崔杨柳，马 苏，高 峰，吴俊杰

（国网南通供电公司，江苏 南通 226000）

0 引言

随着我国电网规模快速发展，电力设备体量也不断增加。电力设备体量的增加给设备状态监测与故障诊断技术提出了更高的要求。线圈类设备作为电力系统的关键设备，其健康状况关系到整个电力系统的稳定运行水平。线圈类设备如油浸式大型变压器、消弧线圈、电抗器等，因其强电磁耦合特性，在电磁力及磁致伸缩的作用下，运行过程会伴随振动和声响。因此，振动或声响常用作线圈类设备状态监测或故障诊断的信号。振动与声响作为同源信号，其频率特性往往具有一致性。振动信号需要在设备表面采集，传感器的安装会受限于设备结构及绝缘距离的要求，存在局限性。声响检测不需要与电气设备接触，满足带电检测的要求，成为近年来的研究热点。例如，文献［1］对部分声学传感器进行了分析对比，文献［2］介绍了主观评估、能量统计、频谱分析等异响识别方法。从声学成像技术特点及目前应用情况来看，利用声学成像检测技术实现设备的状态监测或带电检测具有广阔的应用前景。

本文针对一起变电站干式串联铁芯电抗器异响缺陷，开展现场声学成像检测，根据检测结果分析异响原因，结合停电计划对该电抗器进行消缺，确保了设备恢复稳定运行。

1 干式铁芯电抗器声响产生机理

干式铁芯电抗器的声响主要包括绕组振动声响与铁芯振动声响，声响通过固体、气体的传播，最终进入人耳或声学传感器。

1.1 绕组振动声响

铁芯电抗器绕组中有电流时，在绕组所占空间及其周围空间会产生漏磁。漏磁通与产生它的负荷电流所流经的绕组发生交链，其中漏磁通的数值取决于负荷电流的安匝大小和漏磁路径［3-4］。载流绕组在漏磁场中受电磁力的作用而发生振动。

铁芯电抗器绕组受力情况如图1所示。图中，Ba为轴向漏磁通；Br为径向漏磁通；Fa为轴向电磁力；Fr为径向电磁力。磁力线在绕组端部会发生弯曲，产生径向漏磁分量与轴向漏磁分量，从而引起铁芯电抗器绕组在竖直方向与水平方向的振动，其振动的向量和即为绕组的合振动。

图1 铁芯电抗器绕组受力

电磁力与漏磁通的关系可表示为：

式中：F为电磁力；J为电流密度；B为漏磁通密度。三者的方向符合左手定则。铁芯电抗器绕组在电磁力的作用下持续振动。因此，绕组振动的频率成分主要取决于漏磁与负荷电流的频率［5-6］。电力系统中电流成分以工频分量为主，漏磁分量也以工频分量为主，因此振动分量中以100 Hz振动为主，其余振动分量相对较小。

1.2 铁芯振动声响

铁芯电抗器接通交流电源后，绕组中的励磁电流会在铁芯中产生交变磁场。磁性材料在交变磁场的作用下会发生磁致伸缩，磁致伸缩现象使硅钢片发生振动。铁芯磁致伸缩形变量与磁通密度大小之间的关系可近似成一个二次函数［7］。磁致伸缩变化周期是磁场交变周期的一半，因此磁致伸缩引起的铁芯振动声响频率为交流电源基频的两倍，在我国铁芯振动基频为100 Hz。可见，绕组和铁芯振动叠加形成的信号是以100 Hz为基频，同时伴随着其他高次谐波分量的振动信号。

2 声学成像测试系统

声学成像测试系统如图2所示，包括112通道的高灵敏度麦克风传感器、高清光学摄像头、信号调理器、数据采集卡和终端计算机。多个麦克风按一定的几何结构摆放组成阵列，具有很强的空间选择性，无须对阵列进行机械移动，就可对声源信号定向增强、自动监测、定位和跟踪。声学成像测试系统利用麦克风传感器采集声学信号，利用高清光学摄像头同步采集麦克风阵列所对应的图像画面，通过信号调理器对音频信号、图像信号进行处理，数据采集卡将数据传输给终端计算机，对数据进行分析计算，最终形成声学成像数据。

图2 声学成像系统

该系统采用可视化噪声源识别方法，通过测量二维全息面上的声压，运用各种重构算法来重建包围声源表面的声压场、声强场和质点速度场三维声场，最后将声场以图形或动画的形式显示出来。与其他噪声源识别方法相比，可视化噪声源识别技术不仅利用了声的强度信息，而且还利用了声的相位信息，结果直观，易对噪声源进行定位、量化，并能显示噪声的传播路径。结合频谱分析，对结果进一步处理，还可以显示噪声源的主要频率成份，为噪声控制和声学故障诊断提供可靠依据。声学成像系统具体参数如表1所示。

表1 声学成像系统参数

3 干式铁芯电抗器异响缺陷分析

3.1 缺陷描述

2021年5月，某110 kV变电站运维人员巡视发现该站2号干式铁芯电抗器发出异常声响，声响与振动非常强烈。运维人员立即通知修试班组开展消缺工作。修试人员对2号干式铁芯电抗器进行带电检测，红外测温显示电抗器温度分布均匀，无明显过热点，紫外检测未发现放电现象。根据现场观察，2号电抗器发出强烈低沉的“嗡嗡”声，且声音持续平稳。

3.2 声学成像检测

根据现场现象推断2号电抗器可能存在机械性缺陷，对2号电抗器开展声学检测。在0～24 kHz全频段检测时，电抗器声学频谱如图3所示，电抗器各个部位的声响集中在0～8 000 Hz。通过频段筛选发现，当频段为3 900～7 200 Hz时，其他部位的声响云图消失，电抗器地脚固定处出现明显的声学异常。声响云图如图4所示，该对应位置为电抗器地脚固定螺栓。初步判断为干式变压器地脚固定螺母松动引起设备振动加剧，从而出现声响过大的情况。

图3 电抗器声学频谱

图4 3 900～7 200 Hz频段声响云图

停电对该电抗器进行检修，在检查过程中发现，电抗器地脚固定螺栓严重松动，并存在滑丝现象。更换螺栓，并对其他结构连接处进行检查和紧固后，设备复役，电抗器异响消失。结合本案例提出相应预防措施。

1）安装干式铁芯串联电抗器等振动强烈的设备时，应严把质量关，对紧固部分紧固时应达到指定力矩，必要时可采取涂抹防松动剂等措施。

2）例行检修时，应检查紧固螺栓的紧固情况，对有松动的螺栓进行复紧。

3）加强电力设备的声学成像带电检测，对可疑设备缩短检测周期并持续跟踪，必要时停电处理。

4 结语

本文针对一起干式铁芯串联电抗器异常声响开展声学成像检测，通过对设备的声学成像检测发现该电抗器的地脚固定螺栓处出现典型的机械异常声响信号。结合停电对电抗器进行处理，发现该地脚固定螺栓明显松动，经重新紧固后投运，异响消失。现场应用情况表明声学成像检测具有实时带电检测的特点，能够在设备运行中及时发现设备的异常声响位置，为设备故障诊断与检修提供有效数据。