背 景 介 绍
电力变压器作为电力系统中的关键设备，其运行的安全稳定与和谐社会的健康发展息息相关。变压器一旦出现故障，不但影响正常生产和人民的安定生活， 同时也会造成巨大的经济损失，严重时甚至还可能对人身安全造成威胁和损害。
根据DL/T573-2010《电力变压器检修导则》，变压器过载、不平衡负载、谐波负载、严重过热、直流偏磁、局部放电、绕组铁心松动、附件松动等多种缺陷均与变压器运行声音及振动有关。
常见的变压器状态监测与故障诊断方法所采用的状态量包括：油色谱、电磁、温度等， 通常诊断发现时设备缺陷和故障已经形成，因此诊断存在滞后性。可听噪声与振动伴随变压器运行产生，声音与振动的幅值、时域波形、频谱特性与其运行电压、电流、机械状态、励磁状态、绝缘状态等密切相关，可及时反映设备运行状态变化。
声纹监测具有以下技术优势
- 无需接触带电设备，不改变设备运行状态，安装方便；
- 能够实时跟踪设备运行状态变化，检测灵敏度高；
- 补充了现有监测状态量的缺失，增加了声振低频20Hz ~ 20kHz 范围内的故障诊断方案。
综上， 声纹监测可与其他状态量监测技术互相补充， 构成故障从“萌芽—发 展——形成”的全过程、全阶段监测与预警体系， 有效提高电力变压器安全稳定 运行水平。随着电力设备智能运检体系的建设发展， 对于状态监测与预警新技术 的需求愈加凸显，利用声纹特征诊断变压器故障具有重要意义。
设计原则及依据
通过声纹监测实现变压器运行状态“正常、 注意、异常”的定性评估， 作为新的辅助技术手段， 与油色谱、局放、铁心接地电流等常规检测手段相结合，提高变压器安全运行水平。
在定性评估的基础上， 基于现阶段声纹特征数据分布，利用声纹特征与图谱进一步诊断变压器直流偏磁、谐波负载、过载、冷却装置异常、外部附件松动、外部放电、绕组与铁心松动等缺陷并预警。
系 统 概 述
变压器声纹振动在线监测系统通过实时获取变压器运行状态下的声音（振动）参量，构成故障从“萌芽——发展——形成”的全过程、全阶段监测与预警体系。广泛试用于发电、输电、变电、配电设备的状态监测及故障预警。
系统主要由传声器（振动加速度传感器）、声纹监测与边缘计算装置以及远程诊断服务中心构成。
传感器接收变压器声音（振动）信号， 声纹监测装置对声纹振动信号进行采集、处理，通过有线网络（光纤） / 4G / WiFi发送至远程服务中心，并由远程诊断服务中心完成声纹特征监测、故障诊断以及设备状态评估，状态分析结果通过IEC 61850 等协议传输至数据中心或辅控平台。
系统采用小型化、模块化结构设计，体积小、重量轻，具备快速拆装、带电安装、方便运输等诸多优势； 装置采用的振动传感器多采用磁吸附或开口方式，安装方便，无需对变压器本体进行改动。
系 统 架 构
变压器声纹振动在线监测系统分为智能感知层、数据采集与边缘计算层及远程诊断服务应用层。
具体主要包括能够快速检测和故障诊断的监测装置及其外置传感器、户外用柜体、移动无线通讯网络以及变压器运行状态评估系统软件， 现场声纹检测装置上电后自动采集声音数据并经打包处理后发送至智能应用云平台，由平台完成数据显示、数据库存储、声纹特征提取、设备运行状态评价以及平台数据对接其系统架构如下图所示。
智能感知层
智能感知层主要指可以对变压器状态进行感知的麦克风或者振动传感器。 传感器全部采用快速安装方式，如磁吸附方式，数量可灵活配置。振动传感器采用磁吸附方式沿变压器周身布置，通过振动信号的声纹分析可发现变压器器身松动、 绕组变形等缺陷。
数据汇聚层
数据汇聚层主要指站端部署的声纹振动监测装置，负责对振动传感器信号进 行采集、特征提取及处理分析，并打包发送至远程服务器。快速、准确地反馈被 监测变压器的运行状态。
此外，该声纹振动监测装置的柜体采用全密封设计，满足室外长期运行要求，能够在极端恶劣环境和变电站强电磁干扰环境下安全可靠运行。
软件应用层
软件应用层主要指上层应用平台，站端服务中心。
通过在线监测的声纹振动 等大量实时上送的数据，结合离线输入的变压器结构、出厂试验等参数，完成变压器内部故障的进一步分析诊断，实现对变压器运行状态的综合评估，并形成有效的评估诊断结果，为运维人员提供科学有效的参考依据，并能够有效延长设备运行时间，制定合理检修计划，防范突发故障的发生。
系统软件主界面如下图所示。
左上为所有采集设备列表，左下为监测前端运行状态信息，图形区域为当前测点数据与设备状态信息，包括状态评估图、时频域波形图、声谱图以及特征参数走势图。
系统功能特点及技术优势
故障诊断原理
一般而言，变压器的声音在短期内不会发生显著变化，可认为是准平稳信号。典型运行缺陷下，对比正常情况，变压器频谱分布特性发生显著改变。从声谱图中提取能够反映变压器运行状态的关键特征参数，并据此对变压器运行状态进行评价。
变压器运行状态的确定
经过长期的研究积累，我们积累了能够对变压器运行状态故障进行监测和故障诊断的多个核心特征，该声纹特征参数对于变压器状态评价效果较好，不同声纹特征参数均在一定程度上反映了变压器的运行状态，因此，声纹监测系统综合上述参数对变压器运行状态进行评估。
现场应用案例与效果
直流偏磁检测预警
某变电站主变振动幅值随时间变化过程呈现无规律间歇增大特性，正常情况下最大振动幅值约为5m/s2，异常情况下最大振动幅值可达13m/s2，约为正常条件下的2.6倍。与振动变化过程同步，变压器声压级呈现波动性变化，正常情况下变压器声压级为69.5dB(A)，异常情况下声压级最大值为80.2 dB(A)，声压级显著增大。
35min内振动幅值随时间变化过程
35min内声压级幅值随时间变化过程
正常与异常频谱对比
冷却风机异常缺陷
对某变电站SFZ7-20000/110型110kV油浸式变压器进行噪声检测。特征参数计算结果显示，主变声压级达到70.7dB(A)，奇偶次谐波比特征值为0.096，高频能量比重达到0.6，频谱复杂度为2.16。
按照声纹监测系统诊断方法，该主变奇偶次谐波比、频谱复杂度特征均正常，声压级与高频能量比重偏高，诊断结果为冷却装置老化。
现场观测结果表明，该设备运行时间超过27年，冷却装置老化、轴承磨损严重，冷却装置噪声超过主变本体噪声，导致主变噪声显著增大。按照类似诊断方法，对多台主变进行声纹检测，能过准确发现冷却设备老化问题。
某110kV主变冷却风机老化图谱
开关柜松动缺陷
某110kV变电站主变320开关柜，型号：KYN28A-127，额定电压：12kV；额定电流：3000A。负载电流值约为1360A，开关柜运行噪声与振动正常；负载电流增大至2396A，开关柜出现异常噪声与振动。
某10kV 开关柜正常与异常谱图对比
诊断结论： 穿屏套管隔板结构设计缺陷。
穿屏套管隔板内部因感应涡流而与三相母排产生相互作用的电动力，随着负载电流的显著上升， 电流中谐波产生的作用力逐渐明显，且与开关柜本身固有频率接近，因而产生了结构共振现象。诊断结论与声源定位测试结果及厂家停电检修结论一致。利用该技术，后续发现开关柜该类型缺陷多起，为迎峰度夏期间开关柜安全运行提供了新的保障技术手段。
开关柜悬浮放电缺陷
利用声纹检测技术发现某10kV开关柜高频能量比特征参数显著增大，判断该开关柜存在放电缺陷，后经停电检修发现开关柜母排互感器断线，对地产生悬浮放电，柜内存在电弧灼烧痕迹，验证了声纹检测结论。
线路TV异响缺陷检测
利用声纹检测技术发现某500kV新投运变电站线路TV存在明显异响，噪声频率在20kHz 范围内均匀分布，怀疑存在内部放电缺陷，经厂家检测分析证实该TV内部存在设计缺陷导致电场分布不均匀，进而引起异响。
水力发电机组定子放电缺陷
某水电厂安装有3台三相凸极同步发电机，型号SF80-60/10400。设备巡检过程中发现1号发电机存在异常的噪声，与同类型的2、3号机组存在明显差异。通过声纹检测发现，发电机定子顶部某测点异常噪声最为显著。通过声纹分析发现明显的放电声信号。
