基于聲成像技術(shù)的變電站電力設(shè)備噪聲源識(shí)別技術(shù)研究

趙君成 覃啟銘 張志富 杜鳴亮 章 江

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司蕪湖供電公司)

0 引言

住宅設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范文件明確指出: “住宅建筑中禁止設(shè)置變壓器室等含有噪聲振動(dòng)源的建筑用房, 如果因?yàn)榉N種原因必須要設(shè)置時(shí), 必須滿足建筑防火、建筑隔聲等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求”。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高下, 出現(xiàn)越來越多的變電站[1], 這些變電站通常位于居民區(qū)附近, 甚至有的變電站直接建造于居民區(qū), 該變電站內(nèi)含有大量的電力設(shè)備, 這些電力設(shè)備一旦運(yùn)行起來, 會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染, 對(duì)居民的日常生活和工作產(chǎn)生不良影響。所以, 強(qiáng)化對(duì)變電站電力設(shè)備噪聲源精確化檢測(cè)顯得尤為重要。

1 聲成像技術(shù)基本原理

變電站電力設(shè)備在日常運(yùn)行期間, 通常會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲, 這些噪聲所蘊(yùn)含的設(shè)備狀態(tài)信息相對(duì)比較豐富。將處于正常運(yùn)行狀態(tài)下的設(shè)備所產(chǎn)生的某種噪聲設(shè)置為參考基準(zhǔn), 并將其與監(jiān)測(cè)的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行全面地對(duì)比和分析[2], 然后, 快速診斷出設(shè)備的狀態(tài),并結(jié)合設(shè)備狀態(tài), 確定出噪聲源, 這就是聲成像技術(shù), 該技術(shù)具有設(shè)備簡單、安裝自由、測(cè)量精確度高等特點(diǎn), 應(yīng)用該技術(shù), 不會(huì)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生不良影響, 同時(shí), 還能提高在線監(jiān)測(cè)結(jié)果的精確性和真實(shí)性, 降低振動(dòng)信號(hào)測(cè)量難度[3], 完全滿足振動(dòng)信號(hào)不易測(cè)量的使用場(chǎng)景。

2 噪聲源主要識(shí)別方法

2.1 傳統(tǒng)噪聲源識(shí)別方法

2.1.1 近場(chǎng)測(cè)量法

傳聲器通常設(shè)置在靠近噪聲源位置的地方, 以達(dá)到精確化測(cè)量聲源聲壓級(jí)的目的, 這種測(cè)量方法主要應(yīng)用于高頻率噪聲分析上, 所獲得的分析結(jié)果可以為后期有效識(shí)別強(qiáng)噪聲源提供重要的依據(jù)和參考。但是, 當(dāng)多個(gè)噪聲源之間存在互相干擾現(xiàn)象時(shí), 最強(qiáng)的聲源通常會(huì)表現(xiàn)出較大的強(qiáng)度, 運(yùn)用這種測(cè)量方法, 難以有效地辨識(shí)次強(qiáng)的聲源[4], 在實(shí)際應(yīng)用中, 需要同時(shí)辨識(shí)多個(gè)噪聲源, 因此, 近場(chǎng)測(cè)量法難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2.1.2 表面強(qiáng)度法

表面強(qiáng)度法主要是指將加速度計(jì)測(cè)儀器設(shè)置在振動(dòng)表面上, 同時(shí), 還要將傳感器設(shè)置到加速度計(jì)上,以達(dá)到感受和測(cè)量聲壓信號(hào)的目的, 各個(gè)聲壓信號(hào)相乘后獲得表面聲強(qiáng)。該測(cè)量方法的運(yùn)用, 不僅可以獲得聲強(qiáng), 還能獲得表面速度信息[5], 這為后期聲輻射效率精確化計(jì)算提供重要依據(jù)。但是, 該方法在實(shí)際應(yīng)用中, 存在工作量大問題, 難以滿足處于運(yùn)行狀態(tài)的電抗器使用需求。

2.1.3 聲強(qiáng)法

首先對(duì)電力設(shè)備的測(cè)量面進(jìn)行定義并建立測(cè)試網(wǎng)格, 根據(jù)ISO9614-2 (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)電力設(shè)備進(jìn)行掃描測(cè)量, 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。分析軟件通過對(duì)采集到的信號(hào)計(jì)算得到電力設(shè)備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[6], 因此選用聲強(qiáng)法進(jìn)行聲源定位實(shí)現(xiàn)比較困難。

2.2 基于麥克風(fēng)陣列的可視化噪聲源識(shí)別方法

可視化噪聲源識(shí)別方法主要是指在精確化測(cè)量聲壓的基礎(chǔ)上, 運(yùn)用重構(gòu)算法, 完成對(duì)三維聲場(chǎng)的構(gòu)建, 并采用圖形、動(dòng)畫的方式, 將聲場(chǎng)形象、直觀地呈現(xiàn)在用戶面前。與上述噪聲源識(shí)別方法相比, 可視化噪聲源識(shí)別方法除了用到聲的強(qiáng)度信息外, 還用到聲的相位信息, 這就增加最終測(cè)量結(jié)果的直觀性, 便于用戶定位和量化噪聲源, 從而確定出噪聲的實(shí)際傳播路徑。此外, 根據(jù)頻譜分析結(jié)果, 可以直觀形象地反映出噪聲源的頻率信息, 為后期科學(xué)診斷和處理聲學(xué)故障問題提供重要的數(shù)據(jù)支持。

可視化噪聲源識(shí)別方法在具體應(yīng)用中, 首先, 借助傳聲器陣列, 對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行精確化測(cè)量, 從而達(dá)到空間采樣聲信號(hào)的目的, 然后, 將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式, 并將其安全、可靠地存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。目前, 后處理算法運(yùn)用是否合理、有效, 直接影響最終識(shí)別性能。在后處理算法中, 主要用到延時(shí)求和波束形成算法, 該算法使用思想為: 對(duì)被測(cè)物進(jìn)行離散處理, 從而完成對(duì)聚焦網(wǎng)格點(diǎn)的構(gòu)建, 同時(shí), 借助傳感器陣列, 完成對(duì)所需聲音信號(hào)的采集和整理。此外,通過應(yīng)用后處理算法, 可以在聲源附近形成大量的網(wǎng)格點(diǎn), 促使網(wǎng)格點(diǎn)輸出呈現(xiàn)出不斷增強(qiáng)的狀態(tài), 而其他聚焦網(wǎng)格點(diǎn)在實(shí)際輸出時(shí), 呈現(xiàn)出不斷減弱狀態(tài),從而達(dá)到精確化識(shí)別聲源的目的?？傊? 可視化噪聲源識(shí)別方法具有計(jì)算效率高、性能可靠穩(wěn)定等特點(diǎn),取得良好的應(yīng)用效果。

3 噪聲產(chǎn)生的原因

結(jié)合變電站電力設(shè)備所產(chǎn)生的原理, 精確地定位噪聲源, 這為有效地判斷和分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài), 制定降噪方案發(fā)揮出重要作用。對(duì)于變電站而言, 其噪聲源主要包含電力變壓器、電容器等設(shè)備, 部分設(shè)備緊固件在具體安裝時(shí), 并未按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和要求進(jìn)行安裝, 電力設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí), 會(huì)出現(xiàn)異常噪聲現(xiàn)象。電力設(shè)備噪聲產(chǎn)生原因主要包含以下幾點(diǎn): (1)變壓器作為變電站重要設(shè)備, 在實(shí)際運(yùn)行時(shí), 通常會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲, 因此, 變壓器是變電站常見的噪聲源。變壓器作為一種常見的電力設(shè)備在具體運(yùn)行時(shí),利用電磁感應(yīng), 對(duì)電壓、電流進(jìn)行有效地轉(zhuǎn)換。由于變壓器內(nèi)部含有大量的漏磁場(chǎng), 變壓器在具體運(yùn)行時(shí), 在電磁力的影響下, 交變電流的繞組線圈會(huì)出現(xiàn)明顯振動(dòng)現(xiàn)象, 如果繞組之間存在明顯松動(dòng)現(xiàn)象, 則振動(dòng)噪聲變得越來越大。在變壓器中, 其鐵心振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是在鐵心勵(lì)磁的作用下, 磁致伸縮現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)改變硅鋼片尺寸。在電磁力的作用下, 硅鋼片接縫處與疊片之間通常產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。同時(shí), 在電磁力的作用下, 變壓器鐵心與繞組之間會(huì)形成明顯的振動(dòng)噪聲現(xiàn)象。該振動(dòng)噪聲基頻為100Hz, 頻譜范圍為200 ～600Hz, 當(dāng)變壓器內(nèi)部產(chǎn)生直流分量時(shí), 會(huì)導(dǎo)致鐵心與繞組之間形成明顯愈來愈明顯的振動(dòng)噪聲。(2) 風(fēng)扇、電機(jī)等變壓器冷卻系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí), 很容易產(chǎn)生明顯振動(dòng)噪聲現(xiàn)象。(3) 在氣體介質(zhì)作用下, 不均價(jià)電池出現(xiàn)電暈放電現(xiàn)象, 這種現(xiàn)象比較常見于變電設(shè)備, 電暈放電現(xiàn)象的出現(xiàn), 會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲, 其噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變壓器所產(chǎn)生的電磁噪聲。(4) 設(shè)備之間振動(dòng), 會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械噪聲, 導(dǎo)致設(shè)備之間振動(dòng)原因是設(shè)備安裝位置不平整、設(shè)備構(gòu)件出現(xiàn)明顯松動(dòng)等現(xiàn)象, 電力設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行時(shí), 出現(xiàn)明顯振動(dòng)現(xiàn)象, 從而引發(fā)明顯噪聲。

4 聲成像系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

在進(jìn)行聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 主要用到延時(shí)求和波束形成算法, 該算法主要是在參照延時(shí)求和相關(guān)理論的基礎(chǔ)上提出的, 主要用于對(duì)聲源的快速化、精確化定位。該算法運(yùn)用原理為: 采用網(wǎng)格化處理方式, 將聲源面劃分為多個(gè)網(wǎng)格, 利用聲陣列相關(guān)技術(shù), 獲得所需要的空間聲音信號(hào), 然后, 采用相位對(duì)齊求和方式, 逐一分析離散的網(wǎng)格聚焦點(diǎn)。當(dāng)所獲得網(wǎng)格點(diǎn)與聲源位置完全相同時(shí), 沿著掃面方向, 會(huì)自動(dòng)輸出最大值, 從而起到快速定位聲源的作用。通過將該算法應(yīng)用于聲成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 可以確保系統(tǒng)具有強(qiáng)大的聲源定位功能。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲成像系統(tǒng)主要應(yīng)用傳感器陣列測(cè)量技術(shù), 有效地測(cè)量聲波到達(dá)各個(gè)傳感器信號(hào)相位差異, 并運(yùn)用相控陣原理, 快速查找和確定聲源位置[8], 并結(jié)合所采集好的生源特征信息, 對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效診斷。該系統(tǒng)組成如圖1 所示。從圖1 中可以看出, 該系統(tǒng)主要包含麥克風(fēng)傳感器、信號(hào)調(diào)理器、終端計(jì)算機(jī)等部分組成。結(jié)合螺旋陣列特點(diǎn), 將多個(gè)麥克風(fēng)依次擺放, 并組合成相應(yīng)的陣列, 該陣列具有空間選擇性強(qiáng)特點(diǎn), 無需直接移動(dòng)陣列, 就可以自動(dòng)檢測(cè)、定位和跟蹤聲源信號(hào)。運(yùn)用多個(gè)麥克風(fēng), 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同聲音的同步化采集, 并運(yùn)用陣列信號(hào)處理算法, 自動(dòng)獲得聲壓級(jí)分布情況等相關(guān)信息, 聲壓級(jí)分布情況需要借助偽彩色圖表進(jìn)行表示, 運(yùn)用不同顏色表示不同升壓級(jí)[9]。此外, 應(yīng)用攝像頭, 對(duì)電力設(shè)備光學(xué)照片進(jìn)行同步獲取和整理, 并將聲壓級(jí)分布于光學(xué)照片進(jìn)行疊加, 從而獲得“聲音照片”。聲成像系統(tǒng)在具體運(yùn)行時(shí), 需要運(yùn)用延時(shí)求和波束算法, 獲取傳感器陣列所對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)信息, 從而保證聲源定位功能實(shí)現(xiàn)效果[10]。延時(shí)求和波束算法在具體運(yùn)用時(shí), 要平移處理單個(gè)振元的輸入信號(hào), 并將該信號(hào)與時(shí)間點(diǎn)對(duì)齊, 并對(duì)其進(jìn)行疊加處理。該算法所形成的輸出公式如下:

圖1 聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

式中,wn、θ分別為各振元加權(quán)系數(shù)、掃描角度。對(duì)于聲成像系統(tǒng)而言, 其麥克風(fēng)頻率測(cè)量范圍為15 ～25000Hz, 采樣頻率通常設(shè)置為50kHz。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的噪聲源定位功能和顯示功能, 通過運(yùn)用這兩個(gè)功能, 可以對(duì)設(shè)備噪聲來源進(jìn)行系統(tǒng)化分析, 并確定出噪聲產(chǎn)生的原因, 這為后期科學(xué)診斷設(shè)備故障問題提供重要的依據(jù)和參考。

5 檢測(cè)分析

5.1 變壓器噪聲識(shí)別

本次檢測(cè)分析中, 所選用的110kV 變壓器型號(hào)為“SSZ11-40000/110”, 該變壓器冷卻方式為“ONAN”,出廠日期為2020 年9 月。應(yīng)用聲成像系統(tǒng)識(shí)別該變電站電力設(shè)備的噪聲源。

變壓器聲成像圖如圖2 所示, 圖2 中的標(biāo)識(shí)點(diǎn)均代表聲音的圖像, 當(dāng)圖像色斑變小, 且背景暗度降低時(shí), 聲成像表現(xiàn)出較高的清晰度和聲場(chǎng)空間分辨能力。當(dāng)變壓器處于50Hz、100Hz 關(guān)鍵頻率點(diǎn)時(shí), 其聲壓級(jí)均低于60dB, 但是, 位于升高座的聲壓相對(duì)較高, 高達(dá)76dB, 由此可見, 升高座是變壓器噪聲主要來源, 需要在第一時(shí)間內(nèi)停電, 對(duì)升高座進(jìn)行全面化檢查。

圖2 變壓器聲成像圖

5.2 接地刀閘噪聲識(shí)別

應(yīng)用聲成像系統(tǒng), 巡檢正在試運(yùn)行的500kV 變電站電力設(shè)備, 經(jīng)過巡檢發(fā)現(xiàn), 多臺(tái)接地刀閘出現(xiàn)異常噪聲, 噪聲源主要來源于靜觸頭座, 對(duì)于電力設(shè)備噪聲源而言, 其最大聲壓值為53.4dB, 同時(shí), 將噪聲頻率依次設(shè)置為100Hz、300Hz、500Hz。接著, 對(duì)整個(gè)電力設(shè)備進(jìn)行停電處理, 并對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行全面化檢查, 經(jīng)過檢查, 發(fā)現(xiàn)該接地刀閘靜觸頭位置靠近于導(dǎo)向板, 該電力設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行期間, 會(huì)存在懸浮放電現(xiàn)象, 并出現(xiàn)噪聲異?，F(xiàn)象, 科學(xué)調(diào)整接地刀閘間距后, 造成異?，F(xiàn)象立即消失。

6 結(jié)束語

綜上所述, 本文應(yīng)用聲成像技術(shù), 完成對(duì)聲成像系統(tǒng)的搭建, 并將該系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中, 檢測(cè)結(jié)果表明: 該系統(tǒng)的搭建和應(yīng)用, 可以有效化、精確化識(shí)別電力設(shè)備噪聲源, 具有可操作性強(qiáng)、安全可靠性高、非接觸測(cè)量等特點(diǎn), 可以快速地查找電力設(shè)備噪聲源, 這為后期制定降噪方案提供重要的依據(jù)和參考。由此可見, 本文所搭建的聲成像系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備噪聲源有效化、精確化識(shí)別, 保證最終識(shí)別結(jié)果的精確性和真實(shí)性, 值得被進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。