一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法与流程

1.本发明涉及电气检测故障定位技术领域，尤其涉及一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法。


背景技术：

2.电力设备是整个电网的基础组成单元，其安全运行对电网的供电可靠性有着至关重要的影响。而变压器的安全稳定运行与其绝缘情况有着直接的联系，局部放电是导致绝缘劣化的主要原因。局部放电通常是指绝缘介质多少可能会存在着某些绝缘弱点，当外施电压超过阀值电压时，它会首先发生放电，但并不随即扩大至整个绝缘介质，这种仅限于弱点处的放电叫做局部放电。
3.局部放电能够暗示绝缘缺陷，所以局部放电的早期发现有助于合理安排的检修，从而避免因绝缘击穿造成的巨大经济损失。因此有必要准确定位局部放电的位置，保障电力设备的安全可靠性。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法。
5.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
6.一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法，所述方法包括：
7.测量局部放电目标处产生的超声波信号传到传声器阵列中不同有效传声器的相位差，所述传声器阵列包括若干在同一平面上的传声器，若干所述传声器形成平面十字形；
8.基于所有的相位差计算得到所述局部放电目标处的位置。
9.作为本发明的进一步改进，有效传声器采用下述步骤确定：
10.采用下述公式得到xr(t)：
[0011][0012][0013]
其中，a表示活塞声源的半径，k表示辐射频率，d(θ)代表活塞声源的远场指向性，xr(t)表示高频活塞声源的辐射指向图中0
°
方向距离所述局部放电目标处为r的声源信号，xr(t)表示高频活塞声源的辐射指向图中距离所述局部放电目标处为r的声源信号，θ表示xr(t)和xr(t)之家的角度；
[0014]
将xr(t)大于0.2的传声器作为有效传声器。
[0015]
作为本发明的进一步改进，所述基于所有的相位差计算得到所述局部放电目标处的位置，包括：
[0016]
基于所有的相位差计算得到所述局部放电处与参考传声器之间的方位角、俯仰
角、以及距离；
[0017]
根据所述方位角、所述俯仰角和所述距离得到所述局部放电目标处的位置。
[0018]
作为本发明的进一步改进，所述方位角采用下述公式得到：
[0019][0020]
其中，表示方位角，τy表示到达局部放电目标处到达各个传声器的在y轴方向上平均阵元时间差，τ
x
表示到达局部放电目标处到达各个传声器的在x轴方向上平均阵元时间差。
[0021]
作为本发明的进一步改进，所述俯仰角采用下述公式得到：
[0022][0023]
其中，c表示声波传播速度，d表示同轴二阵元的距离。
[0024]
作为本发明的进一步改进，所述距离采用下述公式得到：
[0025][0026]
其中，τ
n-m
表示两点之间到达的时间差。
[0027]
作为本发明的进一步改进，所述超声波信号为频率大于3250hz的高频声波信号。
[0028]
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
[0029]
本发明提供的基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法，通过测量局部放电目标处产生的超声波信号传到传声器阵列中不同有效传声器的相位差，传声器阵列包括若干在同一平面上的传声器，若干传声器形成平面十字形；基于所有的相位差计算得到局部放电目标处的位置。该方法实现了空域无源声源探测，平面十字形阵列不仅降低了制作成本，而且通过对三维空域的探测，使得测量局部放电目标处的位置的精度得到了显著提高，适于大范围推广。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例提供的一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法的流程图。
[0031]
图2是本发明实施例提供的一种传声器阵列的结构示意图。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
[0033]
在变压器中，只要存在局部放电，随着放电的发生，在放电过程中就会伴随着崩裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周传播。
[0034]
绝缘介质中产生局部放电的原因很多，放电形式也多种多样，因此放电过程很复杂。然而，变压器油中的气泡或其固体绝缘介质中的气隙是变压器局部放电通常发生的场所。
[0035]
波起源于振动，具有弹性和惯性的力学系统都具有振动的能力。当变压器内部的绝缘介质发生局部放电时，由于气泡受到电场力或压力的作用，会发生膨胀和收缩的过程，这将引起局部体积的变化。局部体积的变化将在外部产生超声波。当过电压很低时，某些局部放电几乎不向外辐射热量；当过电压很高时，另外一些局部放电则可能向外辐射很高的热量。变压器内部的绝缘介发生局部放电时，气泡处于一定的电场中，这时气泡带有一定的电荷，因此气泡会受到电场力的作用。在局放向外辐射很高热量的情况下，电弧电流会在放电通道中产生高温，此高温会使气泡膨胀而受到一定的压力。
[0036]
当过电压较低时，承受电场力的气泡会形成振幅慢慢减小的振荡运动，进而超声波会在周围的绝缘介质中产生。当过电压较高时，气泡将发生放电，进而被击穿，从而产生细微的线度参差不齐的放电路径，放电路径内的气体受到强烈的电离与加热，气体的加热引起放电路径的膨胀，进而使气泡受到压力，从而在绝缘介质中产生超声波。
[0037]
基于上述，本技术提供了一种基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法来准确确定局部放电目标处的位置，如图1所示，方法包括：
[0038]
s101、测量局部放电目标处产生的超声波信号传到传声器阵列中不同有效传声器的相位差。
[0039]
其中，经本技术的申请人测试后发现，在无干扰的情况下，阵列对高频声波的指向性尖锐，阵列的探测分辨率高，因此其对高频声源的成像清晰，因此，本技术中的超声波信号为频率大于3250hz的高频声波信号。
[0040]
超声波信号传到传声器阵列中不同有效传声器中，以下，分别针对传声器阵列和有效传声器进行说明。
[0041]
如图2所示，传声器阵列包括若干在同一平面上的传声器，若干所述传声器形成平面十字形。
[0042]
在本技术中，由于高频声源的强指向性，因此在利用平面传声器阵列对其进行测量时，只有少量的传声器可以测量得到信号源(即，超声波信号)，其他的传声器将成为干扰源，因此，有必要预先确定有效传声器。
[0043]
上述有效传声器采用下述步骤确定：
[0044]
s1011、采用下述公式得到xr(t)：
[0045][0046][0047]
其中，a表示活塞声源的半径，k表示辐射频率，d(θ)代表活塞声源的远场指向性，xr(t)表示高频活塞声源的辐射指向图中0
°
方向距离所述局部放电目标处为r的声源信号，xr(t)表示高频活塞声源的辐射指向图中距离所述局部放电目标处为r的声源信号，θ表示xr(t)和xr(t)之家的角度；
[0048]
s1012、将xr(t)大于0.2的传声器作为有效传声器。
[0049]
s102、基于所有的相位差计算得到所述局部放电目标处的位置。
[0050]
步骤具体包括：
[0051]
s1021、基于所有的相位差计算得到所述局部放电处与参考传声器之间的方位角、
俯仰角、以及距离；
[0052]
针对方位角：
[0053]
方位角采用下述公式得到：
[0054][0055]
其中，表示方位角，τy表示到达局部放电目标处到达各个传声器的在y轴方向上平均阵元时间差，τ
x
表示到达局部放电目标处到达各个传声器的在x轴方向上平均阵元时间差。
[0056]
关于俯仰角：
[0057]
所述俯仰角采用下述公式得到：
[0058][0059]
其中，c表示声波传播速度，d表示同轴二阵元的距离。
[0060]
关于距离：
[0061]
距离采用下述公式得到：
[0062][0063]
其中，τ
n-m
表示两点之间到达的时间差。
[0064]
s1022、根据所述方位角、所述俯仰角和所述距离得到所述局部放电目标处的位置。
[0065]
本发明提供的基于超声频谱的平面多源信号空间定位方法，通过测量局部放电目标处产生的超声波信号传到传声器阵列中不同有效传声器的相位差，传声器阵列包括若干在同一平面上的传声器，若干传声器形成平面十字形；基于所有的相位差计算得到局部放电目标处的位置。该方法实现了空域无源声源探测，平面十字形阵列不仅降低了制作成本，而且通过对三维空域的探测，使得测量局部放电目标处的位置的精度得到了显著提高，适于大范围推广。
[0066]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域技术人员依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。