基于声阵列的变电站设备声源识别分析

袁国刚 何益豪

摘要：针对现有的声学检测方法无法准确识别电力设备噪声源的现象，开展了基于声阵列的变电站设备声源识别技术研究，并在某特高压变电站开展了测试应用，分别测试了架空母线、变压器及电抗器设备，分析结果表明：声阵列测试技术可以在变电站内的复杂环境中准确识别出电晕放电、风机噪声、机械振动异常等噪声源。

关键词：声阵列;声源识别;噪声源

0    引言

随着社会经济的快速发展，近些年电力需求的增长也在加快，电网运行电压等级逐步提高，这对电网供电的可靠性和安全性提出了更高的要求[1-2]。变电站内的电力设备在运行过程中通常都会产生振动，振动信号特征是表征机械特性的重要指标，设备的大量运行状态信息都存在于设备振动信号中，通过对这些状态信息进行有效挖掘，就可以实现敞开式设备的缺陷分析诊断。设备在产生振动的同时都会伴随相应的可听声波信号，振动和可听声波信号有很强的耦合性，相比于振动信号的采集分析，声信号的获取不需要接触设备，使得采用声信号进行故障诊断具有传感器布置灵活、装置简单、对设备影响小、测量简单快捷等特点[3-5]。

在电磁应力及机械振动传递等作用下，或是由于固有机械特性的改变，设备缺陷位置会产生异常的振动，并最终以噪声的方式辐射出去，设备运行时发出的声音中含有丰富的状态信息[6]。通过响度、音色等方面的差异，有经验的工作人员就可以从嘈杂的声音中辨别设备异响位置及当前状态，并根据特征噪声信号的特点判别异响缺陷类型[7]。但声信号通常通过空气传播采集，因此极易受到周围环境的干扰，变电站内噪声环境极为复杂，变压器、电抗器、GIS等设备运行噪声混杂，导致所测声信号实际为多个设备声场综合作用的结果，仅凭人耳或者单个的声音传感器难以对单一声源噪声水平进行准确采集，影响结果分析。

1    声源识别方法

1.1    传统噪声源识别方法

1.1.1    近场测量法

近场测量法需要将声传感器放置在距离设备很近的地方，通常小于0.5 m，靠近声源位置去测量其声压级的大小，该方法适合在大型设备上使用，并且所测声源的位置相距较远，但一旦周围存在较大的干扰源，该方法就无法准确使用，无法对较弱的声源进行辨识。实际工作环境中通常都存在多个声源，因此该方法并不适合在变电站这种复杂环境内应用。

1.1.2    表面强度法

表面强度法是在设备表面布置一个加速度计测量法向振动速度，进行表面声场中质点振速的测量，并在加速度计附近布置一个声传感器接收声压信号，将采集到的振速信号幅值和声压信号幅值相乘得到设备表面的声强大小。该方法的优点是能同时获得声强及表面速度信息，便于声辐射效率计算;缺点是工作量大，并且对于运行中的变压器、电抗器等电力设备而言，该方法无法实现。

1.1.3    声强法

首先对变压器的测量面进行定义并建立测试网格，根据ISO 9614-2（扫描法），数据采集系统控制声强探头按照一定顺序在测量网格上对变压器进行扫描测量，并对数据进行存储。通过分析软件对采集到的信号进行计算得到变压器的辐射声功率及声场分布。

但对于目前变电站的测试环境和电抗器的尺寸来说，声强法同时测量的点数少，测量时间长（不符合变电站的操作规程），同时声强法不能测量非稳态噪声（只能测量稳态噪声），且存在近场效应误差、相位不匹配误差等固有缺陷，因此选用声强法进行声源定位实现比较困难。

1.2    基于传声器阵列的可视化声源识别方法

相对于传统的声源识别技术而言，基于传声器阵列的可视化噪声源识别技术作为一类新兴技术在近年来备受关注。由于测量速度快，计算效率、分辨率高，适宜中长距离测量，对稳态、瞬态及运动声源均能准确定位，基于传声器阵列的可视化噪声源识别技术被广泛应用于航空航天、汽车、电子等行业。传声器阵列是由一定数量的声传感器在空间中按照一定的几何形状排列组合而成，常用阵列拓扑结构形式通常有线阵列、十字阵列、星形阵列、三角形阵列、矩形阵列、圆形阵列以及螺旋形阵列等，不同的阵列有着不同的识别效果。通常而言，阵列尺寸越大在低频的识别效果就越好，而传声器数量越多，在高频的虚像抑制能力就越强;圆形阵列的主瓣宽度最小，螺旋形阵列的识别动态范围更高[8]。电力设备噪声源特征频率散布范围广，并且现场测试环境复杂多变，因此在实际应用过程中，合理选择阵列结构对于噪声检测工作有着事半功倍的作用。

基于传声器阵列的可视化声源识别技术基本原理是通过“延时-求和”的过程进行声场重构，其基本過程是先将声源测量面划分网格，由于阵列中传声器所处位置不同，声源信号到达每个传声器的时间也有所不同，根据时差对测量面上的网格点依次进行重构并与传声器接收到的信号进行叠加，当重构点与声源位置重合时输出值最大（主瓣），当网格点与声源位置不一致时输出值被减小（旁瓣），从而获得声源在测量面上的声场分布云图。由于原理原因，测试结果与阵列结构、测试距离、分析方式等都相关。该方法因为计算效率高且性能稳定得到了非常广泛的应用。

2    变电站声源定位测试

2.1    试验仪器

本次测试声源识别系统选用螺旋形传声器阵列，该设备由112个麦克风通道组成，主要针中高频瞬态和稳态噪声进行定位，通过波束形成算法实现声音可视化，具有高动态范围和分辨率的特点，采样率48 kHz，动态范围40 dB，有效成像频率范围为450 Hz～20 kHz，适用于放电、站内设备机械缺陷异响识别等场景，具体参数如图1所示，图1（b）为阵列对应的响应函数，该阵列突出优点为旁瓣抑制效果突出，在复杂环境下有更好的成像定位精度。