直流GIL中球形金属微粒与电极碰撞的声发射信号研究

摘要

直流GIL具有传输容量大、占地少等特点，因而获得广泛应用。然而直流GIL中金属微粒污染不可避免，该污染会使绝缘强度明显下降。声发射现象是材料受内力或外力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应力应变能的现象，金属微粒与电极碰撞时会产生声发射信号，这种声发射信号可以反映微粒的状态信息，但直流GIL中金属微粒与电极碰撞产生声发射信号的去噪、特征等方面研究较少，尚需进一步研究。故本文从测取、去噪、特征取选取与提取、特征理论值、特征实验值等方面研究了直流GIL中球形金属微粒与电极碰撞的声发射信号。
　　本文搭建了声发射信号检测实验平台，通过声发射传感器检测到了金属微粒与低压电极碰撞的声发射信号，并通过实验分析了局部放电对声发射信号检测的影响，实验结果表明，声发射传感器内嵌于低压极板使声发射传感器对局部放电的敏感度下降了25倍，局部放电不会对声发射信号检测造成明显干扰。提出了适合声发射信号去噪效果评价的复合评价指标和基于此复合评价指标的声发射信号优化小波去噪算法，对实测及仿真声发射信号的去噪效果表明，与现有去噪评价指标相比，提出的复合评价指标能更好地评价信号的去噪效果;与现有小波去噪算法相比，提出的优化小波去噪算法对小波基等参数进行了全面优化，优化更彻底，去噪效果更好。比对常用声发射信号特征后，选取了幅值、主频和均方根作为本文研究的声发射信号特征，并针对上述三个特征选取了特征提取方法。
　　基于运动学公式计算推导了微粒稳态运动时与低压极板碰撞前接近速度的解析表达式（简称碰撞速度计算值），由于此表达式忽略了微粒与极板接触时面电荷引起的修正系数，故通过仿真对碰撞速度计算值进行了验证，验证结果表明，碰撞速度计算值的误差不超过0.7％，可用碰撞速度计算值代替仿真值，为声发射信号特征理论值推导打下基础;改进提出了微粒与极板碰撞的分段塑性碰撞模型，基于碰撞模型和碰撞速度得出了声发射信号特征理论值的解析表达式，进而获得了参数对特征理论值的影响。研究结果表明，微粒材质由铝变为黄铜，再变为不锈钢时，声发射信号幅值理论值由小变大;微粒材质由铝变为不锈钢，再变为黄铜时，主频理论值逐渐减小;随着微粒直径增大，幅值理论值迅速增大，主频理论值急剧下降;极间电场强度增加时，幅值和主频理论值均增加。
　　通过实验研究了上述声发射信号特征。实验结果表明，声发射信号的幅值及主频实验值与理论推导结果相符，验证了理论值的正确性。在实验的范围内，微粒材质由黄铜变为铝，再变为不锈钢时，声发射信号的均方根实验值减小;声发射信号的均方根特征随微粒直径增大而增大，随极间电场强度增大而增大。通过实验与理论推导的对比获知，声发射信号均方根特征由微粒碰撞损失动能与其他因素共同决定或者仅由其他因素决定。此外，探讨了声发射信号在工程上的应用，定性阐述了不同声发射信号特征的适用情况及应用方式。

目录

声明

摘要

1．1 课题的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 金属微粒的运动行为

1．2．2 声发射信号的去噪

1．2．3 声发射信号的特征

1．3 目前存在的问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 声发射信号的检测、去噪及特征提取

2．1 实验平台

2．2 声发射信号的检测以及局部放电对检测的干扰研究

2．2．1 声发射信号及局部放电信号检测结果分析

2．2．2 声发射传感器安装方式对检测结果的影响

2．3 现有去噪评价指标的缺点及复合评价指标的构建

2．3．1 传统单一评价指标的缺点

2．3．2 复合评价指标的构建

2．4 基于新构建复合评价指标的优化小波去噪算法

2．4．1 小波基、分解层数及阈值设定方法的选取

2．4．2 实验获取信号的优化小波去噪

2．4．3 含有有色噪声信号的优化小波去噪

2．5 声发射信号特征的选取

2．5．1 常用时域特征

2．5．2 常用频域特征

2．5．3 选定待研究特征

2．6 声发射信号特征的提取方法

2．6．1 幅值特征的提取

2．6．2 主频特征的提取

2．6．3 均方根特征的提取

2．7 本章小结

第3章 声发射信号特征的理论研究

3．1 微粒极间稳态运动时与电极的碰撞速度研究

3．1．1 碰撞速度计算值推导

3．1．2 碰撞速度仿真值

3．1．3 基于碰撞速度仿真值对计算值准确性的验证

3．2 微粒与电极碰撞的微观过程研究

3．2．1 微粒与电极的碰撞模型

3．2．2 碰撞过程中的接触时间与最大接触力

3．3 声发射信号的幅值和主频率理论值推导

3．3．1 幅值理论值

3．3．2 主频率理论值

3．4 各参数对声发射信号幅值理论值的影响研究

3．4．1 微粒材质对幅值的影响

3．4．2 微粒直径对幅值的影响

3．4．3 极间电场强度对幅值的影晌

3．5 各参数对声发射信号主频理论值的影响研究

3．5．1 微粒材质对主频的影响

3．5．2 微粒直径对主频的影响

3．5．3 极间电场强度对主频的影响

3．6 本章小结

第4章 声发射信号特征的实验研究及工程应用

4．1 幅值特征的实验研究

4．1．1 微粒材质对幅值实验值的影响

4．1．2 微粒直径对幅值实验值的影响

4．1．3 极间电场强度对幅值实验值的影响

4．2 主频特征的实验研究

4．2．1 微粒材质对主频实验值的影响

4．2．2 微粒直径对主频实验值的影响

4．2．3 极间电场强度对主频实验值的影响

4．3 均方根特征的实验研究

4．3．1 微粒材质对均方根实验值的影响

4．3．2 微粒直径对均方根实验值的影响

4．3．3 极间电场强度对均方根实验值的影响

4．3．4 微粒碰撞损失动能与均方根特征的关系

4．4 声发射信号工程应用探讨

4．4．1 幅值特征的应用

4．4．2 主频特征的应用

4．4．3 均方根特征的应用

4．4．4 考虑极间电场强度变化的意义

4．5 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢