CN112378834A - 一种利用振动/声学信号监测gil中金属颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,包括以下步骤:步骤1,通过振动/声学测量系统采集相邻两次碰撞信号飞行时间的差值Δt和振动/声学信号幅值A,获取高压电极到壳体的高度H;步骤2,对振动/声学信号幅值的表达式进行修正,绘制含有理论结果和实验结果的振动幅值‑飞行时间函数图形并进行校验;步骤3,使用标准的碰撞信号发生器修正振动/声学测量系统的灵敏度系数;步骤4,估算不同半径r金属颗粒的金属颗粒质量、最大带电量、最大飞行高度。与现有技术相比,本发明能够准确监测GIL中金属颗粒的质量、最大带电量和最大飞行高度,分析金属颗粒可能造成故障的严重性,为GIL故障诊断和抑制提供了依据,具有较强的工程实用性。
Description
技术领域
本发明属于GIL(Gas-insulated metal-enclosed transmission lines,气体绝缘金属封闭输电线路)中金属颗粒监测技术领域,更具体地,涉及一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法。
背景技术
GIL以其具有高电压、大电流、结构紧凑、布置方式灵活、稳定运行、使用寿命长、技术指标优越且不受外界影响等优点,已经广泛的应用在国内外电力系统中。
GIL系统模块化的结构设计使其安装工艺复杂,一旦发生故障抢修工作量大,停电时间长。根据故障案例的统计,因金属颗粒引发的绝缘故障在GIL故障中占有很大比例,因此对GIL中的金属颗粒进行准确监测具有非常重要的现实意义。
现有的监测方法很难对GIL中金属颗粒作出准确的监测和判断,这是由于现有的监测技术在现场应用时具有抗干扰能力弱,运行稳定性不高,测量精度低等缺点,容易造成在发生故障时不报警或者误诊断等问题。因此,如何准确地监测GIL中金属颗粒是是相关领域人员急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足,本发明的目的在于,提供一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,旨在准确监测GIL中金属颗粒的质量、最大带电量和最大飞行高度,分析金属颗粒可能造成故障的严重性,为GIL故障诊断和抑制提供了依据,具有较强的工程实用性。
本发明采用如下的技术方案。一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,包括以下步骤:
步骤1,通过振动/声学测量系统采集相邻两次碰撞信号飞行时间的差值Δt和振动/声学信号幅值A,获取高压电极到壳体的高度H;
步骤2,对振动/声学信号幅值的表达式进行修正,绘制含有理论结果和实验结果的振动幅值-飞行时间函数图形并进行校验;
步骤3,使用标准的碰撞信号发生器修正振动/声学测量系统的灵敏度系数;
步骤4,估算不同半径r金属颗粒的金属颗粒质量、最大带电量、最大飞行高度。
优选地,步骤2中,以如下公式表示修正后的振动/声学信号幅值最大值和最小值的表达式,
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)+1], (1)
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)-1], (2)
式中:
C1、C2为常数,
t为金属颗粒飞行时间,
ω为电场的角频率。
优选地,以如下公式计算获得常数C1、C2:
式中:
g为重力常数,
qmax为金属颗粒最大电荷,
E为电场强度。
优选地,步骤3具体包括:
步骤3.1,搭建一个标准的碰撞信号发生器,发生器包括:电磁吸盘、控制电路和一个已知质量的金属颗粒;
步骤3.2,电磁吸盘上电,金属颗粒被吸到电磁吸盘处;
步骤3.3,电磁吸盘断电,金属颗粒从已知高度自由落下,与GIL外壳产生标准的碰撞信号,即振动/声学测量系统采集到标准的振动/声学信号;
步骤3.4,使用碰撞信号发生器和标准的振动/声学信号修正振动/声学测量系统灵敏度系数。
优选地,步骤3中,以如下公式表示修正后的振动/声学测量系统灵敏度系数ks,
式中:
ks表示修正后的振动/声学测量系统灵敏度系数,
H表示高压电极到壳体的高度,
r0为已知的金属颗粒半径,
m0为已知的金属颗粒质量,
A0为使用已知的金属颗粒质量m0、半径r0获取的振动/声学信号幅值。
优选地,步骤4中,以如下公式表示金属颗粒质量的估算表达式,
式中:
A表示振动/声学信号的幅值,
ks表示修正后的声学测量系统灵敏度系数,
g表示重力常数,
Δt表示相邻两次碰撞信号飞行时间的差值。
优选地,步骤4中,以如下公式表示最大带电量的估算表达式,
式中:
max[·]表示获得结果的最大值,
Ai表示第i次碰撞振动信号的幅值,由公式(1)获得,Ai+1表示第i+1次碰撞振动信号的幅值,
CR表示回弹系数,由标准碰撞信号发生器实验获得,
ω表示电场的角频率,由实验时的已知量获得,
E表示电场强度,由实验时的已知量获得。
优选地,步骤4中,以如下公式表示最大飞行高度的估算表达式,
式中:
max(·)表示获得结果的最大值,
g表示重力常数,
Δt表示相邻两次碰撞信号飞行时间的差值。
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,本发明提出的一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,能够准确监测GIL中金属颗粒的质量、最大带电量和最大飞行高度,分析金属颗粒可能造成故障的严重性,为GIL故障诊断和抑制提供了理论依据,具有较强的工程实用性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的流程图;
图2为本发明一种理论结果和实验结果对比的AAFT函数图形;
图3为本发明一种标准碰撞信号图形。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明提出一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,旨在准确监测GIL中金属颗粒的质量、最大带电量和最大飞行高度,分析金属颗粒可能造成故障的严重性,为GIL故障诊断和抑制提供了理论依据,具有较强的工程实用性。
如图1所示,本发明提供了一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,包括以下步骤:
步骤1,通过振动/声学测量系统采集相邻两次碰撞信号飞行时间的差值Δt和振动/声学信号幅值A;获取高压电极到壳体的高度H。
可以理解的是,振动传感器测量到的振动/声学信号幅值与颗粒碰撞动量成正比,以如下公式表示,
A=kmv, (1)
式中:
A为振动/声学信号幅值,
k为声学测量系统灵敏度系数,
m为金属颗粒质量,
v为金属颗粒与壳体的碰撞速度。
步骤2,对振动/声学信号幅值的表达式进行修正,绘制含有理论结果和实验结果的振动幅值-飞行时间函数图形(AAFT)并进行校验。可以理解的是,金属颗粒在正弦电压的1/2周期处运动速度达到最大值,但通过实验分析金属颗粒的最大速度出现在正弦电压的1/4周期处,因此需要对公式(1)进行修正。具体包括:以如下公式表示修正后的振动/声学信号幅值最大值和最小值的表达式,
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)+1], (2)
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)-1], (3)
式中:
C1、C2为常数,
t为金属颗粒飞行时间,
ω为电场的角频率。
以如下公式计算获得常数C1、C2:
式中:
g为重力常数,
qmax为金属颗粒最大电荷,
E为电场强度。
将根据上述公式计算得到的AAFT图形与实验结果下的AAFT图形对比,对比后发现理论结果和实验结果相匹配,证明了修正公式的正确性,对比图如图2所示。可以理解的是,修正后的公式(2)和(3)分别代入下文中的公式(6)(8)和(9)中的参数A、Ai和Ai+1,然后可以算出相关结果。
步骤3,使用标准的碰撞信号发生器修正振动/声学测量系统的灵敏度系数。可以理解的是,金属颗粒质量和带电量与振动/声学测量系统的灵敏度密切相关,考虑到由于GIL壳体具有一定的曲率,金属颗粒不可避免的与壳体发生斜碰撞,斜向碰撞引起的切向速度增大了碰撞时间间隔,会造成较大的灵敏度误差。因此搭建一个标准的碰撞信号发生器,发生器由电磁吸盘、控制电路和一个已知质量的金属颗粒构成。当电磁吸盘工作时,金属颗粒被吸到吸盘处,当电磁吸盘失去动力时,颗粒从已知高度自由落下,与GIL外壳产生标准的碰撞信号,碰撞信号图形如图3所示。步骤3具体包括:
步骤3.1,搭建一个标准的碰撞信号发生器,发生器包括:电磁吸盘、控制电路和一个已知质量的金属颗粒;
步骤3.2,电磁吸盘上电,金属颗粒被吸到电磁吸盘处;
步骤3.3,电磁吸盘断电,金属颗粒从已知高度自由落下,与GIL外壳产生标准的碰撞信号,即振动/声学测量系统采集到标准的振动/声学信号;
步骤3.4,使用碰撞信号发生器和标准的振动/声学信号修正振动/声学测量系统灵敏度系数。
步骤3中,以如下公式表示修正后的振动/声学测量系统灵敏度系数ks,
式中:
ks表示修正后的振动/声学测量系统灵敏度系数,
H表示高压电极到壳体的高度,
r0为已知的金属颗粒半径,
m0为已知的金属颗粒质量,
A0为使用已知的金属颗粒质量m0、半径r0获取的振动/声学信号幅值。
步骤4,估算不同半径r金属颗粒的金属颗粒质量、最大带电量、最大飞行高度。可以理解的是,步骤4在步骤3基础上,提出了从振动/声学信号原始数据中提取粒子特性的方法,推导出关于金属颗粒质量、电荷和最大飞行高度的表达方程,实现对GIL中金属颗粒的准确监测。可以理解的是,在声学测量系统灵敏度提高的基础上,需要一种从采集到的原始测量数据中有效提取颗粒特性的方法。因此忽略电场力的作用,考虑相邻两次碰撞信号的关系,金属颗粒与壳体碰撞的速度可以表示为,
式中:
Δt为相邻两次碰撞信号飞行时间的差值。在此基础上得到的金属颗粒质量、最大带电量、最大飞行高度的估算表达式.
步骤4中,以如下公式表示金属颗粒质量的估算表达式,
式中:
A表示振动/声学信号的幅值,
ks表示修正后的声学测量系统灵敏度系数,
g表示重力常数,
Δt表示相邻两次碰撞信号飞行时间的差值。
步骤4中,以如下公式表示最大带电量的估算表达式,
式中:
max[·]表示获得结果的最大值,
Ai表示第i次碰撞振动信号的幅值,由公式(1)获得,Ai+1表示第i+1次碰撞振动信号的幅值,
CR表示回弹系数,由标准碰撞信号发生器实验获得,
ω表示电场的角频率,由实验时的已知量获得,
E表示电场强度,由实验时的已知量获得。
步骤4中,以如下公式表示最大飞行高度的估算表达式,
式中:
max(·)表示获得结果的最大值,
g表示重力常数,
Δt表示相邻两次碰撞信号飞行时间的差值。
为更加清楚地介绍本发明的技术方案,以下给出一个监测实例。
搭建实验平台,根据校准后的估算公式得到直径为0.5mm、1.0mm、1.5mm的金属颗粒在不同电压下的实验数值,并将其与实际数值做对比,对比结果如表1和表2所示。
根据表1和表2的数据可知,根据修正后的金属颗粒特性表达式得到的估算值和实际值相比,最大误差不超过10%,满足现场测量的误差要求,具有良好的工程应用价值。
表1估算质量与实际质量对比
表2估算电荷与实际电荷对比
本发明的有益效果在于,与现有技术相比,本发明提出的一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,能够准确监测GIL中金属颗粒的质量、最大带电量和最大飞行高度,分析金属颗粒可能造成故障的严重性,为GIL故障诊断和抑制提供了理论依据,具有较强的工程实用性。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述,但是本领域技术人员应该理解,以上实施示例仅为本发明的优选实施方案,详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神,而并非对本发明保护范围的限制,相反,任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,通过振动/声学测量系统采集相邻两次碰撞信号飞行时间的差值Δt和振动/声学信号幅值A,获取高压电极到壳体的高度H;
步骤2,对振动/声学信号幅值的表达式进行修正,绘制含有理论结果和实验结果的振动幅值-飞行时间函数图形并进行校验;
步骤3,使用标准的碰撞信号发生器修正振动/声学测量系统的灵敏度系数;
步骤4,估算不同半径r金属颗粒的金属颗粒质量、最大带电量、最大飞行高度。
2.根据权利要求1所述的利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,其特征在于:
步骤2中,以如下公式表示修正后的振动/声学信号幅值最大值和最小值的表达式,
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)+1], (1)
A=C1t+C2t[sin(ωt-π)-1], (2)
式中:
C1、C2为常数,
t为金属颗粒飞行时间,
ω为电场的角频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的利用振动/声学信号监测GIL中金属颗粒的方法,其特征在于:
步骤3具体包括:
步骤3.1,搭建一个标准的碰撞信号发生器,发生器包括:电磁吸盘、控制电路和一个已知质量的金属颗粒;
步骤3.2,电磁吸盘上电,金属颗粒被吸到电磁吸盘处;
步骤3.3,电磁吸盘断电,金属颗粒从已知高度自由落下,与GIL外壳产生标准的碰撞信号,即振动/声学测量系统采集到标准的振动/声学信号;
步骤3.4,使用碰撞信号发生器和标准的振动/声学信号修正振动/声学测量系统灵敏度系数。
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