NO313848B1 - Method and apparatus for acoustic detection and localization of sound generating defects - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår en transduser for akustisk deteksjon og lokalisering av lydgenererende defekter i maskiner, særlig elektriske delutladninger i høyspent-transformatorer. This invention relates to a transducer for acoustic detection and localization of sound-generating defects in machines, in particular electrical partial discharges in high-voltage transformers.

Delutladninger indikerer defekter og er en uønsket tilstand i høyspenningsisolasjonssystemer som kan påvirke materiale og sikkerheten ved anlegget. For å kunne vurdere risikoen er det viktig å kunne bestemme defektens posisjon ved hjelp av utvendige målinger. Partial discharges indicate defects and are an undesirable condition in high-voltage insulation systems that can affect material and plant safety. In order to be able to assess the risk, it is important to be able to determine the position of the defect using external measurements.

I tidligere kjente teknikk har det i internasjonal patentsøknad WO 96/18112 Al vist en fremgangsmåte og anordning for lokalisering av partielle utladninger i elektriske høyspenningsapparater som er anbrakt i en beholder fylt med et isolerende medium. Lokaliseringen foretas som en triangulering basert på måling av forskjeller i ankomsttid og senere prosessering i en datamaskin. I denne løsningen er det nødvendig med tre sensorer med forsterkere og et registreringsinstrument med tilsvarende antall kanaler. In prior art, international patent application WO 96/18112 Al has shown a method and device for locating partial discharges in electrical high-voltage devices which are placed in a container filled with an insulating medium. The localization is carried out as a triangulation based on the measurement of differences in arrival time and later processing in a computer. In this solution, three sensors with amplifiers and a recording instrument with a corresponding number of channels are required.

Det er også kjent fra det amerikanske patentet US 5,903,158 en metode for overvåkning av partielle utladninger i en krafttransformator ved hjelp av elektriske målinger. Anordningen bestemmer om de elektriske utladningene er innenfor eller utenfor apparatet. It is also known from the American patent US 5,903,158 a method for monitoring partial discharges in a power transformer by means of electrical measurements. The device determines whether the electrical discharges are inside or outside the device.

Fra det amerikanske patentet US 3,728,619 er det kjent en en metode og et apparat for å detektere koronautladninger inne i en beholder for en krafttransformator. For lokaliseringen må det i tillegg foretas en manuell sammenligning av signaler som oppfanges av to sensorer. From the American patent US 3,728,619 a method and an apparatus for detecting corona discharges inside a container for a power transformer is known. For localization, a manual comparison of signals picked up by two sensors must also be carried out.

Forskjellige metoder er kjent for å finne posisjonen til defektene, og er ofte basert på akustiske målinger. I publikasjonen Lars E. Lundgaard og Walter Hansen: ""Location of discharges in power transformers using external acoustic sensors.", Sixth international symposium on high voltage engineering, New Orleans, LA, USA, August 28-September 1, 1989 beskrives måling av akustiske bølger som oppstår av delutladninger, og de akustiske bølgenes forplantning gjennom et medium. Various methods are known to find the position of the defects, and are often based on acoustic measurements. In the publication Lars E. Lundgaard and Walter Hansen: ""Location of discharges in power transformers using external acoustic sensors.", Sixth international symposium on high voltage engineering, New Orleans, LA, USA, August 28-September 1, 1989, the measurement of acoustic waves arising from partial discharges, and the acoustic waves' propagation through a medium.

Andre eksempler på måleteknikker er følgende: Other examples of measurement techniques are the following:

Multiple akustiske sensorer og triangulering. Multiple acoustic sensors and triangulation.

Elektrisk deteksjon av en kilde kombinert med akustiske Electrical detection of a source combined with acoustic

målinger av tidsforløp. measurements of time course.

Flytting av en akustisk sensor til maksimalt signal Moving an acoustic sensor to maximum signal

oppnås. is achieved.

Bruk av to sensorer og oscilloskop, der en av sensorene flyttes inntil signalene opptrer samtidig på oscillo-skopet . Use of two sensors and an oscilloscope, where one of the sensors is moved until the signals appear simultaneously on the oscilloscope.

Ulempene ved de kjente løsningene er at de enten er komplekse både i bruk og utstyr eller, ved bruk av bare én sensorkanal, at det er vanskelig å oppnå tilstrekkelig god nøyaktighet. The disadvantages of the known solutions are that they are either complex in both use and equipment or, when only one sensor channel is used, that it is difficult to achieve sufficiently good accuracy.

Det er således et formål med denne oppfinnelsen å til-veiebringe akustisk måleutstyr for måling av delutladninger som er enkelt i bruk, men som også gir tilstrekkelig nøyaktig posisjonsbestemmelse. It is thus an aim of this invention to provide acoustic measuring equipment for measuring partial discharges which is easy to use, but which also provides sufficiently accurate position determination.

Disse formålene er oppnådd ved en transduser som beskrevet ovenfor og som er kjennetegnet slik som angitt i det selvstendige krav 1. These purposes are achieved by a transducer as described above and which is characterized as stated in the independent claim 1.

Formålet oppnås også med en fremgangsmåte som angitt i det selvstendige krav 6. The purpose is also achieved with a method as stated in independent claim 6.

På denne måten oppnås et måleutstyr og en fremgangsmåte som er svært enkelt i bruk, som oppnår god nøyaktighet i lokalisering av defekter, og som i tillegg kan lages av lett tilgjengelig utstyr slik at kostnadene holdes nede. In this way, a measuring device and a method is achieved which is very easy to use, which achieves good accuracy in locating defects, and which can also be made from readily available equipment so that costs are kept down.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte figurene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. The invention will be described below with reference to the attached figures, which illustrate the invention by means of examples.

Figur 1 illustrerer en utførelse av oppfinnelsen. Figure 1 illustrates an embodiment of the invention.

Figur 2A illustrerer posisjonen til to sensorer plassert i Figure 2A illustrates the position of two sensors placed in

forhold til tre støykilder på en plate. compared to three noise sources on a disc.

Figur 2B illustrerer i en tabell de målte signalene i for hold til posisjonen på en plate. Figur 3 illustrerer det kombinerte signalets toppverdi i forhold til tidsforskjell i ankomsttid ved sensorene. Figur 1 viser en foretrukket utførelse av oppfinnelsen som består av to sensorer 1 som hver er plassert i tilknyt-ning til en magnet 2 for å gi optimal kontakt med en magneti-serbar flate. Sensorene kan være av enhver tilgjengelig akustisk sensortype med en frekvensrespons som passer til de aktuelle målingene. Valg av sensortype vil måtte avgjøres fra apparat til apparat, men normalt vil akustiske emisjons-sensorer med en bredbånds karakteristikk og følsomhetstopp i området 20-200 kHz området bli benyttet. Figure 2B illustrates in a table the measured signals in for hold to the position on a plate. Figure 3 illustrates the combined signal's peak value in relation to the time difference in arrival time at the sensors. Figure 1 shows a preferred embodiment of the invention which consists of two sensors 1, each of which is placed in connection with a magnet 2 to provide optimal contact with a magnetisable surface. The sensors can be of any available acoustic sensor type with a frequency response that suits the measurements in question. The choice of sensor type will have to be decided from device to device, but normally acoustic emission sensors with a broadband characteristic and sensitivity peak in the 20-200 kHz range will be used.

Sensorene 1 og de tilhørende magnetene 2 holdes med en forutbestemt innbyrdes avstand med en bjelke 3. For prak-tiske formål vil bjelken typisk være 3 0-60 cm lang. I enkelte tilfeller kan det tenkes at avstanden kan endres mellom målingene, for eksempel for å ta hensyn til lokale plass-forhold eller lignende, men i hovedsak er avstanden under målesekvenser for å lokalisere defekter konstant. The sensors 1 and the associated magnets 2 are held at a predetermined mutual distance with a beam 3. For practical purposes, the beam will typically be 30-60 cm long. In some cases, it is conceivable that the distance can be changed between measurements, for example to take account of local space conditions or the like, but essentially the distance during measurement sequences to locate defects is constant.

Hver sensor er i den foretrukne utførelsen tilknyttet en forforsterker 4 for forsterkning av signalet fra sensoren, og et filter 5 for fjerning av uønskede frekvenskomponenter fra signalet. Filtertypen kan variere med anvendelsen men vil typisk omfatte et båndpassfilter for å skille ut bestemte frekvensområder. I enkelte tilfeller kan filtret 5 være integrert i forforsterkeren 4 eller sløyfes, siden en viss grad av filtrering også kan foretas i selve sensorene. Ved anvendelser på transformatorer vil lavpassfiltre på 50 kHz eller intet filter se ut til å passe. In the preferred embodiment, each sensor is associated with a preamplifier 4 for amplifying the signal from the sensor, and a filter 5 for removing unwanted frequency components from the signal. The type of filter can vary with the application but will typically include a bandpass filter to separate out certain frequency ranges. In some cases, the filter 5 can be integrated into the preamplifier 4 or looped, since a certain degree of filtering can also be carried out in the sensors themselves. For transformer applications, low pass filters of 50 kHz or no filter would appear to be suitable.

For utførelsen av oppfinnelsen er det viktig at sensorene 1, forforsterkerne 4 og filterne 5 er så identiske som mulig. For the implementation of the invention, it is important that the sensors 1, the preamplifiers 4 and the filters 5 are as identical as possible.

Signalene fra sensorene transmitteres deretter videre til en signalmultiplikator 6 som sender et multiplisert signal til et måleinstrument 8. Generelt vil et hvilket som helst toppverdivisende instrument eller oscilloskop kunne benyttes forutsatt at båndbredden er stor nok i forhold til The signals from the sensors are then transmitted to a signal multiplier 6 which sends a multiplied signal to a measuring instrument 8. In general, any peak value indicating instrument or oscilloscope can be used provided that the bandwidth is large enough in relation to

sensorenes karakteristikk. For eksempel kan instrumentet AIA (Acoustic Insulation Analyzer) fra Transinor benyttes. Figur 2A viser skjematisk to sensorer IA,IB plassert i forhold til tre støykilder 7A,7B,7C, der den ene av kildene 7B ligger i et plan med lik avstand til de to sensorene IA,IB. the characteristics of the sensors. For example, the instrument AIA (Acoustic Insulation Analyzer) from Transinor can be used. Figure 2A schematically shows two sensors IA,IB placed in relation to three noise sources 7A,7B,7C, where one of the sources 7B lies in a plane with an equal distance to the two sensors IA,IB.

I figur 2B illustreres hvordan, fra venstre, signalene fra kilde 7A, til venstre i tabellen, ikke når frem til sensorene IA,IB samtidig. Produktet av de to signalene blir derfor null. Det tilsvarende skjer med signalet fra kilden 7C til høyre. Figure 2B illustrates how, from the left, the signals from source 7A, to the left of the table, do not reach the sensors IA,IB at the same time. The product of the two signals therefore becomes zero. The same happens with the signal from source 7C on the right.

Signalet fra den midtre kilden 7B ankommer imidlertid sensorene samtidig. Det multipliserte signalet blir dermed produktet av to signaler som ikke er lik null, hvilket gir et detekterbart signal som føles av måleinstrumentet som er koblet til multipliseringskretsen 6. However, the signal from the central source 7B arrives at the sensors at the same time. The multiplied signal is thus the product of two signals that are not equal to zero, which gives a detectable signal that is sensed by the measuring instrument connected to the multiplying circuit 6.

Figur 3 illustrerer hvordan det multipliserte signalets toppverdi endres med tidsdifferansen At mellom signalene fra de to sensorene. Figure 3 illustrates how the peak value of the multiplied signal changes with the time difference At between the signals from the two sensors.

Transduseren kan i en utførelsesform av oppfinnelsen være dreibart opphengt, slik at sensoren kan plasseres på et sted og dreies inntil vinkelen der maksimalt signal oppnås ut av multiplikatoren 6 og inn til måleinstrumentet er funnet. Den akustiske kilden vil da ligge i et første plan midt mellom sensorene. In one embodiment of the invention, the transducer can be rotatably suspended, so that the sensor can be placed in one place and turned until the angle where the maximum signal is obtained out of the multiplier 6 and in until the measuring instrument is found. The acoustic source will then lie in a first plane in the middle between the sensors.

Måleinstrumentet tilknyttet multiplikatoren kan være en hvilken som helst type som kan gi en indikasjon på topp-verdien på det multipliserte signalet slik at en operatør kan bevege måleutstyret over et søkeområde inntil den høyeste verdien er oppnådd. For å oppnå bedre lokalisering flyttes transduseren et nytt sted. Transduseren dreies igjen inntil vinkelen der maksimalt signal oppnås ut av multiplikatoren 6 og inn til måleinstrumentet er funnet. Dette kan for eksempel oppnås ved lagring av tilhørende verdier for det målte signalet og transduserens vinkel under dreiing av transduseren. Ved analyse av de detekterte og lagrede signalverdier kan vinkelen korresponderende til den maksimale signalverdi identifiseres. Den akustiske kilden er nå lokalisert i et andre plan og vil ligge der det første og andre plan skjærer hverandre. The measuring instrument associated with the multiplier can be of any type that can give an indication of the peak value of the multiplied signal so that an operator can move the measuring equipment over a search area until the highest value is obtained. To achieve better localization, the transducer is moved to a new location. The transducer is turned again until the angle where the maximum signal is obtained out of the multiplier 6 and in until the measuring instrument is found. This can be achieved, for example, by storing associated values for the measured signal and the transducer's angle during rotation of the transducer. By analyzing the detected and stored signal values, the angle corresponding to the maximum signal value can be identified. The acoustic source is now located in a second plane and will lie where the first and second planes intersect.

Målinger ved ytterligere posisjoner vil gi en ytterligere forbedret posisjonsbestemmelse for den akustiske kilden. Measurements at additional positions will provide a further improved position determination for the acoustic source.

Filtreringen som foretas kan som nevnt være av forskjellige typer avhengig av de lokale forholdene, for eksempel ved at frekvensområder som inneholder mye støy undertrykkes eller ved at det tas hensyn til lydforplant-ningsegenskapene i materialene lydene skal bevege seg gj ennom. As mentioned, the filtering that is carried out can be of different types depending on the local conditions, for example by suppressing frequency ranges that contain a lot of noise or by taking into account the sound propagation properties of the materials through which the sounds are to travel.

Claims (9)

1. Transduser for akustisk deteksjon og lokalisering av lydgenererende defekter, karakterisert ved at den omfatter to romlig adskilte akustiske sensorer (1), hver koblet til en multiplikator (6) for multiplisering av signalet fra sensorene, samt en utgangsport for overføring av det multipliserte signalet til et egnet instrument (8) eller en egnet indikator.1. Transducer for acoustic detection and localization of sound-generating defects, characterized in that it comprises two spatially separated acoustic sensors (1), each connected to a multiplier (6) for multiplying the signal from the sensors, as well as an output port for transmitting the multiplied signal to a suitable instrument (8) or a suitable indicator. 2. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at signalet fra hver sensor (1) overføres via et filter (5) for fjerning av valgte signalkomponenter.2. Transducer according to claim 1, characterized in that the signal from each sensor (1) is transmitted via a filter (5) to remove selected signal components. 3. Transduser ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at signalet fra hver sensor (1) overføres via en forsterker (4) for forsterkning av valgte deler av signalet.3. Transducer according to claim 1 or 2, characterized in that the signal from each sensor (1) is transmitted via an amplifier (4) for amplification of selected parts of the signal. 4. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at sensorene (1) er montert med en fast innbyrdes avstand på en felles holder (3).4. Transducer according to claim 1, characterized in that the sensors (1) are mounted with a fixed mutual distance on a common holder (3). 5. Transduser ifølge krav 1, karakterisert ved at den er dreibart opphengt .5. Transducer according to claim 1, characterized in that it is rotatably suspended. 6. Fremgangsmåte for akustisk deteksjon og lokalisering av lydgenerende defekter i maskiner, særlig elektriske delutladninger i høyspenttransformatorer omfattende i det minste plassering av en akustisk transduser flere steder på en overflate av et objekt som skal undersøkes, detektering og lagring av verdien til det akustiske signalet som transduseren avføler for hver posisjon av transduseren sammen med posisjonsdata, karakterisert ved at transduseren for hver posisjon dreies mekanisk gjennom et flertall vinkler, ved hver posisjon detekteres og lagres for hver vinkel av transduseren verdien til det akustiske signalet som transduseren avføler, at det anvendes en transduser omfattende to romlig adskilte akustiske sensorer (1), hver koblet til en multiplikator (6) hvor signalene fra sensorene multipliseres, samt en utgangsport der det multipliserte signalet overføres til et egnet instrument eller en egnet indikator og de detekterte og lagrede signalverdier analyseres for ved hver posisjon av transduseren å identifisere vinkelen korresponderende til de største signalverdiene for derved å bestemme den akustiske kildens plassering i et plan.6. Method for acoustic detection and localization of sound-generating defects in machines, in particular electric partial discharges in high-voltage transformers comprising at least the placement of an acoustic transducer in several places on a surface of an object to be examined, detecting and storing the value of the acoustic signal sensed by the transducer for each position of the transducer together with position data, characterized by that the transducer for each position is mechanically rotated through a plurality of angles, at each position, the value of the acoustic signal sensed by the transducer is detected and stored for each angle by the transducer, that a transducer comprising two spatially separated acoustic sensors (1) is used, each connected to a multiplier (6) where the signals from the sensors are multiplied, as well as an output port where the multiplied signal is transferred to a suitable instrument or a suitable indicator and the detected and stored signal values are analyzed to identify, at each position of the transducer, the angle corresponding to the largest signal values in order to thereby determine the position of the acoustic source in a plane. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 6 karakterisert ved at signalet fra hver sensor (1) overføres via et filter (5) for fjerning av valgte signaler.7. Method according to claim 6, characterized in that the signal from each sensor (1) is transmitted via a filter (5) for removing selected signals. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 6 eller 7 karakterisert ved at signalet fra hver sensor (1) overføres via en forsterker (4) for forsterkning av valgte deler av signalet.8. Method according to claim 6 or 7, characterized in that the signal from each sensor (1) is transmitted via an amplifier (4) for amplification of selected parts of the signal. 9. Fremgangsmåte ifølge krav 6 karakterisert ved at sensorene (1) monteres med en fast innbyrdes avstand på en felles holder (3).9. Method according to claim 6 characterized in that the sensors (1) are mounted with a fixed mutual distance on a common holder (3).