基于聲音在線監(jiān)測(cè)的變壓器異常判別方法

譚風(fēng)雷，張根源，張海華，陳 昊

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京211102）

0 引言

電力變壓器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的電力設(shè)備，可將某一電壓等級(jí)的交流電轉(zhuǎn)化為另一電壓等級(jí)的交流電且頻率保持不變。基于電壓變換特性，電力變壓器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的輸變領(lǐng)域，可有效減少電能的輸送損失，保證輸電效率［1-4］。近年來(lái)，隨著電力變壓器的大量應(yīng)用，其故障頻率日益增加。電力變壓器故障一般包括一般、嚴(yán)重和危急3個(gè)過(guò)程，若能在電力變壓器故障發(fā)生初期，通過(guò)某種手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，即可避免故障擴(kuò)大，有效提高變壓器的使用壽命［5-9］。

目前，已有大量文獻(xiàn)對(duì)電力變壓器故障診斷方法進(jìn)行了深入研究［10-12］，其診斷原理各不相同，主要包括基于振動(dòng)信號(hào)、聲音特征和絕緣油中溶解氣體含量等3類(lèi)，文獻(xiàn)［13］采用一種基于振動(dòng)信號(hào)和指標(biāo)能量的電力變壓器機(jī)械故障判斷方法，實(shí)現(xiàn)了繞組、鐵芯機(jī)械故障的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)［14］采用一種基于隨機(jī)森林和聲音信號(hào)特征的電力變壓器機(jī)械故障判別方法，并以某臺(tái)10 kV變壓器為例，對(duì)典型機(jī)械故障進(jìn)行了診斷，準(zhǔn)確率高于95%。文獻(xiàn)［15］采用一種基于絕緣油中溶解氣體和深度信念網(wǎng)絡(luò)的電力變壓器故障識(shí)別算法，通過(guò)分析網(wǎng)絡(luò)層數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)基于深度信念網(wǎng)絡(luò)故障識(shí)別準(zhǔn)確率的影響，驗(yàn)證了方法的可行性。

電力變壓器工作在不同狀態(tài)，其產(chǎn)生的聲音信號(hào)不同。當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生嗡嗡的聲音，且隨著負(fù)荷大小的變化而改變；而當(dāng)變壓器內(nèi)部故障時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生噼啪、咕嚕等聲音，這是由于變壓器內(nèi)部接觸電阻較大或絕緣水平不夠等問(wèn)題引起的［16-20］。長(zhǎng)期以來(lái)，變電站工作人員可通過(guò)工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷變壓器的故障狀態(tài)，但通過(guò)聲音一般只能判斷較為嚴(yán)重的故障，而故障初期的異常狀態(tài)是難以判斷的，只有待其進(jìn)一步發(fā)展成為嚴(yán)重故障時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)［21-24］。為解決此類(lèi)問(wèn)題，本文提出了一種基于聲音在線監(jiān)測(cè)的變壓器異常判別方法。首先基于電力變壓器結(jié)構(gòu)確定聲音傳感器的安裝位置及數(shù)量；然后研究變壓器聲音的特征頻率和基于聲音特征頻率的異常狀態(tài)判別方法；最后通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證方法的有效性。

1 基于聲音衰減規(guī)律確定聲音傳感器的安裝位置

變壓器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，呈長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，有左側(cè)、右側(cè)、前部、后部、頂部5個(gè)面暴露在空氣中，其中頂部面安裝聲音傳感器較為困難，考慮在左側(cè)、右側(cè)、前部、后部四個(gè)面分別安裝一個(gè)聲音傳感器。前部和右側(cè)面加裝了風(fēng)扇，后部和左側(cè)面沒(méi)有加裝風(fēng)扇，顯然聲音變化是不同的。

圖1 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transformer structure

假設(shè)變壓器的中心點(diǎn)為振源中心，聲音在變壓器內(nèi)部和空氣中傳播時(shí)，聲音的衰減規(guī)律［25-27］是不同的，設(shè)聲音在變壓器內(nèi)部與空氣中的傳播阻抗比為R1，變壓器長(zhǎng)度為a，寬度為b，高度為h，則聲音沿變壓器長(zhǎng)度方向的衰減聲壓級(jí)為

式（1）中，ΔLa表示沿長(zhǎng)度方向距離變壓器為r1的衰減聲壓級(jí)。

聲音沿變壓器寬度方向的衰減聲壓級(jí)為

式（2）中，ΔLb表示沿寬度方向距離變壓器為r2的衰減聲壓級(jí)。

設(shè)變壓器振源中心的聲壓級(jí)為L(zhǎng)0，則聲音沿長(zhǎng)度和寬度方向的聲壓級(jí)衰減率為

式（3）中，ka表示聲音沿長(zhǎng)度方向的聲壓級(jí)衰減率；kb表示聲音沿寬度方向的聲壓級(jí)衰減率。

基于聲音衰減規(guī)律的聲音傳感器安裝位置應(yīng)滿足：

式（4）中，kL表示采樣點(diǎn)的聲壓級(jí)衰減率。

另外，變壓器附近環(huán)境較為復(fù)雜，還存在設(shè)備聲、風(fēng)聲、雨聲、動(dòng)物聲和車(chē)輛聲等多種干擾噪聲，為保證變壓器聲音的測(cè)量精度，需消除干擾噪聲。變壓器周邊有防火墻，其對(duì)聲音具有一定阻擋作用，考慮在防火墻外側(cè)裝設(shè)2個(gè)聲音傳感器，用于測(cè)量干擾噪聲。

設(shè)聲音在防火墻內(nèi)部與空氣中的傳播阻抗比為R2，防火墻厚度為d，且防火墻距離變壓器距離為c，則外側(cè)距離防火墻r3處的衰減聲壓級(jí)為

式（5）中，ΔLc表示距離防火墻外側(cè)r3處的衰減聲壓級(jí)。

距離防火墻外側(cè)r3處的聲壓級(jí)衰減率為

式（6）中，kc表示距離防火墻外側(cè)r3處的聲壓級(jí)衰減率；kmin表示聲音傳感器能夠測(cè)量的最小聲壓級(jí)。

根據(jù)前面的分析，6個(gè)聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側(cè)的聲音傳感器安裝在右側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，同時(shí)ra1和rb1滿足式（4）。

2）左側(cè)的聲音傳感器安裝在左側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時(shí)ra2和rb2滿足式（4）。

3）防火墻外側(cè)兩個(gè)傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時(shí)ra3和rb3滿足式（6）。

上述聲音傳感器布置位置主要適用于相鄰兩側(cè)均勻安裝風(fēng)扇，另外兩側(cè)未安裝風(fēng)扇的變壓器風(fēng)扇排列結(jié)構(gòu)，而變壓器其他風(fēng)扇排列結(jié)構(gòu)略有差異，但都是基于變壓器各側(cè)聲壓級(jí)衰減率相等的原則來(lái)確定聲音傳感器布置位置的。例如針對(duì)自冷變壓器無(wú)風(fēng)扇排列結(jié)構(gòu)，6個(gè)聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側(cè)的聲音傳感器安裝在右側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，左側(cè)的聲音傳感器安裝在左側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時(shí)ra1、ra2、rb1和rb2滿足式（4）。

2）防火墻外側(cè)兩個(gè)傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時(shí)ra3和rb3滿足式（6）。

針對(duì)僅一側(cè)安裝風(fēng)扇（假設(shè)為變壓器后部安裝風(fēng)扇），其余三側(cè)未安裝風(fēng)扇的變壓器風(fēng)扇排列結(jié)構(gòu)，6個(gè)聲音傳感器安裝位置具體如下：

1）右側(cè)的聲音傳感器安裝在右側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra1處，左側(cè)的聲音傳感器安裝在左側(cè)面的中心，高0.5h且距變壓器ra2處，前部的聲音傳感器安裝在前部面的中心，高0.5h且距變壓器rb1處，同時(shí)ra1、ra2和rb1滿足式（4）；

2）后部的聲音傳感器安裝在后部面的中心，高0.5h且距變壓器rb2處，同時(shí)聲音沿寬度方向的聲壓級(jí)衰減率大于等于kL；

3）防火墻外側(cè)兩個(gè)傳感器安裝在高0.5h且距離防火墻ra3和rb3處，同時(shí)ra3和rb3滿足式（6）。

2 基于聲音信號(hào)的變壓器異常判別方法

聲音傳感器安裝位置確定后，為減少現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)，文中采用滑動(dòng)平均濾波法對(duì)聲音傳感器采集的聲音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，設(shè)定滑動(dòng)窗口為50個(gè)工頻周期（1 s），即當(dāng)前工頻周期內(nèi)聲音傳感器采集的聲音信號(hào)經(jīng)濾波處理后為從當(dāng)前工頻周期算起前50個(gè)工頻周期內(nèi)聲音傳感器采集的聲音信號(hào)平均值。下面研究變壓器異常判別方法，具體流程如圖1所示。

圖2 變壓器異常判別流程圖Fig.2 Flow chart of abnormality judgment of transformer

步驟1：計(jì)算變壓器實(shí)際發(fā)出的聲音。

將安裝于變壓器前部和右側(cè)的2個(gè)聲音傳感器采集的聲音濾波信號(hào)平均值作為變壓器聲音測(cè)量信號(hào)1；將安裝于變壓器后部和左側(cè)的2個(gè)聲音傳感器采集的聲音濾波信號(hào)平均值作為變壓器聲音測(cè)量信號(hào)2；將安裝于變壓器防火墻外側(cè)的2個(gè)聲音傳感器采集的聲音濾波信號(hào)平均值作為干擾聲音。變壓器聲音測(cè)量信號(hào)1與干擾聲音的差稱為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1；變壓器聲音測(cè)量信號(hào)2與干擾聲音的差稱為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2。

步驟2：提取變壓器聲音的特征頻率。

設(shè)變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1和2經(jīng)傅里葉變換后可表示為

式（7）中，P1表示變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1經(jīng)傅里葉變換后的頻率向量，P2表示變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2經(jīng)傅里葉變換后的頻率向量，p1i表示變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1的第i倍頻幅值（50 Hz為基頻），p2i表示變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2的第i倍頻幅值，N表示倍頻數(shù)。

對(duì)變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1按頻率幅值大小進(jìn)行排序，設(shè)變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1排序第j的頻率對(duì)應(yīng)為f1（j）；對(duì)變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2按頻率幅值大小進(jìn)行排序，設(shè)變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2排序第j的頻率對(duì)應(yīng)為f2（j）。

變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1中前n個(gè)頻率占比H1（n）為

變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2中前n個(gè)頻率占比H2（n）為

根據(jù)“二八原則”［28-30］，當(dāng)H1（n）≥0.8時(shí)，認(rèn)為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1中排序前n個(gè)頻率為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1的特征頻率；當(dāng)H2（n）≥0.8時(shí)，認(rèn)為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2中排序前n個(gè)頻率為變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2的特征頻率。

步驟3：計(jì)算變壓器正常狀態(tài)的特征頻率。

當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，變壓器發(fā)出聲音信號(hào)1的典型特征頻率數(shù)為n1，其典型特征頻率前第j個(gè)頻率幅值為pn1j；變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2的典型特征頻率數(shù)為n2，其典型特征頻率前第j個(gè)頻率幅值為pn2j。

步驟4：判斷變壓器異常狀態(tài)。

計(jì)算變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)1的特征頻率與變壓器正常運(yùn)行時(shí)發(fā)出聲音信號(hào)1的典型特征頻率距離D1為

計(jì)算變壓器實(shí)際發(fā)出聲音信號(hào)2的特征頻率與變壓器正常運(yùn)行時(shí)發(fā)出聲音信號(hào)2的典型特征頻率距離D2為

設(shè)變壓器正常時(shí)D1≤D1max且D2≤D2max，根據(jù)D1和D2判斷變壓器狀態(tài)，判別條件具體如下：

1）當(dāng)D1＞D1max，且D2＞D2max時(shí)，表示變壓器存在異常；

2）當(dāng)D1＞D1max，且D2≤D2max時(shí)，表示變壓器本體正常，變壓器風(fēng)扇存在異常；

3）當(dāng)D1≤D1max，且D2＞D2max時(shí)，表示變壓器異常判據(jù)沖突，需結(jié)合變壓器實(shí)際狀態(tài)修正判據(jù)，當(dāng)變壓器正常時(shí)，需增大D2max，當(dāng)變壓器異常時(shí)，需減小D1max。

變壓器狀態(tài)判別精度受判別閾值D1max和D2max的影響，而判別閾值D1max和D2max的選擇是基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的，故變壓器狀態(tài)判別精度受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)判別閾值D1max和D2max進(jìn)行持續(xù)修正，從而不斷提高變壓器狀態(tài)判別精度。當(dāng)變壓器狀態(tài)判別精度能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的判別閾值即為最終的判別閾值D1max和D2max。

3 裝置驗(yàn)證

為驗(yàn)證變壓器異常判別方法的有效性，本文構(gòu)建了裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要包括主控電路、傳感器接口模塊、人機(jī)交互模塊和通信模塊四個(gè)部分，其中主控電路主要用于在線提取變壓器實(shí)際發(fā)生聲音的特征頻率幅值，并與變壓器正常運(yùn)行時(shí)發(fā)出聲音的典型特征頻率幅值比較，實(shí)現(xiàn)變壓器異常狀態(tài)的判別；傳感器接口模塊是聲音傳感器的接口，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并輸入主控電路，包括濾波電路和信號(hào)調(diào)理電路，濾波電路主要用于濾除干擾信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路主要用于將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為主控電路可識(shí)別電壓信號(hào)；人機(jī)交互模塊用于顯示變壓器聲音特征頻率幅值、當(dāng)前狀態(tài)和歷史狀態(tài)；通訊模塊用于將變壓器狀態(tài)傳送至變電站監(jiān)控后臺(tái)，方便變電站工作人員及時(shí)掌握變壓器狀態(tài)。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of device structure

結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本文研制了一套便攜式變壓器異常聲響判別裝置，裝置于2020年9月研制成功后，在江蘇地區(qū)某特高壓變壓器上進(jìn)行了安裝與使用。使用8個(gè)月以來(lái)，裝置工作良好，未發(fā)生任何死機(jī)、通訊長(zhǎng)時(shí)間中斷等現(xiàn)象。期間該特高壓變壓器運(yùn)行正常、未出現(xiàn)任何故障，與本裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，未出現(xiàn)誤告警的情況，表明本裝置在變壓器狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作中具有一定作用。同時(shí)本裝置測(cè)量的特高壓變壓器正常狀態(tài)下的聲音信號(hào)，有助于進(jìn)一步補(bǔ)充完善變壓器正常狀態(tài)下的聲音頻率特征，對(duì)提高變壓器異常狀態(tài)判別準(zhǔn)確率具有重要意義。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在充分研究電力變壓器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)聲音衰減規(guī)律，明確了6個(gè)聲音傳感器的安裝位置；

2）根據(jù)6個(gè)聲音傳感器采集信號(hào)計(jì)算得到變壓器實(shí)際發(fā)出聲音后，基于“二八原則”實(shí)現(xiàn)變壓器聲音特征頻率的提取，并通過(guò)計(jì)算與典型特征頻率的距離，實(shí)現(xiàn)變壓器異常狀態(tài)的判別。

3）在充分研究裝置功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研制了一套便攜式變壓器異常聲響判別裝置，并在江蘇地區(qū)某特高壓變壓器上進(jìn)行了試用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證了裝置的有效性。