公开/公告号CN107250709A
专利类型发明专利
公开/公告日2017-10-13
原文格式PDF
申请/专利权人 ABB瑞士股份有限公司;
申请/专利号CN201580070953.8
发明设计人 G·K·弗里姆庞格;A·普列托;M·J·穆萨维;J·斯托皮斯;E·G·藤延休斯;J·R·雪勒;A·布莱希;E·D·苏利文;C·J·兰伯特;P·A·菲斯克路德;A·J·沃尔;G·C·麦克利什;T·麦克唐纳;R·A·库比克;
申请日2015-10-22
分类号
代理机构北京市金杜律师事务所;
代理人王茂华
地址 瑞士巴登
入库时间 2023-06-19 03:30:12
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-04-26
专利权人的姓名或者名称、地址的变更 IPC(主分类):F41H 5/04 专利号:ZL2015800709538 变更事项:专利权人 变更前:ABB电网瑞士股份公司 变更后:日立能源瑞士股份公司 变更事项:地址 变更前:瑞士巴登 变更后:瑞士巴登
专利权人的姓名或者名称、地址的变更
2019-11-15
授权
授权
2017-11-17
实质审查的生效 IPC(主分类):F41H5/04 申请日:20151022
实质审查的生效
2017-10-13
公开
公开
技术领域
本发明涉及能够抵抗灾难性事件的感应设备。
背景技术
诸如电力变压器和其他电气设备的感应设备通常位于户外，并且受到环境、动物和人为因素的影响。特别地，人类恶劣的行为和极端的天气可能会对室外(而不是建筑物内)的电气设备造成损害。即使是地震事件也可能导致变压器的损坏。可能需要相当长的时间来补救损坏并将电气设备重新投入运行，这可能导致停电。
发明内容
一种感应设备，具有箱，所述箱具有顶壁、底壁和侧壁，并且顶壁和侧壁中的每个均具有外基板表面。芯设置在箱的内部容积中，所述芯具有在一对轭之间延伸的至少一个芯臂、安装在所述至少一个芯臂上的至少一个线圈组件、以及绝缘介质。涂层结合到箱侧壁的外基板表面。涂层是反应时的聚脲涂层，并且在反应之前由第一组分和第二组分形成。第一组分是芳香族异氰酸酯混合物、芳香族二异氰酸酯、脂肪族异氰酸酯混合物或脂肪族二异氰酸酯。第二组分是胺混合物或聚胺。
提供了一种用于检测物体对电气设备的接近和/或冲击的系统，电气设备具有由顶壁、底壁和至少一个侧壁构成的壳体。该系统具有电气设备、用于测量接近电气设备的物体的声压的至少一个声学传感器、用于测量由物体撞击壳体引起的电气设备壳体表面的加速度的至少一个振动传感器、至少一个处理器以及其上具有多个机器可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个机器可读指令在由所述至少一个计算机处理器执行时使得所述至少一个计算机处理器将从声学传感器和振动传感器接收的信号与声压和加速度的阈值进行比较以确定是否已经发生物体对电气设备的冲击。所述至少一个声学传感器处于不与所述壳体接触的预定位置，并且所述至少一个振动传感器处于与电气设备壳体接触的预定位置。
提供了一种用于确定物体对电气设备的至少一个壁的冲击位置的系统。该电气设备具有由顶壁、底壁和至少一个侧壁构成的壳体。该系统具有电气设备、用于测量由物体撞击壳体引起的电气设备壳体表面的加速度的至少两个振动传感器、至少一个处理器以及其上具有多个机器可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个机器可读指令在由所述至少一个计算机处理器执行时使得所述至少一个计算机处理器将从振动传感器接收的信号与加速度的阈值进行比较以确定物体对电气设备的至少一个壁的冲击位置。所述至少两个振动传感器与电气设备壳体接触并且在电气设备壳体的单个壁上彼此间隔开。
一种用于确定物体相对于电气设备的原点位置的系统。该系统具有：电气设备，该电气设备具有由顶壁、底壁和至少一个侧壁构成的壳体；以四面体构型布置的声学传感器，其用于测量接近电气设备的物体的声压；至少一个处理器；以及其上具有多个机器可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个机器可读指令在由所述至少一个计算机处理器执行时使得所述至少一个计算机处理器在已知关于物体原点的方位角和仰角中的一者时执行以下步骤：基于与关于每个所述声学传感器的物体相关联的枪口爆炸和冲击波的到达时间确定方位角和仰角中未知的那一个；以及使用方位角和仰角来确定到物体原点的距离。声学传感器布置成不与电气设备壳体接触。
提供了一种在检测到对感应设备的冲击时保护感应设备的方法。该方法具有以下步骤：a.检测感应设备的声压、振动、绝缘介质温度、绝缘介质压力和绝缘介质水平中的至少一者处于可促使操作的水平；b.关闭感应设备的主冷却系统的阀；以及c.打开副冷却系统的阀。
一种用于向感应设备提供副冷却的系统，具有感应设备，该感应设备具有：芯，该芯具有在一对轭之间延伸的至少一个芯臂、安装在所述至少一个芯臂上的至少一个线圈组件、设置在箱的内部容积中的绝缘介质、以及具有顶壁、底壁和侧壁的箱；用于测量绝缘介质温度、绝缘介质压力和绝缘介质水平中的至少一者的设备；主冷却系统和副冷却系统，各具有：至少一个风扇、散热器或冷却器、以及控制绝缘介质的流量的至少一个阀；以及其上具有多个机器可读指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述多个机器可读指令在由所述至少一个计算机处理器执行时使得所述至少一个计算机处理器将由测量装置测量的油温、油压和油位中的至少一者与绝缘介质温度、绝缘介质压力和绝缘介质水平测量中的至少一者的预定阈值进行比较。
附图说明
在附图中，示出了结构性实施例，其连同以下提供的详细描述一起描述了加固感应设备以及用于保护感应设备免受灾难性事件的系统和方法的示例性实施例。本领域普通技术人员将理解，部件可以被设计为多个部件，或者多个部件可以被设计为单个部件。
此外，在附图和接下来的描述中，相同的部件在整个附图和书面描述中分别用相同的附图标记表示。附图没有按比例绘制，并且某些部分的比例被放大以便说明。
图1是根据本公开实施的感应设备的透视图；
图2是具有围绕储存器的防护件的感应设备的侧视图；
图3是感应设备的侧视图，示出了加强的检修孔盖；
图4a是在向箱壁施加涂层并加固之后在测试感应设备的耐冲击性时使用的示例性箱的俯视图；
图4b是图4a的箱的正视图；
图4c是图4a的箱的侧视图；
图5a是用于在弹道测试中使用的用于改装的应用的板组件的俯视图；
图5b是用于图5a的用于改装的应用的板组件的仰视图；
图5c是用于图5a的用于改装的应用的板组件的侧视图；
图6示出了通过支架固定的加固钢板，其用于保护感应设备的气体继电器；
图7a示出了具有安装为保护油和压力水平传感器免受弹道冲击的防弹防护件的油和压力水平传感器；
图7b示出了用于防弹防护件的安装支架；
图7c示出了部分组装的防弹防护件；
图7d显示了围绕油和压力水平传感器组装的防弹防护件；
图8a描绘了安装到感应设备的箱并具有弹道板的OFAF(强制油/强制空气热交换器)冷却器；
图8b描绘了OFAF冷却器的竖直定向的风扇；
图9是具有由弹道板保护的移动冷却器的感应设备的透视图；
图10是在关于涂覆有涂层的操作感应设备的各个测量点进行的声学测量的图表；
图11示出了用于计算涂覆的变压器的总芯噪的测量；
图12a示出围绕感应设备的阀的防弹防护件；
图12b示出围绕分接变换器的防弹防护件；
图13是根据本公开的用于电气设备的基于传感器的弹道冲击检测系统的一个实施例的示意图；
图14是用于获得、处理和分类传感器数据以确定是发出警报还是触发传感器数据的详细记录的方法的流程图；
图15描绘了用于感测物体对电气设备的冲击和/或接近并确定对电气设备的冲击是否可促使操作的系统；
图16描绘了使用具有原始振动、均方根(RMS)振动的变压器箱和安装在箱附近或与箱接触的声学传感器的弹道测试试验的设置；
图17描绘了在射弹对箱的冲击时射弹在测试试验中的撞击位置；
图18是子弹试验4的原始振动和RM传感器的加速度对时间结果的曲线图；
图19是子弹试验4的声学传感器声压测试结果的曲线图；
图20是用于将以帕斯卡为单位获得的声压测量转换为分贝单位的图表。
图21是试验4的声学特征的曲线图，其包括冲击波和枪口爆炸；
图22是试验4的声学特征的曲线图，其包括冲击波和冲击；
图23是由原始振动和声学传感器测量的石块试验加速度对时间的曲线图；
图24是对于石块试验1，由声学传感器测量的石块试验声学特征的曲线图；
图25是由原始振动和RMS传感器测量的锤击试验2的加速度对时间的曲线图；
图26是锤击试验2的声学特征的曲线图；
图27是由原始振动和RMS传感器测量的子弹试验4的加速度对时间的曲线图；
图28是由原始振动传感器测量的最大原始加速度对石块的口径以及对锤子的曲线图；
图29是由原始振动传感器测量的最大原始加速度对石块的口径以及对锤子和对子弹的曲线图；
图30是由声学传感器测量的最大压力对石块的口径以及对锤子的曲线图；
图31是对于变压器箱的子弹冲击对非子弹冲击，RMS加速度对时间的曲线图，也显示了信号的时间衰退；
图32a是对于变压器箱的子弹冲击对非子弹冲击，图32b的声压对时间的放大的曲线图；
图32b是对于变压器箱的子弹冲击对非子弹冲击，声压对时间的曲线图；
图33是对于平均弹道试验(例如试验4)，最后四个测量值上的平均压力对时间的曲线图；
图34显示了关于平均弹道试验对第二次锤击试验的叠加在锤击上的枪口爆炸；
图35示出了可用于产生多次枪击到达时间测量的四面体阵列；
图36示出了用于对射弹的原点的残余搜索的方法的结果；
图37示出了声学传感器成为矩形四面体的可能布置；
图38提供了当使用各种位置和数目的声学传感器时用于射击原点检测的参数；
图39是由原始振动传感器和RMS传感器测量的试验5的子弹冲击的加速度对时间的曲线图；
图40是由原始振动传感器和RMS传感器测量的试验12的子弹冲击的加速度对时间的曲线图；
图41是射弹试验6的射击冲击定位的曲线图；
图42是射弹试验12的射击冲击定位的曲线图；
图43是在可促使操作的事件期间在感应设备中检测到低油位和/或低油压时的响应顺序的示意图；
图44是具有可移除的防弹面板的感应设备的俯视图；
图45是具有防弹屏障的感应设备的俯视图；
图46是具有保护储存器、套管和电涌放电器的防弹覆层的感应设备的侧视图；
图47是具有加强件的感应设备的俯视图，防弹加固板连接到该加强件；
图48是具有覆盖感应设备的储存器、套管、电涌放电器和仪器的防弹覆层的感应设备的俯视图；以及
图49是具有围绕感应设备的防弹屏障的感应设备的侧视图。
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月24日提交的美国临时专利申请No.62/068,495和2015年10月7日提交的美国临时专利申请No.62/238,196的权益，在此将这两个专利申请通过援引的方式全部并入。
具体实施方式
参照图1，示出了诸如额定值为60MVA或更高的变压器的感应设备10。应当理解，感应设备10可以被实施为电力变压器、配电变压器或分流电抗器，并且视应用而定是单相或多相，例如三相。感应设备10具有本文所述的适用于新制造的变压器的加固特征，并且这些加固特征可以是对现有的在维修和使用中的变压器的改装。
感应设备10被设计为处理由于弹道射弹和其他侵入物而容易发生故障的区域。感应设备10的某些区域设置有保护材料，以使例如通过射弹进行的直接撞击发生偏转，而其他区域则利用传感器来检测损坏并切换到备用系统以保护芯和线圈绕组。芯和线圈绕组(也称为变压器的有源部分)在修理和/或更换方面具有最长的订货至交货时间。如下面更详细描述的涂层在被施加至变压器箱20时，当其与用于形成箱的各种等级的钢结合时，使得箱壁不被子弹穿透。箱20和涂层的材料和厚度在本公开中得到优化，以保护感应设备10免于被物体或其他侵入物冲击和穿透。
感应设备10具有箱20和芯，芯具有竖直地设置在一对轭之间的至少一个臂以及安装到所述至少一个臂上的至少一个线圈组件。线圈组件具有高压线圈和低压线圈。所述至少一个线圈组件的第一端连接到从箱20的盖延伸的高压套管14。芯和所述至少一个线圈组件与绝缘介质(如介电流体或诸如六氟化硫(SF6)、氮气或空气的气体)一起设置在箱20的内部容积中。特别地，绝缘介质可以是矿物油、天然酯液体或合成酯液体。诸如天然酯和合成液体的流体可以提供矿物油的值的两倍的燃点和闪点，从而在感应设备受到物体的冲击或在发生其他事件的情况下降低火灾的风险。
当感应设备10被实施为分流电抗器时，分流电抗器用于补偿无功功率，并且通常具有在所述至少一个臂中具有一个或多个非磁性间隙的芯。分流电抗器的所述至少一个臂中的非磁性间隙可以用绝缘材料填充。在芯的每个臂中都可能存在非磁性间隙，其中非磁性间隙定位在安装到所述至少一个臂的相应的绕组组件的内部或外部。
绕组的第一端连接到从箱20的顶壁21延伸的套管12、14。在一个实施例中，套管12、14是干式套管，并且没有填充介电流体。在该同一实施例中，套管由疏水性脂环族环氧树脂、硅树脂绝缘体或用于该应用的其他合适材料形成。通过这种方式，如果套管12、14受到射弹的冲击，套管不会像一般的瓷套管那样容易破碎并释放出油。
另外，可以为套管12、14设置电势监测装置。由于检测到套管12、14的电容变化和/或漏电流测量值的变化，电势监测装置检测到对瓷套管或干式套管的任何损坏。提供警报以提醒人员检测到套管12、14受到的冲击。
继续参考图1，箱20由金属板形成，金属板通过焊接在焊缝25处连接，或者使用紧固件结合在在一起。如下面将更详细描述的，将聚脲的涂层施加到箱壁23的外表面以及箱20的金属板之间的焊缝和界面处。可选地，通过将金属弯折以形成拐角和侧壁23而由一个单件的金属板形成箱20，并且弯折部具有施加到其上的涂层。箱20是矩形的，具有底壁、侧壁23和顶壁21。可选地，箱是圆筒形的，具有圆筒形侧壁、底壁和盖或顶壁。
感应设备10具有施加到侧壁23的外表面的涂层，以使其外部加固并且保护芯和至少一个线圈组件免于因箱20的壁23的撞击或穿透而造成损坏。应当理解，变电站中的任何电气设备如旋转机器、开关设备和断路器都可以具有外部或外壳，其外表面以与本文所述的感应设备10相同的方式被涂层保护。此外，电气设备壳体可以以与感应设备10相同的方式用防弹加固板来改装，如将在下面更详细描述的。
应当理解，当电气设备被实施为开关设备或接地箱壳断路器时，绝缘介质可以是六氟化硫(SF6)、空气或适合于该应用的另一类型的绝缘介质。
感应设备10被加固以处理由于物体(例如弹道射弹和其他侵入物)的撞击而容易发生故障的区域。感应设备的某些区域设置有涂层以防止箱被射弹或其他物体的直接冲击而穿透。例如，箱20被加固，因为箱20容纳了也被称为感应设备的有源部分的芯和线圈组件。芯和线圈组件在维修和/或更换方面具有最长的订货至交货时间。
在图1中还示出了低压套管12和低压电涌放电器、高压电涌放电器16、压力释放装置26、控制柜28、壳体38、紧急压力释放阀30、充油配件37、排油阀39和调节氮气源40，调节氮气源40用于维持位于箱的内部容积内的在顶部油位与箱20的盖之间的感应设备10的气体空间中的正压氮气覆层。
具有上部散热器阀34、下部散热器阀36和风扇18的散热器冷却系统22在操作期间冷却感应设备10，并且油位和压力计24与备用水冷却系统一起工作，以使感应设备10冷却。在感应设备冷却散热器被诸如射弹的物体刺穿的情况下，油位和压力传感器24检测到油压下降并且启动设计成保护感应设备10的有源部分免受损坏的阀动序列。油位和压力传感器24可以作为组合传感器或单独的传感器提供。作为非限制性示例，可以与本公开一起使用的油位传感器是可以从意大利的蒙特贝罗维森托的Comem公司购得的油位指示器eOLI。进一步作为非限制性示例，可以与本公开一起使用的压力传感器是可以从纽约州的费尔伯特的Qualitrol公司购得的QUALITROL 032/042/045和AKM 44712/34725大油位指示器。
用于形成感应设备箱20的钢的类型为诸如CSA G40.21等级50W钢的低碳钢、符合ASTM A36标准的低碳钢、符合ASTM 504标准的低碳钢以及符合A572等级50标准的低碳钢，但是应当理解，可以使用其他类型的钢。在箱20中使用的低碳钢的厚度为从约0.375英寸至约1.25英寸厚。
按基于总重量的重量百分比计的A36和A572等级50低碳钢的化学成分通过以下表1和表2中的非限制性示例提供：
表1
化学成分-ASTM A36钢
表2
化学成分-ASTM A572等级50钢
用来构建箱10的ASTM 36和ASTM A572等级50低碳钢具有以基于总重量的重量百分比计的以下成分：
0％≤碳≤0.29％；
0.85％≤锰≤1.35％；
0％≤磷≤0.04％；
0％≤硫≤0.05％；
0％≤硅≤0.4％；
至少0.2％的铜；
以及剩余成分由铁构成。另外，其他元素可以以痕量存在。符合ASTM A36标准和ASTM标准A572等级50的低碳钢除了对上述元素C、Mn、P、S和Si所列的范围之外，还含有至少0.2％的重量百分比的铜。此外，除了具有元素C、Mn、P、S、Cu和Si之外，ASTM标准A572等级50的低碳钢的成分还包含基于总重量的重量百分比为从0.005％至0.05％的铌。
本公开的发明人使用涂层与包括先前提到的低碳钢的各种金属基板和AR500钢(布氏硬度为500的耐磨(AR)钢)的组合进行了测试。本发明人通过测试发现，涂层防止诸如表6中提供的弹药的射弹穿透感应设备箱20的壁23。应当理解，金属基板包括感应设备箱20壁的外表面和用于变压器部件的任何防护件48、56、52、78、92。
发现用于与AR500钢的优化的1/2英寸的箱壁厚度相结合的优化的涂层厚度，实现了UL 752等级8和UL 752等级10的防弹保护。可用于构造箱20的AR500钢的示例是可从俄亥俄州的Mapel heights的Clifton钢铁公司购得的
表3
可选地，可用于构造感应设备箱20的AR500钢AR500的以基于总重量的重量百分比计的标准成分在下表中提供：
表4
在一个实施例中，如下面将进一步详细描述的，发现由具有3/8英寸厚度且没有涂层的AR500钢形成的变压器箱20实现了UL 752防弹等级8的防护。此外，AR500钢用于使控制柜28、水冷备用系统33、屏障和防护件加固。涂层减少了由于射弹的冲击造成的金属碎片“剥落”量。涂层可以在箱20的所有外表面(例如侧壁和盖)、控制柜38、散热器22、储存器46、阀、壳体和套管12、14上使用。
涂层的示例包括但不限于：纯聚脲涂层、双组分聚脲和聚氨酯喷涂系统以及具有低挥发性或非挥发性有机化合物的芳香族聚脲喷涂弹性体系统。涂层提供抵抗腐蚀性化学品和环境因素的持久的表皮成分。应当理解，本发明人考虑了其他类型的涂层，并且通过非限制性示例提供了涂层类型。
当涂层实施为具有零挥发性有机化合物的双组分聚脲喷涂弹性体系统时，第一组分(即“A”侧)包含芳香族或脂肪族异氰酸酯(或二异氰酸酯)，以及第二组分(即“B”侧)包含胺混合物或聚胺。芳香族异氰酸酯混合物含有重量百分比为从约0.1％至约50％的异氰酸酯。具体地，异氰酸酯混合物含有重量百分比为从约0.1％至约45％的二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯，以及重量百分比为从约0.1％至5％的亚甲基二苯基二异氰酸酯。胺混合物含有重量百分比为从约70％至约99％的胺，例如二乙基甲基苯二胺以及α-(2-氨基甲基乙基)-Ω-(2-氨基甲基乙氧基)-聚(氧基(甲基-1,2-乙二基))。更具体地，胺混合物含有重量百分比为从约50％至约75％的α-(2-氨基甲基乙基)-Ω-(2-氨基甲基乙氧基)-聚(氧基(甲基-1,2-乙二基))，以及重量百分比为从约20％至约25％的二乙基甲基苯二胺。
可以将约0.1％至约20％的重量百分比的颜料加入到胺混合物中以提供涂层的所需颜色。在一个实施例中，涂层在喷涂过程中具有基于与聚脲涂层分散在基板上的聚(对苯二甲酰胺)的对位芳纶纤维，以提供涂层的附加强度。这里使用“约”意味着±1％。
第一组分和第二组分被预热并在高压下使用双组分喷涂设备以1:1的比例施加。预热的异氰酸酯和胺在在喷枪外在高压下结合并反应，以在施加的基板材料上形成聚脲涂层。作为第一组分和第二组分的反应产物的聚脲涂层在施加后几分钟内固化，并与基板材料结合，在本示例中该基板材料为低碳钢或AR500钢。
可选地，涂层被实施为双组分聚脲喷涂弹性体系统，其具有包括芳香族异氰酸酯混合物的第一组分，该混合物包含从约30％至约60％(基于总重量的重量百分比)的异氰酸酯和从约5％至约15％(基于总重量的重量百分比)的碳酸丙烯酯。异氰酸酯是多元醇与二苯基甲烷二异氰酸酯的反应产物。第二组分是含有从约61％至约89％(基于总重量的重量百分比)的聚氧丙烯二胺的胺混合物。
第一组分和第二组分被预热并且使用双组分喷涂设备以1:1的比例在高压下施加。预热的异氰酸酯和胺组分在喷枪外的高压下结合并反应，以在施加的基板材料上形成聚脲涂层。作为第一组分和第二组分的反应产物的聚脲涂层在施加后几分钟内固化，并与基板材料结合，在本示例中该基板材料为低碳钢或AR500钢。
用于实施本公开的涂层的示例是可以从阿拉巴马州的Huntsville的Line-XProtective Coatings公司购得的XS-350。可用于实施本公开的教导的涂层的其他示例是可以从华盛顿州的Lakewood的Specialty Products公司购得的Dragonshield-BC以及可以从加利福尼亚州的圣地亚哥的Rhino Linings购得的RhinoArmor PPFR 1150。应当理解，本发明人考虑了各种涂层，并且通过非限制性示例提供了涂层类型。
涂层具有从约45至约70的ASTM D2240邵氏D硬度计硬度。更具体地说，邵氏D硬度计硬度为从约50至约61。
本公开的发明人将涂层应用于先前已经使用的69kV的12/16/20MVA(ONAN/ONAF/ONAF)变压器。感应设备10被断电，排出箱20中的介电流体，并且在施加涂层之前将散热器和所有外部附件如导管和布线移除。
使用喷枪施加涂层以实现每个涂层的从约20密耳至约40密耳(0.5mm至1mm)的湿膜厚度，从而在每个箱壁上实现至少半英寸的厚度箱壁。
发明人进行的第一系列弹道试验研究了具有施加并结合到钢板基板的一侧的不同厚度(1/8英寸、1/4英寸和1/2英寸)的涂层的各种厚度(1/8英寸、5/16英寸、3/8英寸和1/2英寸)的低碳钢板的性能。根据ASTM-F1233使用两种类型的弹药(7.62mm(0.308口径)NATOM80弹珠，全金属外套(FMJ)和30-06，加套软点(JSP)子弹)进行测试。对板样品的ASTM测试的描述如表5所示。
表5：测试系列#1的样品描述
表6：弹道测试比较：ASTM>
具有3/8英寸和更薄的钢板厚度的所有样品，无论涂层的厚度如何，每次测试都会失败。如果有一个或多个被规定弹药冲击而发生表面穿透的情形，则样品将不满足特定的弹道等级。具有1/2英寸厚的涂层、1/4英寸厚的涂层和小于这些值的涂层的样品都通过了ASTM-F1233 R3测试，但是在ASTM-F1233 R2测试中失败。涂层厚度为1/2英寸的1/2英寸厚钢样品通过了ASTM-F1233 R2和ASTM-F1233 R3弹道测试。
ASTM-F1233测试和UL 752等级8测试的特征的比较示于表6中。ASTM-F1233 R2使用具有软尖端的较重的弹药以便更好地穿透目标材料，并且弹药在冲击时的平均行进速度高于UL等级8弹药。UL 752等级8比ASTM测试要求更靠近目标的范围。
穿透材料的能力取决于几个因素：材料的硬度和厚度、子弹的结构和重量以及子弹对材料的冲击速度。冲击的强度及其破坏材料的能力取决于子弹的动能，其中子弹的动能与质量和速度平方的乘积成比例。例如，UL 752等级8弹道和ASTM F1233 R2弹道的冲击时的平均动能分别为2805英尺-磅和3436英尺-磅。
对于测试系列1，下面提供了ASTM F1233测试的结果：
表7：结果总结-测试系列1
现在参照图4a、4b和4c，测试系列2的测试样品以立方体的形状形成，以模拟变压器箱的一般形状。样品由厚度为3/8英寸和1/2英寸的低碳钢或AR500钢制成，如表8所示。在每个立方体的顶部设置有两个提升钩73，以允许两个人通过穿过所述钩的杆来搬运。在立方体的顶部设有两个口71，用于填充水并将被取代的空气排出立方体。两个立方体几乎完全被填充了水以模拟变压器内部的介电流体。
应当注意，尽管使用水来填充立方体并模拟不可压缩的流体例如介电流体，但是该介电流体具有比水大的粘度。因此，与水相比，该介电流体较不容易泄漏。然而，由于安全性和环境方面的关注，在测试中使用水而不是介电流体。下表给出了介电流体的粘度与水的粘度的对比：
每个立方体的一侧由裸金属形成，而其他三侧均涂覆有聚脲涂层，以实现不同的厚度，如下表所示。立方体的顶盖用螺栓固定在围绕立方体顶部的垫圈法兰上。旋转立方体，使得对于每个测试，所有涂层厚度和金属厚度组合都面对射击者。
如下表所示制备用于UL 752弹道测试的样品：
样品#1：用水填充的3/8英寸普通钢立方体
样品#2：用水填充的3/8英寸装甲钢立方体
样品#3：用水填充的1/2英寸装甲钢立方体
现在参照图5a、5b和5c，制备了具有用于改装应用的平行板的表8中的编号为4和5的测试样品。在测试改装应用时，使用3/8英寸厚的低碳钢板来模拟变压器箱20，并使用8英寸宽的支架29从3/8英寸AR500装甲钢板31偏移8英寸。测试序列在UL 752等级8和UL 752等级9下执行。使用8英寸的偏移来模拟由8英寸宽度的加强件54造成的弹道板与箱壁的偏移。壁加强件54是具有敞开面的矩形棱柱，其以彼此相等的间隔焊接在箱壁上。壁加强件可以相对于箱20的底壁的平面竖直地或水平地设置。加强件54可以相对于箱20壁的形成间隙，并且填充有防弹材料74，例如凯夫拉(Kevlar)或砂。
如前所述，不同的标准协会已经制定了防止被从距离目标的指定距离射出的特定弹药穿透的材料和结构的等级。由本公开的发明人进行的第二系列测试评估了涂覆有不同厚度的涂层的低碳钢和AR500钢的箱厚度的组合。根据UL752标准的三个最高等级UL752等级8、9和10测试箱材料、箱厚度和涂层厚度的组合。
UL 752标准等级8、9和10的规格描述如下：
UL等级8使用30口径的M80弹珠全金属套(FMJ)进行测试，其中166个颗粒以每秒2750-3025英尺的速度行进。向在距离枪口15英尺处放置的样品中发射五次射击。
UL等级9使用30口径的Armor Piecing(AP)M2子弹进行测试，其中166个颗粒以每秒2715-2986英尺的速度行进。向在距离枪口15英尺处放置的样品中发射一次射击。
U L等级10使用50口径的弹珠进行测试，其中708个颗粒以每秒2810-3091英尺的速度行进。向在距离枪口15英尺处放置的样品中发射一次射击。
使用沿正交于位于竖直平面内的变压器箱20的壁的水平面发射的所需数量的射击测试所有样本。
如表8所示，发现UL等级10的最佳涂层和箱壁厚度组合是当使用XS-350双组分聚脲喷雾作为涂层时，施加在具有1/2英寸厚度的AR500钢形成的箱壁的1/2英寸厚的涂层。当至少有1/2英寸厚度的涂层施加到具有至少1/2英寸厚度的AR500钢箱时，来自弹道冲击的弹片主要被捕获在涂层内部，并且没有穿透AR500钢箱20。涂层似乎已经吸收了大量的弹片，因此减少了来自箱的表面的碎片量。此外，AR500钢壁防止了子弹穿透箱壁并到达箱的内部。
由发明人根据UL 752标准进行的弹道测试的结果在表8中给出。
表8根据UL 752标准进行的弹道测试
总之，表8提供了以下结果。具有3/8英寸厚度的AR500钢在没有涂层的情况下符合UL等级8弹道要求，并且在箱20上的冲击部位造成了一点损坏。具有1/2英寸的厚度、无涂层的AR500钢符合UL等级9的弹道要求，但经历了对冲击部位的重大损坏。具有1/2英寸厚度和1/2英寸的施加的聚脲涂层的AR500钢符合UL等级10的弹道要求。
此外，在由具有3/8英寸厚度以及被施加到至少1/2英寸厚度的涂层的低碳钢制成的样品中，箱壁被UL 752等级8的弹药穿透并且在箱中具有至少1/2英寸直径的孔。然而，只有少量的水通过涂层。因此，施加有涂层的箱20不太可能通过任何微小的孔泄漏介电流体。
例如，防止了箱壁中直径为约0.5mm至约12.7mm的开口从箱泄漏介电流体。连接感应设备的侧壁23的接头处的焊缝中的缺陷可以是针孔的尺寸，并且直径更接近于从约0.5mm至约1mm，而弹孔的尺寸为从约5mm至约12.7mm。在针孔的情况下，针孔被聚脲涂层填充或覆盖，并且防止介电流体泄漏。在弹孔的情况下，介电流体一次只能以几滴的形式泄漏，因而防止了介电流体的泄漏对环境的一定影响。
此外，聚脲涂层可以在内电弧的情况下提供受控的破裂，其中来自所述电弧的压力将沿着箱壁竖直地被涂层吸收，并暴露出在没有施加涂层的箱盖21的界面27处的最弱接头。可以通过在具有涂层并且不将涂层施加到壁上的箱中模拟高能电弧来测试受控破裂特性。箱盖21的界面27处的受控破裂比侧壁23的焊缝25处的破裂更为理想，
因为在点火的情况下，这样可以控制油的泄漏和燃料向火的供应。
可以通过连接隔开大约1英寸并且固定在箱内的两根电极之间的细线来模拟箱中的短路。通过使高电流通过两个电极和所述线，可以模拟高能量电弧。通过短路电路的高电流将在箱中产生伴随有高压的电弧。如果电弧能量足够高，则压力会使箱破裂。在箱破裂的情况下，由于聚脲涂层沿着箱壁竖直地吸收压力，所以破裂将是箱盖21的界面27处的受控破裂。
总之，如下表9、10和11所示，本发明人通过对低碳钢和AR500钢板和箱20的弹道测试发现，施加到1/2英寸厚的AR500钢的优化箱厚度的至少1/2英寸的优化涂层厚度实现了UL 752等级10保护，
并且限制了金属碎片的剥落。然而，使用至少0.25英寸(6.35mm)涂层厚度和高达约1英寸(25.4mm)涂层厚度与本文提及的所有各种金属和厚度的组合，确定了一些保护性益处。由于目前大多数感应设备箱都是由低碳钢制成，所以只有新制造的感应设备才能由AR500钢箱组成。现有的感应设备可以使用具有厚度为至少1/2英寸的聚脲涂层的AR500钢板进行改装。
此外，在具有被改装以用于抵抗弹道冲击的低碳钢箱的感应设备中，感应设备具有焊接到箱20的侧壁的销，其中具有高达0.5英寸厚度的AR500钢板进一步螺栓连接或焊接到该销以提供保护壁。可选地，具有高达0.5英寸厚度的AR500钢板被焊接或螺栓连接到纵向附接至箱的侧壁的加强件54。将涂层进一步施加到AR500钢板上，直到达到至少0.5英寸的厚度。为了提供UL等级8的防弹保护，AR500钢板设置为3/8英寸的厚度，并且向其施加至少0.5英寸厚的聚脲涂层以限制金属碎片的剥落。
以下提供用于加固新的和改装的感应设备的解决方案的总结。
表9：新的感应设备应用
表10：用于3/8英寸的低碳钢箱壁的改装应用
表11：用于1/2英寸的低碳钢箱壁的改装应用
在一个实施例中，第一层涂层结合到箱壁上，并且提供钢板作为第二层。第三层是提供的涂层。箱20、第一层涂层、第二层钢板和第三层涂层结合在一起。第一层涂层和第三层涂层以从约0.25英寸(6.35mm)至约0.75英寸(19.05mm)的厚度提供。由本文所提到的类型的AR500或低碳钢形成的钢板为从约0.25英寸(6.35mm)至约0.75英寸(19.05mm)。
现在参考图2，油储存器46被示出为具有附接到其上的防弹防护件48。储存器防护件48由前面在新的和改装的设备中提到的类型的AR500钢或低碳钢形成。当使用AR500钢形成储存器防护件时，如果单独使用AR500以满足UL 752弹道等级8，则钢的厚度至少为3/8英寸。否则，使用0.5英寸(12.7mm)厚的AR500钢结合0.5英寸(12.7mm)的涂层厚度以满足UL752弹道等级9和10。0.5英寸(12.7mm)厚的低碳钢和0.5英寸(12.7mm)厚的涂层可以符合ASTM F1233标准。
防弹防护件48可移除或固定到储存器46的支撑件和/或箱20。防弹防护件46也用作储存器46的伪装，因为潜在的目标物是不可见的，并且防弹防护件46可以形成为使射弹偏转的形状。在一个实施例中，储存器48的油位计由钢板保护和隐藏而不可见，并且可以仅从地平面读取，或者在远离或靠近安装感应设备10的变电站的功率网络控制中心读取。在另一个实施例中，储存器48由厚度为1/2英寸的低碳钢形成，并涂覆有1/2英寸厚度的涂层以符合ASTM F1233 R2或R3弹道水平。
应当理解，箱20和储存器46可以在新的应用中由AR500钢或厚规格钢形成，并且阀、计量器和冷却系统可以被放置在中央位置/槽中，以被由厚规格钢或潜艇用钢形成的各种防护件保护。然后可以用涂层涂覆所有表面，并且可以使用防护件和屏障来作为箱20和储存器46加强的钢外壳的替代或补充。此外，应当理解，由本文所述的材料和布置制造的任何组合都可以用于加固感应设备箱，提供为感应设备10防护射弹的层状的、非均质的途径，并且通过非限制性示例提供具体的布置。
现在参考图3，检修孔盖58示出为具有3/8英寸AR500钢检修孔防护件，其与螺栓连接到箱20上的检修孔盖58的检修孔盖形状相同。检修孔防护件56在与射弹或其他外部侵入物接触的情况下支撑检修孔盖58。检修孔防护件56具有比检修孔盖58少的紧固件开口，并且被切割成适于容纳固定检修孔盖58的现有紧固件的形状。
现在参考图6，示出了包围气体继电器50(例如Buchholz继电器)的框架52。框架52被加固并且在新的和改装的感应设备10的安装中都包围气体继电器50，并且通过夹具82和安装支架84固定到气体继电器。夹具82具有弓形侧面86以补偿管51的挠曲。在一个实施例中，低碳钢或AR500钢框架52涂覆了具有与前面对于储存器防护件48描述的厚度相同的厚度的涂层。此外，应当理解，被测试的各种组合中的低碳钢和AR500可以施加并固定到需要免受弹道冲击的箱20的任何部分。
在一个实施例中，钢框架52设置为阀防护件，该阀防护件与相应的阀30、39的输出螺纹可移除地接合，或者使用与阀本身相同的螺栓栓接。框架52具有固定到框架52的每一侧的防弹加固板。框架52的至少一侧具有与相应的阀30、39的螺纹部分接合的螺纹。除了保护相应的阀不被射弹冲击之外，框架52还可以隐藏阀而使其不可见。在一个实施例中，感应设备10被设计成使得所有阀被送入箱20上的单个位置，其中共同的框架52围绕被焊接或螺栓连接到箱20的阀。
现在参考图7a，可移除的防护件78可以放置在油位和油压计24以及感应设备10设置的任何其他计量器、温度计或分析器上。可移除的防护件由相同的材料形成，并且施加有前面对于储存器防护件48所提到的涂层。
所有仪器、计量器、散热器22组和各种阀可以放置在感应设备10上的单个位置，以便通过中心位置中的可移除防护件78进行保护。仪器、温度计和计量器被实施为提供远程读取能力(意味着远离感应设备或变电站位置)的设备，例如在网络控制中心、服务人员移动设备和/或控制柜28进行读取。油位24指示器也以接近地面水平的角度定位，使得计量器24可以从地面水平读取，这与靠近盖并且不是以一定角度在箱20的侧壁上的典型定位形成对比。还可以提供读取面板80，使得在面板80上可以看到计量器24的读数。
图7b、图7c和图7d示出了防护件78的部件的组件。图7b示出了在油位计24的相对侧上焊接到储存器46的底部的安装支架77。图7c描绘了通过紧固件固定到支架77的两个金属面板75中的一个金属面板。金属面板75由以45度角焊接的AR500钢形成。防护件78的最终组件如图7d所示，示出了油位计24受保护而不可见并且免受弹道冲击。
其他加固特征，如图12a和12b所示的局部屏障120、122、124，可以分别围绕诸如阀和分接变换马达驱动器的附件或来自感应设备的箱壁的表面的任何其他突起构造。屏障120、122、124由围绕附件的加固钢板126形成。依赖于所需的防护等级，钢板根据表9、10或11中列出的材料和厚度依赖于依照电感设备的应用进行加固。可以以这种方式保护的其他附件的示例包括但不限于：储存器、Buchholz继电器、填充阀、CT接线盒、吸湿器、有载分接变换器、带计量器的控制柜、氮气瓶柜、排水阀、原始振动传感器、RMS传感器和检修孔盖。
局部屏障120、122、124通过拆开保护板或者拆开一侧并打开屏障门128(如果存在的话)而被拆卸，以提供用户对附件的访问，从而进行维护和仪器读取。当设计要被用户移除的加固板时，每个可移除板的手动搬运重量在23公斤以下。
外部附件可以使用共同的屏障设计来保护，所述共同的屏障设计具有应用于框架的加固板，框架能够直接焊接到箱壁、盖或任何合适的表面。加固的板被螺栓连接到框架以提供保护。为了访问较小的设备，前屏障可以被移除。对于小型和大型附件，前屏障可以设计有铰链以创建如图12b所示的门。
屏障的形状将由附件的位置决定。例如，图10a和图10b描绘了安装在箱壁23上并且具有三个暴露的侧面的屏障，然而，安装在感应设备10的顶壁上的附件将需要从所有四个侧面的保护。
现在参照图44，示出了具有用于保护控制柜28的可移除的滑动防弹面板42、44的感应设备10。应当理解，分接变换器可以设置在控制柜28内或单独的机柜中，并利用可移除的滑动防弹面板42、44进行保护。典型的控制柜28设置有用于观察控制柜28内部的电子设备的玻璃窗。因此，可移除的滑动防弹面板42、44为控制柜28的其他暴露部分提供保护。
如果作为新的变压器提供，图44中的感应设备箱20由装甲钢或低碳钢以及上述厚度的涂层。具有低碳钢或装甲钢箱20的新的感应设备10可以设置有安装在箱20的外部、用于简化的读取访问的计量器和指示器，然而，控制柜28的电子器件由AR500钢和/或施加到控制柜28的外表面的涂层保护。
对于新的和改装的感应设备，箱20由装甲钢或低碳钢形成，并且具有施加到箱20的外表面的涂层。可选地，箱20由低碳钢制成并且被由纤维形成的三轴芳香族聚酰胺的覆层或涂层包覆，所述纤维例如为聚酯、聚酰胺或芳香族聚酰胺，如由E.I.Du Pont DeNemours and Company以
新的和改装的感应设备10设置有由AR 500钢形成的固定的、可移除的和/或滑动的门弹道板42、44。在一个实施例中，固定的、可移除的和/或滑动的门弹道板42、44设置有具有特殊形状或成分的钢板，其被设计成使弹道射弹从接触表面偏转或弹起。
现在参考图45，设置有散热器防护件70。散热器防护件70可移除并与散热器组22的前部间隔开，用于保护散热器免受射弹冲击和通过迫使空气循环来防止冷却空气逸出这两个目的。防护件可以由单片金属(例如装甲钢)或装甲钢板焊接在一起以形成多壁结构来形成。
在一个实施例中，散热器防护件70的金属片或金属板由波状的14规格或16规格钢形成。在该同一实施例中，散热器防护件70保护感应设备10免受低角度的高速碎片、弹片和简易爆炸装置的影响，同时提供作为抗撞击车辆屏障的保护。散热器防护件70可以设计成用砂填充的箱子，以进一步加强散热器防护件70对进入的侵入物的抵抗。
在一个实施例中，三轴芳香族聚酰胺织物的覆层或三轴芳香族聚酰胺织物作为遮蔽层放置在散热器防护件70上方以提供额外的保护层。将散热器22和备用水冷却系统定位在同一个组中，并通过散热器防护件70保护整个组，将组集中并允许用于防弹的单个散热器防护件70。
现在参照图46，感应设备10被由诸如聚酯、聚酰胺或芳香族聚酰胺的纤维形成的三轴芳香族聚酰胺织物形成的覆层62覆盖。覆层62位于感应设备10的低压侧，以保护套管12、14和储存器46。在一个实施例中，支撑件48可以通过连接在两个支撑件之间的杆设置在变压器箱的每一端，使得覆层62可以如同篷布一样放置在杆上方。可选地，防弹覆层62围绕箱20和/或储存器46缠绕，并使用扎带或紧固件固定。防弹覆层62保护变压器，并且还用于隐藏感应设备10上的潜在目标。
覆层62与施加到套管12、14和储存器46的外表面的涂层一起提供了双层保护，以防射弹刺穿覆层62并接触套管12、14和/或储存器46的表面。此外，覆层62保护设置在感应设备10的盖上的其他装置。
还提供了快速压力上升继电器，其检测箱20所经受的压力的突然变化。快速压力上升继电器与压力释放装置一起工作以释放压力，直至实现可接受的水平。压力释放装置在快速压力上升继电器检测到可接受的工作压力水平时自动重新密封。压力释放装置与排油管39集成以将油引导到地面。
现在参照图47，电感设备10示出为具有支撑壁的较弱部分的壁防护件72和/或设置有加强件54。诸如砂的防撞材料可以放置在加强件54的内部，以保护箱20和有源部件。壁防护件72用于保护侧壁和安装在其上的任何附件、计量器和阀。砂袋也可以附接到箱20或盖，使得袋覆盖箱20的对应于感应设备10的有源部件或在受损时可能对有源部件造成损坏的其他部件的表面。
在一个实施例中，整个变压器10和所有外围设备完全被混凝土壁76或防弹覆层62包围，如图48和图49所示。
现在参照图8a和图8b，示出了对OFAF(强制油/强制空气热交换器冷却器)箱安装式冷却器92形式的感应设备的可复原的冷却保护。弹道板92围绕除了风扇94周围之外的OFAF冷却器的竖直侧面固定，使得所有的竖直边缘和表面均受到弹道板的保护。OFAF冷却器被设计成使用风扇94竖直地引导空气。如图8b所示，弹道板92的放置不会妨碍OFAF冷却器92的风扇94的气流。
用于保护冷却器90的板92附接到进一步通过螺柱或焊缝安装到箱的框架上。具有空气入口或出口的冷却器90的侧面不得被覆盖，否则会导致冷却效率低下。除了保护冷却器90免受射弹的冲击之外，弹道板还用于保护处于子弹视线(line of sight)中的冷却器90的边缘以及用于伪装冷却器90。
板92由如前面针对由弹道板92保护的储存器防护件48和其他感应设备部件所描述的金属和/或涂层形成。使用OFAF热交换器的优点在于尺寸和重量仅为等同的散热器/风扇冷却的25％。
弹道加固板92可以改装到散热器22的一侧或ONAF冷却器90的边缘，以防止ONAF冷却设备(具有风扇的散热器)被子弹穿透。在一个实施例中，如图8a所示，冷却系统具有靠近感应设备箱的两个相对的侧壁23中的每一个侧壁的散热器22或ONAF冷却器90，并且只有散热器22或ONAF冷却器90的相对侧壁才装配有板92，使得风扇94不被阻挡。
每个散热器22或ONAF冷却器90具有顶壁、底壁和侧壁以及至少一个风扇94。板92附接到冷却系统的每个相对的侧壁，并且涂层结合到板的外基板表面。ONAF冷却设备可以以与OFAF冷却器相同的方式改装为具有弹道板92。可能需要额外的或更大的风扇来补偿由于安装弹道板92而导致的冷却能力的任何降低。
弹道板92悬挂在安装在箱上的框架上，是AR500钢或更轻量的低碳钢，具有如上在测试结果中以及针对随感应设备10安装的其他弹道板所描述的厚度和涂层的防弹涂层。
冷却对感应设备至关重要，并且感应设备只能在受损或减少的冷却的情况下短时间操作。对弹道事件期间冷却复原的期望结果将是完全预防，而不会损失服务(弹道不穿透感应设备，并且存在在线的副冷却)。可选地，使用感应设备故障预防以最小化停电时间，该感应设备故障预防通过利用可选的预先计划的冷却更换的强制关闭来进行。
通过与负载或环境温度变化不一致的油位快速下降来检测感应设备的子弹穿透。用电子油位传感器实现检测。数据获取单元106具有处理器108和非暂时性计算机可读存储介质110，非暂时性计算机可读存储介质110上具有多个机器可读指令112；当由至少一个计算机处理器108执行时，机器可读指令112使所述至少一个计算机处理器108将温度、油压和油位测量中的一个与对于至少一个测量值的预定阈值进行比较，以确定测量是否可促使操作。
使用电感设备负载和环境温度与负载和环境温度的预期值的比较来确定测量值是否由于弹道事件或其他事件而可促使操作。如果确定测量是可促使操作的，则感应设备立即跳闸离线，以防止源自弹道事件的金属污染导致感应设备的介电故障。因此，可以保存感应设备的芯/线圈的完整性，但可能会有明显的油损失(环境事件)和显著的维修成本。
具有储存器46的感应设备通常在储存器管中具有最小的油位检测，该检测最终可以对感应设备进行报警和/或跳闸。组合的油位和压力传感器可以快速检测快速压力下降，并将低于预定阈值的油位和/或压力通知控制中心。
在压力或油位下降到阈值以下的情况下，维修工作可以包括箱修理、冷却器90、96被子弹穿透的情况下的冷却更换、针对裂片或其他冲击产生的碎片的污染进行的箱内部检查、提供新的油以及真空填充。如果必须如图9所示提供新的冷却，还可以使用移动式冷却器96来使单元在降低的油位和压力水平下保持运行。移动式冷却器96具有允许将冷却器90放置在感应设备10旁边的支撑件98。
冷却阀由数据获取单元106触发以立即关闭，从而进一步防止金属污染进入绕组并限制油的损失。因此，如果子弹穿透冷却器90，则油的损失将仅限于冷却油量。
为了将可复原的冷却溶液应用于现有的感应设备，提供电致动的冷却阀。电致动的冷却阀通过下述步骤来安装：关闭当前的门(在用于远程冷却的每个冷却器处或冷却器管道中)，将冷却油排出到储存器，移除所有冷却设备，在现有的阀旁边安装新的电致动冷却阀，重新安装冷却设备并用冷却油重新填充(可选地，可以在用冷却油重新填充的同时进行抽真空)。停电时间可能为1至3天或如果使用真空则只需要几个小时。此外，在检测到弹道事件的情况下，数据获取单元106使主冷却被关闭并从感应设备的油流中撤销。同时，数据获取单元106触发副冷却进入操作。
可以与本公开使用的电致动冷却阀的示例是可以从位于德克萨斯州休斯顿的Forum Energy Technologies公司购得的ABZ高性能蝶阀。
现在参照表12，总结了上述冷却选项。
表12
现在参照图43，描绘了用于保护感应设备10的有源部分的关闭序列。当检测到等于或高于预定阈值的油压和/或油位下降时(这例如可能发生在感应设备10被引起介电流体损失的诸如射弹的物体撞击时)，关闭序列被激活。在正常操作中，具有上部散热器阀34、下部散热器阀36和风扇18的散热器冷却系统22在操作期间冷却感应设备10，并且油位和油压计24与备用水冷却系统33相结合地工作以冷却感应设备10。在冷却散热器被射弹(例如子弹)刺穿的情况下，油位和油压计24检测到油压的下降并且执行如图43所描绘的阀动序列。具体地，该序列被设计成保护变压器10的有源部分不被损坏。
阀序列被设计成隔离损坏的散热器22冷却部分并将冷却操作传递到备用水冷却系统33。首先，在步骤1中，组合的油位和压力计24检测由散热器板被刺穿和绝缘流体泄漏引起的绝缘流体压力和液位的变化，并提供快速响应。接下来，在步骤2和3中，上部散热器阀34和下部散热器阀36(两个阀34、36都具有致动器)在检测到临界低油位(例如低于油位的下限值)而从油位和压力计24发送信号时同时关闭。
在如图2所示的步骤4中，上部和下部散热器阀34、36关闭之后，当通过油位计检测到临界低油位而从油位和压力计24发送信号时，启动包括泵的水冷却备用系统33。备用水冷却系统连接到标准水源，并且不断地将水吸入变压器10的冷却系统中。可选地，备用水冷却系统是包含水的贮水器或水箱，其中的水被泵送到变压器10以冷却绝缘流体。水冷却备用系统33和泵容纳在容器中以免受弹道射弹和其他侵入物冲击。
感应设备10配备有用于感测冲击的振动传感器和用于在变压器10受到诸如来自弹道射弹的冲击或振动时通知人员的报警器。如果冲击、振动或噪音水平高于感应设备10的正常操作期间所经受的冲击或振动的阈值，则激活安全模式。在变压器受到诸如弹道射弹的撞击的冲击或者测量到高于预定阈值的声学信号时，所启动的安全模式使分接变换器机构停止，并且在散热器22关闭的情况下启动所有风扇。变压器的安全关闭序列可以例如在压力释放阀30打开时发生。在这种情况下，保护感应设备10的诸如断路器的电力中断设备具有通过与阀和/或油位和压力计24连通的继电器打开的触点30。可选地，在散热器22关闭的情况下，备用水冷却器系统33被激活。
现在参照图10至图11以及下面的表13，本发明人进行了一系列测试以确定所施加的涂层对感应设备的噪声水平的影响。这些测试是按照IEEE C57.12.90 2010“用于液浸配电电压器、电力电压器和调压电压器的标准测试代码”，使用以前面所述的方式涂覆了XS-350的69kV、12/16/20MVA变压器进行的。发现与相同结构的未涂覆变压器相比，测试期间变压器的噪声水平降低了至少4分贝。
在涂覆的变压器和未涂覆的变压器上执行的噪声测量是总芯噪测量测试。总芯噪测试的比较见下表13：
表13
可听噪声测量(涂覆的变压器箱对未涂覆的变压器箱)
噪声数据的分析表明，与没有涂层的感应设备相比，具有涂层的感应设备的总芯噪水平最大降低了4.3dB。因此，与未涂覆的感应设备相比，施加有涂层的感应设备的芯噪水平降低了约0.1dB至约4.3dB。用于噪声水平测试系列的感应设备具有由具有3/8英寸厚度的ASTM A36低碳钢形成的箱。此外，XS-350以1/2英寸的厚度施加到箱的侧壁23。
现在参照图10，在26个测量点使用围绕涂覆有XS-350的感应设备的26个声学传感器进行测量。每个声学传感器安装在支架上，支架距箱的底座或地面水平的高度为感应设备箱总高度(图10中的Ht)的1/3或2/3。在12.5至2000赫兹的指定频率下的声压水平测量记录Li在图10中。
通过使用等式(34)：
其中：
Li是对于A加权声压水平，对于1/3倍频程频带或对于离散频率(dB)在第i个位置测量的声压水平；以及
N是声音测量的总数。
当测量的水平的变化为3dB或更小时或者当期望平均感应设备声压水平的近似值时，测量的声压水平的算术平均值可用于确定平均感应设备声压水平。
图11的标为“AVG”的第一列是对于标为“频率”的列中的所有测量的频率的
应当理解，各种因素影响芯噪水平测量，这些因素包括但不限于：芯、线圈和箱的设计和构造以及噪声水平测量系统的测量精度。由于这些因素，预期可以实现大于4.3dB的总芯噪水平降低。
针对环境完整性测试了XS-350聚脲涂层，因为户外应用将感应设备的壳体暴露于污染、雨、雪、风、灰尘和紫外线等因素中，这些因素会随着时间的推移而使涂层劣化。特别地，进行湿度测试、紫外线加速老化(QUV)测试和模拟腐蚀性大气击穿(SCAB)测试。根据ASTM标准D3363-11进行的湿度测试是使用其上施加有涂层的2个测试板进行的。评估测试板的起泡和软化，并发现符合ASTM标准D3363-11规范。
根据ASTM标准D523-14进行紫外线加速老化测试(QUV)，并且在评估测试之前和之后涂层的光泽度。测试板符合ASTM标准D523-14规范。QUV样品的开裂和裂纹的视觉测试评估也符合规范。
模拟的腐蚀性大气击穿(SCAB)测试根据IEEE标准C57.12.28-2014进行，对于截面a至d，在三周内进行504小时的紫外线照射、刻划和十五次暴露循环。所有的测试都符合IEEE标准C57.12.28-2014的规范。
弹道冲击感测
诸如大型功率变压器的感应设备是用于向最终用户可靠地传输和分配大量功率的关键功率系统部件。由于故意损坏或篡改造成的变压器故障是能够导致大规模停电或导致断电的重大事件。大型功率变压器的设计和制造周期可能需要至少一年或更长时间。通常情况下，由于变电站变压器的损失而导致的后果性损失能够超过变压器更换成本，因此，确保输电变电站中的变压器安全是NERC CIP(关键基础设施保护)要求。
需要立即处理其物理完整性受损的变压器，以遏制损伤的大小，并避免由于包括可能的断电在内的感应设备故障导致的重大间接损失。由本发明人开发并在本文中公开的基于传感器的解决方案不断地评估诸如变电站变压器的感应设备的物理安全性，并在发生将损伤感应设备的操作的完整性的攻击的情况下，及时警告操作人员采取纠正和/或预防措施。当确定感应设备遭受持续损伤时，将开始采取纠正措施。如果怀疑没有立即的损伤，但目标是防止未来事故并减少初期故障的可能性，则可以开始采取预防措施。
基于传感器的解决方案检测变电站感应设备和其他电气设备上的可能的攻击并对此进行响应，并且向公共设施控制中心130的人员和其他操作者提供自动损伤评估和察觉。
使用数据进行测试，以表示潜在事件、危险(包括枪击、扔石头和锤击)或不危险。提供了检测对诸如变压器(或其他电气设备)的固定感应设备的冲击并在子弹对感应设备箱20的冲击(定性为对感应设备的攻击)与非子弹撞击之间进行辨别的系统和方法。
在图13中示出了基于传感器的电气设备物理安全系统的高层级实施例。系统的主要部件包括各种传感器102和104、传感器数据处理单元106、用于远程通信的远程终端单元(RTU)132以及到控制中心130的接口。传感器可以是有线传感器、无线传感器或具有功率采集特征、不需要电源用以操作的自主传感器。传感器测量与运动、声音、光强度和其他环境因素相关的各种物理量。例如，传感器可以测量沿着三个轴的加速度和声波。
传感器可以独立地安装在感应设备周围，附接到感应设备箱20或安装在箱内。来自这些传感器的数据由传感器数据处理单元106收集。处理器接收传感器数据并对记录印时戳。传感器数据处理单元106还对原始数据进行诸如过滤和均化的初步数据处理任务。在一个实施例中，传感器数据处理单元106还运行用于本地报警和通知的检测算法。来自传感器数据处理单元106的输出由RTU 132接收，并通过优选的通信媒介传送到公共设施控制中心130的接口系统。
在一个实施例中，接口系统可以从RTU接收数据，并对数据集运行用于损伤评估的算法和详细的完整性检查。最终结果被实时显示在操作人员计量器板上，以允许采取行动。在另一个实施例中，来自传感器的输出用于在通过其他方式检测到油损失的情况下控制冷却系统阀的关闭。在该同一实施例中，来自传感器的输出也用于打开阀门，以便能够为感应设备应用冗余冷却系统。
传感器系统用作主要用于启动其他安全系统(例如变电站监测和监视系统136)的触发系统。例如，其可以用于引导摄像头拍摄感应设备或变电站周边的特定镜头。及时收集的这种证据可用于取证分析。
在这种情况下，数据处理单元运行一组算法以确定冲击的开始，并将触发信号发送到适当的监测和监视系统，以便详细测量和记录冲击事件。监视系统足够地灵活，能够在冲击即将发生之前以及在冲击正在发生时检测到冲击，这与使用固定在特定角度和有利条件(assets)或以缓慢速度移动并且可能错过攻击的开始的监视设备(即摄像头)的现有技术系统形成对比。
现在参照图14，提供了用于检测冲击并对检测到的冲击采取动作的步骤。这些步骤可以在数据处理单元106或控制中心130的具有不同复杂程度的计算机中实现。
在步骤138中，接收传感器数据。然后，在步骤140对传感器数据进行缓冲和预处理。预处理准备并清洁数据以便在后续步骤中进行分析。预处理覆盖的典型功能可能包括从测量中消除噪声、过滤/重新采样、分割和/或聚合。过滤从测量中消除不需要的分量。分割返回数据集中的兴趣期，聚合是组合来自多个源的数据或为以不同时间间隔到达的完全不同的数据提供统一性的技术。
在步骤142中，提取可能在时域、频域或时频域中的信息特征。在步骤144中，将特征馈送到分类器，分类器在步骤144中为数据集分配标签，该标签又在步骤146中用于逻辑检查。根据检测逻辑的结果，流程在步骤138中返回到数据处理的下一个间隔，或者在步骤148将其传送到报警块，触发操作人员或变电站监视系统的进一步动作。
由本发明人进行的一系列试验生成的数据表明了使用存在的信号波形特征(例如来自超音速子弹的冲击波信号以及来自枪口爆炸的信号)来区分枪击和非枪击的能力。然而，重要的是要注意，并不是所有的枪击都具有这些特征，因为一些枪击是亚音速的，枪口爆炸信号可能被消音器限制，并且爆炸和传感器之间可能会有物理干扰。虽然不相同，但最强锤击的加速反应与一些枪击相似。可以使用不同的波形特征来识别枪击和非枪击的冲击。
例如，超音速射弹具有两种形式的声能，即冲击波和枪口爆炸。冲击波在时间上发生在枪口爆炸之前，如图21所示。冲击波和枪口爆炸是枪支独有的，因此显然子弹已经从枪支发射出来。
在图15中示出了用于检测对变电站处的感应设备和其他设备的冲击的系统100的示意图。系统100具有至少一个声学传感器104、至少一个振动传感器/加速度计102以及数据获取单元106，数据获取单元106具有处理器108和非暂时性计算机可读存储介质110，非暂时性计算机可读存储介质110上具有多个机器可读指令112，机器可读指令112在由至少一个计算机处理器108执行时使所述至少一个计算机处理器108将从声学传感器104和振动传感器102接收的信号与声压和加速度的阈值进行比较，以确定冲击是来自诸如枪击射弹的物体还是来自非枪击射弹。至少可能需要一个加速度计来检测冲击是否与枪击相关。此外，如果测量的声压和加速度值中的任一个超过预定阈值，则向操作人员或公共设施控制中心发送警报。此外，如果测量的声压和加速度值中的任一个超过或符合预定阈值，结合有油温的增加或油压或油位的下降。声压和加速度数据记录在网络控制中心的数据获取单元和/或计算机的数据库中。
如果确定冲击是由于枪击射弹引起的，则可以采取各种措施，例如将变电站的监视摄像机引导到已经被击中或处于射弹的路径中的感应设备以及感应设备的周围附近。当可以基于下面描述的传感器数据确定射击者的位置时，可以将监视摄像机指向射击者的位置，并且可以启动面部识别顺序。此外，当确定感应设备受到攻击时，可以为感应设备启动备用冷却顺序，并且可关闭阀以防止介电流体从感应设备泄漏。
所述至少一个振动传感器和所述至少一个声学传感器各自接线到数据获取单元。所述至少一个振动传感器与感应设备箱20接触，并且所述至少一个声学传感器定定位成与感应设备箱20接触或不接触。应当理解，每种类型的多于一个的传感器可以依赖于表15所示的期望结果以各种组合使用，这将在下面更详细地描述。
在一系列基于传感器的弹道测试期间，射击者在距离箱20大约60米处排成一行并与箱20正交。在感应设备箱20上进行了测试，其中感应设备箱20用水填充到其高度的大约三分之二，并且在测试之前涂覆1/2英寸的XS-350涂层。
现在参照图16，振动传感器被附接在箱壁的底部附近。传感器比其余的传感器更靠近射击者大约1米，因为它连接到平台150的边缘。
在表14所描述的测试试验期间，从四个传感器收集数据，这四个传感器包括两个原始振动传感器、一个RMS加速度计和一个声学传感器。RMS加速度计是一种有线加速度计，其具有0.0至10g rms为测量范围，4mA至20mA的输出，以及每分钟180次循环至每分钟600000次循环(cpm)的频率范围(+-3dB)。在图8中从左到右示出了传感器安装位置，其中最右侧的传感器RV2最接近射击者。
在关于图17中所示的水位所指示的点，使用各种枪支和弹药射击了12发。水位意在表示介电流体的液位，虽然在测试中使用的是水。
表14：对每个测试运行的测试参数
现在参照17，示出了感应设备前面的子弹接触点，并且根据表14的测试试验对子弹进行编号。除了测试试验11之外，所有试验都在箱20的中心线之上。
除了前面提到的十二次测试试验之外还进行了四次冲击测试，并且将这四次冲击测试对箱20的面向右侧的壁执行。在这四次附加的测试中，两个记录了石块的冲击，两个记录了锤子的冲击。
现在参照图18，示出了对于具有在试验4中测试的弹道尖端的0.270口径(140颗粒)弹药，由第一和第二原始振动传感器以及RMS传感器测量的加速度对时间的枪击振动响应。试验4用作关于图18、19、21和22的不同冲击场景的示例。
来自试验4的子弹比RV2更接近RV1的位置。因此，RVl首先处理冲击和振动。对于图18中RV1的负加速度反冲延迟，而对于RV2的负加速度反冲是连续的。
现在参照图19，描绘了试验4的枪击的声学响应。声学传感器以帕斯卡为单位测量，并且向分贝的转换是基于表示最低可听噪声的基准压力。在空气中，对应于最低可听噪声的基准压力约为20μPα。
分贝与帕斯卡之间的转换等式是：
在图20中示出了帕斯卡到分贝的转换图表。
现在参照21，描绘了对于试验4的冲击波和枪口爆炸。来自子弹的冲击波刚好发生在2.82秒之后。枪口爆炸刚好发生在2.92秒之前。冲击波和枪口爆炸都以声速行进。由声学传感器记录的冲击波的部分直到子弹接近箱20才产生。枪口爆炸在发射时刻方面领先，并且超音速子弹通过冲击波必须行进的短距离而弥补了时间延迟。近似计算也预测了枪口爆炸与冲击波之间的时差几乎刚好为0.1秒。
继续参照图21，考虑峰值的幅度是重要的。虽然冲击波似乎产生了较大的峰值到峰值压力，但事实并非如此。声压与行进距离成反比，并且枪口爆炸发生在大约60m远处，而冲击波则近得多。在调节距离的情况下，枪口爆炸的幅度(由峰值到峰值的跨度的一半限定)在距离射击者1米处将是178dB，而不是未调节的143dB。同样地，调节后的冲击波水平为161dB而不是150dB。按照比例，正常语音转换发生在大约60dB处。基于对数标度，这对应于0.02Pa。对冲击波信号的饱和部分进行保守估计。
使用下面提供的近似式来分析信号的持续时间，以基于子弹大小和速度来计算冲击波的理论时间间隔：
这里，d是子弹直径，l是子弹长度，c是声速，M是马赫数(子弹速度/c)，并且x是位于最接近的点的位置处的子弹轨迹与麦克风之间的距离。这产生大约0.16毫秒的时间，而图形化表示的峰值到峰值时间约为0.098毫秒。没有其他信号在大约2毫秒的枪口爆炸持续时间的这个时间数量级上。
现在参照22，并且在2.823秒发生的第一事件之后立即放大白色空间，存在表示冲击波的干净信号。然而，在2.825秒，信号的平静衰退会随着多次振荡而变得猛烈。这由来自冲击的声音来解释，这也被计算出在冲击波信号到达之后的两毫秒时发生。冲击波信号的许多振荡可能来自不同的路径(即来自冲击的声音到传感器可以采取的路径)，特别是从平台150的反射。
现在参照图23至图26，进行石块和锤击试验，并从这些试验中收集数据。石块试验的分量远远少于枪击试验。第一个分量是图23中的石块试验1的加速度。重要的是要注意到，石块被抛在箱的右面，所以来自RV2的信号极大地主导了来自RV1的信号。尽管力低得多，但RV2仍达到饱和。然而，具有慢得多的上升和较低的最大值的RMS传感器中存在明显差异。RV信号也更振荡，并且与枪击相比保持中心在x轴上，但这可能部分地是由于接触位置的原因。这些观察结果支持使用波形特征来区分枪击事件和非枪击事件。
现在参照图24，石块投掷的声学信号提供更多的差异，因为其大小显著地低于枪击，并且没有任何类型的特征波形。声学石块投掷信号趋向于负压侧，虽然没有枪击声数据那么多地趋向于负压侧。
进行了第一次锤击试验，被证明是不像石块投掷那样不显眼。然而，第二次锤击试验更为有力，并在图25中进行了描绘。原始振动传感器具有与枪声非常相似的锤击时域剖面，并且RMS对于锤击具有与枪击类似的形状。虽然这里的最大RMS值小于枪击的最低值，但是这个数据集表明，仅仅通过家用锤就可以达到与低端枪击相同的RMS值。该观察结果支持这样如下观点，即：只根据RMS值的幅度可能不足以区分枪击事件和非枪击事件。可以使用时域、频域和时频域中的其他波形特性来减少诸如当非枪击事件被标记为枪击事件时的假警报。
时域特性的一个例子是如图31所示的衰减时间常数。图31从子弹试验(～5.5g)获得最低的最大RMS，并将其与来自非子弹试验(～4.9g)的最高最大RMS进行比较，其中g是重力加速度，以米/(秒)2表示。应该认为，非枪支攻击虽然不太可能穿透感应设备，但仍然会在足够大的程度上造成损坏。这也将代表关于变电站的物理安全性的其他问题，并应标示。
继续参照图31，以4g加速度绘制线150，以描绘子弹对非子弹在时间衰减常数方面的差异。非子弹信号比子弹信号衰减得更快。例如，非子弹振动信号的点152以4g加速度在初始振动检测后0.35秒发生。相比之下，子弹振动信号的点154在4g加速度和0.41秒发生。这意味着振动数据可用于交叉检查声学数据以确定对油箱的子弹撞击
现在参照26，锤击试验2的声学数据也与枪击有一些相似之处。然而，锤击试验2的声学数据具有较低的最大幅度和可识别事件的完全缺乏。在进行正向行进之前，信号仍在振荡的同时趋向于负向，但仔细观察没有发现一个可以被隔离的事件。
原始振动传感器RV1和RV2迅速饱和，使得不可能基于该测量的最大值区分子弹口径。图28是最大加速度与口径尺寸的比较的图，其中石块作为0.35英寸的口径被处理，并且锤作为0.40英寸的口径被处理，以允许包含在图上。虽然在图28中所有枪击看起来都是相同的，但石块试验信号只在更远离冲击的传感器上下降较低。同样地，锤击试验看到较远传感器发生一次不饱和，而其他三个测量(试验1RV2，试验2RV2，试验2RV1)最终落在图上的相同位置。对于大部分而言，来自RV2的数据绘制在RV1的数据上，因为它们处在图上的相同位置。
现在参照图29，RMS测量避免了恒定饱和。然而，口径尺寸和最大RMS值之间似乎没有很强的相关性。
现在参照图30，声学试验表明，压力波与处于500Pa或500Pa以上的大多数有力冲击相关，而石块撞击显示压力水平低于100Pa。
将枪击与石块撞击和锤击分开的限定特征是枪击的冲击波和枪口爆炸的存在。虽然试验1-12中使用的所有弹药都不是亚音速的，但人们将积极选择更大、更慢的子弹来避免产生冲击波并不是不合理的。时域和/或频域中的不同信号属性可以用于解释如前所述的这些差异。
关于枪口爆炸，消音器的使用需要被考虑。虽然这将使信号更安静，但商业消音器不会使枪击安静，这是可以假定的。相反，商业消音器将枪击的噪声平均降低20dB-35dB，这与使用耳塞或耳罩大致相同。
然而，枪口爆炸的更大的关注就是爆炸和传感器之间的“视线”和角度。如果爆炸和传感器之间存在物理障碍物，则信号将大大降低。如果枪击相对于传感器以大角度行进，这也是如此，但关注的电气设备附近的传感器放置应该处理该问题。此外，大气条件对声音的速度的影响并因此对声学信号有影响。
发明人开发了用于感测弹道冲击并确定是否立即采取行动以保护变压器的两类可能的解决方案和系统。第一类解决方案是使用一个RMS加速度计和一个声学传感器的系统，其通过加速度计检测对变压器的大冲击，同时还能够通过声学传感器区分枪击和钝力攻击。第二类解决方案是一个更复杂的系统，稍后将被解释。
现在将详细描述第一类解决方案。在原始振动传感器上选择了RMS传感器，因为加速度计仅用于阈值检测，因此实际波形并不重要。此外，RMS传感器是在某个预定窗口上的振动信号的平均值，而原始振动传感器产生瞬时测量值。基于电流的输出是优选的，因为它对变电站环境中的噪声通常更为稳健。
作为非限制性示例，可以与本公开中概述的解决方案一起使用的PLC是可从本公开的受让人获得的AC500PLC。第一类解决方案还具有非暂时性计算机可读存储介质，其上具有多个机器可读指令，所述多个机器可读指令在由至少一个计算机处理器执行时使得所述至少一个计算机处理器执行用于检测是否已经对感应设备箱有显著冲击的方法。
用于检测对感应设备的冲击的第一类解决方案有：原始振动加速度计、RMS加速度计、声学传感器和可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器具有基本模块、模拟输入(AI)模块以及检测和维护模块。原始振动加速度计可以具有对应于+/-50g的测量范围的+/-5伏特的输出。原始振动传感器可以是2引脚MIL-C 5015电连接器。作为非限制性示例，可以使用的原始振动加速度计是可从纽约Depew的PCB Piezotronics公司购得的PCB 662B01。
RMS有线加速度计可以具有对应于从0至10g的测量范围的4至20mA的输出。RMS加速度计可以是2引脚MIL-C 5015电连接器。作为非限制性示例，可以使用的RMS传感器是可从纽约Depew的PCB Piezotronics公司购得的PCB 646B02。图27描绘了如前所述的RMS加速度计(RMS)和原始振动加速度计(RV1和RV2)的输出的示例。
作为非限制性的示例，有线声学传感器可以是可从丹麦的Holte的G.R.A.S.Soundand Vibration公司购得的40PP CPP自由场QC型麦克风。有线声学传感器可以具有至少135dB的动态范围上限。有线声学传感器是BNC电连接器。
加速度计的优点在于它将检测与变压器的任何接触并产生信号。然而，仅使用加速度计的幅度信号可能不足以在基于枪支的冲击和任何其他冲击之间进行辨别。这得到了试验的支持，其中一次锤击能够使原始的振动传感器饱和，饱和的时间量与典型的子弹撞击相似。
声学传感器在区分枪支和其他类型的冲击方面要好得多。假设对1)任何显著的事件和2)由枪击引起的事件设置不同的阈值。通常通过检测如前所述的冲击波和枪口爆炸的超音速子弹的排出的两个独特的声学特征的存在来确认枪击。
在任何情况下，来自枪击的声学信号都一直具有比其他试验更多的声功率。因此，算法可以基于少量连续数据点的移动平均值，从而实现RMS系统。
试验数据显示，来自锤和枪击的声学信号在最大幅度方面是相似的。详细的算法可以在冲击波(0.196s)和锤信号中的初始尖峰(0.197s)之间进行区分。然而，仅使用一个不等式的简单阈值检测可用于确定子弹和非子弹之间的差异。
最弱的枪击和最强的非枪击的绝对最大值在9％以内。然而，由于子弹的冲击声音的高量值性质(从0.198s开始)，基于枪支的攻击比锤击试验产生更大的声音功率。与此同时，锤击经历冲击时的最高量值，并立即开始减弱。
充分考虑到采样率，可以提出基于平均值的阈值，因为枪击预计具有较大的相对声值，特别是随着时间的推移。图33是使用图32a中绘制的最大锤击冲击和最小枪击冲击的声学特征的方法的示例。图33是基于由PLC收集的四个数据点的移动平均值生成的。
PLC移动平均值的影响是立刻可见的，其中枪击的相当高的值在最初的扰动之后持续三秒钟。这里，通过仅存储四个值并使其平均化，可以设置清晰的基于平均值的阈值来区分枪支和钝器攻击。尽管这里没有在图中示出，但是当t0从0变化到0.05、0.1和0.15秒时，结果是相似的，最小的子弹平均值为69.85Pa，最大的锤平均值为24.94Pa。
这种区分也可以通过使用传递RMS电压的声学传感器来实现。再次，基于平均值的阈值(包括RMS)比单点阈值更好，因为算法接收到包含更长时间段的信息。RMS传感器对信息进行预处理，使单点检测成为可能。
这种方法的一个明显的缺点是子弹没有击中任何东西的可能性，因此没有产生冲击声。尽管知道发射了枪击有重要意义，但振动传感器和声音传感器都不会标记这一事件(除非可能是PLC完全捕获了冲击波或枪口爆炸)。这是RMS声学传感器将具有边缘的情况，因为冲击波或枪口爆炸仍将对PLC读取的内容有影响，这与在拍摄隔离的快照时PLC完全跳过这些事件形成对比。
可以解决仅使用加速度计传感器或仅使用声学传感器的一些缺点的选项将是每一种包括一个。虽然加速度计可能不总是区分枪支和不同类型的冲击，但是加速度计和声学传感器的组合可以被用于同样拾取压力水平并识别子弹冲击。虽然声学传感器可以捕获与感应设备不相关但是在附近的事件，但与加速度计的交叉参考可以揭示同时从感应设备接收到的振动信号。
在一个实施例中，使用附加的加速度计来为感应设备的每个面提供传感器。在该同一实施例中，可以确定哪一侧被击中，从而产生关于可能被损坏的感应设备部件的初始推测。可以通过比较RMS加速度计的相对大小来确定子弹最接近的传感器。
取决于具体的大小(例如，如果最大和第二大相接近)，则位置可以被进一步缩窄到这两个传感器之间的拐角附近。该方法使用相对信号衰减来确定冲击的位置。理论上也可以使用相对到达时间或绝对大小来确定信号传播距离的精确差异。
考虑到信号通过其基底介质传播时的衰减的影响，传感器放置对于加速度计是重要的。对感应设备的一侧的给定脉冲的冲击应当以与信号将在感应设备的任何另一侧上相同的方式与主传感器配准。因此，如果使用单个传感器，则应将该传感器放置在棱柱的顶面的中心。虽然这是一个几何简化，但它提供了与垂直于地面的四个侧壁的对称性最接近的布置。
通过将传感器置于所有面的中心，可以在四个加速度计解决方案中获得更全面的对称性。这将允许冲击侧确定并且信号衰减将最小化，因为到最近传感器的振动的平均行进距离将减小。不可能在顶面和任何其他面之间实现对称性，但也预期对顶面的冲击是最不可能的。可选地，可以将一个传感器放置在侧面上以便于安装。这种放置对加速度计是可能的，因为波将围绕感应设备行进。
声学传感器可以类似地放置在导致对称性的位置，例如箱20的顶壁或盖的中心。由于轴向振动可能在声学传感器中引起不期望的噪声，所以将声学传感器与感应设备物理隔离可能是有利的。
第二类解决方案使用多个传感器和更复杂的算法来提供可促使操作的信息，诸如射击者的方向和位置以及子弹轨迹、速度、口径和射击数。当实时检测到冲击时，报警信号可以被发送到控制站，并且变电站的摄像头然后可以被指向到关注位置。
传感器需要响应于对感应设备的所有侧壁的攻击，因此传感器被放置在感应设备的顶壁、罩或盖上，以从垂直于地面的面和它们的相应方向相同地接收信号。这种布置可以放大感应设备的顶部的冲击，然而，该标准提供最大的对称性，从而允许从感应设备的其他壁的同样的阈值检测。在这种情形下，声学传感器将理想地与感应设备的振动物理隔离，因为振动可以表现为声学数据中的不期望的信号。
附加的加速度计也可以具有一些益处。最明显的是使用传感器覆盖感应设备的每个面以使基于阈值的标志对称的能力。虽然这将允许射击方向估计，但使用甚至更多的加速度计也可以实现精确的接触点三角测量。接触点三角测量使用信号传播通过系统之后的相对大小和到达时间。在所有情况下，原始振动传感器和/或声学传感器被放置在箱20或电气设备外壳/壳体上的预定位置，这取决于将在下面进一步描述的安装。
基于声学和振动的系统是独立的，因此根据安装可以互换各种型式，如下表15所示，
V＝振动传感器
RV＝振动传感器
A＝声学传感器
PLC＝可编程逻辑控制器
AIO＝模拟I/O适配器，8信道
DAQ＝数据获取设备和逻辑
AI1＝模拟输入模块
AI2＝模拟输入模块
表15
应当理解，第一类解决方案和第二类解决方案的组成部分通过非限制性示例提供，并且发明人能够想到可在用于检测对感应设备和其他电气设备的冲击的系统中使用的其他组合和组成部分。此外，表15中的每一行表示对第一类和第二类的单独的解决方案，以及每个解决方案的优点和缺点。作为非限制性示例，DAQ可以是可从德克萨斯州的奥斯丁的National Instruments Corporation购得的cDAQ-9132(紧凑型DAQ)数据采集机架和逻辑。
DAQ机架和控制器控制多个I/O模块与外部或集成计算机之间的定时、同步和数据传输。单个DAQ机架或控制器可以管理多个定时引擎，以在同一系统中以不同的采样率运行多个单独的硬件定时I/O任务。任何基于PC的DAQ系统所需的软件由硬件驱动和开发环境组成。硬件驱动器提供PC和DAQ设备之间的通信，允许硬件对软件的控制。驱动包含内置的一组称为应用编程接口(API)的规则，API提供从编程环境中控制硬件的能力。除了使用数据生成测试、报警和输出波形之外，还可以从编程环境中呈现和记录数据。
可以使用增加的采样率来收集更多粒状的声学数据。可以提供使用三个传感器的传感器四面体阵列，然后将其倍增以提高精度(具有总共六个传感器的两个阵列或具有总共九个传感器的三个阵列)。其他分布式无线传感器网络可以具有节点，其中每个传感器是节点或传感器阵列。
如前所述，存在来自冲击波、冲击声、枪口爆炸和任何反射的声学信号。冲击波和枪口爆炸是枪支使用所独有的，因此冲击波和枪口爆炸中的任一者的存在都确保了枪的使用。然而，这两个信号都可以被分离点和传感器之间的物理物体所阻挡。可能的障碍取决于单个变电站布局以及传感器的布置。
传感器几乎肯定会捕获冲击噪声。然而，与如图21和图22所示的冲击波、枪口爆炸和冲击不同，不能保证这种噪声具有特定的波形。例如，只捕获到冲击声的枪击与烟花爆竹或回火的车辆之间可能没有明显的区别。此外，当将前者与从感应设备附近的结构支撑件上弹飞而没有造成实际损坏的枪击相比时，也会出现同样的问题。不过，汇报可能仍然很重要。
现在参照图32a，对于高于400Pa的值的简单绝对值阈值检查将由冲击波和枪口爆炸两者触发。可以提高阈值以排除非子弹信号。可选地，两个相邻数据点之间的最大差异可以区分子弹信号与非子弹信号。例如，子弹的相邻数据点的最大压力变化为900Pa(从冲击波底部的最后一个饱和点到第二个峰值的顶部)，而锤子的最大单点跳跃仅为120Pa，在从信号的最大值到最小值的下坡路径上。
子弹信号趋势在所产生的如图32a所示的冲击声的图表中具有大的尖峰。图中的尖峰在图32a的试验中为约500Pa。然而，在其他试验中，子弹信号趋势从一端的饱和发展为另一端的饱和。这是1kPa的峰值，通常比对于那些特定试验在冲击波中看到的跳跃要大。因此，无论是来自冲击波还是来自强烈的冲击声，近似1kPa的任何跳跃都应当导致“枪支冲击”的结论。相反，锤击信号在初始冲击后明显衰减，所以锤击信号的最大增量包含在0.197秒的初始撞击中。
现在参照图34，由于该信号的大约2至3毫秒(ms)的典型持续时间，声学数据可用于识别枪口爆炸。然而，枪口爆炸信号通常密布来自冲击声的噪声，所以它的平滑性要差得多，非常难以隔离。克服这一点的一个方法是在达到阈值压力之后考虑200个数据点(4ms)，并找到该向量中的最大和最小位置。
如果数据点间隔超过2毫秒，则可能发生枪口爆炸。这种方法对于由于衰减而从锤击试验信号中识别枪声是稳健的，但是也可以由冲击噪声触发。该系统可以具有倾斜限制，以防止检测中的不准确性，并且如果任何两个点具有大于一定压力的差异，则系统可以在枪口爆炸与排除信号是枪口爆炸的冲击声之间进行区分。
此外，可以利用来自单个传感器的枪击信号的相对到达时间，除非关于事件的更多信息是已知的。然而，使用多个传感器和交叉相关可以确定枪击信号到达时间(TOA)。
现在参照图35，四面体阵列可用于产生多个TOA测量。依赖于到达每个传感器的信息，相对测量允许计算射击者的方位角和仰角。图35中的量值(cm)被提供以指示刻度。
通常使用交叉相关方法从数据生成TOA测量。在下面的模拟情形中，TOA测量是来自枪口爆炸(其以声速直接从射击者位置行进到传感器)的四个传感器中的TOA的差异。
枪口爆炸TOA可以转换成到每个传感器的行进距离的差异。然后，可以创建一个三维网格，以方向作为参数来缩小搜索范围。如果用户或计算机没有任何方向指示，则可以采用[0 0 0]。这产生了一个包含原点的10×10×10m的盒，其中每个点与计算出的相对距离进行比较。这些比较基于差异而得出每个点的得分。较低的分数表示更好的结果。
在迭代通过现有的盒之后，代码根据公差水平检查分数。如果有分数低于公差，则成功点作为射击者位置返回。如果不是，则使用最低分数来生成下一个搜索方向，并再次调用该函数。这次将根据方向生成一个新的搜索框，重复此过程，直到找到成功的点。作为非限制性示例，将分数绘制在3D图形上，其中箭头从原点指向射击者位置。使用该方法绘制的曲线图的一个例子如图36所示，其中理论上的射击者位置被确定为[48-67 12]。本领域普通技术人员将理解，诸如测量误差的实际方面可以被整合到算法中。
初始搜索方向可以通过对阵列的轻微修改来确定。首先，代替正四面体，传感器可以被布置为如图37所示的矩形四面体。
可以在一个等式中各自计算方位角和仰角，其中ΔTXY是传感器X和Y之间的到达时间差。方位角由下式计算：
θ＝tan-1(ΔT02/ΔT01)
仰角由下式计算：
这些等式基于在X-Y和Z-θ平面上的投影，并进行小的数学近似。暴力比较表明在实际方向与来自这些等式的方向之间存在非常小的差异。
四面体设置的改进可以被认为是考虑了诸如测量误差的实际方面。传感器越靠近，它们越有可能被较差地离散化，并由于聚集在同一时间样本中而丢失信息。如果传感器越远离，则算法可以得到TOA的更准确的读数，特别是当声音的方向与所讨论的两个麦克风之间的矢量接近平行时。
相反，矩形四面体系统不应超过传感器之间的0.39米的最大距离。这个上限可能是由于所进行的几何近似，几何近似在传感器移动得更远离时失去有效性。增加传感器之间的距离而不失去上述等式的简单性的一种方法是添加第二阵列。然后，等式仍然可以局部使用，而TOA值可以相对于阵列之间的距离进行交叉参考。
使用传感器阵列的冲击波检测仅产生不确定的方位角预测。然而，结合枪口爆破检测，该信息可以产生方位角、仰角和距离。
使用四个声学传感器的好处是丰富的。通过具有两组方位角和仰角，系统可以找到交叉点，并仅使用枪口爆炸检测来识别射击者的绝对位置。同时，冲击波信息变得更加相关，甚至通过自身而变得更加相关。如果子弹在两个阵列之间穿过，则系统可以确定方位角、仰角、距离、子弹轨迹和子弹速度。
冲击波和枪口爆炸数据一起提高了如图38所示的所有这些值的预测精度。从两个阵列到三个阵列的跳转产生了提高的精度。同样，在此以上的任何增加都是一样的。无论如何，随着这些阵列数量的扩展和增加，定位将继续改善。
对于任何声学传感器(或阵列)，枪口爆炸和冲击波的视线至关重要。这直接不考虑将传感器或阵列放置在垂直于地面的任何感应设备的表面上，因为这些压力波不会穿过变压器传播，而将仅被反射。因此，解决方案是将传感器或阵列放置在感应设备上。然而，需要进一步的几何考虑。例如，如果最低的传感器在感应设备的顶部仅有两英寸的间隙，则枪口爆炸和冲击波都将必须以非常浅的角度达到才能实际到达那里，这限制了短量程检测。
虽然枪口爆炸将始终从射击的位置发射，但它是球面波，因此信号无论如何都将在从枪到传感器的方向上被发送。应该注意的是，该信号通常在远离发射线处要弱得多，但是这个方向不太重要。同时，冲击波将始终以相对于发射线的大致相同的角度展开。这意味着对于指向传感器的冲击波部分的冲击波分离点将远离箱而发生，因而允许信号获得躲开障碍物所需的高度。
此外，需要考虑多个传感器或传感器阵列的位置。如果添加了第二个传感器，则最明显的响应是将两个传感器放置在顶面的相对的拐角上，原因与上述相同。然而，另一种选择可以是将传感器放置在感应设备的相对拐角上的地面上，使得每个传感器(阵列)服务于箱的两个侧壁。这将允许更好地检测冲击波和枪口爆炸，但基本上保证只有一个传感器(阵列)将接收信号。
最后，如果使用四个阵列，则建议将它们放置在感应设备的四个拐角处的地面上。此时，每个面都有两个阵列服务于它，这意味着无论哪个面被撞击都可以获得所有的信息。这也保证了子弹将在两个阵列之间穿过。
如果使用四个单独的传感器，则它们有效地用作具有给定的任何几何形状的四面体阵列。最好是遵循单个阵列的放置理念，同时衡量传感器较远地散步开的好处。
基于加速度计的系统的下一级复杂性是基于碰撞到达不同传感器的时间进行射击位置三角测量。这是基于来自冲击的振动将在所有方向上均匀地传播的事实。对于最简单的情况，可以假设电气设备外壳或壳体由均匀的材料制成，没有几何不规则。
首先，确定每对传感器之间的时间延迟。虽然这种相位延迟计算可以用交叉相关来完成，但是用阈值检测更容易做到。这可能表明使用RMS传感器，但是精度时间数据不能够丢失，并且通过使用原始振动传感器的交叉相关性更好地看到这些波形的不规则性。
作为示例并参照图39和图40，试验5和试验12可以以0.01g的阈值进行分析。对于试验5，信号同时到达两个传感器(或恰好一个循环后，因为这是阈值检查所产生的)。结果表明，冲击位置与两个传感器的位置是等距的。对于试验12，对于RV2达到阈值比对于RV1达到阈值要晚8个数据点。这是156μs的时间延迟，表明信号必须行进与该延迟成比例的量的更长的距离才能达到RV2。
通过考虑电气设备材料中的声速，可将时间延迟转换为距离差。例如，钢中的声速为4512m/s，意味着156μs的时间延迟对应于0.70m的距离差。然后，该算法生成感应设备上每个点的测试网格。当它迭代通过每个点时，其计算到每个传感器的距离，然后计算两个距离之间的差。如果该差在计算出的差的一定容限内，则当计算机继续迭代时，该点被保存。
对于仅仅两个传感器，实现的最佳精度是圆锥截面，而不仅仅是单个点。试验5和试验12的结果描绘在图41和图42中。图41和图42中的X表示传感器位置160，O和正方形表示实际射击原点位置162(基于从图像的估计)。在这个特定的实现方式中，网格围绕传感器对称地创建，而不是考虑到箱的几何形状。
如预期的那样，试验5的0毫秒的时间延迟对应于将两个传感器平分的直线(理论上这是具有无限偏心率的圆锥截面)。同时，试验12有一个更加明确的曲线，表明所有的点比RV2更接近RV1 0.70米。该曲线确实接近(近似的)冲击位置，尽管最终不能表明一个特定的点。这将通过具有第三RV传感器来解决，该传感器将产生另外两个圆锥截面。这三条曲线的交点将代表冲击点。理论上这仍然可以产生两个可能的点；然而，考虑到感应设备的已知几何形状，可以容易地排除一种可能。还可以引入第四个传感器来缩小不确定性的范围。
在说明书或权利要求书中使用术语“包含”或“含有”的情况下，意在以与术语“包括”类似的方式表示包含性的，因为该术语是在权利要求中用作过渡词时被解释。此外，在使用术语“或”(例如，A或B)的情况下，其意图是指“A或B或A和B两者”。当申请人意在指出“只有A或B而不是A和B两者”时，将使用术语“仅A或B但不是A和B两者”。因此，这里使用术语“或”是包含性的，而不是排他性的使用。参见Bryan A.Garner的“A Dictionary of ModernLegal Usage 624(2d.Ed.1995)”一书。此外，在本说明书或权利要求书中使用术语“在……中”或“到……中”的情况下，其意在另指“在……上”或“到……上”。此外，在说明书或权利要求书中使用术语“连接”的情况下，其不仅意指“直接连接到”，而且还意指“间接连接到”，例如通过另一部件或多个部件连接。
虽然本申请示出了各种实施例，并且虽然已经详细描述了这些实施例，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式局限于这样的细节。附加的优点和修改将容易地显见于本领域技术人员。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示和所述的具体细节、代表性实施例和说明性示例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以从这些细节中作出偏离。
机译： 硬化感应设备以及用于保护感应设备免受灾难性事件影响的系统和方法
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