

电力设备运行及所处的环境，均存在不同程度的噪声、电磁波等干扰，同时电力设备运行过程产生的机械波具有非线性、非平稳的特点。若要快速、高效的分析判断电力设备运行状况，需消除机械波中冗余无用的信号，凸显信号中易于识别的特征量(包括幅值、频率、波形等)。

机械波信号处理主要有希尔伯特－黄、傅里叶变换、Winger－Ville 分布、小波变换等时频域分析方法，其中常用的是小波变换分析方法。小波变换主要优势是能够通过小波基分别对时域和频域进行分析，突出不同时域段和不同频域段中机械波的细节特征，克服传统傅里叶变换只能预知周期性信号特征的缺点［2］。常用的小波变换基本公式如下:

假设一个平方可积的函数为θ (t)，通过傅立叶变换，可获得可容许条件θ (ω):

式(1)中称θ (t)为基本小波函数。将基本小波函数θ (t)进行伸缩或平移即可得到连续小波基函数:

其中，α 为伸缩因子，β 为平移因子。并且可得任意函数的连续小波变换为:

在连续小波变换当中，其中的变换因子即尺度及平移因子是连续变量，但是，在实际应用中，通常将φα，β(t)中的连续变量α 和β 取做整数离散形式，将φα，β(t)表示为:

从上可得到离散小波函数为:

观察以上离散小波函数φj，k(t)，可知离散小波函数是由小波函数2j整数倍放大、缩小再经过k 平移得到 {φj.k(t)}，j，k ∈Z。

为了验证小波变换在机械波特征信号提取及分析的有效性，采用Matlab 模拟随机产生的机械波［3］，并通过小波变化，分解机械波，获得特征曲线，如图1～图4。图1 模拟的原始机械波基本无特征可言，无法从此原始机械波分析判断故障。通过小波变换，从图2－图4 中可以看出模拟机械波各个频段的时域特征，局部化的特征为电力设备故障类型分辨及故障诊断带来了丰富的、有价值的有效信息。因此，小波变换是一种适合分析电力设备机械波特征的分析方法。

图1 原始机械波

图2 一次变换

图3 二次变换

图4 三次变换

2 应用及现场实例

2.1 绝缘子机械波检测分析

为了获得绝缘子的机械波特征，通过向绝缘子底部发射特殊波段的激励机械波，再利用接收器获得绝缘子内部结构反馈的机械波，利用分析软件提取反馈机械波的频谱特征，分析特征频谱是否与正常的绝缘子频谱一样，即可实现绝缘子内外是否有裂纹，裂纹的大小程度、裂纹的位置，机械强度是否降低或老化等故障隐患。［4～6］

根据大量的实验数据及现场验证，绝缘子反馈机械波的判断准则为:反馈机械波频谱波峰在2.5 kHz～6 kHz 之间，可判断绝缘子处于正常运行状态;若反馈机械波频谱波峰出现在2 kHz 以下，说明被测绝缘子底部法兰附近存在故障隐患，如裂纹或气隙缺陷;若反馈机械波频谱波峰出现在8 kHz～10 kHz，说明被测绝缘子上部法兰附近存在故障隐患，如裂纹或气隙缺陷。

如图5，反馈机械波的频谱波幅集中在3 kHz～4.5 kHz 范围，且其余频段未发现明显的波幅，因此可判断此绝缘子处于正常运行状态。如图6为110 kV 户外支柱绝缘子的反馈机械波频谱，反馈机械波频谱中除了在3 kHz～6 kHz 范围有波幅外，在1.7 kHz 还存在一个明显的波幅，说明此绝缘子存在损伤，且损伤位置位于绝缘子下法兰附近，建议及时安排检修。

图5 正常绝缘子反馈机械波

图6 异常绝缘子反馈机械波

2.2 分接开关机械波检测

通过检测分接开关的机械波，提取有效的机械特征量，在时域和频域范围内诊断分接开关处于正常阶段、异常阶段、故障阶段，预知分接开关的故障隐患及故障类型，减少分接开关造成的事故发生率，对有载调压变压器的安全运行尤其重要。［7－8］

在分接开关切换过程有驱动电机启动阶段、储能弹簧加载阶段、选择开关动作阶段、切换开关动作阶段及制动器动作阶段，其中除了切换开关动作阶段，其余阶段分接开关产生的机械波幅值均较小，基本只有变压器本体、驱动电机及其联接传动杆部件的少量振动，机械波均较为平缓，带有少量的振动波幅，因此在时域上分析分接开关切换过程的机械波，可判断分接开关是否处于正常状态。经过小波变换获得的分接开关时域机械波中可以看出在分接开关(OLTC)切换动作时刻外，其余阶段存在有规律的机械波。有规律的机械波各个波峰大小基本一样，且两个波峰的时间间隔也基本一致。根据此机械波特征，结合历史检测经验，可判断为是驱动电机传动部件的齿轮控制机构的轴和箱的润滑剂不足，导致齿轮之间的摩擦增大，出现规律性的机械波。针对此现象，建议下次停电检修时重点关注。

分接开关正常切换过程产生的机械波在频域上的特征是主要的功率频谱幅值集中在8 kHz 以下，8 kHz 以上的功率频谱幅值较少，通过功率频谱的幅值位置变化，即可判断分接开关是否处于正常状态。正常功率频谱幅值主要集中在低频段，高频段几乎无明显的功率频谱幅值;当分接开关储能弹簧出现弱化后，获得的机械波功率频谱特征为高频段的功率频谱幅值所占比例明显增大，功率频谱转移明显，与正常功率频谱分布明显差异，因此可判断分接开关已经存在储能弹簧弱化现象。

3 结束语

综上所述，不同电力设备产生的机械波是不一样的，且其机械波特征表现形式也是不同，即可在时域展现，也可在频域展现。因此，若要发现不同电力设备的机械波特征，还需深入研究电力设备机械波产生、传输、处理等方面内容，积累更多的故障机械波特征，实现电力设备故障的高效率检测。

［1］郑菲.临震次声异常产生的机理研究［D］.北京工业大学2006

［2］李力.机械信号处理及其应用.华中科技大学出版社.2007 年.

［3］罗军辉，白义臣.MATLAB7.0 在数字信号处理中的应用.机械工业出版社.2005 年.

［4］姚忠森，吴光亚等.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析［J］.高电压技术，2002，28 (10):57－58.

［5］史玉琴.瓷支柱绝缘子振动声波探伤的初步研究［D］.保定:华北电力大学，2009.

［6］马崇;程明.振动声学法在瓷支柱绝缘子检测中的应用［J］;河北电力技术;2012 年01 期

［7］朱光伟，张彼德.电力变压器振动监测研究现状与发展方向［J］.变压器，2009，46 (2):23－24.

［8］赵彤，有载分接开关机械状态的在线监测与故障诊断技术研究［D］.济南，山东大学，2008.