一種改進型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動檢測的系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及輸變電設備狀態(tài)檢修領域，具體涉及一種改進型變壓器、電抗器噪聲 源定位及振動檢測的系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)定位變壓器、電抗器噪聲源，同時測量變壓器、電抗 器振動信號。
【背景技術】
[0002] 隨著電力事業(yè)的發(fā)展，變壓器、電抗器噪聲振動所帶來的危害越來越多地受到人 們的關注。近年來，大型特高壓變壓器、電抗器的噪聲振動問題越來越突出，而在該領域國 內的研究一直比較少，噪聲的實驗研究基本還停留在測量聲壓級、頻譜的階段，這些研究遠 不能滿足深入了解大型變壓器、電抗器振動噪聲產生傳播機理、進一步降低大型變壓器、電 抗器噪聲需求。實踐表明，變壓器、電抗器有著異常的振動噪音信號時，往往會對應著特定 的缺陷或故障，但現(xiàn)階段我國的大型變壓器、電抗器振動噪聲故障監(jiān)測還處于起步階段，由 于大型變壓器、電抗器結構復雜，理論計算很難準確分析出噪聲的產生及傳播規(guī)律。
[0003] 基于傳聲器陣列的波束形成聲源識別方法（beamforming)，是將一組傳聲器按一 定的方式布置在空間的不同位置上，組成傳聲器陣列來接收聲音信號，經過適當的延遲求 和處理，進而提取聲源位置等信息。將噪聲源空間分布與被測目標的光學照片疊加形成"聲 音照片"。"聲音照片"直觀地顯示被測目標噪聲的二維平面位置。
[0004] 波束形成技術是一種利用傳聲器陣列獲取高度方向性波束特征的方法。假設的平 面波聲源入射到陣列，波束形成輸出公式為：
[0005]
[0006]
[0007] 式中是5(Gw)聚焦方向為f時的輸出，P。為平面波幅值，M是傳聲器個數，為聚 焦方向的波數向量，冢為平面波真實發(fā)生方向的波數向量，I為|與廠之差，^為第m號傳 聲器位置向量，K/(萬)為傳聲器陣列的陣列模式，是反映傳聲器陣列性能的一個重要參量。 當聚焦方向$與平面波傳播方向瓦一致時，陣列模式取得最大值，稱為"主瓣"，否則結果衰 減，稱為"旁瓣"。旁瓣相互疊加形成"鬼影"，旁瓣鬼影影響波束形成聲源識別的精度和準 確性。
[0008] 波束形成傳聲器陣列的性能主要體現(xiàn)在分辨率、截止頻率、有效動態(tài)范圍三個方 面。分辨率主要體現(xiàn)于主瓣的寬度，主瓣越窄，分辨率越好。用聲源平面上能被準確區(qū)分的 兩個聲源間的距離表征分辨率，根據瑞利準則，得出其公式如下：
[0_
飭
[0010] 其中a為陣列系數，對于線性陣列，a= 1，對于圓形平面陣列，a= 1.22 ;z為 聲源平面與陣列平面間的距離；A為聲波的波長?？梢姺直媛逝c陣列孔徑尺寸D、信號頻率 f、陣列張角9等因素有關，且D或f越大，0越小，分辨率越好。
[0011] 截止頻率由混置現(xiàn)象引起，是波束形成可準確識別彳目號的最尚頻率，其值越尚越 好，由空間采樣定理得出截止頻率公式如下：
[0012] (4)
[0013] 其中，c為聲速。顯然，陣列張角0和傳聲器間隔d越大，截止頻率越低。陣列孔 徑尺寸D、傳聲器數目M相互作用共同影響傳聲器間隔d，進而影響截止頻率的高低。
[0014] 有效動態(tài)范圍定義為最大旁瓣水平相對于主瓣峰值的差值，主要體現(xiàn)于波束形成 輸出陣列模式徑向分布函數及最大旁瓣水平函數。陣列模式徑向分布函數和最大旁瓣水平 函數公式如下：
[0015]
[0016]
[0017] 可見其值的大小主要取決于傳聲器陣列的陣列模式。而由式（2)可得，陣列 模式與匕.有關，取決于傳聲器的布置形式。
[0018] 傳聲器陣列是由一定數量的傳聲器按照一定的空間幾何位置排列而成的。陣列參 數包括傳聲器的數目，陣列的孔徑大小，傳聲器間距，傳聲器的空間分布形式等幾何參數； 另外還包括指向性，波束寬度，最大旁瓣級等衡量陣列性能優(yōu)劣的特征參數。設計一個好的 陣列，需要考慮實際被測對象的特征及需求。
[0019] 傳聲器的數目和陣列孔徑決定了一個陣列實現(xiàn)的復雜程度。陣列的傳聲器個數越 多，布線方式越復雜。陣列孔徑表示的是陣列在空間占據的體積，陣列孔徑越大，結構實現(xiàn) 越困難。傳聲器數目還影響陣列增益。由于陣列是在噪聲背景下檢測信號的，陣列增益是 用來描述陣列作為空間處理器所提供的信噪比改善程度。一般來說，傳聲器數目和陣列增 益成正比。
[0020] 設計麥克風陣列設計時一般都根據被測對象的噪聲特性進行針對性設計。變壓 器、電抗器的噪聲聲源分為本體噪聲和冷卻系統(tǒng)噪聲。鐵心的娃鋼片在交變磁場的作用下， 長度發(fā)生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵磁頻率的變化做周期性振動。繞組在 漏磁場電磁力作用下使一些部件產生振動，引起噪聲。鐵心電磁吸力和磁致伸縮、繞組間電 動力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸縮等所產生的電磁噪聲，一起構成變壓器、電抗器的本體 噪聲，該噪聲由油箱傳遞給外界，和冷卻系統(tǒng)產生的空氣動力噪聲相疊加，構成變壓器、電 抗器的總體噪聲。
[0021] 變壓器、電抗器噪聲主要是兩倍電源頻率為其基頻（100HZ)的具有明顯諧波成分 的低頻噪音。主要頻段是l〇〇HZ、200HZ、300HZ、400HZ、500HZ。在設計陣列時，根據公式（3)， 為了使陣列分辨率更高（即更小），盡量選取較小的聲源與陣列距離z;以及擴大陣列孔徑 D〇
[0022] 專利《一種應用在變壓器及電抗器上的噪聲源定位裝置》（CN201320007114.X)公 開了一種應用在變壓器、電抗器上的噪聲源定位裝置，采用聲成像技術，通過十字型麥克風 傳感器陣列采集變壓器、電抗器的聲波信號，計算各傳感器接收到的信號的相位差，依據相 控陣原理確定聲源的位置，測量聲源的幅值，并以圖像的方式顯示聲源在空間的分布，即聲 像圖，其中以圖像的顏色和亮度代表聲音的強弱。將聲像圖與陣列上配裝的攝像頭（照相 機）所拍的視頻圖像以透明的方式重疊在一起，就可以直觀分析變壓器、電抗器的噪聲狀 態(tài)。使用的陣列為十字規(guī)則整列，使用40個麥克風，麥克風間距為0. 1米，麥克風孔徑為2 米。陣列的成像結果數值模擬如圖3所示。
[0023] 然而，經實踐現(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)此陣列對變壓器、電抗器本體的低頻噪音分辨率不夠， 在針對大型變壓器低頻段噪聲信號進行聲源定位時，存在定位模糊，精度不高的問題，同時 存在無法同步測量變壓器、電抗器振動信號的缺陷。主要制約因素是陣列孔徑太小，大型變 壓器尺寸較大（截面尺寸大約為5*6米），為了包含整個變壓器截面，陣列需離變壓器距離 較遠，這樣就降低了分辨率。另外變電站現(xiàn)場安全要求較高，陣列擺放位置往往受限。為了 提高陣列低頻分辨率、抑制旁瓣鬼影以及抗混疊的能力，必須擴大陣列的有效動態(tài)范圍。

【發(fā)明內容】

[0024] 本發(fā)明要解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術存在的上述不足之處，提供一種改進 型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動檢測的系統(tǒng)和方法，采用田字形麥克風陣列提高系統(tǒng) 在低頻段噪聲信號進行聲源定位的精度，加入振動監(jiān)測并實現(xiàn)振動信號與噪聲信號的同步 測量，提高變壓器、電抗器的低頻段噪聲源定位的精度。
[0025] 本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：
[0026] 一種改進型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動檢測的系統(tǒng)，其特征在于：它包括麥 克風支架、噪聲傳感器陣列、振動傳感器、數據采集系統(tǒng)、麥克風陣列成像模塊、噪聲振動測 試模塊以及輔助設備；
[0027] 所述麥克風支架由麥克風陣列支架以及麥克風三腳架構成，所述麥克風陣列支架 用于固定噪聲傳感器陣列，麥克風陣列支架由田字支架及田字支架左、右、上引出的支桿組 成，麥克風陣列支架固定在麥克風三腳架上；
[0028] 所述噪聲傳感器陣列由固定布置在麥克風陣列支架上的多個麥克風組成，用于適 應變壓器、電抗器低頻噪聲源定位，各個麥克風分別布置在田字支架及田字支架左、右、上 引出的支桿上；田字陣列中心安裝有用于拍攝被測對象照片的照相機；
[0029] 所述振動傳感器通過磁鐵安裝在變壓器、電抗器被測對象的預定位置，用于采集 被測對象的振動信號；
[0030] 所述數據采集系統(tǒng)包括多個采集卡，各個采集卡通過通信電纜與噪聲傳感器陣列 的各個麥克風以及振動傳感器連接，實現(xiàn)噪聲、振動信號的采集；
[0031] 所述麥克風陣列成像模塊用于定位噪聲源，麥克風陣列成像模塊內集