CN116699339B - 基于双模态声导波的gil电弧故障定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，进行放电实验获取GIL内部电弧故障时故障点附近的直达声波信号；构建GIL声传输仿真模型，将直达声波信号作为激励声源边界条件，以获取多模态混合声波信号；基于多模态混合声波信号，选取两模态波作为测量模态波，以确定传感器量程；基于仿真模型，绘制多模态混合声波信号的能量谱，确定能量谱峰值对应的声波频率f；基于仿真模型，得到GIL壳体的声导波频散曲线；基于声导波频散曲线，得到测量模态波在声波频率f处的波速；基于传感器量程选取传感器组合，并安装在GIL壳体上，在故障发生时，获取传感器组合的响应时间差，并通过波速，计算故障点范围，以进行故障定位。
Description
技术领域
本发明涉及电力检测技术领域，具体涉及一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法。
背景技术
气体绝缘输电线路GIL作为复杂环境条件下的大容量电能输送设备，当其内部发生电弧故障时传统定位方法难以及时准确地确定故障点位置，为降低GIL断电停运以及故障排查时间过长带来的损失，国内外相继开发出基于高频电磁波、声波、光信号、电流信号等特征量的GIL电弧故障定位方法，其中基于声波信号到达时间差的故障定位方法应用最为广泛。
基于声波信号到达时间差的故障定位方法作为两步式被动声源定位方法，包含时差测量以及几何定位两个步骤。在现阶段应用中，时差测量方面普遍使用相关类方法，通过比较声波波形的相似程度确定其到达不同传感器的时间差；几何定位方面普遍使用一维线性定位方法，通过将GIL等效为沿轴向长度分布的空间一维模型计算故障点在GIL轴向上的位置分布。
GIL壳体类似于圆柱壳波导，GIL内部发生电弧故障时沿壳体传播的声波具有导波的频散与多模态特性，其波形在传播过程中不断发生变化，增大了相关类方法的测量误差。此外，为补偿管道热胀冷缩并控制电弧故障范围，GIL在结构上存在大量的伸缩节、气隔盆子等非直管结构，声波经过这些结构时会产生显著的幅值衰减与波速下降，进一步增大了现阶段主流方法的定位误差，往往导致GIL非直管区段的故障定位精度难以满足工程需求。
发明内容
本发明提出了一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，以解决GIL非直管结构对声波传播过程的影响以至于定位无法满足工程需求的解决问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，包括以下步骤：
步骤S1：进行放电实验获取GIL内部电弧故障时故障点附近的直达声波信号；
步骤S2：构建GIL声传输仿真模型，将所述直达声波信号作为激励声源边界条件，以获取沿壳体传播的多模态混合声波信号；
步骤S3：基于所述多模态混合声波信号，选取两模态波作为测量模态波并分析幅值特征，以确定传感器量程；
步骤S4：基于所述仿真模型，绘制所述多模态混合声波信号的能量谱，确定能量谱峰值对应的声波频率f；
步骤S5：基于所述仿真模型，得到GIL壳体的声导波频散曲线；
步骤S6：基于所述声导波频散曲线，得到所述测量模态波在声波频率f处的波速；
步骤S7：基于所述传感器量程选取传感器组合，并安装在GIL壳体上，在故障发生时，获取所述传感器组合的响应时间差，并通过所述波速，计算故障点范围，以进行故障定位。
优选地，步骤S2中获取沿壳体传播的多模态混合声波信号的方法包括：在所述仿真模型的气体区域与固体区域交界处设置声振耦合边界条件，在仿真模型两端设置无限长边界条件，将所述直达声波信号以插值函数形式作为仿真模型的激励声源边界条件，开展声场-结构场双向耦合瞬态有限元仿真，并在仿真模型壳体表面设置探针点，获得无环境及采集设备噪声干扰下GIL电弧故障产生的沿壳体传播的多模态混合声波信号。
优选地，所述测量模态波为L(0,2)与F(1,1)两种模态波。
优选地，步骤S3中确定传感器量程的方法包括：在所述多模态混合声波信号中确定测量模态波的波包，以获取波包的峰值；设定峰值倍数，将所述峰值倍数与峰值相乘得到传感器的量程。
优选地，步骤S7中所述传感器包括振动加速度传感器和谐振式声发射传感器。
优选地，步骤S7中获取所述传感器的响应时间差的步骤包括：
步骤S71：设定所述传感器的通道阈值、设定计数值、计数时间和锁闭时间；
步骤S72：当声波的幅值超过设定的通道阈值时，时差测量程序被触发并开始对超过通道阈值的脉冲包络进行计数，如果计数时间内的计数值达到设定值便选取其中幅值最大的脉冲包络峰值作为定位特征点，同时时差测量程序进入闭锁时间，在该时间段内不再重复触发；
步骤S73：当电弧故障发生时，获取定位特征点，并基于定位特征点对应的时刻计算两种所述测量模态波到达传感器组合的时间差△t。
优选地，步骤S7中计算故障点的范围r的表达式为：
；
式中，cf和cl分别表示两种所述测量模态波的波速。
优选地，所述方法还包括以下步骤：
步骤S81：在GIL壳体上安装多组所述传感器组合；
步骤S82：当故障发生时，选取前n组最短时间差的传感器组合；
步骤S83：通过步骤S7的方法计算出n组传感器组合对应的故障点范围；
步骤S84：通过n组故障点范围的交点，以进行故障定位。
优选地，步骤S7中所述传感器组合通过传感器安装座安装于GIL壳体上，所述传感器安装座包括第一传感器、第二传感器和传感器支架，所述传感器支架的一侧于所述GIL壳体相贴合，所述传感器支架上设置有一组通孔，所述第一传感器和第二传感器设置于所述通孔中，所述传感器支架通过轧带固定于所述GIL壳体上。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述的基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法。
本发明的有益效果至少包括：
（1）根据放电试验与数值仿真得到的测量模态波的幅值特性配置传感器量程与定位阈值，降低了时差计算特征点漏判、错判的概率，提升了基于声波信号到达时差的GIL电弧故障定位方法的可靠性；
（2）针对电弧故障下不同模态波幅值差异较大的实际情况，将两台具备不同量程与灵敏度的传感器配置为传感器组合参与故障定位，相比现有技术手段更易实现两种测量模态波的精确感知；
（3）根据两种模态波到达同组传感器组合的时间差计算故障点的有效范围，由于两种模态波的传播路径相同，GIL非直管结构对两种模态波造成的时延影响在到达时差计算过程中将相互抵消，进而有效提升了GIL非直管区段的故障定位精度；
（4）所提出的GIL电弧故障定位方法具有通用性，实施较为简单，适用于不同电压等级的GIL。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程示意图；
图2为本发明实施例中多模态混合声波信号中L(0,2)与F(1,1)两种模态波排列次序与幅值分布示意图；
图3为本发明实施例的一种基于阈值设置的时域波形特征点选取方式示意图；
图4为本发明实施例的传感器组合结构及布置方式示意图；
图5为本发明实施例提供的一种GIL壳体轴向方向上的传感器组合阵列布置方式及电弧故障下传感器触发范围示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法的三组圆形轨迹交点定位示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围，本发明实施例中对具体采样参数不作限定，仅为一种具体地实施例。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，包括以下步骤：
步骤S1：进行放电实验获取GIL内部电弧故障时故障点附近的直达声波信号。
本发明实施例中，在GIL放电性故障模拟实验装置上开展放电试验，装置腔体内充斥0.4MPa-0.6MPa表压的SF6气体，电弧故障通过装置腔体内置的故障模拟装置产生，所设置的故障包括尖刺、壳体底部金属微粒、绝缘子表面金属微粒以及绝缘子内部空隙四种类型，将麦克风系统或空气耦合式声发射传感器放置于实验装置内部距离故障模拟装置0.5m距离处，采集电弧故障刚发生时的直达声波信号，采样时长为20ms，采样频率为1MHz。
步骤S2：构建GIL声传输仿真模型，将所述直达声波信号作为激励声源边界条件，以获取沿壳体传播的多模态混合声波信号。
具体地，根据GIL几何尺寸，建立包含相应直线单元与非直管结构的GIL声传输过程三维仿真模型，在模型气体区域与固体区域的交界处设置声振耦合边界条件，在模型两端设置无限长边界条件，将放电试验得到的直达声波波形曲线以插值函数形式加载于模型激励声源边界条件上，开展总仿真时间为20ms、仿真步长为0.5us的声场-结构场双向耦合瞬态有限元仿真，并在模型壳体表面设置探针点，获得无环境及采集设备噪声干扰下GIL电弧故障产生的沿壳体传播的多模态混合声波信号。
步骤S3：基于所述多模态混合声波信号，选取两模态波作为测量模态波并分析幅值特征，以确定传感器量程。
受导波频散与多模态特性的影响，电弧故障下沿GIL壳体传播的声波实际上由多种传播速度不同的模态波组合而成，各模态波以波包的形式存在，按传播速度的快慢依次排列于声波的时域波形中。
本发明实施例中，为了进一步减少计算的成本和难度，采用模态波中最容易获取的L(0,2)与F(1,1)两种模态波作为测试模态波进行说明，在实际操作时也可以选取其它的模态波对进行测量。
在L(0,2)模态波的识别方面，由于电弧故障下沿GIL壳体传播的声波中L(0,2)模态波的传播速度最快，因此位于声波波形最前方的波包即为L(0,2)模态波；在F(1,1)模态波的识别方面，由于电弧故障下GIL壳体最先受到径向激励，该激励方式下F(1,1)模态波的径向振幅最大，因此声波波形中第一个大于L(0,2)模态波包幅值5倍以上的波包即为F(1,1)模态波，其排列次序与幅值分布如图2所示。
根据L(0,2)与F(1,1)两种模态波的幅值特性，选择量程为L(0,2)模态波包峰值1.75~2倍的振动加速度传感器或谐振式声发射传感器A适配该模态波，选择量程为F(1,1)模态波包峰值1.75~2倍的振动加速度传感器或谐振式声发射传感器B适配该模态波，传感器A与传感器B的外形尺寸相同，主要拾取的振动方向均为GIL壳体表面的径向方向。
步骤S4：基于所述仿真模型，绘制所述多模态混合声波信号的能量谱，确定能量谱峰值对应的声波频率f。
步骤S5：基于所述仿真模型，得到GIL壳体的声导波频散曲线。
具体地，绘制真空中无限长圆柱壳波导的群速度频散曲线，并将其作为GIL壳体的声导波频散曲线，圆柱壳波导的内径、外径应与GIL壳体一致。
研究表明，GIL内部的SF6以及外部的空气与壳体之间的声振耦合呈现弱耦合关系，SF6、空气与GIL壳体间的相互作用对沿GIL壳体传播的多模态混合声波信号中各模态的分布情况影响较小，因此可以根据理想情况下圆柱壳波导的群速度频散曲线分析GIL壳体中声导波的传播情况，即将群速度频散曲线作为声导波频散曲线。
步骤S6：基于所述声导波频散曲线，得到所述测量模态波在声波频率f处的波速，即为两种测量模态波在GIL壳体上传播的主导波速。
步骤S7：基于所述传感器量程选取传感器组合，并安装在GIL壳体上，在故障发生时，获取所述传感器组合的响应时间差，并通过所述波速，计算故障点范围，以进行故障定位。
本发明实施例中，传感器组合通过传感器安装座安装于GIL壳体上，传感器安装座的结构如图4所示，所述传感器安装座包括第一传感器10、第二传感器20和传感器支架30，所述传感器支架30的一侧于所述GIL壳体50相贴合，所述传感器支架30上设置有一组通孔，所述第一传感器10和第二传感器20设置于所述通孔中，两台传感器相距20mm，所述传感器支架通过轧带40固定于所述GIL壳体50上。通过传感器安装座与壳体50相贴合，保证第一传感器10和第二传感器20的测量面与GIL壳体表面的充分接触，测量结果更加准确。
具体地，本发明实施例中为了降低孤波、回波等干扰量导致的误触发概率，设定所述传感器的通道阈值、设定计数值、计数时间和锁闭时间。根据L(0,2)与F(1,1)两种模态波的幅值特性设定与之对应的阈值，将适配L(0,2)模态波的传感器A对应通道的阈值设置为L(0,2)模态波峰值的60%，将适配F(1,1)模态波的传感器B对应通道的阈值设置为F(1,1)模态波峰值的60%，将传感器A、B对应通道的计数值均设置为10，计数时间均设置为1ms，锁闭时间均设置为20ms。
阈值设置的时域波形特征点选取方式如图3所示，当声波的幅值超过设定的阈值时，时差测量程序被触发并开始对超过阈值的脉冲包络进行计数，如果计数时间内的计数值达到设定值便选取其中幅值最大的脉冲包络峰值作为定位特征点，同时时差测量程序进入闭锁时间，在该时间段内不再重复触发。
当电弧故障发生时，传感器组合中两台传感器所对应的通道将根据各自设定的阈值分别确定位于L(0,2)模态波包上的定位特征点A以及位于F(1,1)模态波包上的定位特征点B，并根据特征点A、B对应的时刻tA和tB计算两种模态波到达传感器组合的时间差△t=tB-tA。
根据两种测量模态波的主导波速cl与cf以及到达传感器组合的时间差△t确定该传感器组合下故障点的有效范围r，计算公式如下：
；
本发明实施例中，为了进一步保证故障定位结果的唯一性，增强定位的准确性，因此提出了如下的方法，包括以下步骤：
步骤S81：在GIL壳体上安装多组所述传感器组合。
本发明实施中，GIL壳体上的传感器组合阵列按时钟0点、0点、9点、9点的顺序沿GIL壳体轴向方向循环布置，如图5所示。
步骤S82：当故障发生时，选取前n组最短时间差的传感器组合。
具体地，当电弧故障发生时，故障点附近一定范围内的传感器组合均会触发并产生与之对应的时间差△t以及故障点有效范围r，根据时间差△t的输出结果，从所有触发的传感器组合中选出具备最短时间差的n组传感器组合，本发明实施例中选取3组进行说明，标记为n-1、n和n+1。
步骤S83：通过步骤S7的方法计算出n组传感器组合对应的故障点范围。
具体地，如图6所示，将GIL壳体表面沿周向延展为二维平面，分别以传感器组合n-1、n、n+1的中心点为圆心，以其对应的故障点有效范围r1、r2、r3为半径，在该平面上绘制三组圆形轨迹，并根据三组圆形轨迹的交点确定故障点在GIL壳体平面上的位置。
步骤S84：通过n组故障点范围的交点，以进行故障定位。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述的基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，仅表达了本发明的较佳实施例而已，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：进行放电实验获取GIL内部电弧故障时故障点附近的直达声波信号；
步骤S2：构建GIL声传输仿真模型，将所述直达声波信号作为激励声源边界条件，以获取沿壳体传播的多模态混合声波信号；
步骤S3：基于所述多模态混合声波信号，选取两模态波作为测量模态波并分析幅值特征，以确定传感器量程；
步骤S4：基于所述仿真模型，绘制所述多模态混合声波信号的能量谱，确定能量谱峰值对应的声波频率f；
步骤S5：基于所述仿真模型，得到GIL壳体的声导波频散曲线；
步骤S6：基于所述声导波频散曲线，得到所述测量模态波在声波频率f处的波速；
步骤S7：基于所述传感器量程选取传感器组合，并安装在GIL壳体上，在故障发生时，获取所述传感器组合的响应时间差，并通过所述波速，计算故障点范围，以进行故障定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S2中获取沿壳体传播的多模态混合声波信号的方法包括：在所述仿真模型的气体区域与固体区域交界处设置声振耦合边界条件，在仿真模型两端设置无限长边界条件，将所述直达声波信号以插值函数形式作为仿真模型的激励声源边界条件，开展声场-结构场双向耦合瞬态有限元仿真，并在仿真模型壳体表面设置探针点，获得无环境及采集设备噪声干扰下GIL电弧故障产生的沿壳体传播的多模态混合声波信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：所述测量模态波为L(0,2)与F(1,1)两种模态波。
4.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S3中确定传感器量程的方法包括：在所述多模态混合声波信号中确定测量模态波的波包，以获取波包的峰值；设定峰值倍数，将所述峰值倍数与峰值相乘得到传感器的量程。
5.根据权利要求4所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S7中所述传感器包括振动加速度传感器和谐振式声发射传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S7中获取所述传感器的响应时间差的步骤包括：
步骤S71：设定所述传感器的通道阈值、设定计数值、计数时间和锁闭时间；
步骤S72：当声波的幅值超过设定的通道阈值时，时差测量程序被触发并开始对超过通道阈值的脉冲包络进行计数，如果计数时间内的计数值达到设定值便选取其中幅值最大的脉冲包络峰值作为定位特征点，同时时差测量程序进入闭锁时间，在所述闭锁时间内不再重复触发；
步骤S73：当电弧故障发生时，获取定位特征点，并基于定位特征点对应的时刻计算两种所述测量模态波到达传感器组合的时间差Δt。
7.根据权利要求6所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S7中计算故障点的范围r的表达式为：
式中，cf和cl分别表示两种所述测量模态波的波速。
8.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：所述方法还包括以下步骤：
步骤S81：在GIL壳体上安装多组所述传感器组合；
步骤S82：当故障发生时，选取前n组最短时间差的传感器组合；
步骤S83：通过步骤S7的方法计算出n组传感器组合对应的故障点范围；
步骤S84：通过n组故障点范围的交点，以进行故障定位。
9.根据权利要求1所述的一种基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法，其特征在于：步骤S7中所述传感器组合通过传感器安装座安装于GIL壳体上，所述传感器安装座包括第一传感器、第二传感器和传感器支架，所述传感器支架的一侧于所述GIL壳体相贴合，所述传感器支架上设置有一组通孔，所述第一传感器和第二传感器设置于所述通孔中，所述传感器支架通过轧带固定于所述GIL壳体上。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求1至8任一项所述的基于双模态声导波的GIL电弧故障定位方法。
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