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基于声波信号分析的电气设备故障诊断新方法

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李晓龙

[导读] 摘要：电气设备运行环境异常复杂，不仅容易造成设备运行故障频发，在设计故障诊断检测上，难度也相对较大。

        中机国能电力工程有限公司上海市
        摘要：电气设备运行环境异常复杂，不仅容易造成设备运行故障频发，在设计故障诊断检测上，难度也相对较大。为了可以更加准确的进行电气设备运行故障的诊断，将声波分析技术应用到电气设备故障诊断中，实现对不良环境下机电设备故障诊断的目的。基于声波分析的故障诊断，能偶避免强磁场和高电压对故障检测造成的干扰，获得更为准确的故障数据。本文从声波信号分析故障诊断方案设计入手，分析声波信号分析技术诊断电气设备故障的过程，为电气设备故障诊断提供参考。
        关键词：声波信号。电气设备；故障诊断；方案
        目前，在电气设备运行故障诊断与监测技术的应用，大大提高了设备故障诊断的效率。传统的电气设备运行故障诊断方法主要以电子信号检测为主，这些检测方法的实施，都需要通过接触式传感器实现。由于机电设备运行环境往往存在高电压和强磁场，不仅检测安全风险较高，而且检测结果受到干扰，往往准确性不足。在如此恶劣的环境下安装监测传感器，后期的维护保养难度较高，而且工作环境极易导致传感器故障，进一步造成电气设备出现连带反应，影响设备的运行。在此背景下，寻求一种操作简单便捷、可信性高、监测数据准确的方法，对于电气设备故障的诊断与运行状态的监测非常重要。
        一、声波信号分析在电气设备故障诊断应用分析
        声波信号分析法在故障检测方面应用具有非常悠久的历史，普遍将其应用在发动机等机械设备的故障检测上。声波信号分析法进行故障检测始于20世纪的80年代，然后经过快速的发展，目前已经具备了成熟的分析体系与应用技术。近年来，电气系统中设备故障检测中超声波技术逐渐开始应用，但是由于超声波本身频段高，能量强，应用过程中暴露出了一些问题，首先，超声波在绝缘老化程度不同的电气设备中，传播的速度并不相同，这就造成了数据准确性不高，难以作为故障评判的依据[1]。其次，耦合在导体上的超声波能够破坏设备的绝缘性能，存在非常严重的缺陷。
        在此背景下，利用可闻声波进行故障的诊断具有非常高的研究价值。通常检测工作人员会根据感官来判断设备的故障，科学的声波分析体系并没有完全建立。将可闻声波信号（20Hz-20KHz）应用到电气设备故障诊断中，对于一些高压、强磁场环境下运行的电气设备具有非常高的应用价值。但是在20Hz-20KHz频段范围内的声波，其背景复杂，容易受到各种噪音的干扰，如何将声波信号的关键特征进行提取，使其作为故障诊断的依据，是声波信号分析技术的关键内容。通过小波算法对声波信号噪音处理后，将其能够反映故障的信号特征提取，结合电气设备故障诊断专家系统，可以形成完整的故障诊断体系，实现对复杂环境下的电气设备故障诊断。
        二、新型电气设备运行故障诊断方案
        通过对电气设备运行的观察研究发现，电气设备在运行过程中发出的声波信号与设备运行状态有着非常密切的联系。例如，在变压器运行过程中，会发生较为均匀的“嗡嗡”声，在其运行出现故障时，这种“嗡嗡”声就会发生变化。例如，内部发生铁磁谐振，就会在其中夹杂尖锐的“哼哼”声，这种声音的变化会随着电压和谐振频率升高变得更加尖锐[2]。所以，通过对电气设备运行过程中声波信号的采集分析，能够有效诊断其是否存在故障隐患。声波信号分析故障诊断流程为：电气设备运行声波信号采集、声波信号处理、声波信号特征提取、故障特征识别，如果故障特征识别正常，设备未存在故障，则继续收集声波信号，进行设备运行状态监测。如果故障特征分析存在故障，与专家系统诊断故障类型进行比对，实现故障的排除和维修。
        整个流程可以简单的概括为信号采集、特征提取、故障比对、故障处理。其具体的内容如下：
        信号采集：在电器设备运行范围内设置声波信号收集装置，由于声波不会受到磁场和电场影响，信号的准确度更高。由于设备运行过程中会稳定的发出某一频段的声音，所以选择能够表现设备运行状态的声波信号进行监测，以确保声波信号收集的可靠性。

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        特征提取：声波信号收集之后，需要对其进行加工处理，消除其中存在的干扰信号，将能够表现设备运行情况的信号提取出来。首先，需要对采集到信号进行滤波，消除声波信号中的噪音，提出特定频段内的声音数据。然后利用信号分析处理技术对处理后的声波信号进行特征转换，将可以显示故障的特征信号分离处理，去掉不能反映故障的声波信号，避免干扰诊断结果[3]。
        故障比对：故障比对是通过将处理消噪后，具有显著特征的声波信号特征参数录入到数据库中，然后通过推理机与系统知识库允许参数、判别参数进行比较，将特征声波信号与电气设备运行故障进行比对，诊断设备是否存在故障，然后在根据声波信号的特征，判断故障的类型与性质[4]。
        故障处理：在利用声波信号确认设备运行存在故障后，需要根据故障的性质与类型采取相应的解决方法。在故障解决处理上，需要本着高效、准确的基本原则，早发现、早处理，避免故障隐患进一步扩大，造成更加严重的故障损失。在故障处理完成后，继续进行声波信号的收集，监测设备运行状态。
        三、声波信号处理技术
        （一）信号采集技术
        在进行设备运行声波信号的采集上，声波信号中往往存在大量的噪音，这些噪音会导致反应设备运行状态的声波信号被掩盖，所以，如何在噪音中提取关键声波信号是故障诊断识别的关键。在声波信号的采集上，为了能够采集到准确的声波，采用了3Hz-18KHz频段的驻极体电容传声器，该声音采集设备能够采集大频段的可闻声波，作为故障诊断的依据。在声波信号的采集上，不仅要避免声波样本频率出现混叠，同时还要保障声波信号不失真[5]。在信号分析处理上，为了满足不同频率声波的分析处理，要求计算机声卡采样频率符合声波信号分析要求，能够胜任信号分析工作。
        （二）分层阈值消噪法
        在声波信号处理上，噪音信号的处理通常分为强制消噪、默认阈值消噪、和给定软阈值消噪。强制消噪缺点在于会处理掉声波信号中的部分有用成分，不利于故障的分析。默认阈值和软阈值消噪会在低尺度取出一部分有用信号，在大尺度留下部分噪音信号[6]。因此，在声波信号的噪音处理上，可以采用分层阈值消噪法。利用非线性小波变换阈值法实现噪音信号的去除，能够最大限度上保留有用信号，消除噪音信号。
        结束语
        综上所述，将声波信号检测方法引入到电气设备运行故障的诊断上，对于恶劣环境下运行的电气设备故障诊断具有非常积极的意义。通过对设备运行过程中发出声波信号收集，能够根据信号特征，进行设备运行故障的诊断，避免传统设备监测方法数据不准确的问题，提升故障诊断的可靠性。
        参考文献：
        [1]陈静.基于声音信号分析的牵引变压器故障诊断方法研究[J].电气应用，2020，v.39；512（02）：31-35.
        [2]郑鹏程，邱垂飞，许春敏，等.基于可闻声波信号分析的配电变压器内部绝缘缺陷识别方法[J].自动化技术与应用，2020，v.39；No.300（06）：107-110.
        [3]汪泽州、顾卫华、胡松松.基于声波法的手持式高压局部放电故障检测仪的研究[J].农村电气化，2020，402（11）：67-70.
        [4]基于振动信号分析的纺织机械状态监测与故障诊断[J].纺织报告，2020，v.39；444（09）：10-11.
        [5]徐雪.电气设备状态监测及故障诊断技术应用[J].设备管理与维修，2019，000（006）：184-185.
        [6]李兴友.电气设备故障诊断系统的设计与实现[J].科技经济导刊，2020，v.28；No.703（05）：74-74.