CN113419151A - 一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法 - Google Patents

一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法，所述的便携式故障绝缘子在线检测装置包含三个不同频段的磁天线阵元，用于接收故障绝缘子高压放电电磁波，三个磁天线阵元连接波段开关，波段开关、小信号放大模块、对数放大模块、检波模块、采集模块、微处理器模块以及显示模块顺序连接。本发明所说的检测方法包括：a、使磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子；b、通过波段开关依次选择磁天线阵元接收并读取显示值；c、使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子；d、通过波段开关依次选择磁天线阵元接收并读取显示值；e、当对应阵元前后两次测量值之差中有一个大于阈值时，判断绝缘子有故障；设备便携，操作简便，检测效果好。

Description

一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于绝缘子检测技术领域，尤其涉及一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法。
背景技术
目前电力***输电线路及变电站使用巨量的瓷质绝缘子。瓷绝缘子长期受工频电压、日晒雨淋、灰盐霾、机械应力、雷电等作用，会发生劣化现象，劣化绝缘子由于内绝缘低于外绝缘，在雷击、工频、污闪等过程中发生内绝缘击穿，由此引发绝缘子掉串，严重威胁电网的安全运行。
当前工作中绝缘子现场检测主要采用火花间隙法、超声波法、红外测温法、红外成像法，依靠人工检测方式进行。主要存在以下问题：火花间隙法涉及安全、劳动强度大，需要听声音观火花；超声波法、红外测温法、红外成像法易受环境天气干扰，误判率高、检测效率低；这些不足使运检人员在检测周期内难以完成对运行中的绝缘子的覆盖检测，运行中绝缘子状态处于未知状态，通常依靠经验安排运检工作，针对性、预控性差，往往事故发生后被动处理。
停电检测虽然较为准确，但对电网影响较大，因此有必要开发一种有效的绝缘子低零值带电检测装置，实现输电线路和变电站瓷绝缘子低零值的有效不停电检测。
带电高压运行中的低(零)值绝缘子必定产生放电电磁波是其故障的本质物理现象，并且电磁波信号会在空间传播，频率分布在1MHz—10MHz，其频率分量主要集中在3MHz—5MHz之间。目前的检测方法是基于侦测高压放电产生的电磁脉冲信号。现有获取高压放电产生的电磁脉冲信号的途径是在绝缘子承载铁塔接地线上检测，通过一个磁感应环来耦合特定的电磁脉冲信号，当铁塔有多个接地线时，要切割掉其余的几个，操作十分不方便。另外，接地线会耦合各种外部干扰和噪声，检测结果不准确。
采用磁天线或电天线也可以接收到低(零)值绝缘子产生的放电电磁波，而且不需要切割接地线，操作简便。但会接收到外部各种干扰和噪声，由于放电电磁波是宽带，所以无论磁还是电天线都必须是宽带接收。利用磁天线的测向原理可以来定位故障绝缘子放电电磁波方向，但放电电磁波是宽带信号，所以需要设计1MHz-10MHz宽带的磁性天线，目前如此宽带的磁性天线体积较大，携带不方便。对所接收到的宽带信号既需要高速数据采集，理论上，对10MHz信号最低也要20MHz采样速率；另外，要满足接收信号差动范围的要求，采样要求高分辨率；还要采样一个工频周期，数据量巨大。当进行谱分析处理时，还需要高速DSP处理器的配合。这些都阻碍了检测装置的小型化和便携式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种便携式故障绝缘子在线检测装置及检测方法，在无需停电情况下，采用分段接收的小型化的磁性天线阵元接收信号，采用对数放大来有效扩大所接收信号动态范围，通过检波获取频段内的功率电平代替繁琐的高速数据采集与谱分析处理方法，简化了电路设计和信号处理流程，实现绝缘子状态的准确、安全、高效、及时、方便检测，并定位故障绝缘子所在串，使装置便携。本发明的另一个目的是提供该在线检测装置的绝缘子故障检测的方法。
本发明的技术方案是：
一种便携式故障绝缘子在线检测装置，包含三个不同频段的第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，用于接收故障绝缘子高压放电电磁波，三个磁天线阵元连接波段开关，波段开关的输出连接小信号放大模块，小信号放大模块连接对数放大模块，对数放大模块连接检波模块，检波模块连接数据采集模块，数据采集模块连接微处理器模块，微处理器模块同时连接显示模块，电源模块为其它各模块提供电源供应。
所述三个不同频段磁天线阵元接收信号的带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz，宽度5cm。
所述各磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB。
所述磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为100的铁氧体棒材料。
所述数据采集模块采样SPI超低功耗AD转换芯片，分辨率为24bit。
所述小信号放大模块，采用了2n5532低噪声晶体管放大电路。
第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元接收信号的带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz。通过波段开关选择小信号放大模块的输入来自一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元所接收的信号；小信号放大模块的输出作为对数放大模块的输入，对数放大模块对小信号做对数放大，这样就可以保证动态范围很大的小信号能够被处理。对数放大的信号经过检波模块的处理就获得了小信号的功率电平，且该功率电平具有对数表示的特点，有利于通过加减处理判断所接收信号功率大小。检波模块获得的是模拟电平信号，送数据采集模块来采样处理，由于检波处理获得的是信号的基带信号，频率低，所要求的采样速率很低，几K的采样速率就可以了，为低功耗和装置便携化提供了条件。微处理器模块中的微处理器以超低功耗作为选型标准，由于不需要做FFT这样的大量运算，对处理器运算能力没有本质要求。显示模块以LED小型化显示屏为主，重点考虑低功耗。
根据大量的实验数据分析，故障绝缘子放电电磁波的频率范围在1-10MHz，主要能量集中在3MHz—5MHz之间，所以采用了三个分别接收不同频段信号的磁性天线阵元，其带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz，它们构成了总带宽为1-10MHz故障绝缘子放电电磁波的接收。由于检测装置所采用的检测方法要求磁性天线阵元具有很强的方向指向性，因此要求磁天线阵元的纯磁性能要高，所述磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB。在磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为100的铁氧体材料，其目的是进一步缩小天线的体积。
为满足检测方法所需要的检测灵敏度，必须提高信号采样的分辨率，所述数据采集模块采样分辨率为24bit，并选用超低功耗SPI接口的采样芯片。
微处理器模块和显示模块都采用了超低功耗芯片。
所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，它包括：
步骤1、使磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子；
步骤2、通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值，设为L1、L2、L3；
步骤3、使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子；
步骤4、通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值，设为H1、H2、H3；
步骤5、计算a1＝H1-L1，a2＝H2-L2，a3＝H3-L3，当a1、a2、a3中有一个大于阈值V时，判断绝缘子有故障。
在步骤5中，阈值V根据一次以上无故障绝缘子检测获得的a1、a2、a3值中的最大值来取值。
磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子的方法为：设被测绝缘子串指向为向量
Figure BDA0003163906560000041
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为零点方向，用向量
Figure BDA0003163906560000042
表示，调整
Figure BDA0003163906560000043
使
Figure BDA0003163906560000044
和
Figure BDA0003163906560000045
共面且垂直；此时磁天线阵元的零点就对准了被测绝缘子串了。
磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子的方法为：使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子的方法为：设被测绝缘子串指向为向量
Figure BDA0003163906560000051
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为零点方向，用向量
Figure BDA0003163906560000057
表示，调整
Figure BDA0003163906560000052
使
Figure BDA0003163906560000053
和
Figure BDA0003163906560000054
异面垂直，且使
Figure BDA0003163906560000055
和
Figure BDA0003163906560000056
公垂线的长度L在检测处最大，此时磁天线阵元的方向最强点就对准了被测绝缘子串了。
本发明有益效果：
本发明可实现电力线路故障绝缘子在线检测，不需要切断电源供应；对放电电磁波的检测采用了无线接收的方式，不需要切割铁塔的接地线，检测方便；装置体积小，易于携带，易于户外使用；通过混合信号处理的方式，有效化解了目前对放电电磁波信号处理方法存在的数据量大、采样速率及处理速度要求高的难点，使装置具备工程化应用前景。
附图说明
图1是本发明的一种便携式故障绝缘子在线检测装置结构框图；
图2是本发明的检测方法流程图；
图3是磁天线阵元零点方向对准被测绝缘子串示意图；
图4是磁天线阵元方向最强点对准被测绝缘子串示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种便携式故障绝缘子在线检测装置，该装置包含三个不同频段的第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，用于接收故障绝缘子高压放电电磁波，三个磁天线阵元连接波段开关，波段开关的输出连接小信号放大模块，小信号放大模块连接对数放大模块，对数放大模块连接检波模块，检波模块连接数据采集模块，数据采集模块连接微处理器模块，微处理器模块同时连接显示模块，电源模块为其它各模块提供电源供应。
第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元接收信号的带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz，其长度均为15cm，宽度为5cm。根据大量的实验数据分析，故障绝缘子放电电磁波的频率范围在1-10MHz，主要能量集中在3MHz—5MHz之间，所以采用了三个分别接收不同频段信号的磁性天线阵元，其带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz，它们构成了总带宽为1-10MHz故障绝缘子放电电磁波的接收。由于检测装置所采用的检测方法要求磁性天线阵元具有很强的方向指向性，因此要求磁天线阵元的纯磁性能要高，所述磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB。在磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为100的铁氧体材料，其目的是进一步缩小天线的体积。
波段开关为三路双输入输出波段开关。通过波段开关选择小信号放大模块的输入来第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元所接收的信号。小信号放大模块为双2n5532三极管构成的差分放大电路为核心。小信号放大模块的输出作为对数放大模块的输入，对数放大模块对小信号做对数放大，采用了AD公司的模拟芯片，这样就可以保证动态范围很大的小信号能够被处理。对数放大的信号经过检波模块的处理就获得了小信号的功率电平，且该功率电平具有对数表述的特点，有利于通过加减处理判断所接收信号功率大小。检波模块获得的是模拟电平信号，送数据采集模块来采样处理，由于检波输出的信号频率很低，采用低速率采样就可以了，为满足检测方法所需要的检测灵敏度，所述数据采集模块采样分辨率为24bit，并选用超低功耗SPI接口的采样芯片。
微处理器模块中的微处理器以超低功耗作为选型标准，由于不需要做FFT这样的大量运算，对处理器运算能力没有本质要求，可选用80f020系列单片机就可以了。显示模块以LCD小型化显示屏为主，重点考虑低功耗，可选用2X16字符液晶点阵显示屏。
本发明所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
(1)使磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子；
(2)通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值为L1、L2、L3；
(3)使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子；
(4)通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值为H1、H2、H3；
(5)计算a1＝H1-L1，a2＝H2-L2，a3＝H3-L3，当a1、a2、a3中有一个大于阈值V时，判断绝缘子有故障。
在步骤(5)中，阈值V根据多次无故障绝缘子检测获得的a1、a2、a3值中的最大值来取值。
图3给出了步骤1中磁天线阵元几何配置示意图。在图3中，被测绝缘子串指向为向量
Figure BDA0003163906560000071
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为零点方向，用向量
Figure BDA0003163906560000072
表示，调整
Figure BDA0003163906560000073
使
Figure BDA0003163906560000074
和
Figure BDA0003163906560000075
共面且垂直；此时磁天线阵元的零点就对准了被测绝缘子串了。
同样的原理，图4给出了步骤3中磁天线阵元几何配置示意图。在图4中，被测绝缘子串指向为向量
Figure BDA0003163906560000076
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为其零点方向，用向量
Figure BDA0003163906560000077
表示，调整
Figure BDA0003163906560000078
使
Figure BDA0003163906560000079
和
Figure BDA00031639065600000710
异面垂直，且使
Figure BDA0003163906560000081
和
Figure BDA0003163906560000082
公垂线的长度L在检测处最大，此时磁天线阵元的方向最强点就对准了被测绝缘子串了。
应该指出：便携式故障绝缘子在线检测装置可以只包含一个或多个磁天线阵元，如设计一个阵元接收放电电磁波集中的核心频段，或者多个阵元更为广泛的分多个频段接收放电电磁波，都是本发明的变种。在装置构成中对部分模块进行合并和改进，如对数放大模块和检波模块合并，或对显示模块做改进，或者对波段开关改为电子控制等，都是本发明的变种，应收到权利保护。在检测方法上，对阈值的设置方式做某些改变，如取故障绝缘子多次试验中所测量出的a1、a2、a3值中的最小值来取值；或者是通过对有故障与无故障多次试验所测量值的综合评估来取值，都是本发明检测方法的变种，应收到权利的保护。

Claims (10)

1.一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：包含三个不同频段的第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，用于接收故障绝缘子高压放电电磁波，三个磁天线阵元连接波段开关，波段开关的输出连接小信号放大模块，小信号放大模块连接对数放大模块，对数放大模块连接检波模块，检波模块连接数据采集模块，数据采集模块连接微处理器模块，微处理器模块同时连接显示模块，电源模块为其它各模块提供电源供应。
2.根据权利要求1所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：所述三个不同频段磁天线阵元接收信号的带宽分别为1-3MHz、3-6MHz、6-10MHz，宽度5cm。
3.根据权利要求1或2所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：所述各磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB。
4.根据权利要求1所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：所述磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为100的铁氧体棒材料。
5.根据权利要求1所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：所述数据采集模块采样SPI超低功耗AD转换芯片，分辨率为24bit。
6.根据权利要求1所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置，其特征在于：所述小信号放大模块，采用了2n5532低噪声晶体管放大电路。
7.如权利要求1所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：它包括：
步骤1、使磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子；
步骤2、通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值，设为L1、L2、L3；
步骤3、使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子；
步骤4、通过波段开关依次选择第一磁天线阵元、第二磁天线阵元和第三磁天线阵元，分别接收并读取各自显示值，设为H1、H2、H3；
步骤5、计算a1＝H1-L1，a2＝H2-L2，a3＝H3-L3，当a1、a2、a3中有一个大于阈值V时，判断绝缘子有故障。
8.根据权利要求7所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：在步骤5中，阈值V根据一次以上无故障绝缘子检测获得的a1、a2、a3值中的最大值来取值。
9.根据权利要求7所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子的方法为：设被测绝缘子串指向为向量
Figure FDA0003163906550000021
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为零点方向，用向量
Figure FDA0003163906550000022
表示，调整
Figure FDA0003163906550000023
使
Figure FDA0003163906550000024
和
Figure FDA0003163906550000025
共面且垂直；此时磁天线阵元的零点就对准了被测绝缘子串了。
10.根据权利要求7所述的一种便携式故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：磁性天线阵元的方向零点指向被测绝缘子的方法为：使磁性天线阵元的方向最强点指向被测绝缘子的方法为：设被测绝缘子串指向为向量
Figure FDA0003163906550000026
磁天线阵元沿长度标注的箭头方向为零点方向，用向量
Figure FDA0003163906550000027
表示，调整
Figure FDA0003163906550000028
使
Figure FDA0003163906550000029
和
Figure FDA00031639065500000210
异面垂直，且使
Figure FDA00031639065500000211
和
Figure FDA00031639065500000212
公垂线的长度L在检测处最大，此时磁天线阵元的方向最强点就对准了被测绝缘子串了。
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