袁國剛 何益豪

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的聲學(xué)檢測(cè)方法無法準(zhǔn)確識(shí)別電力設(shè)備噪聲源的現(xiàn)象，開展了基于聲陣列的變電站設(shè)備聲源識(shí)別技術(shù)研究，并在某特高壓變電站開展了測(cè)試應(yīng)用，分別測(cè)試了架空母線、變壓器及電抗器設(shè)備，分析結(jié)果表明：聲陣列測(cè)試技術(shù)可以在變電站內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境中準(zhǔn)確識(shí)別出電暈放電、風(fēng)機(jī)噪聲、機(jī)械振動(dòng)異常等噪聲源。

關(guān)鍵詞：聲陣列;聲源識(shí)別;噪聲源

0? ? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近些年電力需求的增長也在加快，電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級(jí)逐步提高，這對(duì)電網(wǎng)供電的可靠性和安全性提出了更高的要求[1-2]。變電站內(nèi)的電力設(shè)備在運(yùn)行過程中通常都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)特征是表征機(jī)械特性的重要指標(biāo)，設(shè)備的大量運(yùn)行狀態(tài)信息都存在于設(shè)備振動(dòng)信號(hào)中，通過對(duì)這些狀態(tài)信息進(jìn)行有效挖掘，就可以實(shí)現(xiàn)敞開式設(shè)備的缺陷分析診斷。設(shè)備在產(chǎn)生振動(dòng)的同時(shí)都會(huì)伴隨相應(yīng)的可聽聲波信號(hào)，振動(dòng)和可聽聲波信號(hào)有很強(qiáng)的耦合性，相比于振動(dòng)信號(hào)的采集分析，聲信號(hào)的獲取不需要接觸設(shè)備，使得采用聲信號(hào)進(jìn)行故障診斷具有傳感器布置靈活、裝置簡單、對(duì)設(shè)備影響小、測(cè)量簡單快捷等特點(diǎn)[3-5]。

在電磁應(yīng)力及機(jī)械振動(dòng)傳遞等作用下，或是由于固有機(jī)械特性的改變，設(shè)備缺陷位置會(huì)產(chǎn)生異常的振動(dòng)，并最終以噪聲的方式輻射出去，設(shè)備運(yùn)行時(shí)發(fā)出的聲音中含有豐富的狀態(tài)信息[6]。通過響度、音色等方面的差異，有經(jīng)驗(yàn)的工作人員就可以從嘈雜的聲音中辨別設(shè)備異響位置及當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)特征噪聲信號(hào)的特點(diǎn)判別異響缺陷類型[7]。但聲信號(hào)通常通過空氣傳播采集，因此極易受到周圍環(huán)境的干擾，變電站內(nèi)噪聲環(huán)境極為復(fù)雜，變壓器、電抗器、GIS等設(shè)備運(yùn)行噪聲混雜，導(dǎo)致所測(cè)聲信號(hào)實(shí)際為多個(gè)設(shè)備聲場(chǎng)綜合作用的結(jié)果，僅憑人耳或者單個(gè)的聲音傳感器難以對(duì)單一聲源噪聲水平進(jìn)行準(zhǔn)確采集，影響結(jié)果分析。

1? ? 聲源識(shí)別方法

1.1? ? 傳統(tǒng)噪聲源識(shí)別方法

1.1.1? ? 近場(chǎng)測(cè)量法

近場(chǎng)測(cè)量法需要將聲傳感器放置在距離設(shè)備很近的地方，通常小于0.5 m，靠近聲源位置去測(cè)量其聲壓級(jí)的大小，該方法適合在大型設(shè)備上使用，并且所測(cè)聲源的位置相距較遠(yuǎn)，但一旦周圍存在較大的干擾源，該方法就無法準(zhǔn)確使用，無法對(duì)較弱的聲源進(jìn)行辨識(shí)。實(shí)際工作環(huán)境中通常都存在多個(gè)聲源，因此該方法并不適合在變電站這種復(fù)雜環(huán)境內(nèi)應(yīng)用。

1.1.2? ? 表面強(qiáng)度法

表面強(qiáng)度法是在設(shè)備表面布置一個(gè)加速度計(jì)測(cè)量法向振動(dòng)速度，進(jìn)行表面聲場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)振速的測(cè)量，并在加速度計(jì)附近布置一個(gè)聲傳感器接收聲壓信號(hào)，將采集到的振速信號(hào)幅值和聲壓信號(hào)幅值相乘得到設(shè)備表面的聲強(qiáng)大小。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)獲得聲強(qiáng)及表面速度信息，便于聲輻射效率計(jì)算;缺點(diǎn)是工作量大，并且對(duì)于運(yùn)行中的變壓器、電抗器等電力設(shè)備而言，該方法無法實(shí)現(xiàn)。

1.1.3? ? 聲強(qiáng)法

首先對(duì)變壓器的測(cè)量面進(jìn)行定義并建立測(cè)試網(wǎng)格，根據(jù)ISO 9614-2（掃描法），數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制聲強(qiáng)探頭按照一定順序在測(cè)量網(wǎng)格上對(duì)變壓器進(jìn)行掃描測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過分析軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到變壓器的輻射聲功率及聲場(chǎng)分布。

但對(duì)于目前變電站的測(cè)試環(huán)境和電抗器的尺寸來說，聲強(qiáng)法同時(shí)測(cè)量的點(diǎn)數(shù)少，測(cè)量時(shí)間長（不符合變電站的操作規(guī)程），同時(shí)聲強(qiáng)法不能測(cè)量非穩(wěn)態(tài)噪聲（只能測(cè)量穩(wěn)態(tài)噪聲），且存在近場(chǎng)效應(yīng)誤差、相位不匹配誤差等固有缺陷，因此選用聲強(qiáng)法進(jìn)行聲源定位實(shí)現(xiàn)比較困難。

1.2? ? 基于傳聲器陣列的可視化聲源識(shí)別方法

相對(duì)于傳統(tǒng)的聲源識(shí)別技術(shù)而言，基于傳聲器陣列的可視化噪聲源識(shí)別技術(shù)作為一類新興技術(shù)在近年來備受關(guān)注。由于測(cè)量速度快，計(jì)算效率、分辨率高，適宜中長距離測(cè)量，對(duì)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)及運(yùn)動(dòng)聲源均能準(zhǔn)確定位，基于傳聲器陣列的可視化噪聲源識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等行業(yè)。傳聲器陣列是由一定數(shù)量的聲傳感器在空間中按照一定的幾何形狀排列組合而成，常用陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式通常有線陣列、十字陣列、星形陣列、三角形陣列、矩形陣列、圓形陣列以及螺旋形陣列等，不同的陣列有著不同的識(shí)別效果。通常而言，陣列尺寸越大在低頻的識(shí)別效果就越好，而傳聲器數(shù)量越多，在高頻的虛像抑制能力就越強(qiáng);圓形陣列的主瓣寬度最小，螺旋形陣列的識(shí)別動(dòng)態(tài)范圍更高[8]。電力設(shè)備噪聲源特征頻率散布范圍廣，并且現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境復(fù)雜多變，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，合理選擇陣列結(jié)構(gòu)對(duì)于噪聲檢測(cè)工作有著事半功倍的作用。

基于傳聲器陣列的可視化聲源識(shí)別技術(shù)基本原理是通過“延時(shí)-求和”的過程進(jìn)行聲場(chǎng)重構(gòu)，其基本過程是先將聲源測(cè)量面劃分網(wǎng)格，由于陣列中傳聲器所處位置不同，聲源信號(hào)到達(dá)每個(gè)傳聲器的時(shí)間也有所不同，根據(jù)時(shí)差對(duì)測(cè)量面上的網(wǎng)格點(diǎn)依次進(jìn)行重構(gòu)并與傳聲器接收到的信號(hào)進(jìn)行疊加，當(dāng)重構(gòu)點(diǎn)與聲源位置重合時(shí)輸出值最大（主瓣），當(dāng)網(wǎng)格點(diǎn)與聲源位置不一致時(shí)輸出值被減?。ㄅ园辏瑥亩@得聲源在測(cè)量面上的聲場(chǎng)分布云圖。由于原理原因，測(cè)試結(jié)果與陣列結(jié)構(gòu)、測(cè)試距離、分析方式等都相關(guān)。該方法因?yàn)橛?jì)算效率高且性能穩(wěn)定得到了非常廣泛的應(yīng)用。

2? ? 變電站聲源定位測(cè)試

2.1? ? 試驗(yàn)儀器

本次測(cè)試聲源識(shí)別系統(tǒng)選用螺旋形傳聲器陣列，該設(shè)備由112個(gè)麥克風(fēng)通道組成，主要針中高頻瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行定位，通過波束形成算法實(shí)現(xiàn)聲音可視化，具有高動(dòng)態(tài)范圍和分辨率的特點(diǎn)，采樣率48 kHz，動(dòng)態(tài)范圍40 dB，有效成像頻率范圍為450 Hz～20 kHz，適用于放電、站內(nèi)設(shè)備機(jī)械缺陷異響識(shí)別等場(chǎng)景，具體參數(shù)如圖1所示，圖1（b）為陣列對(duì)應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)，該陣列突出優(yōu)點(diǎn)為旁瓣抑制效果突出，在復(fù)雜環(huán)境下有更好的成像定位精度。