一种高压开关设备振动异响监测方法及系统与流程

1.本发明涉及一种高压开关设备振动异响监测方法及系统，属于高压开关设备状态监测与评估领域。


背景技术：

2.高压开关设备作为电力系统重要的元件，其设备可靠性对电力系统运行有至关重要的影响。高压开关设备的振动噪声水平反映了产品的基本运行状态，也直接影响了人们对产品质量的判断。因此，对异常振动噪声的研究，对振动噪声的原因进行实时分析，不仅能实时监测高压开关设备状态，还能保证电网系统安全，对高压开关设备的安全性有重要意义。
3.目前对于高压开关设备振动的分析主要是对振动信号的分析，例如申请号为cn201910293730.8的中国专利中，通过采集振动信号，对振动信号进行分析处理得到振动信号频谱，然后将振动信号频谱与正常振动时的信号频谱进行对比判定是否为结构不合理设计缺陷。该方法虽然能够通过振动信号对异常噪声进行分析，但是振动噪声的产生原因可能是电压中的频率存在倍频，也可能是高压开关设备本身出现非线性振动，仅从振动噪声信号特征进行分析，并不能确定高压开关设备是否发生异常，对判定的结果有一定的影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高压开关设备振动异响监测方法及系统，以解决目前高压开关设备振动异响监测过程中由于检测的信号单一导致监测结果存在误差的问题。
5.本发明为解决上述技术问题而提供一种高压开关设备振动异响监测方法，该技术方法包括以下步骤：
6.1)获取高压开关设备的振动信号、所在环境的噪声信号和高压导体的电压信号；
7.2)对得到的振动信号、噪声信号和电压信号时频变换，获得各信号的频率特征；
8.3)通过各信号的频率特征获得各信号的典型频率，将振动信号的频率特征与噪声信号的频率特征进行对比，若振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的频率范围内时，则振动异响在高压开关设备的内部，反之，振动异响在高压开关设备外部，所述典型频率指的是所在信号中幅值较高的频率；
9.4)当振动异响在高压开关设备内部时，根据电压信号的频率特征获取电场力的频率特征，将振动信号的频率特征与电场力频率特征进行对比，若电场力信号的典型频率包括了振动信号的典型频率，则振动异响是因为系统电压造成的，反之，振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的。
10.本发明首先通过传感器获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，然后对信号进行频谱分析，得到信号的频率特征，最后通过对比三种信号的频率特征，对振动异响进行定义与识别。本发明实现了对高压开关设备的量化分析，对振动异响的量化分析，
对振动噪声信号、电压信号的频域特征提取，结合振动噪声信号，对振动异响的类型进行定义与识别，判断高压开关设备本身是否存在结构故障，不仅能实时监测高压开关设备状态，还能保证电网系统的安全。
11.进一步地，所述步骤1)的振动信号是通过在高压开关筒体表面设置振动加速度传感器获得的。
12.进一步地，所述步骤1)的噪声信号是通过在高压开关设备所在环境空气中设置声学传感器获得的。
13.在高压开关设备筒体表面测量振动加速度信号，在外部环境空气域测量噪声信号，将设备表面振动和环境中的噪声进行联合测量，可以实现振动信号、噪声信号的对比研究。
14.进一步地，所述步骤1)的电压信号是通过在高压开关壳体内设置电压传感器获得的。
15.本发明在高压开关筒体嵌入传感器，监测中心导体相对筒体地电位的电压波形，能够获得振动激励源的真实信号。
16.进一步地，所述步骤2)的时频变换采用的是快速傅立叶变换。
17.快速傅里叶分析可以在较短的时间内处理大量的数据，能够快速准确的获得信号的频率特征。
18.进一步地，所述步骤4)在确定电场力频率特征时，根据电压信号中存在的频率成分个数来分别确定。
19.电压信号的频率与电场力的频率具有确定的关系，通过电场力的频率特征可以判断是否是电力系统中的高谐波引起的振动。
20.本发明还提供了一种高压开关设备振动异响监测系统，包括信号采集模块和信号处理模块，其特征在于，信号采集模块用于获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，信号处理模块用于对采集到的信号进行分析对比，当振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的典型频率范围内时，判断振动异响在高压开关设备内部，反之则判断振动异响在高压开关设备外部；当振动异响在高压开关设备内部时，再对比电场力的频率特征与振动信号的频率特征，若电场力信号的典型频率包括了振动信号的典型频率，则判断振动异响是因为系统电压造成的，反之则判断振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的，典型频率指的是所在信号中幅值较高的频率。
21.本发明首先通过传感器获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，然后对信号进行频谱分析，得到信号的频率特征，最后通过对比三种信号的频率特征，对振动异响进行定义与识别。本发明实现了对高压开关设备的量化分析，对振动异响的量化分析，对振动噪声信号、电压信号的频域特征提取，结合振动噪声信号，对振动异响的类型进行定义与识别，判断高压开关设备本身是否存在结构故障，不仅能实时监测高压开关设备状态，还能保证电网系统的安全。
22.进一步地，所述的时频变换采用的是快速傅立叶变换。
23.快速傅里叶分析可以在较短的时间内处理大量的数据，能够快速准确的获得信号的频率特征。
24.进一步地，所述的电场力的频率特征是根据电压信号的频率特征通过公式计算获得的。
25.电压信号的频率与电场力的频率具有确定的关系，通过电场力的频率特征可以判断是否是电力系统中的高谐波引起的振动。
26.进一步地，所述的信号采集模块包括振动加速度传感器、声学传感器和电压传感器，振动加速度传感器用来获取高压开关设备的振动信号，声学传感器用来获取高压开关设备所在环境的噪声信号，电压传感器用来获取高压开关壳体内的电压信号。
27.本发明在高压开关筒体嵌入传感器，监测中心导体相对筒体地电位的电压波形，能够获得振动激励源的真实信号。
附图说明
28.图1是本发明高压开关设备振动异响监测系统图；
29.图2是本发明高压开关设备振动异响采集分析判断逻辑图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
31.高压开关设备振动异响监测系统的实施例
32.本发明由信号采集模块和信号处理模块构成，首先信号采集模块用来获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，然后信号处理模块对采集到的信号进行频谱分析获得信号的频率特征，最后对信号的频率特征进行对比分析；当振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的典型频率范围内时，判断振动异响在高压开关设备内部，反之则判断振动异响在高压开关设备外部；当振动异响在高压开关设备内部时，再对比电场力的频率特征与振动信号的频率特征，若电场力的典型频率包含振动信号的典型频率，则判断振动异响是因为系统电压造成的，反之则判断振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的。下面结合具体的实例来进行说明。
33.高压开关设备的振动与噪声问题，是同一个问题的两个表现物理量，噪声是设备振动向空气辐射振动波的结果。本实施例中在高压开关设备筒体表面测量振动加速度信号，在外部环境空气域测量噪声信号，将设备表面振动和环境中的噪声进行联合测量，对振动信号和噪声信号进行对比研究。
34.高压开关的中心导体与筒体间具有电容属性，电容两侧的极板受电荷间库伦力作用，产生机械变形，中心导体对地电压的周期变化，导致周期振动的出现。本实施例中在高压开关筒体嵌入传感器，监测中心导体相对筒体地电位的电压波形，从而获得振动激励源的真实信号。
35.具体而言，高压开关设备振动异响监测系统如图1所示，信号采集模块包括振动加速度传感器s1、声学传感器s2和电压传感器s3，其中振动加速度传感器s1用于设置在高压开关筒体表面获得振动加速度信号，声学传感器s2用于设置在环境空气中获得空气中的噪声信号，电压传感器s3用于设置在高压开关壳体内部，高压导体构成电容的两个极板，电容间存在泄漏电流，传感器将泄漏电流与定值电阻进行积分运算，产生一个电压信号，此信号为传感器的输出信号。
36.信号处理模块用于对得到信号进行时频变换，本实施例采用快速傅里叶变换，也可以采用其他变换方法，例如傅立叶变换等。信号处理模块对变换得到的信号进行频谱分析，分析三个传感器信号的频率特征，然后进行对比分析。首先从噪声信号和振动信号中选用幅值较高的频率作为各信号的典型频率，当噪声信号的典型频率与振动信号的典型频率一致，即噪声信号中幅值较高的频率与振动信号中幅值较高的频率相同或接近，或者噪声信号中的典型频率都在振动信号中有体现，即噪声中的频率成分少于振动的频率成分，或噪声中的频率成分等于振动的频率成分，则说明噪声由产品振动辐射而来，例如噪声信号有中一个典型频率为30hz，对应的振动信号的频率范围为40-100hz，则此噪声信号典型频率在振动信号中没有体现，那么判断噪声是由高压开关壳体辐射到环境中，也就是高压开关本身的振动导致了噪声；当噪声信号的典型频率与振动信号的典型频率不一致时，判断振动异响在高压开关设备的外部。
37.系统电压产生电场力，电场力造成高压导体与壳体的相对运动，电压信号的频率与电场力的频率具有确定的关系，如果电压是单一频率信号，则电动力频率是电压频率的2倍，如果电压包含多个频率，那么电动力的频率要更丰富、更复杂，可以通过公式计算获得。
38.在确定电场力频率特征时，根据电压信号中存在的频率成分个数来分别确定。当电压存在一种频率成分时，电容板间的振动力计算公式为：
[0039][0040]
式中f——电场力，ε——介电常数，u——电压，d——电极间距离；
[0041]
从上式可知，电容极板间静电力是电源频率的2倍。
[0042]
当电压存在两种频率成分时,电容板间的振动力如下式所示：
[0043][0044]
式中k——通用系数；
[0045]
当电压存在三种频率成分时,电容板间的振动力如下式所示：
[0046][0047]
电源中不同频率成分相互叠加，会形成多种频率成分的振动力,存在多种频率成分时，电容板间振动力的计算以此类推即可。
[0048]
当噪声信号的典型频率与振动信号的典型频率一致时，再对比振动信号的频率特征与电场力的频率特征。若电场力的典型频率包含振动信号的典型频率，即振动信号中的幅值较高的频率在对应的电场力信号中的频率也是高幅值，则判断是电力系统中的高频谐波引起了壳体的振动，反之，若振动信号的典型频率比较多，电场力的典型频率无法全部包含，则判断振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的，该监测系统的判断逻辑如图2所示。
[0049]
高压开关设备振动异响监测方法的实施例
[0050]
本发明首先通过传感器获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，然后对获取到的信号进行频谱分析，得到三种信号的频率特征，最后将三种信号进行对比分析。将振动信号的频率特征与噪声信号的频率特征进行对比，当振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的典型频率范围内时，判断振动异响在高压开关设备内部，反之则判断振动异响在高压开关设备外部；当振动异响在高压开关设备内部时，根据电压信号的频率获取电场力的频率，再对比电场力的频率特征与振动信号的频率特征，若电场力的典型频率包含振动信号的典型频率，则振动异响是因为系统电压造成的；反之，振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的。该方法的具体实现方式已在高压开关设备振动异响采集分析系统的实施例中进行详细说明，这里不再赘述。

技术特征：
1.一种高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取高压开关设备的振动信号、所在环境的噪声信号和高压导体的电压信号；2)对得到的振动信号、噪声信号和电压信号时频变换，获得各信号的频率特征；3)通过各信号的频率特征获得各信号的典型频率，将振动信号的频率特征与噪声信号的频率特征进行对比，若振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的频率范围内时，则振动异响在高压开关设备的内部，反之，振动异响在高压开关设备外部，所述典型频率指的是所在信号中幅值较高的频率；4)当振动异响在高压开关设备内部时，根据电压信号的频率特征获取电场力的频率特征，将振动信号的频率特征与电场力频率特征进行对比，若电场力信号的典型频率包括了振动信号的典型频率，则振动异响是因为系统电压造成的，反之，振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的。2.根据权利要求1所述的高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，所述步骤1)的振动信号是通过在高压开关筒体表面设置振动加速度传感器获得的。3.根据权利要求1所述的高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，所述步骤1)的噪声信号是通过在高压开关设备所在环境空气中设置声学传感器获得的。4.根据权利要求1所述的高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，所述步骤1)的电压信号是通过在高压开关壳体内设置电压传感器获得的。5.根据权利要求1-4中任一项所述的高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，时频变换采用的是快速傅立叶变换。6.根据权利要求1所述的高压开关设备振动异响监测方法，其特征在于，所述步骤4)在确定电场力频率特征时，根据电压信号中存在的频率成分个数来分别确定。7.一种高压开关设备振动异响监测系统，包括信号采集模块和信号处理模块，其特征在于，信号采集模块用于获取高压开关设备的振动信号、噪声信号和电压信号，信号处理模块用于对采集到的信号进行分析对比，当振动信号的典型频率与噪声信号的典型频率一致或者噪声信号的典型频率都在振动信号的典型频率范围内时，判断振动异响在高压开关设备内部，反之则判断振动异响在高压开关设备外部；当振动异响在高压开关设备内部时，再对比电场力的频率特征与振动信号的频率特征，若电场力信号的典型频率包括了振动信号的典型频率，则判断振动异响是因为系统电压造成的，反之则判断振动异响是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的，典型频率指的是所在信号中幅值较高的频率。8.根据权利要求7所述的高压开关设备振动异响监测系统，其特征在于，时频变换采用的是快速傅立叶变换。9.根据权利要求7所述的高压开关设备振动异响监测系统，其特征在于，所述的电场力的频率特征是根据电压信号的频率特征通过公式计算获得的。10.根据权利要求7所述的高压开关设备振动异响监测系统，其特征在于，信号采集模块包括振动加速度传感器、声学传感器和电压传感器，振动加速度传感器用来获取高压开关设备的振动信号，声学传感器用来获取高压开关设备所在环境的噪声信号，电压传感器用来获取高压开关壳体内的电压信号。

技术总结
本发明涉及一种高压开关设备振动异响监测方法及系统，属于高压开关设备状态监测与评估领域。本发明首先获取高压开关设备的振动、噪声和电压信号，然后对信号进行分析得到频率特征，最后将三种信号进行对比分析，当噪声信号的频率特征包含振动信号的频率特征时，判断振动异响在高压开关设备内部，反之则判断振动异响在高压开关设备外部；当振动异响在高压开关设备内部时，再对比电场力的频率特征与振动信号的频率特征，判断振动异响是因为系统电压造成还是因为高压开关设备本身存在缺陷造成的。本发明结合振动噪声和电压信号，判断高压开关设备本身是否存在结构故障，不仅能实时监测高压开关设备状态，还能保证电网系统的安全。全。全。


技术研发人员：冷龙茂 杜迎乾 薛红涛 郭明钦 王之军 姚永其 王晓磊 张志鹏 刘超峰 王海燕 陈婷婷 包伟 赵冰
受保护的技术使用者：平高集团有限公司
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/9/23