一種改進(jìn)型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)型變壓器、電抗器噪聲 源定位及振動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)和方法，實(shí)現(xiàn)定位變壓器、電抗器噪聲源，同時(shí)測(cè)量變壓器、電抗 器振動(dòng)信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力事業(yè)的發(fā)展，變壓器、電抗器噪聲振動(dòng)所帶來(lái)的危害越來(lái)越多地受到人 們的關(guān)注。近年來(lái)，大型特高壓變壓器、電抗器的噪聲振動(dòng)問(wèn)題越來(lái)越突出，而在該領(lǐng)域國(guó) 內(nèi)的研究一直比較少，噪聲的實(shí)驗(yàn)研究基本還停留在測(cè)量聲壓級(jí)、頻譜的階段，這些研究遠(yuǎn) 不能滿足深入了解大型變壓器、電抗器振動(dòng)噪聲產(chǎn)生傳播機(jī)理、進(jìn)一步降低大型變壓器、電 抗器噪聲需求。實(shí)踐表明，變壓器、電抗器有著異常的振動(dòng)噪音信號(hào)時(shí)，往往會(huì)對(duì)應(yīng)著特定 的缺陷或故障，但現(xiàn)階段我國(guó)的大型變壓器、電抗器振動(dòng)噪聲故障監(jiān)測(cè)還處于起步階段，由 于大型變壓器、電抗器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論計(jì)算很難準(zhǔn)確分析出噪聲的產(chǎn)生及傳播規(guī)律。
[0003] 基于傳聲器陣列的波束形成聲源識(shí)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(lái)接收聲音信號(hào)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难舆t求 和處理，進(jìn)而提取聲源位置等信息。將噪聲源空間分布與被測(cè)目標(biāo)的光學(xué)照片疊加形成"聲 音照片"。"聲音照片"直觀地顯示被測(cè)目標(biāo)噪聲的二維平面位置。
[0004] 波束形成技術(shù)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(shè)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?yàn)閒時(shí)的輸出，P。為平面波幅值，M是傳聲器個(gè)數(shù)，為聚 焦方向的波數(shù)向量，冢為平面波真實(shí)發(fā)生方向的波數(shù)向量，I為|與廠之差，^為第m號(hào)傳 聲器位置向量，K/(萬(wàn))為傳聲器陣列的陣列模式，是反映傳聲器陣列性能的一個(gè)重要參量。 當(dāng)聚焦方向$與平面波傳播方向瓦一致時(shí)，陣列模式取得最大值，稱(chēng)為"主瓣"，否則結(jié)果衰 減，稱(chēng)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(shí)別的精度和準(zhǔn) 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(dòng)態(tài)范圍三個(gè)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(zhǔn)確區(qū)分的 兩個(gè)聲源間的距離表征分辨率，根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，得出其公式如下：
[0_
飭
[0010] 其中a為陣列系數(shù)，對(duì)于線性陣列，a= 1，對(duì)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(zhǎng)?？梢?jiàn)分辨率與陣列孔徑尺寸D、信號(hào)頻率 f、陣列張角9等因素有關(guān)，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(zhǔn)確識(shí)別彳目號(hào)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(shù)目M相互作用共同影響傳聲器間隔d，進(jìn)而影響截止頻率的高低。
[0014] 有效動(dòng)態(tài)范圍定義為最大旁瓣水平相對(duì)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(shù)及最大旁瓣水平函數(shù)。陣列模式徑向分布函數(shù)和最大旁瓣水平 函數(shù)公式如下：
[0015]
[0016]
[0017] 可見(jiàn)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(guān)，取決于傳聲器的布置形式。
[0018] 傳聲器陣列是由一定數(shù)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(shù)包括傳聲器的數(shù)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(shù)； 另外還包括指向性，波束寬度，最大旁瓣級(jí)等衡量陣列性能優(yōu)劣的特征參數(shù)。設(shè)計(jì)一個(gè)好的 陣列，需要考慮實(shí)際被測(cè)對(duì)象的特征及需求。
[0019] 傳聲器的數(shù)目和陣列孔徑?jīng)Q定了一個(gè)陣列實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度。陣列的傳聲器個(gè)數(shù)越 多，布線方式越復(fù)雜。陣列孔徑表示的是陣列在空間占據(jù)的體積，陣列孔徑越大，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 越困難。傳聲器數(shù)目還影響陣列增益。由于陣列是在噪聲背景下檢測(cè)信號(hào)的，陣列增益是 用來(lái)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(lái)說(shuō)，傳聲器數(shù)目和陣列增 益成正比。
[0020] 設(shè)計(jì)麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)時(shí)一般都根據(jù)被測(cè)對(duì)象的噪聲特性進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。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(chǎng)的作用下， 長(zhǎng)度發(fā)生微小變化即磁致伸縮，磁致伸縮使鐵心隨勵(lì)磁頻率的變化做周期性振動(dòng)。繞組在 漏磁場(chǎng)電磁力作用下使一些部件產(chǎn)生振動(dòng)，引起噪聲。鐵心電磁吸力和磁致伸縮、繞組間電 動(dòng)力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸縮等所產(chǎn)生的電磁噪聲，一起構(gòu)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(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲相疊加，構(gòu)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(shè)計(jì)陣列時(shí)，根據(jù)公式（3)， 為了使陣列分辨率更高（即更?。M量選取較小的聲源與陣列距離z;以及擴(kuò)大陣列孔徑 D〇
[0022] 專(zhuān)利《一種應(yīng)用在變壓器及電抗器上的噪聲源定位裝置》（CN201320007114.X)公 開(kāi)了一種應(yīng)用在變壓器、電抗器上的噪聲源定位裝置，采用聲成像技術(shù)，通過(guò)十字型麥克風(fēng) 傳感器陣列采集變壓器、電抗器的聲波信號(hào)，計(jì)算各傳感器接收到的信號(hào)的相位差，依據(jù)相 控陣原理確定聲源的位置，測(cè)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(qiáng)弱。將聲像圖與陣列上配裝的攝像頭（照相 機(jī)）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(gè)麥克風(fēng)，麥克風(fēng)間距為0. 1米，麥克風(fēng)孔徑為2 米。陣列的成像結(jié)果數(shù)值模擬如圖3所示。
[0023] 然而，經(jīng)實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此陣列對(duì)變壓器、電抗器本體的低頻噪音分辨率不夠， 在針對(duì)大型變壓器低頻段噪聲信號(hào)進(jìn)行聲源定位時(shí)，存在定位模糊，精度不高的問(wèn)題，同時(shí) 存在無(wú)法同步測(cè)量變壓器、電抗器振動(dòng)信號(hào)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(gè)變壓器截面，陣列需離變壓器距離 較遠(yuǎn)，這樣就降低了分辨率。另外變電站現(xiàn)場(chǎng)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(kuò)大陣列的有效動(dòng)態(tài)范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足之處，提供一種改進(jìn) 型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)和方法，采用田字形麥克風(fēng)陣列提高系統(tǒng) 在低頻段噪聲信號(hào)進(jìn)行聲源定位的精度，加入振動(dòng)監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)與噪聲信號(hào)的同步 測(cè)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(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0026] 一種改進(jìn)型變壓器、電抗器噪聲源定位及振動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)，其特征在于：它包括麥 克風(fēng)支架、噪聲傳感器陣列、振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、麥克風(fēng)陣列成像模塊、噪聲振動(dòng)測(cè) 試模塊以及輔助設(shè)備；
[0027] 所述麥克風(fēng)支架由麥克風(fēng)陣列支架以及麥克風(fēng)三腳架構(gòu)成，所述麥克風(fēng)陣列支架 用于固定噪聲傳感器陣列，麥克風(fēng)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(fēng)陣列支架固定在麥克風(fēng)三腳架上；
[0028] 所述噪聲傳感器陣列由固定布置在麥克風(fēng)陣列支架上的多個(gè)麥克風(fēng)組成，用于適 應(yīng)變壓器、電抗器低頻噪聲源定位，各個(gè)麥克風(fēng)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(cè)對(duì)象照片的照相機(jī)；
[0029] 所述振動(dòng)傳感器通過(guò)磁鐵安裝在變壓器、電抗器被測(cè)對(duì)象的預(yù)定位置，用于采集 被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信號(hào)；
[0030] 所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括多個(gè)采集卡，各個(gè)采集卡通過(guò)通信電纜與噪聲傳感器陣列 的各個(gè)麥克風(fēng)以及振動(dòng)傳感器連接，實(shí)現(xiàn)噪聲、振動(dòng)信號(hào)的采集；
[0031] 所述麥克風(fēng)陣列成像模塊用于定位噪聲源，麥克風(fēng)陣列成像模塊內(nèi)集