第30卷第3期西安交通大学学报Vol.30№31996年3月JOURNALOFXI’ANJIAOTONGUNIVERSITYMar.1996声信号的频域分析方法及其在电气绝缘无损检测中的应用方方吴欣延吴广宁谢恒土巫松桢(电气工程学院)摘要随着电压等级的不断提高,绝缘系统中的缺陷对整个电力系统的危害越来越大.为了寻找一种准确、简单和可靠的绝缘检测方法,研究了绝缘体在外力作用下产生声信号的频域特征,采用了瞬时平均功率、峰值频率、加权特征频率和平均功率谱等参数来描述绝缘体的内部结构特征,提出了可用于模式识别的面积函数等特征表述.关键词:绝缘无损检测信号处理中国图书资料分类法分类号:TM9300引言随着我国国民经济的迅速发展,能源短缺的矛盾已越来越突出,电力设备必须向超高压、大容量方向发展,这对电气设备中绝缘材料和绝缘结构的可靠性要求越来越高.例如,对高压电机定子线圈绝缘体中缺陷的检测主要有3种方法:局部放电电测法[1,2],局部放电声测法[3,4]和听声法.局部放电电测法是在定子线圈绝缘体的外表面包上一层铝箔作为外电极,线圈中的铜导体(铜排)作为内电极,然后在铝箔电极和铜排之间施加高电压,通过测量局部放电的电信号来确定线圈的发空程度.这种方法的缺点是要加高电压,操作复杂;如果铝箔电极绕包不好,会直接影响测量结果的可靠性;定位较困难.局部放电声测法同局部放电电测法一样,需加高电压来产生局部放电,然后用超声探头在线圈表面移动来接收局部放电产生的超声信号,通过分析所接收到的超声信号来确定线圈绝缘体是否发空.局部放电声测法可确定线圈绝缘体发空部位,但是检测时需加高电压,操作复杂;由于局部放电法操作复杂,困此很难在电机制造厂作为线圈整体性的例行检测方法而得到推广应用.对于线圈绝缘体发空的检测,现仍采用“听声法”,即用一黄铜小锤逐点敲击线圈绝缘体表面,根据人耳所听到的声音来判断线圈绝缘体是否发空.听声法虽然简单、灵敏,但它只是一种定性的方法,且人为因素较多,不同的检测收到日期:1995209201.吴欣延:男,1964年12月生,电力设备电气绝缘国家重点实验室,讲师.64西安交通大学学报第30卷人员或相同的检测人员在不同的场合可能会得出不同的检测结果.因此,必须寻找一种准确、简单和可靠的绝缘检测方法.随着电子计算机技术、传感器技术和信号处理技术的发展,使用一台智能仪器代替人耳“听声”,来实时判断绝缘材料内部状况已成为可能.在此基础上研制出一套基于声信号分析绝缘缺陷检测系统,测试时,由一“击振器”敲击被检测绝缘体表面,用传感器接收绝缘体振动向外辐射的声波,通过信号处理可得到该点绝缘内部的状况(是否有缺陷).逐点检测绝缘体表面,可得到整个绝缘体内部的状况.1短时傅里叶变换时域分析的方法简单,计算量小,出结果快,但时域分析得到的描述不够充分,还需要在频域范围内对声信号进行处理[5].频域分析中,我们采用快速傅里叶变换(FFT).短时FFT是分析时变信号频谱的一种简易方法.其方法是,先将信号分成许多短段,再将各短段信号作快速傅里叶变换.设x(m)是声信号的取样序列,它的统计特征是时变的.将x(m)分段的简便方法是加一个沿时间轴滑动的窗w(n-m).对于不同的n值窗处于不同的位置.短时傅里叶变换定义为NjX-jXmXn(e)=∑x(m)w(n-m)e(1)m=0这是透过位于n处的窗口所观察到的声信号短段的快速傅里叶变换.n取不同值时,窗jXw(n-m)沿时间轴滑动到不同位置,取出该位置上的声信号短段.因而Xn(e)不仅是频率X的函数,而且还是时间n的函数.这反映了由击振器敲击绝缘体所产生声信号的频谱随着时间变化的性质.移动窗的形状对于短时FFT有很大的影响.本文中所有短时傅里叶分析都是采用汉明(Hanning)窗.窗的宽度对短时频谱影响比较大.如果窗很窄,使得短时FFT在频域的分辨率较低;当窗的宽度较长时,短时FFT在时域的分辨率较低.根据由“击振器”敲击绝缘体产生声信号的特征,选取窗宽N=64.求得时变谱后,还需对声信号的谱特征变化作统计分析.对一个频谱来说,谱特征主要有:(1)瞬时平均功率PmN12Pm=∑Ani(2)Ni=1其中Ani为频谱第i点的幅值.图1和图2分别为绝缘体中有缺陷和没有缺陷时的声信号瞬时平均功率Pm,其中N=64.傅里叶变换采用64点快速傅里叶变换(FFT).随着n的变化,Pm表征了声信号强度的时变特征.通过Pm与时间轴所围成的面积或局部面积S,可以判断高压电机定子线圈绝缘体内部是否有缺陷.(2)峰值频率fpfp=jõfsöN(3)其中fs为声信号的采样频率;j