基于聲成像技術的變電站電力設備噪聲源識別技術研究

趙君成 覃啟銘 張志富 杜鳴亮 章 江

(國網安徽省電力有限公司蕪湖供電公司)

0 引言

住宅設計相關規范文件明確指出: “住宅建筑中禁止設置變壓器室等含有噪聲振動源的建筑用房, 如果因為種種原因必須要設置時, 必須滿足建筑防火、建筑隔聲等相關標準和要求”。在社會經濟水平的不斷提高下, 出現越來越多的變電站[1], 這些變電站通常位于居民區附近, 甚至有的變電站直接建造于居民區, 該變電站內含有大量的電力設備, 這些電力設備一旦運行起來, 會產生嚴重的噪聲污染, 對居民的日常生活和工作產生不良影響。所以, 強化對變電站電力設備噪聲源精確化檢測顯得尤為重要。

1 聲成像技術基本原理

變電站電力設備在日常運行期間, 通常會產生一定的噪聲, 這些噪聲所蘊含的設備狀態信息相對比較豐富。將處于正常運行狀態下的設備所產生的某種噪聲設置為參考基準, 并將其與監測的目標信號進行全面地對比和分析[2], 然后, 快速診斷出設備的狀態,并結合設備狀態, 確定出噪聲源, 這就是聲成像技術, 該技術具有設備簡單、安裝自由、測量精確度高等特點, 應用該技術, 不會對電力設備運行產生不良影響, 同時, 還能提高在線監測結果的精確性和真實性, 降低振動信號測量難度[3], 完全滿足振動信號不易測量的使用場景。

2 噪聲源主要識別方法

2.1 傳統噪聲源識別方法

2.1.1 近場測量法

傳聲器通常設置在靠近噪聲源位置的地方, 以達到精確化測量聲源聲壓級的目的, 這種測量方法主要應用于高頻率噪聲分析上, 所獲得的分析結果可以為后期有效識別強噪聲源提供重要的依據和參考。但是, 當多個噪聲源之間存在互相干擾現象時, 最強的聲源通常會表現出較大的強度, 運用這種測量方法, 難以有效地辨識次強的聲源[4], 在實際應用中, 需要同時辨識多個噪聲源, 因此, 近場測量法難以滿足實際應用需求。

2.1.2 表面強度法

表面強度法主要是指將加速度計測儀器設置在振動表面上, 同時, 還要將傳感器設置到加速度計上,以達到感受和測量聲壓信號的目的, 各個聲壓信號相乘后獲得表面聲強。該測量方法的運用, 不僅可以獲得聲強, 還能獲得表面速度信息[5], 這為后期聲輻射效率精確化計算提供重要依據。但是, 該方法在實際應用中, 存在工作量大問題, 難以滿足處于運行狀態的電抗器使用需求。

2.1.3 聲強法

首先對電力設備的測量面進行定義并建立測試網格, 根據ISO9614-2 (掃描法), 數據采集系統控制聲強探頭按照一定順序在測量網格上對電力設備進行掃描測量, 并對數據進行存儲。分析軟件通過對采集到的信號計算得到電力設備的輻射聲功率及聲場分布。但對于目前變電站的測試環境和電抗器的尺寸來說,聲強法同時測量的點數少, 測量時間長(不符合變電站的操作規程), 同時聲強法不能測量非穩態噪聲(只能測量穩態噪聲), 且存在近場效應誤差、相位不匹配誤差等固有缺陷[6], 因此選用聲強法進行聲源定位實現比較困難。

2.2 基于麥克風陣列的可視化噪聲源識別方法

可視化噪聲源識別方法主要是指在精確化測量聲壓的基礎上, 運用重構算法, 完成對三維聲場的構建, 并采用圖形、動畫的方式, 將聲場形象、直觀地呈現在用戶面前。與上述噪聲源識別方法相比, 可視化噪聲源識別方法除了用到聲的強度信息外, 還用到聲的相位信息, 這就增加最終測量結果的直觀性, 便于用戶定位和量化噪聲源, 從而確定出噪聲的實際傳播路徑。此外, 根據頻譜分析結果, 可以直觀形象地反映出噪聲源的頻率信息, 為后期科學診斷和處理聲學故障問題提供重要的數據支持。

可視化噪聲源識別方法在具體應用中, 首先, 借助傳聲器陣列, 對噪聲信號進行精確化測量, 從而達到空間采樣聲信號的目的, 然后, 將采樣信號轉換為數字格式, 并將其安全、可靠地存儲到計算機中。目前, 后處理算法運用是否合理、有效, 直接影響最終識別性能。在后處理算法中, 主要用到延時求和波束形成算法, 該算法使用思想為: 對被測物進行離散處理, 從而完成對聚焦網格點的構建, 同時, 借助傳感器陣列, 完成對所需聲音信號的采集和整理。此外,通過應用后處理算法, 可以在聲源附近形成大量的網格點, 促使網格點輸出呈現出不斷增強的狀態, 而其他聚焦網格點在實際輸出時, 呈現出不斷減弱狀態,從而達到精確化識別聲源的目的?？傊? 可視化噪聲源識別方法具有計算效率高、性能可靠穩定等特點,取得良好的應用效果。

3 噪聲產生的原因

結合變電站電力設備所產生的原理, 精確地定位噪聲源, 這為有效地判斷和分析設備運行狀態, 制定降噪方案發揮出重要作用。對于變電站而言, 其噪聲源主要包含電力變壓器、電容器等設備, 部分設備緊固件在具體安裝時, 并未按照相關設計規范和要求進行安裝, 電力設備在實際運行時, 會出現異常噪聲現象。電力設備噪聲產生原因主要包含以下幾點: (1)變壓器作為變電站重要設備, 在實際運行時, 通常會產生一定的噪聲, 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備在具體運行時,利用電磁感應, 對電壓、電流進行有效地轉換。由于變壓器內部含有大量的漏磁場, 變壓器在具體運行時, 在電磁力的影響下, 交變電流的繞組線圈會出現明顯振動現象, 如果繞組之間存在明顯松動現象, 則振動噪聲變得越來越大。在變壓器中, 其鐵心振動現象出現的原因是在鐵心勵磁的作用下, 磁致伸縮現象的出現會改變硅鋼片尺寸。在電磁力的作用下, 硅鋼片接縫處與疊片之間通常產生漏磁現象。同時, 在電磁力的作用下, 變壓器鐵心與繞組之間會形成明顯的振動噪聲現象。該振動噪聲基頻為100Hz, 頻譜范圍為200 ～600Hz, 當變壓器內部產生直流分量時, 會導致鐵心與繞組之間形成明顯愈來愈明顯的振動噪聲。(2) 風扇、電機等變壓器冷卻系統在實際運行時, 很容易產生明顯振動噪聲現象。(3) 在氣體介質作用下, 不均價電池出現電暈放電現象, 這種現象比較常見于變電設備, 電暈放電現象的出現, 會產生一定的噪聲, 其噪聲強度遠遠低于變壓器所產生的電磁噪聲。(4) 設備之間振動, 會產生一定的機械噪聲, 導致設備之間振動原因是設備安裝位置不平整、設備構件出現明顯松動等現象, 電力設備在實際運行時, 出現明顯振動現象, 從而引發明顯噪聲。

4 聲成像系統

4.1 系統設計相關技術

在進行聲成像系統設計時, 主要用到延時求和波束形成算法, 該算法主要是在參照延時求和相關理論的基礎上提出的, 主要用于對聲源的快速化、精確化定位。該算法運用原理為: 采用網格化處理方式, 將聲源面劃分為多個網格, 利用聲陣列相關技術, 獲得所需要的空間聲音信號, 然后, 采用相位對齊求和方式, 逐一分析離散的網格聚焦點。當所獲得網格點與聲源位置完全相同時, 沿著掃面方向, 會自動輸出最大值, 從而起到快速定位聲源的作用。通過將該算法應用于聲成像系統設計中, 可以確保系統具有強大的聲源定位功能。

4.2 系統結構設計

聲成像系統主要應用傳感器陣列測量技術, 有效地測量聲波到達各個傳感器信號相位差異, 并運用相控陣原理, 快速查找和確定聲源位置[8], 并結合所采集好的生源特征信息, 對電力設備運行狀態進行有效診斷。該系統組成如圖1 所示。從圖1 中可以看出, 該系統主要包含麥克風傳感器、信號調理器、終端計算機等部分組成。結合螺旋陣列特點, 將多個麥克風依次擺放, 并組合成相應的陣列, 該陣列具有空間選擇性強特點, 無需直接移動陣列, 就可以自動檢測、定位和跟蹤聲源信號。運用多個麥克風, 可以實現對不同聲音的同步化采集, 并運用陣列信號處理算法, 自動獲得聲壓級分布情況等相關信息, 聲壓級分布情況需要借助偽彩色圖表進行表示, 運用不同顏色表示不同升壓級[9]。此外, 應用攝像頭, 對電力設備光學照片進行同步獲取和整理, 并將聲壓級分布于光學照片進行疊加, 從而獲得“聲音照片”。聲成像系統在具體運行時, 需要運用延時求和波束算法, 獲取傳感器陣列所對應的聲場信息, 從而保證聲源定位功能實現效果[10]。延時求和波束算法在具體運用時, 要平移處理單個振元的輸入信號, 并將該信號與時間點對齊, 并對其進行疊加處理。該算法所形成的輸出公式如下:

圖1 聲成像系統結構示意圖

式中,wn、θ分別為各振元加權系數、掃描角度。對于聲成像系統而言, 其麥克風頻率測量范圍為15 ～25000Hz, 采樣頻率通常設置為50kHz。該系統具有強大的噪聲源定位功能和顯示功能, 通過運用這兩個功能, 可以對設備噪聲來源進行系統化分析, 并確定出噪聲產生的原因, 這為后期科學診斷設備故障問題提供重要的依據和參考。

5 檢測分析

5.1 變壓器噪聲識別

本次檢測分析中, 所選用的110kV 變壓器型號為“SSZ11-40000/110”, 該變壓器冷卻方式為“ONAN”,出廠日期為2020 年9 月。應用聲成像系統識別該變電站電力設備的噪聲源。

變壓器聲成像圖如圖2 所示, 圖2 中的標識點均代表聲音的圖像, 當圖像色斑變小, 且背景暗度降低時, 聲成像表現出較高的清晰度和聲場空間分辨能力。當變壓器處于50Hz、100Hz 關鍵頻率點時, 其聲壓級均低于60dB, 但是, 位于升高座的聲壓相對較高, 高達76dB, 由此可見, 升高座是變壓器噪聲主要來源, 需要在第一時間內停電, 對升高座進行全面化檢查。

圖2 變壓器聲成像圖

5.2 接地刀閘噪聲識別

應用聲成像系統, 巡檢正在試運行的500kV 變電站電力設備, 經過巡檢發現, 多臺接地刀閘出現異常噪聲, 噪聲源主要來源于靜觸頭座, 對于電力設備噪聲源而言, 其最大聲壓值為53.4dB, 同時, 將噪聲頻率依次設置為100Hz、300Hz、500Hz。接著, 對整個電力設備進行停電處理, 并對電力設備進行全面化檢查, 經過檢查, 發現該接地刀閘靜觸頭位置靠近于導向板, 該電力設備在實際運行期間, 會存在懸浮放電現象, 并出現噪聲異?，F象, 科學調整接地刀閘間距后, 造成異?，F象立即消失。

6 結束語

綜上所述, 本文應用聲成像技術, 完成對聲成像系統的搭建, 并將該系統應用于現場檢測中, 檢測結果表明: 該系統的搭建和應用, 可以有效化、精確化識別電力設備噪聲源, 具有可操作性強、安全可靠性高、非接觸測量等特點, 可以快速地查找電力設備噪聲源, 這為后期制定降噪方案提供重要的依據和參考。由此可見, 本文所搭建的聲成像系統具有較高的應用價值和應用前景, 可以實現對電力設備噪聲源有效化、精確化識別, 保證最終識別結果的精確性和真實性, 值得被進一步推廣和應用。