用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法与流程

本发明涉及一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法。

背景技术：

特高压电抗器设备在运行时会发出声音，声音中包含了电抗器的大量状态信息，当特高压电抗器出现故障时其声音信号也会发生相应的改变，出现不同于正常工作状态的响声(异响)。声音信号的获取不需要采用接触式设备，并且具有传感器布置灵活方便、不产生电磁干扰、测量简单等优势，因此适合分布广泛且数量多的特高压电抗器设备的故障识别分析。但由于声信号在空气中传播采集，过大的背景噪声及声音的反射传播等都会对诊断结果造成影响，因此常规的噪声分析方法均无法精确判断异响产生的位置。在目前的异响识别方式中，通常只有多年从事变电运行有经验的师傅在做巡检时，根据人耳贴近高压电力设备听取设备发出的声音判断其运行状态。这种主要依靠人耳听诊的方法具有很大的限制性，一般情况只有发生故障且故障较为明显的情况下才可分辨。特高压电抗器设备的异响可分为瞬态和稳态异响，对于某些瞬态周期性异响，其持续时间短暂，常规的稳态处理方式难以捕捉。因此

因此急需一种可实现特高压电抗器异响快速在线识别且具有广泛可推广性的装置。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法，能够方便准确地识别高压电抗器异响的声源位置。

为实现上述目的，本发明提供一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置，采用如下技术方案：一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置，包括连接架、支撑架，所述连接架包括同心设置的外连接环及内连接环，所述内连接环的中心位置连接有摄像头，内连接环与外连接环之间连接有多根连接臂，各连接臂绕内连接环的中心旋转对称地布置，每根连接臂上在距离内连接环中心l1、l2……ln位置处均设有声音采集传感器；

所述声音采集传感器、摄像头均与信号处理系统通信连接；所述信号处理系统根据所接收的声音信号及摄像头采集的物像信号得出异响声源的位置。

优选地，所述内连接环和外连接环之间连接有5根所述连接臂。

优选地，以内连接环的中心为原点，其中一根连接臂为基准连接臂，基准连接臂沿以下螺旋线方程所表示的螺旋线延伸：

其中，0.05≤r≤0.5。

优选地，每根连接臂上在距离内连接环中心0.05米、0.09米、0.13米、0.17米、0.21米、0.25米位置处均设有声音采集传感器。

优选地，所述声音采集传感器为1/4英寸电容式传声器，灵敏度50mv/pa，最高测试声压级126db。

优选地，所述声音采集传感器可拆卸地连接在连接臂上。

优选地，所述支撑架包括伸缩杆和三脚架，伸缩杆的上端与所述连接架连接，伸缩杆的下端连接在三脚架上；所述连接架可绕伸缩杆的轴线左右摆动设定的角度。

与本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置相应地，本发明还提供一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置进行作业，包括如下步骤：

1)调整连接架的位置，使连接架正对所要检测的高压电抗器，内连接环的中心与高压电抗器的检测面中心处于同一水平线上；

2)利用摄像头采集检测面的物像信息并传递给信号处理系统，信号处理系统对检测面进行网格划分；

3)信号处理系统对各网格点进行逐个扫描并重构得出各网格点的重构声音信号；

4)声音采集传感器采集各网格点的实际声音信号，信号处理系统将各网格点的重构声音信号与实际声音信号叠加求和并输出计算值；最大计算值所对应的网格点在高压电抗器上所对应的位置即声源所在位置。

10、优选地，在所述步骤4)中，信号处理系统输出的计算值的公式为：

式中，d为声源与声音传感器之间的距离，t表示采样时间，m为传声器数量，wl为第l号传声器的加权系数，pl(ω)为传声器接收到信号，为重构信号，ω表示声音的圆频率，δtl为第l号传声器与参考传声器之间的时间延迟。

如上所述，本发明涉及的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法，具有以下有益效果：在本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置中，由于内连接环的中心位置设有摄像头，在内连接环和外连接环之间设置了多根连接臂，每根连接臂上连接有多个声音采集传感器，这样，连接架上就形成了一个声音采集传感器阵列，在需要检测高压电抗器异响声源位置时，各声音采集传感器检测声源发出的声音信号，由于不同位置的声音采集传感器与声源位置之间的距离不同，所以各声音采集传感器所检测到的声音信号就会有延时差别，根据各声音采集传感器检测到的声音信号就能够形成确定出声音位置的声像图，将声像图与摄像头拍摄到的物像图重叠就能够确定出高压电抗器上发生异响的声源位置。由此可见，本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法，能够方便准确地识别高压电抗器异响的声源位置，结构简单，使用方便。

附图说明

图1显示为本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置的结构示意图。

图2显示为连接架的结构示意图。

图3显示为各声音采集传感器在连接架上的分布示意图。

图4显示为利用本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置检测声源位置的原理示意图。

图5显示为声音采集传感器、摄像头与信号处理系统的连接示意图。

图6-1显示为螺旋形阵列的声音采集传感器的阵列示意图。

图6-2显示为利用图6-1中螺旋形阵列的声音采集传感器检测的声源位置示意图，声源位置位于阵列中心所正对的位置。

图7-1显示为矩形阵列的声音采集传感器的阵列示意图。

图7-2显示为利用图7-1中的矩形阵列的声音采集传感器检测的声源位置示意图，声源位置位于阵列中心所正对的位置。

图8-1显示为十字形阵列的声音采集传感器的阵列示意图。

图8-2显示为利用图8-1中的十字形阵列的声音采集传感器检测的声源位置示意图，声源位置位于阵列中心所正对的位置。

元件标号说明

1连接架

2外连接环

3内连接环

4连接臂

5支撑架

6伸缩杆

7三脚架

8摄像头

9连接孔

10声音采集传感器

11信号处理系统

12检测面

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图4所示，本发明提供一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置，包括连接架1、支撑架5，所述连接架1包括同心设置的外连接环2及内连接环3，所述内连接环3的中心位置连接有摄像头8，内连接环3与外连接环2之间连接有多根连接臂4，各连接臂4绕内连接环3的中心旋转对称地布置，每根连接臂4上在距离内连接环3中心l1、l2……ln位置处均设有声音采集传感器10；如图5所示，所述声音采集传感器10、摄像头8均与信号处理系统11通信连接；所述信号处理系统11根据所接收的声音信号及摄像头8采集的物像信号得出异响声源的位置。

为了便于声音采集传感器10、摄像头8和信号处理系统11的连接，还可以在连接架1上设置分别与声音采集传感器10和ni数采相连的lam接口与bnc接口，及其相应的连接线。所述的lam接口位于连接臂4后边，与φ5麦克风插孔相连通，通过接线连接至阵列支撑部件前端的bnc接口，每6个lam口对应一个bnc接口。所述支撑架5可以由诸如塑料、橡胶、纤维或陶瓷等绝缘材料制成，具有电绝缘和耐高压的性能。

在本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置中，由于内连接环3的中心位置设有摄像头8，在内连接环3和外连接环2之间设置了多根连接臂4，每根连接臂4上连接有多个声音采集传感器10，这样，连接架1上就形成了一个声音采集传感器10阵列，在需要检测高压电抗器异响声源位置时，各声音采集传感器10检测声源发出的声音信号，由于不同位置的声音采集传感器10与声源位置之间的距离不同，所以各声音采集传感器10所检测到的声音信号就会有延时差别，根据各声音采集传感器10同时采集到的声音信号进行声学成像分析，并与摄像头8拍摄到的物像图重叠就能够确定出高压电抗器上发生异响的声源位置。由此可见，本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法，能够方便准确地识别高压电抗器异响的声源位置，结构简单，使用方便。与现有技术相比，本发明的技术方案通过优化的传声器阵列实现了特高压电抗器工作过程中由于机械故障而产生的异响声源的快速定位，解决了当前特高压电抗器工作异响识别过程中仅凭人耳判断的主观性大、效率低的问题，可适用于中远场测量，并大幅提高了识别效率和定位精度。

在本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置中，外连接环2和内连接环3为各连接臂4提供安装的基础，外连接环2的中径为0.5m，外连接环2的外径与内径之差为0.02m，内连接环3的中径为0.1m，内连接环3的外径与内径之差为0.02m。内连接环3和外连接环2同圆心地设置，内连接环3和外连接环2之间连接的多根连接臂4均布在内连接环3的中心周围，优选地，如图1至图4所示，所述内连接环3和外连接环2之间连接有5根所述连接臂4，相邻的两根连接臂4之间的偏转角度为72度，即将一根连接臂4绕内连接环3的圆形旋转72度就会旋转至与其相邻的连接臂4重合的位置。各连接臂4形状相同，均为螺旋形连接臂4，连接臂4均沿以内连接环3中心为起点的螺旋线延伸，如图3所示，作为一种优选地实施方式，以内连接环3的中心o为原点、以水平向右为x轴正方向、竖直向上为y轴正方向建立坐标系，其中一根连接臂4为基准连接臂4，基准连接臂4沿图3中r1螺旋线延伸，r1螺旋线方程表示为：

其中，0.05≤r≤0.5。

图2中的5根连接臂4分别沿图3中的r1、r2、r3、r4、r5螺旋线延伸。

如图1至图3所示，每根连接臂4上连接有6个声音采集传感器10，每根连接臂4上的各声音采集传感器10与内连接环3的中心的距离分别为l1、l2……l6，图3中c1圆的半径为l1、c2圆的半径为l2、c3圆的半径为l3、c4圆的半径为l4、c5圆的半径为l5、c6圆的半径为l6，作为一种优选的实施方式，l1＝0.05米、l2＝0.09米、l3＝0.13米、l4＝0.17米、l5＝0.21米、l6＝0.25米。如图3所示，内连接环3和外连接环2之间一共有5根连接臂4，每根连接臂4上连接有6个声音采集传感器10，一共有30个声音采集传感器10，30个麦克风传声器位置都对应有编号，编号从螺旋线1上开始，然后依次为螺旋线2、3、4、5，每一条螺旋线均从靠近内连接环3中心处开始编号，编号顺序依次为1,2,3…….,30，根据线性关系，可计算得到30个传声器在阵列中的位置坐标，如下表：

在本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置中，所述声音采集传感器10用于采集声源所发出的声音，作为一种优选的实施方式，所述声音采集传感器10为1/4英寸电容式传声器，灵敏度50mv/pa，最高测试声压级126db。为了便于安装和更换所述传感器，所述声音采集传感器10可拆卸地连接在连接臂4上，如图2所示，可以在连接臂4上设置连接孔9，将声音采集传感器10插在连接孔9中。

在利用本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置时，需要根据现场的情况对连接架1的位置作上下移动、左右摆动等调整以使连接架1能够正对需要检测的高压电抗器，为此，如图1所示，所述支撑架5包括伸缩杆6和三脚架7，伸缩杆6的上端与所述连接架1连接，伸缩杆6的下端连接在三脚架7上；所述连接架1可绕伸缩杆6的轴线左右摆动设定的角度。这样，可以根据现场情况的需要对连接架1的位置作以调整。

在本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置中，由于各声音采集传感器10沿多条绕内连接环3中心设置的螺旋线分布，各声音采集传感器10不是等间距地分布，所以信号处理系统11根据各声音采集传感器10采集的信号所输出的计算值不容易出现干扰混淆，因此本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置能够快速准确地识别出声源位置。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)多通道的声音采集及处理方式增强了信号处理过程的抗干扰能力；

2)声音采集传感器10的螺旋线阵列分布的排布方式有效提高了声源识别的精度；

3)使用方便，测试效率高。

与本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置相应地，本发明还提供一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的方法，采用上述技术方案或其任一优选的技术方案所述的用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置进行作业，请参考图4，包括如下步骤：

1)调整连接架1的位置，使连接架1正对所要检测的高压电抗器，内连接环3的中心与高压电抗器的检测面12中心处于同一水平线上；

2)利用摄像头8采集检测面12的物像信息并传递给信号处理系统11，信号处理系统11对检测面12进行网格划分；

3)信号处理系统11对各网格点进行逐个扫描并重构得出各网格点的重构声音信号；

4)声音采集传感器10采集各网格点的实际声音信号，信号处理系统11将各网格点的重构声音信号与实际声音信号叠加求和并输出计算值；最大计算值所对应的网格点在高压电抗器上所对应的位置即声源所在位置。

优选地，在所述步骤4)中，信号处理系统11输出的计算值的公式为：

式中，d为声源与声音传感器之间的距离，t表示采样时间，m为传声器数量，wl为第l号传声器的加权系数，pl(ω)为传声器接收到信号，为重构信号，ω表示声音的圆频率，δtl为第l号传声器与参考传声器之间的时间延迟。

如图4所示为传声器阵列测试原理图，声源a位于检测面12上，声音采集传感器10位于连接架1上，首先以连接架1的中心为坐标原点构架空间坐标系，水平且朝向检测面12方向为z轴正方向，连接架1上的各声音采集传感器10所在的平面与检测面12的平行布置，连接架1的中心o与检测面12中心o’位于同一水平线上。测量开始，先将检测面12划分网格，由于各声音采集传感器10所处位置不同，因此各声音采集传感器10所接收到的声音信号相互之间存在时间延时，通过将检测面12划分网格后重构网格点上的接收信号并与声音采集传感器10阵列接收到的声音信号进行叠加求和，当重构点b位置与声源a位置一致时，由于信号相位一致时输出结果值最大，其余重构位置由于相位混乱输出结果减小，最终得到声源a的位置的信息，信号处理系统11输出的计算值的公式为上述公式(3)。

图6-1显示为螺旋形阵列的声音采集传感器10的阵列示意图，图6-2显示为利用图6-1中螺旋形阵列的声音采集传感器10检测的声源位置模拟优化结果示意图，声源位置位于阵列中心所正对的位置。图6-2所示的优化结果采用数值模拟的方式，模拟中横向与纵向的测量张角均为45°，频率为5khz的声源位于检测面12中心位置，在10db动态显示范围下，螺旋形阵列的声音采集传感器10识别结果精确且无污染。如图7-1和图7-2所示，作为对比的同样具有30个声音采集传感器10且阵列尺寸一致的矩形网格的声音采集传感器10阵列识别结果除了真实声源以外还出现了大量对称分布的虚假声源，识别结果不够准确。如图8-1和图8-2所示为利用十字阵列分布的声音采集传感器10阵列识别声源的结果，真实的声源位置在图8-2的中心位置，可见，在真实声源以外还有大量虚假的干扰，识别结果不够准确。

与现有技术先比，本发明的一种用于快速识别高压电抗器异响声源位置的装置及方法具有以下特点：

1)通过声音采集传感器10阵列同时采集数据的方式，有效提高了信号采集的抗干扰能力，使得在背景噪声干扰严重的变电站及换流站环境中也可以实现特高压电抗器声音信号的准确采集；

2)通过螺旋形的阵列结构设计，使得声音采集传感器10在空间位置中的位置也成螺旋形规律排布，能有效提高异响识别的动态响应范围，有利于强源干扰下的异响源剥离；

3)通过可调节的支撑架5在高度及空间角度上调节声音采集传感器10采集面的位置，电气操作简便，能够及时捕捉到检测面12外的异响位置，避免了整个阵列系统的频繁移动。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。