特征機械波在電力設備狀態檢測中的應用

胡興海，胡立信，劉欽，林文杰，蔡怡然

(1.興義供電局，興義 562400;2.廈門紅相電力設備股份有限公司，廈門 361001)

0 前言

根據頻率的不同，機械波可分為次聲波、聲波、超聲波。頻率小于20 Hz 的機械波稱為次聲波，頻率在20 Hz～20 kHz 范圍的機械波稱為聲波，頻率大于20 kHz 的機械波稱為超聲波。

不同頻段機械波產生、傳播和接收等特征預知或分析物體情況［1］;利用聲波的傳輸速度，可以定位爆炸點;利用超聲波頻率高、能量大、方向性強特征，可非侵入式地檢查金屬或非金屬材料內部缺陷(如氣孔、裂紋等)大小、位置。因此，同樣可利用機械波在電力設備中的傳播特性，利用這些特征可實現從體外檢測及診斷電力設備運行狀態，預知故障隱患，提高工作效率，并保證電網的安全運行。

1 信號處理及驗證

電力設備運行及所處的環境，均存在不同程度的噪聲、電磁波等干擾，同時電力設備運行過程產生的機械波具有非線性、非平穩的特點。若要快速、高效的分析判斷電力設備運行狀況，需消除機械波中冗余無用的信號，凸顯信號中易于識別的特征量(包括幅值、頻率、波形等)。

機械波信號處理主要有希爾伯特－黃、傅里葉變換、Winger－Ville 分布、小波變換等時頻域分析方法，其中常用的是小波變換分析方法。小波變換主要優勢是能夠通過小波基分別對時域和頻域進行分析，突出不同時域段和不同頻域段中機械波的細節特征，克服傳統傅里葉變換只能預知周期性信號特征的缺點［2］。常用的小波變換基本公式如下:

假設一個平方可積的函數為θ (t)，通過傅立葉變換，可獲得可容許條件θ (ω):

式(1)中稱θ (t)為基本小波函數。將基本小波函數θ (t)進行伸縮或平移即可得到連續小波基函數:

其中，α 為伸縮因子，β 為平移因子。并且可得任意函數的連續小波變換為:

在連續小波變換當中，其中的變換因子即尺度及平移因子是連續變量，但是，在實際應用中，通常將φα，β(t)中的連續變量α 和β 取做整數離散形式，將φα，β(t)表示為:

從上可得到離散小波函數為:

觀察以上離散小波函數φj，k(t)，可知離散小波函數是由小波函數2j整數倍放大、縮小再經過k 平移得到 {φj.k(t)}，j，k ∈Z。

為了驗證小波變換在機械波特征信號提取及分析的有效性，采用Matlab 模擬隨機產生的機械波［3］，并通過小波變化，分解機械波，獲得特征曲線，如圖1～圖4。圖1 模擬的原始機械波基本無特征可言，無法從此原始機械波分析判斷故障。通過小波變換，從圖2－圖4 中可以看出模擬機械波各個頻段的時域特征，局部化的特征為電力設備故障類型分辨及故障診斷帶來了豐富的、有價值的有效信息。因此，小波變換是一種適合分析電力設備機械波特征的分析方法。

圖1 原始機械波

圖2 一次變換

圖3 二次變換

圖4 三次變換

2 應用及現場實例

2.1 絕緣子機械波檢測分析

為了獲得絕緣子的機械波特征，通過向絕緣子底部發射特殊波段的激勵機械波，再利用接收器獲得絕緣子內部結構反饋的機械波，利用分析軟件提取反饋機械波的頻譜特征，分析特征頻譜是否與正常的絕緣子頻譜一樣，即可實現絕緣子內外是否有裂紋，裂紋的大小程度、裂紋的位置，機械強度是否降低或老化等故障隱患。［4～6］

根據大量的實驗數據及現場驗證，絕緣子反饋機械波的判斷準則為:反饋機械波頻譜波峰在2.5 kHz～6 kHz 之間，可判斷絕緣子處于正常運行狀態;若反饋機械波頻譜波峰出現在2 kHz 以下，說明被測絕緣子底部法蘭附近存在故障隱患，如裂紋或氣隙缺陷;若反饋機械波頻譜波峰出現在8 kHz～10 kHz，說明被測絕緣子上部法蘭附近存在故障隱患，如裂紋或氣隙缺陷。

如圖5，反饋機械波的頻譜波幅集中在3 kHz～4.5 kHz 范圍，且其余頻段未發現明顯的波幅，因此可判斷此絕緣子處于正常運行狀態。如圖6為110 kV 戶外支柱絕緣子的反饋機械波頻譜，反饋機械波頻譜中除了在3 kHz～6 kHz 范圍有波幅外，在1.7 kHz 還存在一個明顯的波幅，說明此絕緣子存在損傷，且損傷位置位于絕緣子下法蘭附近，建議及時安排檢修。

圖5 正常絕緣子反饋機械波

圖6 異常絕緣子反饋機械波

2.2 分接開關機械波檢測

通過檢測分接開關的機械波，提取有效的機械特征量，在時域和頻域范圍內診斷分接開關處于正常階段、異常階段、故障階段，預知分接開關的故障隱患及故障類型，減少分接開關造成的事故發生率，對有載調壓變壓器的安全運行尤其重要。［7－8］

在分接開關切換過程有驅動電機啟動階段、儲能彈簧加載階段、選擇開關動作階段、切換開關動作階段及制動器動作階段，其中除了切換開關動作階段，其余階段分接開關產生的機械波幅值均較小，基本只有變壓器本體、驅動電機及其聯接傳動桿部件的少量振動，機械波均較為平緩，帶有少量的振動波幅，因此在時域上分析分接開關切換過程的機械波，可判斷分接開關是否處于正常狀態。經過小波變換獲得的分接開關時域機械波中可以看出在分接開關(OLTC)切換動作時刻外，其余階段存在有規律的機械波。有規律的機械波各個波峰大小基本一樣，且兩個波峰的時間間隔也基本一致。根據此機械波特征，結合歷史檢測經驗，可判斷為是驅動電機傳動部件的齒輪控制機構的軸和箱的潤滑劑不足，導致齒輪之間的摩擦增大，出現規律性的機械波。針對此現象，建議下次停電檢修時重點關注。

分接開關正常切換過程產生的機械波在頻域上的特征是主要的功率頻譜幅值集中在8 kHz 以下，8 kHz 以上的功率頻譜幅值較少，通過功率頻譜的幅值位置變化，即可判斷分接開關是否處于正常狀態。正常功率頻譜幅值主要集中在低頻段，高頻段幾乎無明顯的功率頻譜幅值;當分接開關儲能彈簧出現弱化后，獲得的機械波功率頻譜特征為高頻段的功率頻譜幅值所占比例明顯增大，功率頻譜轉移明顯，與正常功率頻譜分布明顯差異，因此可判斷分接開關已經存在儲能彈簧弱化現象。

3 結束語

綜上所述，不同電力設備產生的機械波是不一樣的，且其機械波特征表現形式也是不同，即可在時域展現，也可在頻域展現。因此，若要發現不同電力設備的機械波特征，還需深入研究電力設備機械波產生、傳輸、處理等方面內容，積累更多的故障機械波特征，實現電力設備故障的高效率檢測。

［1］鄭菲.臨震次聲異常產生的機理研究［D］.北京工業大學2006

［2］李力.機械信號處理及其應用.華中科技大學出版社.2007 年.

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［8］趙彤，有載分接開關機械狀態的在線監測與故障診斷技術研究［D］.濟南，山東大學，2008.