用于确定容器中的空气比例的方法与流程

本发明一般性地涉及电气设备，例如断路器、分离器、自动开关或重合闸，并尤其涉及内部存在诸如sf6之类的绝缘气体的、用于高压电网的电气设备。在本文档中，术语“高压”包含电压高于或等于1000v的电网。

背景技术：

出于安全原因，某些电气设备的功能在于根据由标准规定的条件来建立或中断电路中的电流。通过高压自动开关切断电流是通过使得处于绝缘环境或气体中的接触件分离而实现的。在使得电气设备的接触件分离之后，期望避免电流穿过建立于这些接触件之间的电弧而继续在电路中流通。

一定数量的高压电气设备将电接触件布置在绝缘气体、即具有良好的电绝缘特性并优选地还具有电断路特性的气体中。在本文档的下文中将称这样的气体为“绝缘气体”。

特别地，已知将电气设备的接触件容置在充装有受压绝缘气体、例如sf6的密封容器中。sf6是一种优点尤其在于在存在电弧的情况下具有大的介电强度和高度的稳定性的气体。

例如变电器的其它电气设备也出于其电绝缘特性而使用处于容器中的这样的绝缘气体。

目前使用大量该类型的电气设备。在容器泄漏的情况下，绝缘气体逐渐地逃逸，这由于sf6是温室效应气体而构成环境风险。而且，其来自与电弧相互作用的分解产物具有一定毒性。此外，当容器内部的气体压强变得与大气压同等时，绝缘气体逐渐被环境空气代替。由此，电气设备可能会处于这样的情况中：在该情况中，电气设备不能够中断电弧，因此不能够以令人满意的方式确保其断路功能。在这样的状况下，电弧的维持可能会导致电气设备起火。

为了确定电气设备是否仍是正常工作的，至关重要之处在于获悉仍存储在电气设备的容器内部的绝缘气体量。这样的获悉例如对于使得能够技术员实现断路并得到能够在电气设备处无风险地干预的保障是至关重要的。

已知的用于估计电气设备的容器中的绝缘气体量的解决方案基于提取容器中的气体，然后通过质谱仪来分析。这样的解决方案由此要求打开容器，引起对于其密封性的风险和对于产生新的泄漏的风险。这样的提取要求预先使得电气设备与网络隔离，这妨碍工作连续性。这样的提取还要求通过质谱仪来分析，在某些地域或某些环境中不一定有可用的质谱仪。这样的解决方案因此在已经部署了的电气设备上实施起来是相对棘手的。

另一普遍的用于获悉绝缘气体量的解决方案在于永久性地或偶尔地布置气压计或密度计。这些传感器的缺陷在于，它们的安装是一个泄漏风险来源，由于该原因，没有广泛安装这些传感器。

文献wo2011119335描述了一种用于确定液体存储容器中的气体体积比例的方法。该文献要求将传感器浸没在罐的液体中。这样的方法的前提是使得能够传感器能够与外部通讯。这样的传感器也不适于升级已存在的罐：实际上，必须停止并打开罐，这是复杂的操作。此外，不保证无论罐的类型如何都能安装这样的传感器。在存在强电场的情况下，传感器可能会不适于电气设备罐。在存在于罐中的传感器故障的情况下，可能会不能够通达传感器以确保使其重新工作。此外，该方法不适于确定存储容器中的两种不同气体分别的比例。

技术实现要素：

本发明旨在解决这些缺陷中的一个或多个。尤其存在对这样的用于确定电气安全设备的容器中的绝缘气体比例的设备的需求：能够用简单的仪器在困难的环境中实施该设备，并且该实施是非侵入式的。本发明由此涉及如权利要求1所限定的用于确定容器中的空气比例的方法。

本发明还涉及附属权利要求的变型。本领域技术人员会理解，附属权利要求的每个特征可独立地与独立权利要求的特征组合，而不因此构成中位概括。

附图说明

本发明的其它特征和优点从以下参照附图对本发明的示意性且绝无限制的说明中将变得显而易见，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的用于确定空气比例的设备和容器的示意图；

-图2示出响应于冲击的声音信号测量值和该信号的对于实施根据本发明的第一实施方式的方法的时频谱；

-图3示出对于根据该第一实施方式的确定方法的图2的频谱的特定区域；

-图4示出测得的声音信号频谱的一个具体部分；

-图5至8示出对于容器内部的不同构成的参考频谱；

-图9至12示出在一个具体情况下对于多次冲击实现的时频谱与参考时频谱之间的二维相关性结果；

-图13示出测得的声音信号为了实施根据第二实施方式的确定方法的功率谱分解的一个示例；

-图14示出对于第一容器设计的不同参考示例的作为频率的函数的声功率和；

-图15示出对于第二容器设计的不同参考示例的作为频率的函数的声功率和；

-图16示出对于另一容器设计的不同参考示例的作为频率的函数的声功率和；

-图17示出从图16的图外推出的、作为频率的函数的作为测得声功率和的函数的电介质气体比例图。

具体实施方式

图1是设有密封容器40和根据本发明的一个实施例的用于确定空气比例的设备的电气设备4的示意图。

电气设备4例如是电分离器，本发明当然适用于其它类型的设备，例如电气变压器、自动开关或断路器。容器40可包含例如承受高压的电气构件(未示出)。在本应用中，为了避免维持电弧，容器40充装有绝缘气体41。绝缘气体41围绕电气设备4的电气构件。绝缘气体41相对于大气压在容器40中维持过压。容器40旨在以密封的方式保持绝缘气体41，一方面为了避免该绝缘气体41向外泄漏，另一方面为了避免异物气体进入容器40中，这会不利于设备4的电保护质量。

容器40具有例如通过焊接402固定到容器40的骨架403的柔性壁401。焊接402也可用于保证容器40内部的密封。这样的柔性壁401使得能够例如在设备4组装期间在将该壁401固定到骨架403之前通达容器40内部。对于存在于容器40中的绝缘气体41，壁401形成密封膜。当焊接402处于壁401的整个周边上时，壁401可视为是在其整个周边上与容器40的骨架403嵌在一起的膜。

壁401的柔性特性一般不是电气设备4的功能性特征，但在下文中将利用该特性来确定容器40内部的空气比例。柔性壁401通常由金属制成，尤其是由不锈钢制成。柔性壁401也可由其它材料制成，例如但非限制性地由环氧树脂或聚氨酯树脂制成，其可能地由纤维增强。

本发明旨在使得能够确定存在于容器40中的气体中的空气比例，尤其是用于确定绝缘气体41的比例是否仍足以具有电气设备4保护功能。绝缘气体41的介电强度比空气的更大，通常至少是空气的2倍。绝缘气体41可例如是sf6，其介电强度是空气的2.5倍。在本发明的范围中，可考虑代替sf6的其它绝缘气体，例如氢氟丙烯hfo1234ze，与co2混合的c5含氟酮，和与co2混合的c4氟腈。

用于确定容器40中的空气比例的设备在此包括：

-旨在在柔性壁401上施加冲击的工具3，例如敲打件；

-布置在柔性壁401附近以测量工具3在该柔性壁401上的冲击时的声音信号的麦克风2；

-处理设备1，该处理设备配置为回收并处理麦克风2测得的声音信号。处理设备1包括例如处理电路11和数据库12。

一般性地，本发明提出在柔性壁401上(或在可通达并可使得该壁401振动的其它任何部分上，例如罐的上部金属板上)施加冲击并在容器40外部测量施加该冲击之后的声音信号。由此能够以没有对于操作员的风险、没有改变容器40的密封的完好性、并且麦克风2无需抵抗电气设备4的内部运作状况的方式，实现该声音信号测量。由此可使用相当常用的麦克风2来实现对声音信号的测量。这样的对声音信号的测量也可在维持电气设备4工作的同时来实现。麦克风2由此测量施加冲击之后在电气设备4附近的声音信号。

处理设备1(通过其处理电路11)回收由麦克风2测得的声音信号。处理设备1然后识别测得的声音信号中的冲击的时刻。可例如考虑将麦克风2和处理设备1集成在诸如智能手机之类的移动电话中，这由此使得能够非常简单地实施本发明。

处理设备1然后将在识别的冲击之后的时期中的声音信号与(存储在数据库12中的)对应于具有空气和同一绝缘气体41的预定比例的气态混合物的参考声音信号比较。根据本发明，测得的声音信号的比较可包含一个或多个处理或滤波步骤，以将经过处理或滤波的信号与参考声音信号比较。

由于柔性壁401的共振频率随包含绝缘气体41的气态混合物中的空气比例变化，本发明利用柔性壁401在冲击之后的振动。例如，对于厚度为1mm并呈1.2mx0.7m的矩形的不锈钢壁401，壁401的共振频率大约是30hz。

当将测得的声音信号与参考声音信号比较具有足够的相似度时，处理设备1确定容器40中的气态混合物具有预定的空气和绝缘气体41比例。这样的确定可由此以提供几乎实时的结果的方式来实现。

容器40形成具有高通滤波的音箱。假设容器具有1.2mx0.7mx0.3m的内部维度，高通滤波截止频率大约是50hz。

绝缘气体41影响壁401对施加给该壁的冲击的响应。例如，气体sf6的摩尔质量大约是空气的5倍。该气体的摩尔质量越高，绝缘气体41的移动就越困难，在低频率下就越加被缓冲。

壁401对冲击的声音响应因此受到容器40中绝缘气体41和空气各自的比例影响。

本发明的第一实施方式旨在保证对气态混合物的比例的确定对于施加在壁401上的冲击的类型和幅度的低敏感性。另外，使用由具有从160至200hv的维氏硬度、从hrb75至hrb80的hrb(洛氏硬度等级)和/或具有从190至330mpa、优选地从200至330mpa的弹性模量(例如硬度为hrb79的aisi304l(或x2crni18-09))的不锈钢制成的壁401，第一实施方式特别精确。

图2示出：

-在上部部分：响应多次相继冲击的测得的声音信号的幅度；

-在下部部分：该测得的信号的时频谱。频谱的点处的灰度值示出在给定时刻对于给定频率的幅度。

虚线对应于给壁401施加冲击的时刻。

图3更精确地标出测得的声音信号的时频谱中的多个区域。本发明人已观察到，在冲击之后，在立即在冲击之后的第一时长期间，时频谱相当取决于冲击的特性，尤其是其幅度。

相反地，本发明人观察到，在一定时长之后，测得的声音信号的时频谱相对不大受冲击的特性影响。工具3的特性对于结果的质量具有相当小的影响。本发明人还观察到，在该时长之后获得的时频谱非常表征空气和绝缘气体41的混合物中的空气比例。

工具3在此是人工致动的敲打件。工具3也可是例如固定在容器40上以便能够以小的偏差施加冲击的自动化工具。

本发明人还确定了在所研究的示例中，最表征壁401根据混合物中的空气比例的响应的频率范围是从30到300hz。

由此，根据本发明的第一实施方式，在测得的信号中识别对应于冲击的时刻。可例如基于测得的信号的峰值来识别冲击的时刻。

一旦测得冲击时刻，测得的声音信号的比较包括：

-生成自识别的冲击时刻之后的预定时长起的声音信号的时频谱；

-将所生成的时频谱与对于相同容器40几何形状的对应于具有预定的空气和绝缘气体41比例的气态混合物的声音信号的参考时频谱模型比较。参考时频谱对应于自冲击时刻之后的同一预定时长起的参考声音信号。

如果在一参考频谱与基于所生成的声音信号生成的频谱之间存在足够的相似度，则确定容器中的气态混合物具有对应于该参考频谱的空气和绝缘气体41预定比例。

对于图3示出的实用示例，对于对应于虚线围绕的矩形的不同冲击生成时频谱。时频谱由此是对于冲击在从30至300hz的频率范围生成的。有利地，时频谱是在包含至少从40至150hz的范围的频率范围上生成的。有利地，根据容器40的构型，频谱可在从30至1000hz的频率范围上实现。优选地，时频谱是带有低通滤波地生成的，截止频率为1000hz。时频谱还对于冲击在该冲击之后的160至360ms的时期上生成。在图4中示出相对应的时频谱。有利地，自其开始实现时频谱的冲击后的预定时长至少等于100ms，优选地至少等于130ms。有利地，自其开始实现时频谱的冲击后的预定时长最多是250ms，以限制分析时长。然而，测试显示出关于气体构成的显著信息包含在7至8秒的时长的声音信号中。

图5至8示出空气和绝缘气体41的混合物的不同构成的相对应的参考时频谱。

图5由此对应于当容器40包含100％由sf6组成的气体时的参考时频谱。图6由此对应于当容器40包含包括85％的sf6和15％的空气的气体时的参考时频谱。图7由此对应于当容器40包含包括70％的sf6和30％的空气的气体时的参考时频谱。图8由此对应于当容器40包含包括58％的sf6和42％的空气的气体时的参考时频谱。

为了使得所述用于确定气态混合物中的空气比例的方法是可靠的，可增加对其测量声音信号的冲击次数，以便能够去除可能会受误差影响的冲击。可例如在壁401上实现15至20次冲击。

可对于每个测得的声音信号实现在冲击之后预定时期中在预定频率范围内的时频谱。

可实现对应于来自测得的声音信号的多个时频谱的平均值的时频谱，以使得该平均时频谱良好地表征不同冲击之后的测量值组。

将基于测得的声音信号生成的时频谱与参考时频谱比较可通过该生成的时频谱与参考时频谱之间的二维(时间和频率轴)关联来实现。

图9至12示出参考时频谱与对于同一容器40的壁401上的多次冲击实现的时频谱之间的二维相关性结果，该容器包含58％的sf6和42％的空气的混合物。

图9对应于图5的参考时频谱与基于对于壁401上的多次冲击的声音信号测量生成的不同时频谱之间的二维相关性。二维相关性平均值为55.4％，标准偏差为3.6％。

图10对应于图6的参考时频谱与基于声音信号测量生成的不同时频谱之间的二维相关性。二维相关性平均值为87.8％，标准偏差为1.5％。

图11对应于图7的参考时频谱与基于声音信号测量生成的不同时频谱之间的二维相关性。二维相关性平均值为92.2％，标准偏差为1.3％。

图12对应于图8的参考时频谱与基于声音信号测量生成的不同时频谱之间的二维相关性。二维相关性平均值为99.6％，标准偏差为0.4％。

所述比较在此使得能够明确地确定最接近的参考时频谱的确是包含58％的sf6和42％的空气的参考容器的。测试由此使得能够验证能够精确地识别容器40中的空气比例。无论是平均值还是标准偏差的相对于与其它参考时频谱的比较的偏差都是相当显著的。

为了验证所述方法针对电气设备4制造偏差的低依赖性，已经对具有相同的容器40中的气体构成的同一类型的多个电气设备4进行了测试。测试使得能够证实用这些不同电气设备进行的测试的非常高的一致性。

为了确定冲击参数的可靠性，可设置实现例如由工具3保存的振动信号与测得的声音信号之间的(在时间或频率上的)相关性计算。

根据第一实施方式的确定方法看起来用具有从200至330mpa的弹性模量和/或从hrb75至hrb80的硬度的不锈钢(例如304l钢(硬度为hrb79))制成的壁401是特别合适的。

可通过stft(英文为“shorttermfouriertransform”)类型的傅里叶变换来实现基于测得的声音信号生成时间-频率频谱，该变换例如如下地限定：

x[m,ω]是stft傅里叶变换，m和ω是stft的时间(m)和频率(ω)离散变量，x[n]是在时间上测得的声音信号，n是离散时间，wind[]是用于选择和加权在其上估计stft变换的试样子集的滑动时间窗。窗可以是不同形式的(例如海明窗、汉宁窗、矩形窗、高斯窗)，窗影响stft傅里叶变换的估计的方差和极化。

如果固定时间(m)并且如果专注于简单窗，则可计算作为stft变换的模平方的功率谱密度(例如呈简单周期图形式的)。当然，谱密度可相对于窗本身的总能量被标准化：

其中，x[ω]是固定了时间(m)的stft变换。和∑计算间隔[0–ωs/2](其中ωs＝2π*fs，fs是测得的声音信号的抽样频率)上的时间窗的信号的总能量。

随着时间演变，逐个时刻地计算px,norm(ω)，并将其存储在矩阵的列中，其对应于以下时频谱：

spectrogram(m，ω)＝px，norm(m，ω)

其中px,norm(m,ω)是在每个离散时刻m计算的标准化简单周期图。该类型的标准化时频谱使得能够跟踪测得的声音信号的完整频谱的时变。

测得的声音信号的时频谱与参考时频谱之间的二维相关性可根据以下方法步骤来计算：

计算频谱之间的要么在空间域中、要么在频率域中的互相关。空间域或频率域的选择例如是根据参考时频谱的维度做出的。

通过预先处理当前和来计算局部和。

使用局部和来实现互相关的标准化，以获得相关系数。

所述应用可实施以下公式：

其中：

●f是对应于时频谱的图像；

●是对应于时频谱的图像中的平均值；

●是f(x,y)在时频谱的区域中的平均值；

●当计算标准化二维互相关的绝对最大值时，该数值表征用于估计每个参考时频谱与关联到冲击的每个时频谱之间的相关性所要求的百分比。

本发明的第二实施方式在于保证减小的处理量。另外，使用由具有从200至330mpa的弹性模量和/或从hrb85至hrb90的hrb硬度的不锈钢(例如17-5mn不锈钢(hrb87))制成的壁401，第二实施方式特别精确。

根据第二实施方式，将测得的声音信号与参考信号比较的步骤基于测得的声音信号的谱分解。该谱分解用作为频率的函数的功率来表达。图13示出了对于容器40中的给定空气比例的测得的声音信号的功率p(在此为标准化级别)的谱分解的一个示例。在此实施300hz的低通滤波。

在该谱分解中，在共振频率f1和f2处可看到共振峰值。观察到谱分解在这些频率f1和f2之间的频率f3处具有显著的凹点。在该示例中，频率f3的数值为88hz。

对于该频率f3，通过对于包括在以下范围内的频率累加功率，将生成谱分解的功率和：

-要么是相同的频率f0至频率f3之间的范围；

-要么是相同的频率f4至频率f3之间的范围；

实际上，要么自低频率f0起、要么自高频率f4起的功率累加表征包含绝缘空气41的混合物中的空气比例。

图14示出对于具有不同的容器40中的空气比例的不同参考示例的作为频率的函数的声功率的累加和。容器40在此对应于第一设计，其具有由304l不锈钢制成的壁401。要指出的是，在共振频率f1和f2之间，尤其是对于频率f3，根据空气比例的不同，声功率和具有高度反差。基于测得的声音信号的谱分解的声功率和因此使得能够以高度的可靠性识别包含绝缘气体41的混合物中的空气比例。

由此，通过将对于测得的声音信号的谱分解生成的和与参考谱分解的和比较，能够确定哪个参考试样对应于容器40中的空气比例。

图16示出对于具有不同的容器40中的空气(或绝缘气体)比例的不同参考示例的作为频率的函数的声功率的另一累积和。出于可读性的考虑，在图16中仅示出有限数量的示例。像前一示例那样地，注意到在频率范围内，尤其是对于80hz的频率f3，随着空气比例的不同，声功率和具有高度反差。为了精确地外推出空气(或绝缘气体)比例，可描绘出该比例在频率f3下根据累积和的特征曲线。由此，能够对于频率f3下的不同曲线记录累加和，并将其转录到如图17所示的图中，该图的横坐标为电介质气体比例，纵坐标为声功率累加和。在频率f3下的声功率累加和的测量值因此使得能够精确地外推出容器40中的电介质气体比例。在该示例中要指出的是，图17的曲线在50％的电介质气体以外相当线性，在50％的电介质气体以下几乎饱和。

为了外推出存在于容器40中的电介质气体比例，首先如前所述地回收声音信号测量值。然后如前所述地实现表达成作为频率的函数的功率的谱分解。然后如前所述地对于该谱分解描绘出作为频率的函数的功率和图。则获得如图14所示的图。然后记录频率f3下的累加和。然后找到这样的累加和对应于图17的哪一点，以由此推导出容器40中的电介质气体比例。

测得的声音信号的谱分解可有利地通过傅里叶变换、尤其是fft类型的变换来实施。有利地，测得的并经过了谱分解的声音信号覆盖施加在柔性壁401上的多次冲击。由此，谱分解是对于多次冲击的信号的平均值实现的，这使得能够即使以小的处理能力也能够最小化测量误差的影响。

图15示出对于容器40的第二设计的不同参考示例的作为频率的函数的声功率的和。容器40在此具有由17-4mn不锈钢制成的壁401。

像前一示例那样地，可观察到，对于这样的容器40，对于每个参考谱分解生成的累加和对于包括在两个共振频率之间的频率f3真正地表征该容器40。在该示例中，频率f3在此约为80hz。

在此实施了300hz低通滤波。这样的滤波使得能够更好地识别测得的声音信号的谱分解的两个共振频率之间的最小值或凹点。

可能地，可考虑通过将测得的声音信号与不同绝缘气体压强的参考声音信号比较，来使用所述方法确定绝缘气体的压强。