1.提升設備狀態感知能力。目前，針對組合電氣設備運行狀態的檢測方法主要包括特高頻檢測、超聲檢測等，其應用場景均有一定的局限性。特高頻檢測方法現場以人工檢測為主，測試時間長、檢測效率低。超聲波檢測存在傳播衰減大、檢測范圍小，易受機械和電磁振動的影響等問題。組合電氣設備聲紋成像無損檢測裝置進一步豐富了帶電檢測、日常巡檢的技術手段，提升了設備狀態感知能力。

2.國網巴州供電公司使用組合電氣聲紋成像無損檢測裝置已發現220千伏變電變GIS設備機械松動隱患1處、盆式絕緣子內部放電隱患1處，裝置分析診斷結果與設備解體結果一致，有效防止了故障發生或事態擴大，避免了設備損壞事故帶來的經濟損失，保障了電力可靠供應。

3.提升電網供電質量及可靠性，滿足社會優質用電需求。應用組合電氣設備聲紋成像無損檢測裝置，提高了運維班組對設備的感知和管控能力，實現設備缺陷的主動預警和故障的智能決策，提升運檢工作質效，實現設備狀態全方位準確感知，從而保障電網設備安全、可靠運行，提升電網供電質量及可靠性，為建立良好的企業形象奠定基礎，具有良好的社會效益和間接經濟效益。

項目技術路線包含機理分析、特征提取、故障定位以及裝置開發等內容，實現組合電氣設備的聲成像故障定位以及基于聲振信號特征的缺陷判別。

項目關鍵技術包括：組合電氣設備典型缺陷下振動聲信號產生機理、聲振信號特征提取及模式識別、聲成像無損檢測裝置及系統三部分。

圖1：項目整體技術路線圖

1、組合電氣設備典型缺陷下振動聲信號產生機理

利用有限元方法建立組合電氣設備三維磁場數值分析模型，計算不同負荷電流情況下組合電氣設備導體與外殼電流密度分布，分析組合電氣設備導體與外殼電動力。分析不同接觸狀態下組合電氣設備外殼機械振動分布規律，開展不同位置的多物理場、多種工況下的結構場和聲場仿真研究，分析振動產生機理和傳播規律，理論指導后續的振動檢測方案和缺陷類型模式識別。

結果表明，正常運行工況下，由于電動力作用，組合電氣設備外殼振動信號主要為100Hz及其倍頻，而模擬觸頭松動或者內部放電缺陷時，振動信號頻譜復雜度增加，出現非100Hz及其倍頻分量，且高頻分量明顯增加。

圖2：組合電氣設備三維模型與網格劃分

圖3：組合電氣設備三維電流密度分布與電動力分析

2、聲振信號特征提取及模式識別

通過大量現場測試和實驗室樣機測試，建立典型故障條件下的聲音、振動信號數據庫。以110kVGIS局部放電模擬實驗裝置為對象，通過改變裝置螺旋把柄位置使模擬實驗裝置分別處于正常工況、沿面發電、懸浮放電、氣隙放電和尖端放電五種狀態下，檢測聲音和振動信號。并且在新疆地區開展了10余座變電站在運狀態下的組合電氣設備現場測試，聲振信號現場測試數據總時長達3小時，其中有部分GIS設備通過其他檢測手段判斷存在運行缺陷。

進一步提取不同缺陷類型的聲紋振動特征，實現不同缺陷類型的模式識別。如圖4所示，振動信號可以很好地識別尖端放電、沿面放電和懸浮放電等缺陷類型，內部放電時，高頻分量和頻譜復雜度增加明顯，而超聲和特高頻僅對間隙放電這種放電量比較大的缺陷類型敏感，因此振動信號可以很好地彌補現有技術手段的不足。基于振動信號特征，提出了基于特征參數組合的組合電氣設備故障預警方法，如圖5所示。

圖4：正常工況與懸浮放電缺陷振動頻譜圖

圖5：于特征參數組合的組合電氣設備故障預警方法

3、聲成像無損檢測裝置及系統

針對組合電氣設備故障發生時的聲音變化，基于波束形成Beamforming的聲學成像技術進行聲源故障定位，分析不同傳聲器陣列陣形的聲源定位效果，對比分析十字、圓形、網格、阿基米德螺旋、輪形陣列在不同陣列參數情況下的聲源定位效果，優化常規聲源定位算法，最終采用多臂螺旋陣列陣型方案，如圖6所示。開展聲學成像傳感器陣列設計，集成聲源定位與聲紋診斷算法，研制GIS等組合電氣設備振動狀態聲成像無損檢測裝置及系統。如圖7所示，裝置中間圓形區域為聲陣列傳感器，裝置上端為振動、聲音采集通道，系統包括聲成像、聲音通道診斷、振動通道診斷等模塊，后續還可以進一步集成紅外成像功能。

圖6：多臂螺旋陣列陣型及定位效果

組合電氣設備設備振動狀態聲成像無損檢測裝置目前已在國網新疆電力公司部分變電站的GIS、HGIS設備上進行試點應用。該裝置可應用于各種氣候、地理環境下的變電站GIS、HGIS設備日常巡視、帶電檢測工作。也可作為GIS設備在線監測工具對設備運行工況進行全天候監測。進一步豐富了組合電氣設備的帶電檢測手段，有效提高組合電氣設備等組合電氣設備的故障檢測能力，提高組合電氣設備安全、可靠運行水平。

圖7：組合電氣設備聲成像無損檢測裝置外觀圖

國網巴州供電公司電氣試驗一班利用組合電氣設備聲紋成像無損檢測裝置對在運GIS設備進行帶電檢測和振動信號分析，成功發現某220kV變電站GIS設備隔離開關處存在振動信號異常，同時也對本站另一線路GIS設備開展檢測，對比頻譜發現存在明顯差異，如下圖8所示。但其他電氣量檢測手段未發現異常，初步診斷為內部存在部件松動，但并未導致內部放電。通過開展停電檢修工作，發現GIS設備內部確存在機械松動情況，實際結果與裝置診斷結果一致。

圖8：某220kV變電站GIS設備振動檢測結果

組合電氣設備設備振動狀態聲成像無損檢測裝置可應用于組合電氣設備日常巡檢任務中，與超聲、特高頻等設備一起進行檢測，將減少組合電氣設備故障發生幾率，提高了系統供電可靠性，減少大面積停電造成的社會負面影響，具有顯著的經濟效益與社會效益。另外，此成果形成的組合電氣設備聲紋成像無損檢測技術自主知識產權，可移植性較強，改進后可推廣應用于其他電力設備的運行狀態監測與故障診斷，具有良好的推廣前景，潛在經濟效益顯著。