变压器可听声诊断技术中传声器的选择王林辉

王林辉

特变电工股份有限公司新疆变压器厂新疆昌吉831100

摘要：变压器故障检测技术研究一直是变压器研究领域的热点问题，基于可听声的变压器诊断技术是当前较新的变压器故障诊断方法。其中可听声数据采集过程是关键的一步，因此可听声信号采集设备的性能直接影响诊断结果的判定。本文针对变压器可听声诊断技术中传声器的选择进行了阐述，希望能给相关学者提供一定的借鉴意义。

关键词：变压器；可听声；诊断技术

1.变压器可听声产生机理

变压器可听声是指变压器振动噪声中频率为20Hz～20kHz的声波信号，主要来自变压器绕组、铁芯、油箱（包括磁屏蔽等）及冷却风扇装置转动时产生的声音。

1.1变压器铁芯振动发声

硅钢片磁致伸缩特性是引起变压器铁芯振动发声的主要原因，磁致伸缩是铁磁介质独有的现象。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发声频率为电源基频的两倍。电源采用50Hz基准频率时，铁芯振动发声基频为100Hz。由于铁磁材料磁化特性的非线性使磁通偏离正弦波，从而导致铁芯振动发出的声音信号中存在200Hz、300Hz、400Hz等高次谐波成分。

1.2变压器绕组振动发声

变压器绕组中的电流与漏磁通相互作用产生电磁力。由于同一线圈上线匝流过电流的方向、大小相同，所以各线匝之间相互吸引产生轴向作用力；一次线圈和二次线圈中的电流方向相反，所以一次线圈和二次线圈相互排斥产生辐向作用力。

轴向作用力导致了绕组的轴向振动，辐向作用力导致了绕组的辐向振动。由于绕组的轴向振动对线饼之间的变压器油有一个向外喷射作用，同时轴向振动通过铁心进行传递，因此绕组轴向振动相对于辐向振动起主导作用。绕组所受的轴向力与负载电流的平方成正比，因此绕组振动加速度与其所受电动力大小成正比，从而绕组发射的声功率近似与负载电流的平方成正比。所以得到绕组振动发声的基频是负载电流频率的两倍，电流频率为50Hz，因此绕组振动发声基频为100Hz。

1.3箱体及冷却发声

变压器本体振动产生之后经固体、液体两种传播途径传导至箱体表面；风扇等冷却装置所产生的振动通过其紧固支撑构件作用在箱体表面。两部分振动在箱体表面叠加，使箱体振动发声。研究表明，冷却装置等设备在工频电压下工作时，振动发声频率小于100Hz，因此冷却装置发声频率在100Hz以下。

2.常用的可听声信号采集传声器类型及参数

变压器可听声信号采集常采用传声器作为声音传感器，传声器是一种将声源通过空气振动产生的声波转换成电信号的换能设备，是一种重要的电声器件。传声器广泛应用于声学测量研究中，并且在各种录音和扩音系统中也有广泛的运用。

2.1传声器主要性能参数

传声器主要的性能参数有：灵敏度、频率响应、等效噪声级、动态范围等。

2.1.1灵敏度

它是表征传声器电声转换能力的一个指标，指在单位声压作用下的输出电压或电功率。灵敏度越高，传声器能够感知的变化量越小，反应的实际情况越真实。随单位和负载的不同，灵敏度有多种表示方法，常见的有开路灵敏度和有载灵敏度两种。传声器产品说明书标称的灵敏度一般是开路灵敏度。其定义为：E=UP（1）式中E为灵敏度（mV/Pa）；P为声压（Pa）；U为测得的电压（mV或V）。

传声器灵敏度还可以用分贝表示，即开路灵敏度与参考灵敏度之比的对数值。一般定义1V/Pa为传声器开路输出的参考电平，可知参考灵敏度为1V/Pa，换算成分贝为0dB。分贝值是负数，绝对值越小，灵敏度越高。

2.1.2频率响应

反映灵敏度随频率变化的特性称为传声器的频率响应或频率特性。频率响应是评价传声器音质最重要的标准，如果频率响应曲线从低频到高频都很平坦，则说明它能真实地再现原声。

2.1.3等效噪声级

理想情况下，当作用于振膜上的声压为零时，传声器的输出电压应为零。但实际情况中尽管传声器振膜上没有声波的作用，传声器仍然有一定的电压输出，这个电压称为噪声电压。等效噪声级定义如下：等效噪声级=20loguEP（2）式中u为噪声电压（mV）；E为传声器的灵敏度（mV/Pa）；P为参考声压（Pa）。

背景噪声相同时，传声器灵敏度越高，等效噪声级越小。一般情况下，高保真传声器的等效噪声级≤26dB。

2.1.4动态范围

传声器的动态范围定义：最高声压级减去等效噪声级。最大声压级指传声器容许声级的最大值，是传声器动态范围的上限。在这一声压级，传声器的非线性失真应不超过0．5%～1%。传声器的灵敏度越低，相应的最高声压级就越大，反之亦然。

3.常用的可听声信号采集传声器

目前，可听声信号采集使用较普遍的传声器有三类：动圈式传声器、电容式传声器和驻极体电容式传声器。

3.1动圈式传声器

动圈式传声器主要由振膜、动圈、外壳等组成，其结构如图1所示。动圈式传声器的特点：性能稳定，价格便宜，适用面广，使用方便，不需极化电压，能耐高声压级；缺点是灵敏度低，频响不宽，瞬态响应和高频特性不及电容式传声器，易受现场电磁环境干扰。

3.2电容式传声器

普通电容式传声器普通电容式传声器是利用电容量变化引起声电转换作用的传声器，主要由振膜、固定电极、绝缘体（护罩）等组成。其优点是本体噪声较低，灵敏度高，频率响应好，可保证振幅值固定等。缺点是需要极化电压，使用不方便。

3.3驻极体电容式传声器

驻极体电容式传声器是一种采用驻极体材料制成的电容式传声器，驻极体材料受到电场作用在其表面产生电荷，电场撤去后表面电荷仍不消失，该特性可以代替极化电压。驻极体电容式传声器除了具有普通电容式传声器的优点外，突出的特点是无需外加直流极化电压，结构简单，重量轻，体积小，方便携带且价格低，同时其动态范围较广，本体噪声较低，稳定性好，不易受变电站复杂电磁环境干扰。

4.变压器可听声检测对传声器的要求及传声器选择

为得到可靠、准确的变压器可听声信号，在检测时必须根据变压器可听声的特点及要求，选用参数合适的传声器。

4.1变压器可听声特征频率范围

实际情况中变压器可听声的特征频率集中在50Hz～1kHz范围内，所以应选取频率响应至少应为50Hz～1kHz的传声器，考虑各种未知因素可以选择50Hz～10kHz的传声器。

4.2灵敏度要求

变压器所处环境复杂，其微帕级别（10-6pa）的微弱信号容易被背景噪声淹没，这要求传声器具有很高的灵敏度。根据目前研究，在额定磁通密度范围内，变压器可声信号幅值最小为30dB，所以选取的传声器必须能够采集到该幅值的信号。若采用分辨率为16位的数据采集仪，则采集仪能显示的最小电压值为1．525×10－5V，30dB对应的声压值为6．325×10－4Pa，对应的灵敏度为24mV/Pa。由此可知，采集变压器可听声压信号时应采用灵敏度不低于24mV/Pa的传声器。

4.3等效噪声级

根据本文对变压器可听声信号采集传声器的灵敏度要求分析，可得等效噪声级为30dB，因此选用的传声器等效噪声级要≤31dB。

4.4动态范围

参考标准《变压器运行和维护》中变压器典型噪声辐射曲线，如图4所根据图4曲线数据以及动态范围定义可得100Hz～1000Hz之间可听声总声压级约为100dB，因此在采集信号时应选择传声器动态范围≥100dB的类型。

4.5其他要求

4.5.1稳定性、抗干扰能力

大多数电力变压器处于室外运行，因此用于变压器可听声采集的传声器必须保证在环境温度、湿度、振动冲击等条件发生变化时能够保持稳定的性能，并且不受电磁干扰。

4.5.2装置简便性、检测方便性

在检测过程中，要求尺寸小便于安放和携带；辅助设备越少，现场操作越简便；并能够与变压器箱体贴近以获得更加真实的原声资料，检测设备不得影响被测设备的正常运行。

结语

本文对常用于可听声信号检测的几种传声器结构、主要参数进行了分析；然后通过分析变压器可听声信号对传声器具体参数指标的要求，并结合三种传声器参数，推荐了几种满足变压器可听声采集要求的传声器。

参考文献：

［1］李加庆．基于声全息的故障特征提取技术研究［D］．上海交通大学机械设计及理论，2008．

［2］吴松．基于声学特征的变压器故障诊断研究［D］．华中科技大学，2012．

［3］陈晨．基于变压器噪声的硅钢片状态检测方法研究［D］．华中科技大学，2013．

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