基于声音在线监测的变压器异常判别方法

谭风雷，张根源，张海华，陈 昊

（国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京211102）

0 引言

电力变压器是一种能够实现电压转换的电力设备，可将某一电压等级的交流电转化为另一电压等级的交流电且频率保持不变。基于电压变换特性，电力变压器广泛应用于电力系统的输变领域，可有效减少电能的输送损失，保证输电效率［1-4］。近年来，随着电力变压器的大量应用，其故障频率日益增加。电力变压器故障一般包括一般、严重和危急3个过程，若能在电力变压器故障发生初期，通过某种手段及时发现故障，即可避免故障扩大，有效提高变压器的使用寿命［5-9］。

目前，已有大量文献对电力变压器故障诊断方法进行了深入研究［10-12］，其诊断原理各不相同，主要包括基于振动信号、声音特征和绝缘油中溶解气体含量等3类，文献［13］采用一种基于振动信号和指标能量的电力变压器机械故障判断方法，实现了绕组、铁芯机械故障的监测，并通过试验进行了验证。文献［14］采用一种基于随机森林和声音信号特征的电力变压器机械故障判别方法，并以某台10 kV变压器为例，对典型机械故障进行了诊断，准确率高于95%。文献［15］采用一种基于绝缘油中溶解气体和深度信念网络的电力变压器故障识别算法，通过分析网络层数和节点数对基于深度信念网络故障识别准确率的影响，验证了方法的可行性。

电力变压器工作在不同状态，其产生的声音信号不同。当变压器正常运行时，一般会产生嗡嗡的声音，且随着负荷大小的变化而改变；而当变压器内部故障时，一般会产生噼啪、咕噜等声音，这是由于变压器内部接触电阻较大或绝缘水平不够等问题引起的［16-20］。长期以来，变电站工作人员可通过工作经验来判断变压器的故障状态，但通过声音一般只能判断较为严重的故障，而故障初期的异常状态是难以判断的，只有待其进一步发展成为严重故障时才能被发现［21-24］。为解决此类问题，本文提出了一种基于声音在线监测的变压器异常判别方法。首先基于电力变压器结构确定声音传感器的安装位置及数量；然后研究变压器声音的特征频率和基于声音特征频率的异常状态判别方法；最后通过试验样机和现场应用来验证方法的有效性。

1 基于声音衰减规律确定声音传感器的安装位置

变压器结构示意图如图1所示，呈长方体结构，有左侧、右侧、前部、后部、顶部5个面暴露在空气中，其中顶部面安装声音传感器较为困难，考虑在左侧、右侧、前部、后部四个面分别安装一个声音传感器。前部和右侧面加装了风扇，后部和左侧面没有加装风扇，显然声音变化是不同的。

图1 变压器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of transformer structure

假设变压器的中心点为振源中心，声音在变压器内部和空气中传播时，声音的衰减规律［25-27］是不同的，设声音在变压器内部与空气中的传播阻抗比为R1，变压器长度为a，宽度为b，高度为h，则声音沿变压器长度方向的衰减声压级为

式（1）中，ΔLa表示沿长度方向距离变压器为r1的衰减声压级。

声音沿变压器宽度方向的衰减声压级为

式（2）中，ΔLb表示沿宽度方向距离变压器为r2的衰减声压级。

设变压器振源中心的声压级为L0，则声音沿长度和宽度方向的声压级衰减率为

式（3）中，ka表示声音沿长度方向的声压级衰减率；kb表示声音沿宽度方向的声压级衰减率。

基于声音衰减规律的声音传感器安装位置应满足：

式（4）中，kL表示采样点的声压级衰减率。

另外，变压器附近环境较为复杂，还存在设备声、风声、雨声、动物声和车辆声等多种干扰噪声，为保证变压器声音的测量精度，需消除干扰噪声。变压器周边有防火墙，其对声音具有一定阻挡作用，考虑在防火墙外侧装设2个声音传感器，用于测量干扰噪声。

设声音在防火墙内部与空气中的传播阻抗比为R2，防火墙厚度为d，且防火墙距离变压器距离为c，则外侧距离防火墙r3处的衰减声压级为

式（5）中，ΔLc表示距离防火墙外侧r3处的衰减声压级。

距离防火墙外侧r3处的声压级衰减率为

式（6）中，kc表示距离防火墙外侧r3处的声压级衰减率；kmin表示声音传感器能够测量的最小声压级。

根据前面的分析，6个声音传感器安装位置具体如下：

1）右侧的声音传感器安装在右侧面的中心，高0.5h且距变压器ra1处，前部的声音传感器安装在前部面的中心，高0.5h且距变压器rb1处，同时ra1和rb1满足式（4）。

2）左侧的声音传感器安装在左侧面的中心，高0.5h且距变压器ra2处，后部的声音传感器安装在后部面的中心，高0.5h且距变压器rb2处，同时ra2和rb2满足式（4）。

3）防火墙外侧两个传感器安装在高0.5h且距离防火墙ra3和rb3处，同时ra3和rb3满足式（6）。

上述声音传感器布置位置主要适用于相邻两侧均匀安装风扇，另外两侧未安装风扇的变压器风扇排列结构，而变压器其他风扇排列结构略有差异，但都是基于变压器各侧声压级衰减率相等的原则来确定声音传感器布置位置的。例如针对自冷变压器无风扇排列结构，6个声音传感器安装位置具体如下：

1）右侧的声音传感器安装在右侧面的中心，高0.5h且距变压器ra1处，左侧的声音传感器安装在左侧面的中心，高0.5h且距变压器ra2处，前部的声音传感器安装在前部面的中心，高0.5h且距变压器rb1处，后部的声音传感器安装在后部面的中心，高0.5h且距变压器rb2处，同时ra1、ra2、rb1和rb2满足式（4）。

2）防火墙外侧两个传感器安装在高0.5h且距离防火墙ra3和rb3处，同时ra3和rb3满足式（6）。

针对仅一侧安装风扇（假设为变压器后部安装风扇），其余三侧未安装风扇的变压器风扇排列结构，6个声音传感器安装位置具体如下：

1）右侧的声音传感器安装在右侧面的中心，高0.5h且距变压器ra1处，左侧的声音传感器安装在左侧面的中心，高0.5h且距变压器ra2处，前部的声音传感器安装在前部面的中心，高0.5h且距变压器rb1处，同时ra1、ra2和rb1满足式（4）；

2）后部的声音传感器安装在后部面的中心，高0.5h且距变压器rb2处，同时声音沿宽度方向的声压级衰减率大于等于kL；

3）防火墙外侧两个传感器安装在高0.5h且距离防火墙ra3和rb3处，同时ra3和rb3满足式（6）。

2 基于声音信号的变压器异常判别方法

声音传感器安装位置确定后，为减少现场干扰信号，文中采用滑动平均滤波法对声音传感器采集的声音信号进行滤波处理，设定滑动窗口为50个工频周期（1 s），即当前工频周期内声音传感器采集的声音信号经滤波处理后为从当前工频周期算起前50个工频周期内声音传感器采集的声音信号平均值。下面研究变压器异常判别方法，具体流程如图1所示。

图2 变压器异常判别流程图Fig.2 Flow chart of abnormality judgment of transformer

步骤1：计算变压器实际发出的声音。

将安装于变压器前部和右侧的2个声音传感器采集的声音滤波信号平均值作为变压器声音测量信号1；将安装于变压器后部和左侧的2个声音传感器采集的声音滤波信号平均值作为变压器声音测量信号2；将安装于变压器防火墙外侧的2个声音传感器采集的声音滤波信号平均值作为干扰声音。变压器声音测量信号1与干扰声音的差称为变压器实际发出声音信号1；变压器声音测量信号2与干扰声音的差称为变压器实际发出声音信号2。

步骤2：提取变压器声音的特征频率。

设变压器实际发出声音信号1和2经傅里叶变换后可表示为

式（7）中，P1表示变压器实际发出声音信号1经傅里叶变换后的频率向量，P2表示变压器实际发出声音信号2经傅里叶变换后的频率向量，p1i表示变压器实际发出声音信号1的第i倍频幅值（50 Hz为基频），p2i表示变压器实际发出声音信号2的第i倍频幅值，N表示倍频数。

对变压器实际发出声音信号1按频率幅值大小进行排序，设变压器实际发出声音信号1排序第j的频率对应为f1（j）；对变压器实际发出声音信号2按频率幅值大小进行排序，设变压器实际发出声音信号2排序第j的频率对应为f2（j）。

变压器实际发出声音信号1中前n个频率占比H1（n）为

变压器实际发出声音信号2中前n个频率占比H2（n）为

根据“二八原则”［28-30］，当H1（n）≥0.8时，认为变压器实际发出声音信号1中排序前n个频率为变压器实际发出声音信号1的特征频率；当H2（n）≥0.8时，认为变压器实际发出声音信号2中排序前n个频率为变压器实际发出声音信号2的特征频率。

步骤3：计算变压器正常状态的特征频率。

当变压器正常运行时，变压器发出声音信号1的典型特征频率数为n1，其典型特征频率前第j个频率幅值为pn1j；变压器实际发出声音信号2的典型特征频率数为n2，其典型特征频率前第j个频率幅值为pn2j。

步骤4：判断变压器异常状态。

计算变压器实际发出声音信号1的特征频率与变压器正常运行时发出声音信号1的典型特征频率距离D1为

计算变压器实际发出声音信号2的特征频率与变压器正常运行时发出声音信号2的典型特征频率距离D2为

设变压器正常时D1≤D1max且D2≤D2max，根据D1和D2判断变压器状态，判别条件具体如下：

1）当D1＞D1max，且D2＞D2max时，表示变压器存在异常；

2）当D1＞D1max，且D2≤D2max时，表示变压器本体正常，变压器风扇存在异常；

3）当D1≤D1max，且D2＞D2max时，表示变压器异常判据冲突，需结合变压器实际状态修正判据，当变压器正常时，需增大D2max，当变压器异常时，需减小D1max。

变压器状态判别精度受判别阈值D1max和D2max的影响，而判别阈值D1max和D2max的选择是基于现场实测数据得到的，故变压器状态判别精度受现场实测数据的影响。在现场实际应用时，需要根据实测数据对判别阈值D1max和D2max进行持续修正，从而不断提高变压器状态判别精度。当变压器状态判别精度能够满足现场实际需求时，此时对应的判别阈值即为最终的判别阈值D1max和D2max。

3 装置验证

为验证变压器异常判别方法的有效性，本文构建了装置结构示意图如图3所示，主要包括主控电路、传感器接口模块、人机交互模块和通信模块四个部分，其中主控电路主要用于在线提取变压器实际发生声音的特征频率幅值，并与变压器正常运行时发出声音的典型特征频率幅值比较，实现变压器异常状态的判别；传感器接口模块是声音传感器的接口，将声音信号转换为电信号并输入主控电路，包括滤波电路和信号调理电路，滤波电路主要用于滤除干扰信号，信号调理电路主要用于将声音信号转换为主控电路可识别电压信号；人机交互模块用于显示变压器声音特征频率幅值、当前状态和历史状态；通讯模块用于将变压器状态传送至变电站监控后台，方便变电站工作人员及时掌握变压器状态。

图3 装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of device structure

结合装置结构示意图，本文研制了一套便携式变压器异常声响判别装置，装置于2020年9月研制成功后，在江苏地区某特高压变压器上进行了安装与使用。使用8个月以来，装置工作良好，未发生任何死机、通讯长时间中断等现象。期间该特高压变压器运行正常、未出现任何故障，与本装置监测结果一致，未出现误告警的情况，表明本装置在变压器状态监测工作中具有一定作用。同时本装置测量的特高压变压器正常状态下的声音信号，有助于进一步补充完善变压器正常状态下的声音频率特征，对提高变压器异常状态判别准确率具有重要意义。

4 结语

1）在充分研究电力变压器结构的基础上，根据声音衰减规律，明确了6个声音传感器的安装位置；

2）根据6个声音传感器采集信号计算得到变压器实际发出声音后，基于“二八原则”实现变压器声音特征频率的提取，并通过计算与典型特征频率的距离，实现变压器异常状态的判别。

3）在充分研究装置功能结构的基础上，研制了一套便携式变压器异常声响判别装置，并在江苏地区某特高压变压器上进行了试用，现场实际运行效果验证了装置的有效性。