CN112269107B - 一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法及回路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法及回路,该测试回用于在穿墙套管进行振动台试验的过程中,同步施加电压Vin(t)到穿墙套管胶浸纸电容芯子上,通过测量输出端的电流获得电容芯子在不同频率下的阻抗信息,以表征在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。由于所施加的电压Vin(t)由一系列幅值电压值谐波组成,即采用叠加谐波作为输入电压,提高了绝缘结构阻抗测试的灵敏度,有利于捕捉到阻抗变化的微弱信息。另外,通过将谐波变化和阻抗变化相结合,从而可实现从设备结构强度和电气性能两个维度评估穿墙套管。

Description

一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法及回路
技术领域
本发明涉及抗震试验领域,具体涉及一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法及回路。
背景技术
特高压换流站作为直流输电的枢纽,一旦在地震中遭受破坏,极可能造成电力系统的瘫痪,对社会造成巨大损失。特高压直流穿墙套管作为连接阀厅与外部直流场的关键设备,在整个特高压直流输电系统中处于“咽喉”位置,与电力的经济传送、灵活分配和安全使用密切相关,是直流输电工程的关键设备。穿墙套管作为一种水平安装的双侧长悬臂特高压直流设备,位于高地震烈度区的换流站,其穿墙套管抗震性能非常重要,良好的抗震性能是特高压直流穿墙管研制和运行的关键。
工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的重要手段。一般做法是通过典型结构的足尺模型或真型设备振动台试验,测定模型或真型设备在不同地震作用下关键部位加速度,应变等主要参数,以此来确定结构本身的动力特性、抗震性能以及设备支架和上部设备连接处的受力性能,为综合评定结构的抗震性能和结构设计方法提供参考和建议,此外,根据试验得到的数据来验证理论计算模型的正确性与合理性。但对于穿墙套管,现有的振动台试验只验证了设备在地震作用下结构强度是否满足要求,对其在地震作用下的电气性能无从考核,单纯从结构强度的角度去考核设备可能存在结构未受损但绝缘性能已接近限值的情况,存在忽视设备电气功能的问题。电气设备除了满足结构上的要求以外,更重要的是保证其电气性能,确保设备在地震发生后仍有足够的绝缘裕度,设备能够继续工作。
专利文献CN106226177A公开了特高压直流复合穿墙套管内外抗震试验装置及试验方法,该装置能够获取抗震试验数据,该方法完善了抗震试验结构强度的考核,但未考虑振动过程中电气性能是否满足要求。文献资料《±800kV特高压穿墙套管地震模拟振动台试验研究》,研究了穿墙套管在不同地震动和加速度峰值输入下的响应,获得了穿墙套管关键位置的位移、应变及加速度响应,仍然只是从结构抗震的角度去评估穿墙套管,而其绝缘裕度在振动过程中是否满足要求无法通过振动台试验评估。文献资料《±800kV直流穿墙套管对接结构接触状态评估方法》提出一种评估穿墙套管对接结构接触状态的新方法,先利用不同等级冲击电流测量套管的回路电阻来评估穿墙套管对接结构的接触状态,该方法不能适用于振动状态下的阻抗测量,无法反应绝缘结构的变化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法及回路,以从设备结构强度和电气性能两个维度评估穿墙套管
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
第一方面,本发明实施例提供了一种考虑绝缘结构变化的穿墙套管抗震试验测试回路,所述测试回路用于在穿墙套管进行振动台试验的过程中,同步施加电压Vin(t)到穿墙套管胶浸纸电容芯子上,通过测量输出端的电流获得电容芯子在不同频率下的阻抗信息,以表征在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求;所施加的电压Vin(t)由一系列幅值的电压谐波组成。
进一步地,所述测试回路包括:
谐波源,用于和穿墙套管的一次接线端相连接,以将穿墙套管的一次接线端作为试验加压端,向穿墙套管胶浸纸电容芯子上施加电压Vin(t),以作为输入信号;
可调放大器,其输入端用于和穿墙套管的末屏引线相连接,以将末屏引线作为电压响应的输出端,并对末屏引线所输出的信号进行放大处理;
ADC模块,其输入端和可调放大器的输出端相连接,用于对可调放大器输出的信号进行模数转换;
信号提取模块,其输入端和ADC模块的输出端相连接,用于提取与输入信号谐波相同的频率信息;
数据校准模块,其输入端和信号提取模块的输出端相连接,用于对信号提取模块所输出的信息进行校准,去除畸变量;
数据分析模块,其输入端和数据校准模块的输出端相连接,用于根据数据校准模块所输出的信息来分析得出穿墙套管在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。
第二方面,本发明实施例提供了一种考虑绝缘结构变化的穿墙套管抗震试验测试方法,采用上述测试回路来进行,所述方法包括:
(1)将被试穿墙套管及其试验支架安装于振动台上,按照试验要求布置加速度计和应变片,拆除穿墙套管末屏盖,露出末屏引线,将穿墙套管的一次接线端连接至谐波源,以作为试验加压端,末屏引线连接至可调放大器,以作为电压响应的输出端;
(2)在振动试验开始前,提前进行加压测试并持续至整个振动台试验结束,记录振动试验开始前若干分钟内的加压时间t(1)以及输出量Iout(1)(t);
(3)振动试验开始进行白噪声扫频试验:测定穿墙套管的自振频率fb1和阻尼比,记录白噪声阶段的测试时间t(2)及输出量Iout(2)(t),直至Iout(2)(f)=Iout(1)(f);
(4)白噪声扫频试验完成,在地震波试验开始前,仍然持续进行加压试验,记录振动试验暂停阶段的时间t(3)及输出量Iout(3)(t);
(5)人工合成地震波试验,低水平地震,进行N次,记录每次地震波试验时的时间t1 (4)...tN (4)及输出量I1 out(4)(t)...IN out(4)(t);
(6)人工合成地震波试验,高水平地震,按照设计基本地震加速度进行试验,记录试验时间t(5)及输出量Iout(5)(t);
(7)人工合成地震波试验完成,振动台暂停输出阶段,记录时间t(6)及输出量Iout(6)(t);
(8)白噪声扫频试验:再次测量结构基频fb2,检验套管是否有结构性损伤,记录试验时间t(7)及输出量Iout(7)(t);
(9)抗震试验后进行套管外观检查:检查套管是否有开裂、渗漏、变形现象;
(10)对7次试验所的数据进行分析整理,判断在振动过程中绝缘结构是否发生改变。
本发明与现有技术相比,其有益效果在于:
本实施例提供的一种穿墙套管抗震试验测试回用于在穿墙套管进行振动台试验的过程中,同步施加电压Vin(t)到穿墙套管胶浸纸电容芯子上,通过测量输出端的电流获得电容芯子在不同频率下的阻抗信息,以表征在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。通过采用较低的输入电压进行测试,避免了常规高压试验带来的安全风险,试验安全措施简单易行,大大简化试验流程;由于所施加的电压Vin(t)由一系列幅值电压值谐波组成,即采用叠加谐波作为输入电压,提高了绝缘结构阻抗测试的灵敏度,有利于捕捉到阻抗变化的微弱信息。另外,通过将谐波变化和阻抗变化相结合,从而可实现从设备结构强度和电气性能两个维度评估穿墙套管。
附图说明
图1为本发明实施例提供的穿墙套管抗震试验测试回路进行测试使用时的示意图图;
图2为信号校准原理图;
图3为测试方法流程简图。
具体实施方式
实施例:
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接、信号连接;可以是直接相连,也可以是通过中间媒介间接连接,可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本实施例提供的一种考虑绝缘结构变化的穿墙套管抗震试验测试回路用于在穿墙套管进行振动台试验的过程中,同步施加电压Vin(t)到穿墙套管胶浸纸电容芯子上,通过测量输出端的电流获得电容芯子在不同频率下的阻抗信息,以表征在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。通过采用较低的输入电压进行测试,避免了常规高压试验带来的安全风险,试验安全措施简单易行,大大简化试验流程;由于所施加的电压Vin(t)由一系列幅值电压值谐波组成,即采用叠加谐波作为输入电压,提高了绝缘结构阻抗测试的灵敏度,有利于捕捉到阻抗变化的微弱信息。另外,通过将谐波变化和阻抗变化相结合,从而可实现从设备结构强度和电气性能两个维度评估穿墙套管。
具体地,如图1所示,该测试回路包括:
谐波源1,用于和穿墙套管100的一次接线端相连接,以将穿墙套管100的一次接线端作为试验加压端,向穿墙套管胶浸纸电容芯子上施加电压Vin(t),以作为输入信号;施加的电压Vin(t)由一系列幅值为300V的50Hz谐波组成,其表达式如下:
Vin(t)=A(sin(2πft)+sin(2π2ft)+…+sin(2πnft)) (1)
式中:
t:等于波形施加的时间,s。
n=1:20;
f=50Hz,即代表电压波形为20次以内的谐波叠加而成,通过在线测试表明该电容芯子绝缘结构对该频段的电压响应显著。
可调放大器2,其输入端用于和穿墙套管100的末屏引线10相连接,以将末屏引线10作为电压响应的输出端,并对所输出的信号进行放大处理。穿墙套管胶浸纸电容芯子的等值电路是由一系列电容电阻串并联组成,其阻抗用Z(t)表示,实际测量过程中,环境噪音大,而输出信号通常在μA级别,需要进行放大处理,此次采用可调放大器,放大系数为M,M可调幅范围为104、105、106、107,则输出端信号为电流信号MIout(t)+noise,其中:
Iout(t)=Vin(t)Z(t) (2)
ADC模块3,其输入端和可调放大器2的输出端相连接,用于对可调放大器2输出的信号进行模数转换。
信号提取模块4,其输入端和ADC模块3的输出端相连接,用于提取与输入信号谐波相同的频率信息。由于输出信号信噪比低,合理的数据信号处理方法是准确提取输出信号信息的关键,测量得到的输出信号假设在测试时间内谐波幅值为常数,即:
Figure BDA0002688446930000051
式中:
N(t)为实际测量过程中叠加的噪声,噪声具有随机性。
为了能够准确的提取输出信号中的有效信息同时最大限度的抑制噪声,本申请采用仅提取与输入波形频率一致信号的频谱信息的方法,为了提取谐波频域信息,可以将关注的频率进行锁定,只提取与输入信号谐波相同的频率信息,这样可以有效的抑制噪声,具体方法如下:
分别用sin(2πft)、sin(4πft)...、sin(2πnft)及其正交量乘以Iout(t),如:
Figure BDA0002688446930000052
Figure BDA0002688446930000053
对式(4)和式(5)进行积分叠加,高频分量和随机噪音叠加后结过趋于0,于是有:
Figure BDA0002688446930000054
Figure BDA0002688446930000055
以此类推,分别乘以sin(4πft)、cos(4πft)、....sin(2πnft)、cos(2πnft)可以得出其他谐波的频域信息幅值和相位:B2
Figure BDA0002688446930000056
...Bn
Figure BDA0002688446930000057
在振动台试验过程中,穿墙套管处于动态的振动状态,电容芯子、绝缘外套、导电杆具有不同的弹性模量,电容芯子和绝缘外套间发生动态的相对位移,触碰内壁,甚至发生永久变形,导致阻抗发生变化,该变化在输出信息Iout(t)中会表现为某一时间内幅值发生突变或持续变化,其幅值在测试时间内不再为一个常数而变为Bn(t)(n=1,2,3...20),如果在采用上面的方法对整段信号进行积分叠加会需要在上述信息提取的基础上进行分段提取,在幅值发生变化的区间内如(tn1,tn2)内将Bn(t)近似为B'n,再在(tn1,tn2)时间内提取谐波有效信息,从而判断是阻抗发生变化还是外界干扰引起的突变。
通过提取绝缘结构的阻抗信息Z(f)=Iout(f)/300,来判断在振动过程中绝缘结构是否受损。
数据校准模块5,其输入端和信号提取模块4的输出端相连接,用于对信号提取模块4所输出的信息进行校准,去除畸变量。由于原始数据经过放大器和数据处理后都会发生一定程度的畸变,为了消除在数字信号处理过程中的畸变,通过如下方法对信号进行校准,如图2所示:
实际输入信号在测试回路中通过放大器、模数转换和信号提取三步后,都会相应的受到其内部传递函数的影响而发生一定程度的畸变,畸变量可分别表示为|C1|∠θ1、|C2|∠θ2、|C3|∠θ3,畸变量叠加在输出信号上使最终的结果变为
Figure BDA0002688446930000061
为了消除畸变量对结果的影响,本专利采用将同样的输入量不经过试品TO,图2中第二条支路所示,直接通过放大器、模数转换和信号提取,从而获得畸变量的信息|C1C2C3|∠(θ123),将畸变量的信息放入图1回路中的数据校准一步,将输出量除以畸变量信息可以实现信号校准,去除畸变量。
数据分析模块6,其输入端和数据校准模块5的输出端相连接,用于根据数据校准模块5所输出的信息来分析得出穿墙套管在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。
相应地,本实施例还提供了一种穿墙套管抗震试验测试方法,该方法采用上述的测试回路来进行,具体包括如下步骤:
(1)将被试穿墙套管及其试验支架安装于振动台上,按照试验要求布置加速度计和应变片。拆除穿墙套管末屏盖,露出末屏引线,将穿墙套管的一次接线端作为试验加压端,末屏引线作为电压响应的输出端。
(2)在振动试验开始前1分钟,提前进行加压测试并持续至整个振动台试验结束,记录振动试验开始前1分钟内的加压时间t(1)以及输出量Iout(1)(t);
(3)振动试验开始进行白噪声扫频试验,持续时间一般为60s:测定套管的自振频率fb1和阻尼比,记录白噪声阶段的测试时间t(2)及输出量Iout(2)(t),由于此时白噪声扫频的加速度小,不会对绝缘结构造成影响,应有Iout(2)(f)=Iout(1)(f),若出现较大波动,侧需要在进行地震波试验前检查接线端子是否固定牢固,需要保证在试验过程中接线端子紧固无松动,确认完毕再进行地震波试验。
(4)白噪声扫频试验完成,在地震波试验开始前,仍然持续进行加压试验,记录振动试验暂停阶段的时间t(3)及输出量Iout(3)(t);
(5)人工合成地震波试验,低水平地震(可能进行多次,如N次),记录每次地震波试验时的时间t1 (4)...tN (4)及输出量I1 out(4)(t)...IN out(4)(t)
(6)人工合成地震波试验,高水平地震,按照设计基本地震加速度进行试验,记录试验时间t(5)及输出量Iout(5)(t)。
(7)人工合成地震波试验完成,振动台暂停输出阶段,记录时间t(6)及输出量Iout(6)(t);
(8)白噪声扫频试验:再次测量结构基频fb2,检验套管是否有结构性损伤,一般认为
Figure BDA0002688446930000071
代表结构未受损。记录试验时间t(7)及输出量Iout(7)(t)。
(9)抗震试验后进行套管外观检查:检查套管是否有开裂、渗漏、变形现象。
(10)对7次试验的数据进行分析整理,判断在振动过程中绝缘结构是否发生改变,采用方法如下:
1)按照前述的数据信号处理方法提取频域信息得到一组数据:
Figure BDA0002688446930000072
表征绝缘结构的初始阻抗,可作为基准量用于后续数据分析;在本申请中,箭头表示经过信号提取后由时域信息得到频域信息,
2)
Figure BDA0002688446930000073
白噪声扫频阶段的测量是为了检查加压端子和数据采集端子在振动中有无松动可能,排除接线端子无松动后,白噪声扫频阶段由于加速度很小,对绝缘结构几乎不造成影响,应有Z(1)(f)≈Z(2)(f);
3)
Figure BDA0002688446930000074
试验暂停阶段动态记录阻抗信息,持续监测验证测试回路的有效性,应有:Z(1)(f)≈Z(2)(f)≈Z(3)(f)
4)依据试验需求低水平地震试验应进行多次迭代,设有N次迭代试验,对于每一次的迭代试验,应有:
Figure BDA0002688446930000075
Figure BDA0002688446930000076
...
Figure BDA0002688446930000077
若每次迭代中时域中波形出现突变,特别是重复性突变,则有必要按照前述信号处理方法,截取突变段进行信号提取,假设第N次迭代试验出现突变:
未发生突变时的信号为:
Figure BDA0002688446930000081
假设突变发生在(tN n1,tNn2)内,从中提取了n次谐波的突变量ZN'(4n)(f),用突变段的频域信息ZN' (4n)(f)代替原来ZN(4)(f)中n次谐波量。
5)人工合成地震波试验,高水平地震,按照设计基本地震加速度进行试验,应有:
Figure BDA0002688446930000082
因此时的地震加速度大绝缘结构受损最有可能发生在该阶段,此时绝缘结构受损,表现为阻抗的变化,在地震波输入时程中,最大加速度一般出现在地震波中段,输出的电流同样会在某一时刻出现突变,应按照突变量信息截取的方法进行信号提取:
(tn1,tn2)内提取Z'(5n)(f);
6)试验暂停阶段:
Figure BDA0002688446930000083
若绝缘结构发生永久性变形受损,则有Z(6)(f)≈Z'(5)(f);
若绝缘结构在振动过程中发生大的弹性形变,如电容芯子触碰套管内壁,造成阻抗的短时间变化,则有Z(6)(f)≠Z'(5)(f);
7)白噪声扫频试验,检验穿墙套管的自振频率是否发生改变,整体结构是否受损,
Figure BDA0002688446930000084
8)绝缘结构是否受损的判断流程如下:
定义各频段阻抗幅值变化Δ|Z|、电阻变化ΔR、电抗变化ΔX,如式(8)、(9)、(10),若超过20%则表示绝缘结构在振动过程中发生变化:
Figure BDA0002688446930000085
Figure BDA0002688446930000086
Figure BDA0002688446930000087
式中:n1为测试的次数1至7。
a.若:Z(1)(f)≠Z(2)(f),则测试线松动,重新紧固后再开始试验。
b.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f)≈Z(5)(f)=Z(6)(f)=Z(7)(f),则振动过程绝缘结构未受损。
c.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f),Zout(5)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8);或Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f),Z(4)(f)、Z(5)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8),则在振动过程中电容芯子与套筒内壁发生了大的相对位移,属于弹性形变并未引起永久性变形,发生地震时可能造成绝缘裕度降低。
d.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f),Z(5)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8);或Z(4)(f)、Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f),Z(5)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8),则表示在整个振动台试验过程中绝缘结构受损,发生永久变形。
结合穿墙套管振动台结果,套管结构及电气双重评估方法如下:
情况1:
Δf<15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|<20%:穿墙套管试品在振动台试验中结构未受损、绝缘未受损;
情况2:
Δf<15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|≥20%:穿墙套管试品在振动台试验中结构未受损,但振动过程中可能导致绝缘结构相对位移过大而影响电场分布进而影响套管的电气性能,该试品不建议用于高地震烈度区;
情况3:
Δf≥15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|<20%:穿墙套管试品在振动台试验过程中结构受损,结构强度不能满足要求,且结构受损的部位可排除电容芯子。
情况4:
Δf≥15%ΔR或ΔX或Δ|Z|≥20%:穿墙套管试品在振动台试验过程中结构强度和电气性能均不满足要求,不应用于高地震烈度区。
综上,本申请与现有技术相比,具有如下技术优势:
1、提出了振动过程中测量穿墙套管绝缘结构变化的测试回路,该方法用较低的输入电压进行测试,避免了常规高压试验带来的安全风险,试验安全措施简单易行,大大简化试验流程。
2、采用叠加谐波作为输入电压,提高了绝缘结构阻抗测试的灵敏度,有利于捕捉到阻抗变化的微弱信息。
3、采用定谐波频域信息处理方法可以极大限度的抑制随机噪声同时放大微弱的谐波信号,对于特定频率的突变信号可以准确的提取。
4、提出了振动过程中测量穿墙套管绝缘结构变化的判断方法,解决了在振动过程中绝缘结构无法评估的问题。
5、将振动台试验的基频变化评价指标与阻抗变化指标相结合实现了结构强度与电气性能的双重考核。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所述试验回路用于在穿墙套管进行振动台试验的过程中,同步施加电压Vin(t)到穿墙套管胶浸纸电容芯子上,通过测量输出端的电流获得电容芯子在不同频率下的阻抗信息,以表征在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求;所施加的电压Vin(t)由一系列幅值的电压谐波组成;
所述试验回路包括:
谐波源,用于和穿墙套管的一次接线端相连接,以将穿墙套管的一次接线端作为试验加压端,向穿墙套管胶浸纸电容芯子上施加电压Vin(t),以作为输入信号;
可调放大器,其输入端用于和穿墙套管的末屏引线相连接,以将末屏引线作为电压响应的输出端,并对末屏引线所输出的信号进行放大处理;
ADC模块,其输入端和可调放大器的输出端相连接,用于对可调放大器输出的信号进行模数转换;
信号提取模块,其输入端和ADC模块的输出端相连接,用于提取与输入信号谐波相同的频率信息;
数据校准模块,其输入端和信号提取模块的输出端相连接,用于对信号提取模块所输出的信息进行校准,去除畸变量;
数据分析模块,其输入端和数据校准模块的输出端相连接,用于根据数据校准模块所输出的信息来分析得出穿墙套管在振动过程中其绝缘结构是否发生改变以及电气性能是否满足要求。
2.如权利要求1所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所施加的电压Vin(t)其表达式如下:
Vin(t)=A(sin(2πft)+sin(2π2ft)+…+sin(2πnft)) (1)
式中:
t:等于波形施加的时间,s;
n=1:20;
f=50Hz,即代表电压波形为20次以内的谐波叠加而成。
3.如权利要求1所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所述可调放大器的放大系数为M,其输出端信号为电流信号MIout(t)+noise,其中:
Iout(t)=Vin(t)Z(t) (2)
其中:Z(t)为穿墙套管胶浸纸电容芯子的阻抗,Iout(t)为末屏引线所输出的电流,noise为噪声。
4.如权利要求3所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所述信号提取模块提取与输入信号谐波相同的频率信息的方式为:
测量得到的末屏引线所输出信号假设在测试时间内谐波幅值为常数,即:
Figure FDA0003298171750000021
式中:
N(t)为实际测量过程中叠加的噪声,噪声具有随机性;
分别用sin(2πft)、sin(4πft)...、sin(2πnft)及其正交量乘以Iout(t),如:
Figure FDA0003298171750000022
Figure FDA0003298171750000023
对式(4)和式(5)进行积分叠加,高频分量和随机噪音叠加后结过趋于0,于是有:
Figure FDA0003298171750000024
Figure FDA0003298171750000025
以此类推,分别乘以sin(4πft)、cos(4πft)、....sin(2πnft)、cos(2πnft)可以得出其他谐波的频域信息幅值和相位:B2
Figure FDA0003298171750000026
...Bn
Figure FDA0003298171750000027
5.如权利要求3所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所述数据校准模块对信号提取模块所输出的信息进行校准,去除畸变量的方式为:
实际输入信号在测试回路中通过放大器、ADC模块和信号提取模块三步后,都会相应的受到其内部传递函数的影响而发生畸变,畸变量分别表示为|C1|∠θ1、|C2|∠θ2、|C3|∠θ3,畸变量叠加在输出信号上使最终的结果变为
Figure FDA0003298171750000028
为了消除畸变量对结果的影响,采用将同样的输入量不经过试品穿墙套管,直接通放大器、ADC模块和信号提取模块,从而获得畸变量的信息|C1C2C3|∠(θ123),将畸变量的信息输入数据校准模块,将输出量除以畸变量信息,实现信号校准,去除畸变量。
6.如权利要求1所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验回路,其特征在于,所施加的电压Vin(t)由一系列幅值为300V的50Hz谐波组成。
7.一种考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法,采用权利要求1所述的试验回路来进行,其特征在于,所述方法包括:
(1)将被试穿墙套管及其试验支架安装于振动台上,按照试验要求布置加速度计和应变片,拆除穿墙套管末屏盖,露出末屏引线,将穿墙套管的一次接线端连接至谐波源,以作为试验加压端,末屏引线连接至可调放大器,以作为电压响应的输出端;
(2)在振动试验开始前,提前进行加压测试并持续至整个振动台试验结束,记录振动试验开始前若干分钟内的加压时间t(1)以及输出量Iout(1)(t);
(3)振动试验开始进行白噪声扫频试验:测定穿墙套管的自振频率fb1和阻尼比,记录白噪声阶段的测试时间t(2)及输出量Iout(2)(t),直至Iout(2)(f)=Iout(1)(f);
(4)白噪声扫频试验完成,在地震波试验开始前,仍然持续进行加压试验,记录振动试验暂停阶段的时间t(3)及输出量Iout(3)(t);
(5)人工合成地震波试验,低水平地震,进行N次,记录每次地震波试验时的时间t1 (4)...tN (4)及输出量I1 out(4)(t)...IN out(4)(t);
(6)人工合成地震波试验,高水平地震,按照设计基本地震加速度进行试验,记录试验时间t(5)及输出量Iout(5)(t);
(7)人工合成地震波试验完成,振动台暂停输出阶段,记录时间t(6)及输出量Iout(6)(t);
(8)白噪声扫频试验:再次测量结构基频fb2,检验套管是否有结构性损伤,记录试验时间t(7)及输出量Iout(7)(t);
(9)抗震试验后进行套管外观检查:检查套管是否有开裂、渗漏、变形现象;
(10)对7次试验所的数据进行分析整理,判断在振动过程中绝缘结构是否发生改变。
8.如权利要求7所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法,其特征在于,所述断在振动过程中绝缘结构是否发生改变的方法为:
1)
Figure FDA0003298171750000031
表征绝缘结构的初始阻抗,作为基准量用于后续数据分析;
2)
Figure FDA0003298171750000032
白噪声扫频阶段的测量是为了检查加压端子和数据采集端子在振动中有无松动可能,排除接线端子无松动后,有Z(1)(f)≈Z(2)(f);
3)
Figure FDA0003298171750000041
试验暂停阶段动态记录阻抗信息,持续监测验证测试回路的有效性,有:Z(1)(f)≈Z(2)(f)≈Z(3)(f);
4)依据试验需求低水平地震试验应进行多次迭代,设有N次迭代试验,对于每一次的迭代试验,有:
Figure FDA0003298171750000042
Figure FDA0003298171750000043
...
Figure FDA0003298171750000044
若每次迭代中时域中波形出现突变,则截取突变段进行信号提取,假设第N次迭代试验出现突变:
未发生突变时的信号为:
Figure FDA0003298171750000045
假设突变发生在(tN n1,tN n2)内,从中提取了n次谐波的突变量ZN'(4n)(f),用突变段的频域信息ZN'(4n)(f)代替原来ZN (4)(f)中n次谐波量;
5)人工合成地震波试验,高水平地震,按照设计基本地震加速度进行试验,有:
Figure FDA0003298171750000046
此时绝缘结构受损,表现为阻抗的变化,在地震波输入时程中,最大加速度出现在地震波中段,输出的电流同样会在某一时刻出现突变,按照突变量信息截取的方法进行信号提取:
(tn1,tn2)内提取Z'(5n)(f);
6)试验暂停阶段:
Figure FDA0003298171750000047
若绝缘结构发生永久性变形受损,则有Z(6)(f)≈Z'(5)(f);
若绝缘结构在振动过程中发生弹性形变,则有Z(6)(f)≠Z'(5)(f);
7)白噪声扫频试验,检验穿墙套管的自振频率是否发生改变,整体结构是否受损,
Figure FDA0003298171750000048
8)绝缘结构是否受损的判断流程如下:
定义各频段阻抗幅值变化Δ|Z|、电阻变化ΔR、电抗变化ΔX,如式(8)、(9)、(10),若超过20%则表示绝缘结构在振动过程中发生变化:
Figure FDA0003298171750000049
Figure FDA0003298171750000051
Figure FDA0003298171750000052
式中:n1为测试的次数1至7;
a.若:Z(1)(f)≠Z(2)(f),则测试线松动,重新紧固后再开始试验;
b.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f)≈Z(5)(f)=Z(6)(f)=Z(7)(f),则振动过程绝缘结构未受损;
c.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f),Zout(5)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8);或Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f),Zout(4)(f)、Zout(5)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8),则在振动过程中电容芯子与套筒内壁发生了相对位移,属于弹性形变并未引起永久性变形,发生地震时可能造成绝缘裕度降低;
d.若:Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f)≈Z(4)(f),Z(5)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8);或Z(4)(f)、Z(1)(f)=Z(2)(f)=Z(3)(f),Z(5)(f)≈Z(6)(f)=Z(7)(f)在谐波频率内幅值出现突变且满足式(8),则表示在整个振动台试验过程中绝缘结构受损,发生永久变形。
9.如权利要求8所述的考虑绝缘结构变化的柔直套管抗震试验方法,其特征在于,还包括:
结合穿墙套管振动台结果,套管结构及电气双重评估方法如下:
情况1:
Δf<15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|<20%:穿墙套管试品在振动台试验中结构未受损、绝缘未受损;
情况2:
Δf<15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|≥20%:穿墙套管试品在振动台试验中结构未受损,但振动过程中可能导致绝缘结构相对位移过大而影响电场分布进而影响套管的电气性能,该试品不建议用于高地震烈度区;
情况3:
Δf≥15%且ΔR或ΔX或Δ|Z|<20%:穿墙套管试品在振动台试验过程中结构受损,结构强度不能满足要求,且结构受损的部位可排除电容芯子;
情况4:
Δf≥15%ΔR或ΔX或Δ|Z|≥20%:穿墙套管试品在振动台试验过程中结构强度和电气性能均不满足要求,不应用于高地震烈度区。
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