一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输变电设备状态检修领域，具体涉及一种改进型变压器、电抗器噪声 源定位及振动检测的系统和方法，实现定位变压器、电抗器噪声源，同时测量变压器、电抗 器振动信号。
【背景技术】
[0002] 随着电力事业的发展，变压器、电抗器噪声振动所带来的危害越来越多地受到人 们的关注。近年来，大型特高压变压器、电抗器的噪声振动问题越来越突出，而在该领域国 内的研究一直比较少，噪声的实验研究基本还停留在测量声压级、频谱的阶段，这些研究远 不能满足深入了解大型变压器、电抗器振动噪声产生传播机理、进一步降低大型变压器、电 抗器噪声需求。实践表明，变压器、电抗器有着异常的振动噪音信号时，往往会对应着特定 的缺陷或故障，但现阶段我国的大型变压器、电抗器振动噪声故障监测还处于起步阶段，由 于大型变压器、电抗器结构复杂，理论计算很难准确分析出噪声的产生及传播规律。
[0003] 基于传声器阵列的波束形成声源识别方法（beamforming)，是将一组传声器按一 定的方式布置在空间的不同位置上，组成传声器阵列来接收声音信号，经过适当的延迟求 和处理，进而提取声源位置等信息。将噪声源空间分布与被测目标的光学照片叠加形成"声 音照片"。"声音照片"直观地显示被测目标噪声的二维平面位置。
[0004] 波束形成技术是一种利用传声器阵列获取高度方向性波束特征的方法。假设的平 面波声源入射到阵列，波束形成输出公式为：
[0005]
[0006]
[0007] 式中是5(Gw)聚焦方向为f时的输出，P。为平面波幅值，M是传声器个数，为聚 焦方向的波数向量，冢为平面波真实发生方向的波数向量，I为|与厂之差，^为第m号传 声器位置向量，K/(万)为传声器阵列的阵列模式，是反映传声器阵列性能的一个重要参量。 当聚焦方向$与平面波传播方向瓦一致时，阵列模式取得最大值，称为"主瓣"，否则结果衰 减，称为"旁瓣"。旁瓣相互叠加形成"鬼影"，旁瓣鬼影影响波束形成声源识别的精度和准 确性。
[0008] 波束形成传声器阵列的性能主要体现在分辨率、截止频率、有效动态范围三个方 面。分辨率主要体现于主瓣的宽度，主瓣越窄，分辨率越好。用声源平面上能被准确区分的 两个声源间的距离表征分辨率，根据瑞利准则，得出其公式如下：
[0_
饬
[0010] 其中a为阵列系数，对于线性阵列，a= 1，对于圆形平面阵列，a= 1.22 ;z为 声源平面与阵列平面间的距离；A为声波的波长。可见分辨率与阵列孔径尺寸D、信号频率 f、阵列张角9等因素有关，且D或f越大，0越小，分辨率越好。
[0011] 截止频率由混置现象引起，是波束形成可准确识别彳目号的最尚频率，其值越尚越 好，由空间采样定理得出截止频率公式如下：
[0012] (4)
[0013] 其中，c为声速。显然，阵列张角0和传声器间隔d越大，截止频率越低。阵列孔 径尺寸D、传声器数目M相互作用共同影响传声器间隔d，进而影响截止频率的高低。
[0014] 有效动态范围定义为最大旁瓣水平相对于主瓣峰值的差值，主要体现于波束形成 输出阵列模式径向分布函数及最大旁瓣水平函数。阵列模式径向分布函数和最大旁瓣水平 函数公式如下：
[0015]
[0016]
[0017] 可见其值的大小主要取决于传声器阵列的阵列模式。而由式（2)可得，阵列 模式与匕.有关，取决于传声器的布置形式。
[0018] 传声器阵列是由一定数量的传声器按照一定的空间几何位置排列而成的。阵列参 数包括传声器的数目，阵列的孔径大小，传声器间距，传声器的空间分布形式等几何参数； 另外还包括指向性，波束宽度，最大旁瓣级等衡量阵列性能优劣的特征参数。设计一个好的 阵列，需要考虑实际被测对象的特征及需求。
[0019] 传声器的数目和阵列孔径决定了一个阵列实现的复杂程度。阵列的传声器个数越 多，布线方式越复杂。阵列孔径表示的是阵列在空间占据的体积，阵列孔径越大，结构实现 越困难。传声器数目还影响阵列增益。由于阵列是在噪声背景下检测信号的，阵列增益是 用来描述阵列作为空间处理器所提供的信噪比改善程度。一般来说，传声器数目和阵列增 益成正比。
[0020] 设计麦克风阵列设计时一般都根据被测对象的噪声特性进行针对性设计。变压 器、电抗器的噪声声源分为本体噪声和冷却系统噪声。铁心的娃钢片在交变磁场的作用下， 长度发生微小变化即磁致伸缩，磁致伸缩使铁心随励磁频率的变化做周期性振动。绕组在 漏磁场电磁力作用下使一些部件产生振动，引起噪声。铁心电磁吸力和磁致伸缩、绕组间电 动力以及油箱上磁屏蔽的磁致伸缩等所产生的电磁噪声，一起构成变压器、电抗器的本体 噪声，该噪声由油箱传递给外界，和冷却系统产生的空气动力噪声相叠加，构成变压器、电 抗器的总体噪声。
[0021] 变压器、电抗器噪声主要是两倍电源频率为其基频（100HZ)的具有明显谐波成分 的低频噪音。主要频段是l〇〇HZ、200HZ、300HZ、400HZ、500HZ。在设计阵列时，根据公式（3)， 为了使阵列分辨率更高（即更小），尽量选取较小的声源与阵列距离z;以及扩大阵列孔径 D〇
[0022] 专利《一种应用在变压器及电抗器上的噪声源定位装置》（CN201320007114.X)公 开了一种应用在变压器、电抗器上的噪声源定位装置，采用声成像技术，通过十字型麦克风 传感器阵列采集变压器、电抗器的声波信号，计算各传感器接收到的信号的相位差，依据相 控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即声 像图，其中以图像的颜色和亮度代表声音的强弱。将声像图与阵列上配装的摄像头（照相 机）所拍的视频图像以透明的方式重叠在一起，就可以直观分析变压器、电抗器的噪声状 态。使用的阵列为十字规则整列，使用40个麦克风，麦克风间距为0. 1米，麦克风孔径为2 米。阵列的成像结果数值模拟如图3所示。
[0023] 然而，经实践现场实验发现此阵列对变压器、电抗器本体的低频噪音分辨率不够， 在针对大型变压器低频段噪声信号进行声源定位时，存在定位模糊，精度不高的问题，同时 存在无法同步测量变压器、电抗器振动信号的缺陷。主要制约因素是阵列孔径太小，大型变 压器尺寸较大（截面尺寸大约为5*6米），为了包含整个变压器截面，阵列需离变压器距离 较远，这样就降低了分辨率。另外变电站现场安全要求较高，阵列摆放位置往往受限。为了 提高阵列低频分辨率、抑制旁瓣鬼影以及抗混叠的能力，必须扩大阵列的有效动态范围。
【发明内容】
[0024] 本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足之处，提供一种改进 型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统和方法，采用田字形麦克风阵列提高系统 在低频段噪声信号进行声源定位的精度，加入振动监测并实现振动信号与噪声信号的同步 测量，提高变压器、电抗器的低频段噪声源定位的精度。
[0025] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
[0026] 一种改进型变压器、电抗器噪声源定位及振动检测的系统，其特征在于：它包括麦 克风支架、噪声传感器阵列、振动传感器、数据采集系统、麦克风阵列成像模块、噪声振动测 试模块以及辅助设备；
[0027] 所述麦克风支架由麦克风阵列支架以及麦克风三脚架构成，所述麦克风阵列支架 用于固定噪声传感器阵列，麦克风阵列支架由田字支架及田字支架左、右、上引出的支杆组 成，麦克风阵列支架固定在麦克风三脚架上；
[0028] 所述噪声传感器阵列由固定布置在麦克风阵列支架上的多个麦克风组成，用于适 应变压器、电抗器低频噪声源定位，各个麦克风分别布置在田字支架及田字支架左、右、上 引出的支杆上；田字阵列中心安装有用于拍摄被测对象照片的照相机；
[0029] 所述振动传感器通过磁铁安装在变压器、电抗器被测对象的预定位置，用于采集 被测对象的振动信号；
[0030] 所述数据采集系统包括多个采集卡，各个采集卡通过通信电缆与噪声传感器阵列 的各个麦克风以及振动传感器连接，实现噪声、振动信号的采集；
[0031] 所述麦克风阵列成像模块用于定位噪声源，麦克风阵列成像模块内集