CN111812425B - 一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，根据高压并联电抗器被测区域尺寸和声场频率确定测量阵列，以电压信号为参考信号，利用单参考传递函数法获取被测全息面上的复声压，利用统计最优近场声全息方法重构被测区域表面法线方向声场分布；通过对比正常状态下和检测状态下的声场分布，从而检测故障状态。本发明具有非接触式测量的优点。

Description

一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种高压并联电抗器故障诊断方法，具体涉及一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法。

背景技术

高压并联电抗器是重要的无功补偿设备，对线路的安全稳定运行有重要的作用。随着高压、特高压并联电抗器运行年限的增加，设备紧固件在高强度交变机械应力长期作用下发生松动。某些部件的松动可能形成悬浮电位，进而导致局部放电，破坏设备绝缘。此外对于高压、特高压并联电抗器，由于绕组上下端磁屏蔽插片方向与所受机械应力方向相同，磁绝缘可能会遭受破坏，导致异常的涡流发热。

常见的高压、特高压并联电抗器故障诊断方法有油色谱法、特高频法、超声法和振动法。油色谱法可以稳定、准确诊断设备内部是否存在局放或异常的发热，但诊断结果因为检测量本身的限制而具有一定的滞后性；特高频法、超声法可以灵敏的发现局放、定位局部放电的位置，但在检测早期机械松动故障方面存在困难；振动法作为近年兴起的一种新方法，具有检测量和设备机械状态密切相关的优点，因此在设备机械状态评估方面具有巨大的潜力和优势。但是振动法在被应用于高压、特高压并联电抗器机械故障诊断时也面临着一些需要解决的问题，例如随着振动信号采集点位置的变化，信号的时域特征和频域特征都会发生改变，最终导致诊断结果发生波动；再如现场人员往往使用工业级别的压电式加速度传感器测量并联电抗器某个区域的振动，传感器在测量时会对被测量造成影响，尤其会使信号的相位发生较大的畸变。为了利用振动信号振动高压并联电抗器机械故障时面临的测点选择问题和相位畸变问题，相关人员对测量仪器和测量方法做出了一定程度的改进。上海市电力公司提出了一种用于电抗器故障诊断的振动监测方法，将电抗器油箱箱体的工作变形(Operational Deflection Shape，ODS)作为故障诊断的依据，避免了传统振动法选点的问题,西安交大的汲胜昌提出了一种利用激光测振仪测量变压器绕组和铁心表面振动的方法，避免了接触式测量相位畸变的问题，提高了测量人员的测量能力。但是测量工作变形时测点众多，如果采用单点测量方式，则工作量巨大，为了减少工作量，则需要大量的传感器，又会降低测量准确性；若采用激光测振仪进行非接触式测量，虽然提高了测量结果的准确性和测量人员的测量能力，但是激光测振仪价格昂贵，对这种测量方式的推广带来了困难。

声场重构是指通过测量声场中某些易于测量的声场特性(声压、振速等)，结合声场重构方法对测量数据进行反推，得到声源和其它场点的声学特性。而振动源表面的振动特征与其表面声学特性非常相似，因此有必要提出一种非接触式、测量工作量小的电抗器油箱振动分布测量手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，具有非接触式测量的优点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：

根据高压并联电抗器被测区域尺寸和声场频率确定测量阵列，以电压信号为参考信号，利用单参考传递函数法获取被测全息面上的复声压，利用统计最优近场声全息方法重构被测区域表面法线方向声场分布；通过对比正常状态下和检测状态下的声场分布，从而检测故障状态。

进一步地，其包括以下步骤，

步骤1：确认分析频段；

步骤2：确认被测电抗器的全息面形状；

步骤3：确定全息面区域H；

步骤4：确定时间采样率和空间采样间隔，时间采样率为

上式中：k_max表示时间采样率，单位：Hz；λ_min表示最小波长，单位：m；

步骤5：确定全息面区域H和平面声源s之间的间隔d，全息面区域H与平面声源s间隔d＜0.5*λ_min，式中：d为全息面区域H与平面声源s间隔，其为数值，单位：m，λ_min表示最小波长，其为数值，单位：m；

步骤6：构建平面声源s附近任一平面s’上的n个等效点声源，其中两个平面平行且面积关系为s’>s以保证s’能包含s平面上的所有声学信息，平面s’表示平面声源s的等效平面，计算平面s’内n个等效点声源分别在r_s点处法向振速的代数和；

步骤7：对全息面H表面声压和法向振速进行离散；

全息面H表面声压由所述法向振速获得。

步骤8：计算全息面H上r点的实际声压；

步骤9：在全息面H上选取m个点，m≥n，并测得其实际声压信息，以电抗器A相电压信号为参考信号，可得在m个测点下的矩阵形式为：

P_h＝H_mW

式中：W为等效平面s’上n个等效点声源的权值列向量；H_m表示n个等效点声源与全息面上m个测量点间传递矩阵，形式为m×n阶的矩阵；对H_m矩阵进行奇异值分解求得其广义逆矩阵

则可得权值列向量为:

步骤10：通过将求解出的权值W代人步骤6和步骤8式中，得到重建声场中任意场点的声压和法向振速。

步骤11：减小电抗器绕组压紧力，重复步骤1-10，获取这种状态下电抗器油箱表面声压分布，最终通过对比正常状态下和检测状态下的声压分布，从而检测故障状态。

进一步地，步骤1中，近场声全息的分析频段为100Hz。

进一步地，步骤2中，全息面形状采用矩形平面。

进一步地，：步骤3中，全息面区域的数量为一个或一个以上。

进一步地，步骤6的计算公式为：

式中：

为平面s上r_s点处的法向振速；

为平面s’上第j个等效点声源的法相振速；ω_j表示第j个等效点声源对r_s点处法向振速的权值。

进一步地，步骤7中，离散后得到

P_rH＝G_VV_nS

式中：P_rH为声场中全息面H的声压列向量；V_nS为平面声源S的表面法向振速向量；G_V为离散时的系数矩阵。

进一步地，步骤8的计算公式为：

式中：P_rHj为平面s’上第j个等效点声源在全息面H上r点处的声压；

进一步地，步骤9中，权值列向量公式中：V_m与

为矩阵H_m奇异值分解时的酉矩阵，且其列向量相互正交；

进一步地，步骤11中，减小电抗器绕组压紧力的方法为利用扭矩扳手将所述电抗器绕组四周固定螺杆的螺栓松动以减小电抗器绕组压紧力。

进一步地需要说明的是，

是平面上单一点的法相振速，V_nS是整个平面的法相振速，整个平面的法相振速由单一点的法相振速组成。

P_h表示全息面H上选取的m个点的声压；P_rH表示全息面H上的声压。

本发明的有益效果：

本发明提出一种非接触式、测量工作量小的电抗器油箱振动分布测量手段，采用近场声全息技术通过测量被测物附近的声场分布来反推其表面的声压分布，而表面的声压分布与表面的振动信号分布具有分布相似的特征，因此可通过近场声全息技术间接获得并联电抗器油箱表面振动分布，该方法具有非接触式测量的优点，同时测量声场时采用阵列测量的手段，减少了现场人员的工作量。

附图说明

图1为本发明实施例的实验对象中确定全息面形状的示意图；

图2为含本发明近场声全息原理图；

图3为本发明实施例1的重建分布图；

图4为本发明正常状态重建分布压图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详述，但本发明的范围并不仅仅局限于此，其要求保护的范围记载于权利要求的权项中。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-图4所示，本发明的整体思路为：根据高压并联电抗器被测区域尺寸和声场频率确定测量阵列，以电压信号为参考信号，利用单参考传递函数法获取被测全息面上的复声压，利用统计最优近场声全息方法重构被测区域表面法线方向声场分布；通过对比正常状态下和检测状态下的声场分布，从而检测故障状态。

结合附图及实施例对本发明方法进行说明。本发明适用于在不接触高压并联电抗器的前提下，反推油箱表面的声压分布从而进行故障诊断。

根据被测电抗器尺寸、测量区域尺寸、空间分辨力要求以及测量条件选择合适的阵列和声场重构方法。一般情况下，被测电抗器尺寸大、很难通过一次测量重构电抗器油箱表面声场分布，因此建议使用统计最优近近场声全息方法，该方法在较小的测量孔径限制下实现局部近场声全息，同时该方法不涉及空间傅里叶变换，整个计算过程均在空间域中进行，可在不进行外推的条件下获得较高的Patch近场声全息重建精度。根据被测区域尺寸和声场频率确定测量阵列，以电压信号为参考信号，利用单参考传递函数法获取被测全息面上的复声压，利用统计最优近场声全息方法重构被测区域表面法线方向声场分布。

本发明基于等效源法的近场声全息基本思想是用分布在复杂声源面内部的若干简单声源来替代实际声源，通过其声场的叠加推算实际声场，具有原理简单、易于计算、预测精度高等特点。

本实施例被测对象为一台三相模型并联电抗器，尺寸为1000mm*800mm*200mm，尺寸较大，因此采用统计最优进场声全息方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1：确认分析频段；并联电抗器振动主频为100Hz，因此近场声全息的分析频段为100Hz。

步骤2：确认被测电抗器的全息面形状，由于被测电抗器表面为平板式结构，本发明中被测电抗器的全息面为矩形平面；本发明中电抗器实际尺寸为1000mm*800mm*200mm，全息面区域为电抗器油箱正面区域1000mm*800mm，如图1所示。

步骤3：确定全息面区域；全息面区域的数量为一个或一个以上。本实施例中，被测电抗器表面尺寸为1000mm*800mm，由于声源尺寸较大，因此将电抗器表面划分为6个区域，分别进行全息测量和重构。

步骤4：确定时间采样率和空间采样间隔，时间采样率为

空间采样间隔，空间采样间隔形式为数值，单位：m，小于π/k_max，上式中：k_max表示时间采样率，形式为数值，单位：Hz，λ_min表示最小波长，形式为数值，单位：m，本实施例中空间采样间隔为0.1m。

步骤5：确定全息面区域H和平面声源s之间的间隔，全息面区域与声源间隔d＜0.5*λ_min，全息面与声源间隔形式为数值，单位：m，式中：λ_min表示最小波长，形式为数值，单位：m；

步骤6：以其中一区域为例，构建平面声源s附近任一平面s’上的n个等效点声源，其中两个平面平行且面积关系s’>s以保证s’能包含s平面上的所有声学信息，平面s’表示平面声源s的等效平面，且平面s’的位置与等效点声源布置如图2所示，计算实际平面s上r_s点处法向振速，即计算公式为：

式中：

为平面s上r_s点处的法向振速，形式为数值，单位m/s，表示平面s上单一点的法相振速，以下步骤7中V_nS表示平面s上所有离散点的法相振速；

为平面s’上第j个等效点声源的法相振速，形式为数值，单位m/s；ω_j表示第j个等效点声源对r_s点处法向振速的权值，形式为数值，无单位。

步骤7：通过对全息面H表面声压和法向振速进行离散；离散后得到

P_rH＝G_VV_nS；

式中：P_rH为声场中全息面H的声压列向量，形式为向量，单位Pa；V_nS为平面声源S的表面法向振速向量，形式为向量，单位m/s，向量中包括步骤6中提到的

G_V为离散时的系数矩阵，形式为矩阵，无单位。

步骤8：全息面H即测量面上r点的实际声压可表示为：

式中：P_rH为全息面H上r点的实际声压，形式为数值，单位为Pa，而步骤9中的P_h表示全息面上多个点的声压信息，形式为矩阵，单位为Pa；P_rHj为s’平面上第j个等效点声源在全息面H上r点处的声压，形式为数值，单位：Pa；ω_j表示第j个等效点声源对r_s点处法向振速的权值，形式为数值，无单位；V_nS为平面声源S的表面法向振速向量，形式为向量，单位m/s；G_V为离散时的系数矩阵，形式为矩阵，无单位；V_nSj为平面s’上第j个等效点声源的法相振速，形式为数值，单位m/s。

步骤9：在全息面H上选取m个点，m≥n，并测得其实际声压信息，以电抗器A相电压信号为参考信号，可得在m个测点下的矩阵形式为：

P_h＝H_mW

式中：P_h为全息面上多个点的声压，形式为矩阵，单位为Pa，而步骤8中的P_rH表示全息面上r点的声压，形式为数值，单位为Pa；W为等效平面s’上n个等效点声源的权值列向量，无单位；H_m表示n个等效点声源与全息面上m个测量点间传递矩阵，形式为m×n阶的矩阵，无单位)；对H_m矩阵进行奇异值分解求得其广义逆矩阵

则可得权值列向量为：

式中：V_m，

为矩阵H_m奇异值分解时的酉矩阵，形式为矩阵，无单位，且其列向量相互正交；

步骤10：通过将求解出的权值W代人步骤8式中，重建声场中任意场点的声压和法向振速。

步骤11：利用扭矩扳手将四周固定螺杆的螺栓松动到一定程度，以减小电抗器绕组压紧力，重复步骤1-10，获取这种状态下电抗器油箱表面声压分布，最终通过对比正常状态下和检测状态下的声压分布，从而检测故障状态。

进一步地需要说明的是，

是平面上单一点的法相振速，V_nS是整个平面的法相振速，整个平面的法相振速由单一点的法相振速组成。

P_h表示全息面H上选取的m个点的声压；P_rH表示全息面H上的声压。

本实施例的结果如图3所示，从图中可以看出，本实施例的高压并联电抗器出现松动。

正常状态重建分布参照本发明上述步骤1-11对正常状态的高压并联电抗器进行检测，得出正常状态重建分布图，如图4所示。

对比图3和图4知重建后振动分布发生了显著变化，因此该方法可检测电抗器机械故障。

本发明提出一种非接触式、测量工作量小的电抗器油箱振动分布测量手段，采用近场声全息技术通过测量被测物附近的声场分布来反推其表面的声压分布，而表面的声压分布与表面的振动信号分布具有分布相似的特征，因此可通过近场声全息技术间接获得并联电抗器油箱表面振动分布，该方法具有非接触式测量的优点，同时测量声场时采用阵列测量的手段，减少了现场人员的工作量。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

Claims (8)

1.一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，其特征在于：根 据高压 并联电抗器被测区域尺寸和声场频率确定测量阵列，以电压信号为参 考信号，利用单参考 传递函数法获取被测全息面上的复声压，利用统计最优 近场声全息方法重构被测区域表 面法线方向声场分布；通过对比正常状态下 和检测状态下的声场分布，从而检测故障状 态； 其包括以下步骤， 步骤 1：确认分析频段； 步骤 2：确认被测电抗器的全息面形状； 步骤 3：确定全息面区域 H； 步骤 4：确定时间采样率和空间采样间隔，时间采样率为

上式中：

表示时间采样率，单位：Hz；

表示最小波长，单位：m； 步骤 5： 确定全息面区域 H 和平面声源 s 之间的间隔 d，全息面区域 H 与平面声 源 s 间隔

，式中：d 为全息面区域 H 与平面声源 s 间隔，其为数值，单位：m，

表示 最小波长，其为数值，单位：m；步骤 6：构建平面声源 s 附近任一平面 s’上的 n 个等效点 声源，其中两个平面平行且面积关系为 s’>s 以保证 s’能包含 s 平面上的所有声学信 息，平面 s’表示平面声源 s 的等效平面，计算平面 s’内 n 个等效点声源分别在 rs 点 处法向振速的代数和；步骤 7：对全息面 H 表面声压和法向振速进行离散；全息面 H 表面 声压由所述法向振速获得；步骤 8：计算全息面 H 上 r 点的实际声压；步骤 9：在全息面 H 上选取 m 个点，m≥n，并测得其实际声压信息，以电抗器 A相电压信号为参考信号，可得 在 m 个测点下的矩阵形式为：

式中：W为等效平面 s’上 n 个等效点声源的权值 列向量；H _m 表示 n 个等效点 声源与全息面上 m 个测量点间传递矩阵，形式为 m×n 阶的 矩阵；对H _m 矩阵进行奇异值分解求得其广义逆矩阵 H _m ^* ，则可得权值列向量为:

；式中：V _m ，U _m ^H 为矩阵H _m 奇异值分解时的酉矩阵，形式为矩阵，无单位， 且其列向量相互正交；

；步骤 10：通过将求解出的权值 W 代人步 骤 6 和步骤 8 式中，得到重建声场中任意场点的声压和法向振速； 步骤 11：减小电抗器 绕组压紧力，重复步骤 1-10，获取这种状态下电抗器油箱 表面声压分布，最终通过对比正 常状态下和检测状态下的声压分布，从而检测故 障状态。

2.根据权利要求 1 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，其特征在于：步骤 1 中，近场声全息的分析频段为 100Hz。

3.根据权利要求 1 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，其特征在于：步骤 2 中，全息面形状采用矩形平面。

4.根据权利要求 1 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，其特征在于：步骤 3 中，全息面区域的数量为一个或一个以上。

5.根据权利要求 1 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方 法，其特征在于，步骤 6 的计算公式为：

式中：

为平面 s 上rs点处的 法向振速；

为平面 s’上第 j 个等效点声源 的法相振速；

表示第 j 个等效点声 源对 rs点处法向振速的权值。

6.根据权利要求 5 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方 法，其特征在于，步骤 7 中，离散后得到

式中：

为声场中全息面 H 的声压 列向量；V _ns 为平面声源 S 的表面法向振速向量；G _v 为离散时的系数矩阵。

7.根据权利要求 6 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方 法，其特征在于，步骤 8 的计算公式为：

； 式中：

为平面 s’上第 j 个等效点声源在全息面 H 上 r 点处的声压。

8.根据权利要求 1 所述的一种基于近场声全息技术的高压并联电抗器故障检测方法，其特征在于，步骤 11 中，减小电抗器绕组压紧力的方法为利用扭矩扳手将所述电抗器绕组四周固定螺杆的螺栓松动以减小电抗器绕组压紧力。

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