CN117232639B - 特高压交流变压器广域声纹采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压交流变压器广域声纹采集装置，包括采集外壳，设在采集外壳内部并与采集外壳外部空间连通的采集腔、设在采集腔内壁上的吸音层、设在采集外壳上的密封圈、设在采集外壳上的光纤声音采集探头、间隔设在采集外壳边缘处的多个粘贴式固定件以及传输光缆，传输光缆的第一端与光纤声音采集探头连接，第二端用于与解调仪连接，光纤声音采集探头的工作端上设有多个按照MxN的矩阵形式排列的F‑P声音采集芯片，M和N均为大于零的自然数。本发明公开的高压交流变压器广域声纹采集装置，通过使用环境屏蔽与光干涉的方式来提高升温采集信号的信噪比，用以给后续的声纹分析提供足够的数据支撑。

Description

特高压交流变压器广域声纹采集装置

技术领域

本发明涉及声纹采集设备技术领域，尤其是涉及一种特高压交流变压器广域声纹采集装置。

背景技术

近年来，经济和工业的发展使得我国对电力的需求不断增大，超高压大电网成为电力发展的新趋势。经过多年运行，变压器发生故障的几率不断增加，存在发生绝缘老化、部件松动等各种故障的风险。作为系统中用于电能转换的电力设备，变压器数量大，运行时间长，因而产生故障的变压器数目也较多。变压器故障不仅更换设备造成经济损失，更换设备电力中断引起的间接经济损失更为巨大。

变压器在典型缺陷状态下通常都伴随着电磁场的变化，进而影响变压器各个设备组件振动、声音的变化。变压器振动及声音的变化包含着很多设备本体的状态信息，可以通过挖掘振动声纹信号中的信息对变压器本体运行状态进行诊断。

对于声纹信号的分析，可以借助于采集器来进行收集，但是特高压交流变压器多用在变压站，使用环境复杂，同时还存在复杂的电磁场干扰，导致采集器得到信号的信噪比偏低，导致在后续的声音分析过程中能够用于分析的声音数据不足。

发明内容

本发明提供一种特高压交流变压器广域声纹采集装置，通过使用环境屏蔽与光干涉的方式来提高升温采集信号的信噪比，用以给后续的声纹分析提供足够的数据支撑。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

本发明提供了一种特高压交流变压器广域声纹采集装置，包括：

采集外壳，内部设有采集腔，采集腔与采集外壳外部的空间连通；

吸音层，设在采集腔的内壁上；

密封圈，设在采集外壳上，采集腔位于密封圈内侧；

光纤声音采集探头，设在采集外壳上，光纤声音采集探头的工作端伸入到采集腔内；

多个粘贴式固定件，间隔设在采集外壳的边缘处；以及

传输光缆，第一端与光纤声音采集探头连接，第二端用于与解调仪连接；

其中，光纤声音采集探头的工作端上设有多个F-P声音采集芯片。

在本发明的一种可能的实现方式中，还包括温度调节模组，温度调节模组包括：

电加热丝，设在采集腔的内壁上；

半导体制冷片，设在采集腔的外壁上；

第一传热导片，设在采集外壳的外壁上且位于采集外壳和半导体制冷片之间；

第二传热导片，设在采集腔的内壁上；

热传递杆，连接第一传热导片与第二传热导片；以及

第一温度传感器，位于采集腔内。

在本发明的一种可能的实现方式中，第一温度传感器位于光纤声音采集探头上。

在本发明的一种可能的实现方式中，光纤声音采集探头包括：

探头外壳，与采集外壳滑动可固定连接；

探针，设在探头外壳上且位于采集腔内；

光纤接头，设在探头外壳内部；以及

采集光纤，第一端与光纤接头连接，第二端伸入到探针内，F-P声音采集芯片位于探针的远端上并与采集光纤连接；

其中，传输光缆与光纤接头连接。

在本发明的一种可能的实现方式中，远离探头外壳的方向上，探针远端的直径趋于增加。

在本发明的一种可能的实现方式中，F-P声音采集芯片分为两组；

第一组F-P声音采集芯片配置为抵接在变压器的外表面上；

第二组F-P声音采集芯片所在平面不平行于第一组F-P声音采集芯片所在平面。

在本发明的一种可能的实现方式中，还包括设在第一组F-P声音采集芯片上的弹性接触层；

还包括压力传感器，压力传感器抵接在弹性接触层上，压力传感器的信号线从探头外壳伸出。

在本发明的一种可能的实现方式中，第二组F-P声音采集芯片围绕第一组F-P声音采集芯片均匀设置且第二组中每一个F-P声音采集芯片的朝向均不相同。

在本发明的一种可能的实现方式中，还包括设在采集腔内的第二温度传感器，第二温度传感器的工作端朝向光纤声音采集探头的工作端所在平面；

第二温度传感器的信号线从探头外壳伸出。

在本发明的一种可能的实现方式中，还包括抵接在弹性接触层的第二温度传感器，第二温度传感器的信号线从探头外壳伸出。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明的特高压交流变压器广域声纹采集装置，使用环境屏蔽方式降低外界声音造成的干扰，同时使用光干涉的数据采集方式来得到更加准确地声波数据，同时借助于两组声波数据的互相验证方式来确定声波数据的来源，这些方式的结合能够高升温采集信号的信噪比，用以给后续的声纹分析提供足够的数据支撑。

附图说明

图1是本发明提供的一种声纹采集装置的结构性示意图。

图2是本发明提供的一种声纹采集装置在工作时的声音传播路径示意图。

图3是本发明提供的一种F-P声音采集芯片在光纤声音采集探头上的分布示意图。

图4是本发明提供的一种温度调节模组的接线方式示意图。

图5是本发明提供的一种光纤声音采集探头的结构性示意图。

图6是本发明提供的一种第二温度传感器的位置示意图。

图中，1、采集外壳，2、光纤声音采集探头，3、粘贴式固定件，4、传输光缆，5、温度调节模组，11、采集腔，12、吸音层，13、密封圈，21、F-P声音采集芯片，22、探头外壳，23、探针，24、光纤接头，25、采集光纤，221、弹性接触层，51、电加热丝，52、半导体制冷片，53、第一传热导片，54、第二传热导片，55、热传递杆，56、第一温度传感器，61、压力传感器，62、第二温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明中的技术方案作进一步详细说明。

本发明公开了一种特高压交流变压器广域声纹采集装置，在一些例子中，广域声纹采集装置包括采集外壳1、光纤声音采集探头2、粘贴式固定件3、传输光缆4、吸音层12和密封圈13。请参阅图1，采集腔11位于采集外壳1内部并与采集外壳1外部的空间连通，采集外壳1的作用是固定安装在特高压交流变压器的外壁上，采集腔11的作用是给光纤声音采集探头2提供一个封闭的工作环境。

采集腔11的内壁上设置有吸音层12，吸音层12的作用是拦截经由空气传递到采集腔11的声音，作用是提高光纤声音采集探头2采集声纹的针对性。

应理解，本发明公开的特高压交流变压器广域声纹采集装置，安装在特高压交流变压器的外壁上，因此其声音来源主要有两个，第一个是来源是特高压交流变压器的内部，第二个来源是特高压交流变压器所在环境，如图2所示，图中箭头表示声音传播。很明显，第二个来源是信噪比中的噪声，因此需要尽可能的第二个来源在得到声纹中的占比，吸音层12的作用就是降低第二个来源在得到声纹中的占比。

同时本发明还在采集外壳1上增加了围绕采集腔11设置的密封圈13，密封圈13能够填充采集外壳1与特高压交流变压器外壁之间的缝隙，用以进一步提高采集腔11的密封性，同样具有降低第二个来源在得到声纹中占比的作用。

采集外壳1的边缘处间隔设有多个粘贴式固定件3，粘贴式固定件3的作用是实现采集外壳1与特高压交流变压器之间的固定连接。

在一些可能的实现方式中，粘贴式固定件3的数量为三个或者四个。

在一些可能的实现方式中，粘贴式固定件3包括固定安装在采集外壳1上的底座、设在底座上的调节螺杆，调节螺杆上安装有螺纹底座。安装时，首先将采集外壳1放置在特高压交流变压器的表面上进行初步位置确定，然后使用胶粘的方式将螺纹底座固定在特高压交流变压器的表面上，接着转动调节螺杆，使采集外壳1紧密贴合在特高压交流变压器的表面上。

采集外壳1上安装有光纤声音采集探头2，光纤声音采集探头2的工作端伸入到采集腔11内，作用是收集采集腔11内的声音。光纤声音采集探头2采集得到的声音通过传输光缆4发送给解调仪进行解析。也就是传输光缆4的第一端与光纤声音采集探头2连接，第二端用于与解调仪连接。

请参阅图3，光纤声音采集探头2的工作端上设有多个F-P声音采集芯片21， F-P声音采集芯片21的作用是将声音信号转化为光信号。使用多个F-P声音采集芯片21的原因是这些F-P声音采集芯片21可以组成矩阵，在采集声音的同时能够对声音的来源进行定位。

应理解，声音本质上是一种波，能够通过介质进行传递，当声波被F-P声音采集芯片21中的F-P腔感知到时，会引发F-P腔的腔长发生变化，此时经由F-P腔返回的信号的相关参数也会发生变化，该变化会被解调仪解析出来。

F-P腔的基本结构是由两面高反射率的镜面组成，均匀平面波沿轴线方向在F-P腔中往返多次传播，当波在腔镜上发生反射时，入射波与反射波将会发生相长干涉，多次往返就会发生多光束干涉。

当F-P腔的长度发生变化时，干涉光束图形也会同步发生变化，通过对干涉光束图形的解析可以得到F-P腔长度的变化速度和变化量，变化速度和变化量在坐标系中可以通过一个波形来显示，该波形就是光纤声音采集探头2采集得到的声纹。

光纤声音采集探头2是通过光来检测声波（震动），能够将声波信号转化为光信号，光信号不会受到电场和磁场的干扰，因此具有很高的准确性。

在一些例子中，请参阅图1，还增加了温度调节模组5，温度调节模组5包括电加热丝51、半导体制冷片52、第一传热导片53、第二传热导片54、热传递杆55和第一温度传感器56。

电加热丝51位于在采集腔11的内壁上，作用是将电能转化为热能，目的是对采集腔11进行升温，半导体制冷片52位于采集腔11的外壁上，通过第一传热导片53、第二传热导片54和热传递杆55对采集腔11进行降温。

第一传热导片53位于设在采集外壳1的外壁上且位于采集外壳1和半导体制冷片52之间，第二传热导片54位于采集腔11的内壁上，热传递杆55位于采集外壳1内，连接第一传热导片53与第二传热导片54。

半导体制冷片52工作时能够使第二传热导片54的温度降低，此时热传递杆55和第一传热导片53的温度会同步降低。

温度调节模组5的作用是将采集腔11的温度控制在一个合适的范围内，因为光纤声音采集探头2的采集精度直接受到温度影响，温度过高或者过低均会导致光纤声音采集探头2得到的声纹数据不准确。

第一温度传感器56位于采集腔11内，作用是得到采集腔11的实际温度，给电加热丝51或者半导体制冷片52的工作提供数据参考。

在一些可能的实现方式中，电加热丝51的控制线、半导体制冷片52的控制线和第一温度传感器56的信号线集成在一根线缆中，如图4所示。

在一些可能的实现方式中，第一温度传感器56位于光纤声音采集探头2上，这样可以得到更加准确的温度数据，因为此时第一温度传感器56与光纤声音采集探头2之间的距离更近。

在一些例子中，请参阅图5，光纤声音采集探头2 包括F-P声音采集芯片21、探头外壳22、探针23、光纤接头24和采集光纤25，F-P声音采集芯片21、探针23、光纤接头24和光纤接头24均位于探头外壳22内。

探头外壳22与采集外壳1滑动可固定连接，例如探头外壳22可以直接插入到采集外壳1上的孔内，同时探头外壳22上还安装有调节螺丝，调节螺丝与采集外壳1螺纹连接，能够调整探头外壳22的插入深度或者说伸入长度。

采集光纤25的第一端与光纤接头24连接，第二端伸入到探针23内，F-P声音采集芯片21位于探针23的远端上并与采集光纤25连接。探针23的远端指的是探针23上远离光纤接头24的一端。探针23的作用是保护采集光纤25。

传输光缆4与光纤接头24连接，作用是通过光纤接头24和采集光纤25向F-P声音采集芯片21输入信号和得到F-P声音采集芯片21的输出信号。

在一些例子中，远离探头外壳22的方向上，探针23远端的直径趋于增加，目的是提高收声率。

在一些例子中，F-P声音采集芯片21分为两组，第一组F-P声音采集芯片21配置为抵接在变压器的外表面上；第二组F-P声音采集芯片21所在平面不平行于第一组F-P声音采集芯片21所在平面。

在一些可能的实现方式中，一组F-P声音采集芯片21集成在一块基板上，基板直接使用粘贴或者螺栓固定的方式安装在探针23上。

第一组F-P声音采集芯片21的作用是采集特高压交流变压器内部的声音，第二组F-P声音采集芯片21的作用是采集传递到采集腔11内的声音，因为第一组F-P声音采集芯片21采用的是接触式的声音传递方式，而第二组F-P声音采集芯片21采用的是非接触的声音传递方式。

两组F-P声音采集芯片21收到的声音部分相同，因为存在一定的概率，外部的环境噪声还会传递到采集腔11内。通过对第一组F-P声音采集芯片21采集得到的声纹和第二组F-P声音采集芯片21采集得到的声纹的对比，可以对特高压交流变压器内部产生的声音进行甄别。

具体的原理是：对于同一个声音，当其通过不同的路径分别被第一组F-P声音采集芯片21和第二组F-P声音采集芯片21检测到后，存在波形类似的情况，波形类似指的是两个波形的形状基本吻合但是各个对应处幅值的差值基本上保持一致。因此对于第一组F-P声音采集芯片21采集得到的声纹和第二组F-P声音采集芯片21采集得到的声纹，通过解析后对比的方式，能够发现波形类似的波形，对于这类波形，可以确定是特高压交流变压器内部的声音。

进一步地，请参阅图3和图5，在第一组F-P声音采集芯片21上增加了弹性接触层221并同时增加了压力传感器61，压力传感器61抵接在弹性接触层221上，压力传感器61的作用是感知弹性接触层221与特高压交流变压器外壁之间的压力，目的是保证第一组F-P声音采集芯片21与特高压交流变压器外壁之间的接触压力。

通过对接触压力的调整，可以使第一组F-P声音采集芯片21与特高压交流变压器外壁之间以合适的压力接触，用以采集到更高质量的声纹。压力传感器61的信号线从探头外壳22伸出。

在一些例子中，第二组F-P声音采集芯片21围绕第一组F-P声音采集芯片21均匀设置且第二组中每一个F-P声音采集芯片21的朝向均不相同，目的是提高光纤声音采集探头2的覆盖范围。

在一些可能的实现方式中，第一组F-P声音采集芯片21的数量为一组，第二组F-P声音采集芯片21的数量为三组或者四组。

在一些例子中，请参阅图6，增加了设在采集腔11内的第二温度传感器62，例如可以安装在探针23的外壁上。第二温度传感器62的工作端朝向光纤声音采集探头2的工作端所在平面。第二温度传感器62的作用是采集光纤声音采集探头2的工作端的实际工作温度。

结合前述内容可以知道，第一温度传感器56和第二温度传感器62能够分别采集光纤声音采集探头2的所在环境温度和实际工作温度，在实际的工作情况中，这两个温度数值难以保持一致，因为温度调节模组5的温度调节能力对采集外壳1所在特高压交流变压器区域的温度调节能力有限。

因此在温度调节模组5启用的工作过程中，大多是将采集腔11内部的温度调整为与特高压交流变压器表面温度一致，第一温度传感器56和第二温度传感器62配合，能够实现上述温度调整功能。

但是还要考虑到温度调整的滞后性，因此需要借助第二温度传感器62来得到光纤声音采集探头2的工作端的实际工作温度，然后来根据该温度来选择合适的校正参数。校正参数表征F-P声音采集芯片21在不同温度下的内部腔体长度变化情况，目的是得到更高的声纹采集精度。第二温度传感器62的信号线从探头外壳22伸出。

在一些可能的实现方式中，请参阅图3，第二温度传感器62直接集成在光纤声音采集探头2内部并且第二温度传感器62抵接在弹性接触层221上。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，包括：

采集外壳（1），内部设有采集腔（11），采集腔（11）与采集外壳（1）外部的空间连通；

吸音层（12），设在采集腔（11）的内壁上；

密封圈（13），设在采集外壳（1）上，采集腔（11）位于密封圈（13）内侧；

光纤声音采集探头（2），设在采集外壳（1）上，光纤声音采集探头（2）的工作端伸入到采集腔（11）内，光纤声音采集探头（2）的工作端上设有多个F-P声音采集芯片（21）；

多个粘贴式固定件（3），间隔设在采集外壳（1）的边缘处；以及

传输光缆（4），第一端与光纤声音采集探头（2）连接，第二端用于与解调仪连接；

光纤声音采集探头（2）包括：

探头外壳（22），与采集外壳（1）滑动可固定连接；

探针（23），设在探头外壳（22）上且位于采集腔（11）内；

光纤接头（24），设在探头外壳（22）内部，传输光缆（4）与光纤接头（24）连接；以及

采集光纤（25），第一端与光纤接头（24）连接，第二端伸入到探针（23）内，F-P声音采集芯片（21）位于探针（23）的远端上并与采集光纤（25）连接；

远离探头外壳（22）的方向上，探针（23）远端的直径趋于增加；

F-P声音采集芯片（21）分为两组；

第一组F-P声音采集芯片（21）配置为抵接在变压器的外表面上；

第二组F-P声音采集芯片（21）所在平面不平行于第一组F-P声音采集芯片（21）所在平面。

2.根据权利要求1所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，还包括温度调节模组（5），温度调节模组（5）包括：

电加热丝（51），设在采集腔（11）的内壁上；

半导体制冷片（52），设在采集腔（11）的外壁上；

第一传热导片（53），设在采集外壳（1）的外壁上且位于采集外壳（1）和半导体制冷片（52）之间；

第二传热导片（54），设在采集腔（11）的内壁上；

热传递杆（55），连接第一传热导片（53）与第二传热导片（54）；以及

第一温度传感器（56），位于采集腔（11）内。

3.根据权利要求2所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，第一温度传感器（56）位于光纤声音采集探头（2）上。

4.根据权利要求1所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，还包括设在第一组F-P声音采集芯片（21）上的弹性接触层（221）；

还包括压力传感器（61），压力传感器（61）抵接在弹性接触层（221）上，压力传感器（61）的信号线从探头外壳（22）伸出。

5.根据权利要求1所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，第二组F-P声音采集芯片（21）围绕第一组F-P声音采集芯片（21）均匀设置且第二组中每一个F-P声音采集芯片（21）的朝向均不相同。

6.根据权利要求1所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，还包括设在采集腔（11）内的第二温度传感器（62），第二温度传感器（62）的工作端朝向光纤声音采集探头（2）的工作端所在平面；

第二温度传感器（62）的信号线从探头外壳（22）伸出。

7.根据权利要求1所述的特高压交流变压器广域声纹采集装置，其特征在于，还包括抵接在弹性接触层（221）的第二温度传感器（62），第二温度传感器（62）的信号线从探头外壳（22）伸出。