CN106918647A - 一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法，监测装置包括：一个以上贴装在碳纤维复合芯架空导线上的前端传感器检测系统，无线中转子站，通信链路以及地面控制系统。其中前端传感监测系统负责碳纤维复合芯架空导线结构声发射信号的采集、转换，无线中转子站实现电信号数据的融合和转发；通信链路负责将数据转发至地面控制系统；最后将接收的数据经声发射检测仪进行初步监测，通过计算处理结果显示单元进行数据和图像的分析，并显示出监测结果。本发明可实现对碳纤维复合芯架空导线开裂、断股等结构的异常情况的监测，为保证碳纤维复合芯架空导线安全运行和后续检修提供诊断依据。

Description

一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统健康监测研究领域，特别是一种新型架空导线声发射检测装置及方法。

背景技术

碳纤维复合芯架空导线内部是一根由碳纤维和树脂基体复合而成的复合芯棒，外部由一系列呈梯形截面软铝绞线绞制而成，是一种全新理念的架空输电线路导线，具有重量轻、低线损、耐腐蚀等一些系列优点。碳纤维复合芯架空导线在生产制造过程中，芯棒中会产生气孔，贫富胶和裂纹等微小损伤，这些微小损伤将在导线上产生局部的强度薄弱区域。当碳纤维复合芯架空导线铺设施工如卷线盘线时，这些强度薄弱区域易在弯矩的作用发生脆性断裂，由于碳纤维复合芯架空导线外层绞制的铝线，传统钢芯铝绞线的损伤检测方法不易检测出发生在碳纤维复合芯架空导线内部的损伤。当导线挂网运行时，复杂的外部环境对输电线路造成不同程度的影响和破坏，进而会引起输电线路事故，造成巨大的经济损失。

声发射(Acoustic Emission,简称”AE”)检测是一种被动检测方式，通过应力波产生的信号，分析声发射信号规律；近年来大量应用到复合材料的损伤监测中，进行损伤模式判定及缺陷定位，可应用到在线运行的碳纤维复合芯架空导线上，进行结构健康监测或危险预警。

采用声发射检测技术进行输电线路结构健康监测时需要大量现场数据，目前对输电线路现场数据的采集、传输和处理基本是通过线缆进行传输。由于高压输电线直接架设在高空，架设距离远，周围环境复杂多变等，采用有线传输的方式有一定的弊端，采用传感节点进行数据无线传输可靠性高，运行费用低。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法,可以实现对碳纤维复合芯架空导线运行结构健康状况进行远程监测，并通过无线传输的方式进行数据传输。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，包括数据监测端、数据处理端，数据监测端用于监测碳纤维复合芯架空导线上的声发射信号，并通过无线传输的方式将该信号传输给数据处理端，数据处理端实现监测信号的分析处理及结果显示；

其中数据监测端包括若干前端传感监测系统，前端传感监测系统用于对碳纤维复合芯架空导线运行过程产生的声发射信号进行监测，并将数据上传给无线传输模块，由无线传输模块对数据进行发送；

数据处理端包括依次相连的无线采集/接收节点、波形处理模块、结果分析处理模块，无线采集/接收节点用于发出监测信号并接收数据监测端发出的监测数据，波形处理模块对接收到的信息进行波形处理后发送给结果分析处理模块，结果分析处理模块用于对结果进行分析处理。

一种基于上述碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置的方法，包括以下步骤：

步骤1、将一个以上的前端传感监测系统贴装在待监测的碳纤维复合芯架空导线上，将无线传输模块安装在无线传感节点对应的杆塔上，数据处理端设置在监控室内；

步骤2、利用数据处理端通过无线传输的方式向对应监测的碳纤维复合芯架空导线的无线传输模块发出进行监测的命令，无线传输模块发送唤醒信号给前端传感监测系统；

步骤3、前端传感监测系统收到监测命令后开始监测碳纤维复合芯架空导线结构变形产生的声发射信号，将接收到的声发射信号进行初步处理后通过无线的方式传送回无线传输模块进行集中，再通过无线传输的方式返回数据处理端；

步骤4、数据处理端完成对检测数据的接收和处理。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)通过本发明提供的一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法，通过在碳纤维复合芯架空导线表面安装声发射传感器，更精确的监测碳纤维复合芯架空导线结构内部损伤及断股情况。2)通过无线方式进行数据传输，可将碳纤维复合芯架空导线结构健康情况实时传送到地面控制系统，省略了现场布线，监测方式便捷，可靠性高，能适用于各种复杂环境的碳纤维复合芯架空导线监测，可实现对碳纤维复合芯架空导线结构的实时监测。3)在地面控制系统中增加声发射检测仪对数据进行初步分析处理，提高了在计算机处理中对碳纤维复合芯架空导线结构异常信息的诊断精度，增加了对碳纤维复合芯架空导线故障的模式识别，对后续的检修处理提供了依据。4)无线传感节点挂在导线上，采用电磁感应直接从高压输电线路上取电，体积小，重量轻，不对输电线路正常输电造成影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为复合材料声发射源示意图。

图2声发射波在无限大介质的传播模式。

图3为系统组成框图。

图4为前端传感监测系统。

图5为检测装置总体结构示意图。

图6为无线传感节点组成结构图。

图中编号所代表的含义为：1表示材料基体开裂，2表示纤维和基体分，3表示纤维拔出，4表示纤维断裂，5表示纤维松弛，O为波源，L为纵波，S为横波，R为表面波。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，包括数据监测端、数据处理端，数据监测端用于监测碳纤维复合芯架空导线上的声发射信号，并通过无线传输的方式将该信号传输给数据处理端，数据处理端实现监测信号的分析处理及结果显示；

其中数据监测端包括若干前端传感监测系统，前端传感监测系统用于对碳纤维复合芯架空导线运行过程产生的声发射信号进行监测，并将数据上传给无线传输模块，由无线传输模块对数据进行发送；

数据处理端包括依次相连的无线采集/接收节点、波形处理模块、结果分析处理模块，无线采集/接收节点用于发出监测信号并接收数据监测端发出的监测数据，波形处理模块对接收到的信息进行波形处理后发送给结果分析处理模块，结果分析处理模块用于对结果进行分析处理。

所述前端传感监测系统包括依次连接的声发射传感器、信号调理电路、无线传感节点，上述各器件封装为一个整体。

所述无线传感节点包括依次连接的数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块、时钟模块和电源模块，并作为一个整体进行封装。

所述波形处理模块采用声发射检测仪。

一种基于上述碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置的方法，包括以下步骤：

步骤1、将一个以上的前端传感监测系统贴装在待监测的碳纤维复合芯架空导线上，将无线传输模块安装在无线传感节点对应的杆塔上，数据处理端设置在监控室内；

步骤2、利用数据处理端通过无线传输的方式向对应监测的碳纤维复合芯架空导线的无线传输模块发出进行监测的命令，无线传输模块发送唤醒信号给前端传感监测系统；

步骤3、前端传感监测系统收到监测命令后开始监测碳纤维复合芯架空导线结构变形产生的声发射信号，将接收到的声发射信号进行初步处理后通过无线的方式传送回无线传输模块进行集中，再通过无线传输的方式返回数据处理端；其中对接收到的声发射信号进行初步处理包括信号放大、滤波、A/D转换处理。

步骤4、数据处理端完成对检测数据的接收和处理。

下面进行更详细的说明。

由于碳纤维复合芯架空导线的碳纤维芯属于复合材料，如图1所示为复合材料产生的不同程度的损伤以及声发射源，主要包括：1表示材料基体开裂，2表示纤维和基体分离，3表示纤维拔出，4表示纤维断裂，5表示纤维松弛

如图2所示为声发射波在无限大介质内的传播模式，若在碳纤维复合芯架空导线中产生应力或裂纹扩展则会产生不同特征的声发射信号，声发射波在导线和空气两个界面中发生多次反射。

如图3所示的系统组成框图，包括：数据监测端、无线传输模块和数据处理端，数据监测端包括若干前端传感监测系统组成；无线传输模块由无线中转子站和通信链路组成；数据处理端包括无线采集/接收节点、波形处理、结果分析处理模块；波形处理模块选择声发射检测仪，声发射检测仪显示声发射信号的特征参数，结果分析处理模块由计算机组成。

如图4所示为前端传感监测系统，依次由低噪声电缆连接的声发射传感器模块，信号调理电路和无线传感节点组成。

如图5所示的系统总体结构示意图，包含一个以上的贴装在碳纤维复合芯架空导线上前端传感器监测系统，无线中转子站，通信链路以及地面控制系统。前端传感器检测系统通过无线传输方式与地面控制系统连接，地面控制系统包括声发射检测仪以及用于进行计算处理及结果显示的计算机。

其中传感器选择声发射传感器，将传感器贴装在待测架空线表面，安装好监测系统贴在碳纤维复合芯架空导线表面关键部位的声发射传感器用于监测碳纤维复合芯架空导线的声发射信号，例如碳纤维复合芯架空导线树脂基体开裂、碳纤维芯断裂，导线断股等损伤发出的声发射应力波。传感器将转换的电信号传送给信号调理电路，信号调理电路由依次连接的信号放大器、滤波电路、A/D转换电路组成，用于对传感器采集的声波信号进行放大、滤波，将其转换为数字信号，并将其发送到无线传感节点。传感器监测点数量可根据待测导线的实际长度进行选择，其分布以杆塔为中心，有一定的区域，在待监测的导线上沿输电线路呈线性或网状排布。

如图6所示的无线传感节点组成结构图：包含依次连接的数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块，实现数据的接受和传输。电源模块分别与数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块相连接，用于向各模块供电。无线通讯模块采用WiFi标准的模块，将接收到的数据上传给无线中转子站。由于无线传感节点需要安装在碳纤维复合芯架空导线上，因此将电源设计成电磁感应供电方式。将数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块、电源模块和时钟模块作为一个整体进行封装。

无线中转子站(无线通讯模块):无线中转子站主要包括主控模块、电源模块、WiFi通信模块。无线中转子站需部署在无线传感节点附近，可安装在无线传感节点对应的杆塔上，负责收集在其覆盖范围内的传感器监测数据。这种分布式数据处理可提高有用信息传送效率，降低系统的功耗和成本。无线中转子站同时将数据经通信链路转发至地面控制系统。通信链路实现从无线中转子站得到的数据进行本地传输或远程传输，主要包括接口、以太网通信接口、通信接口。

地面控制系统(数据处理端)：主要包括控制数据采集的采集节点来发出采集监测信号，负责数据接收的接收节点接收监测的数据。声发射检测仪主要负责对各个前端传感监测系统采集到的声发射信号实现显示、分析和存储，如形成声发射信号的幅频曲线、时间功率谱图、时间幅值图等。同时设置计算机负责对声发射检测仪中的数据进行进一步处理，通过相关数据处理软件对上述数据和图像建立关联图，可进行参数分布统计。实现对碳纤维复合芯架空导线结构异常情况进行识别与诊断，并给出预警信息，实时监测碳纤维复合芯架空导线结构运行情况。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例

一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，包括：一个以上贴装在碳纤维复合芯架空导线上的前端传感器监测系统，无线中转子站，通信链路以及地面控制系统。

所述的前端传感监测系统包含声发射传感器、信号处理电路、无线传感节点；负责碳纤维复合芯架空导线结构声发射声波信号的采集并转换为数字信号，通过无线传感节点实现电信号数据的融合和转发。无线传感节点包含依次连接的数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块，实现数据/命令的无线收发。电源模块分别与数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块相连接，用于向各模块供电。无线通讯模块采用WiFi标准的模块，将接收到的数据上传给无线中转子站。

无线中转子站是对多个前端传感监测系统进行采集控制及数据融合；无线中转子站主要包括主控模块、电源模块、WiFi通信模块。负责收集在其覆盖范围内的前端传感监测系统的监测数据，同时将数据经通信链路转发至地面控制系统。由于受传输距离的限制，需要部署专门用于收集转发数据的监测子站。

所述的通信链路主要包括接口、以太网通信接口、通信接口，实现从无线中转子站得到的数据进行本地传输或远程传输。

所述的地面控制系统包含无线采集/接收节点、声发射检测仪及与其连接的计算机。声发射检测仪主要负责对各个前端传感监测系统采集到的声发射信号实现显示、分析和存储，如形成声发射信号的幅频曲线、时间功率谱图、时间幅值图等。同时设置计算机负责对声发射检测仪中的数据进行进一步处理。通过建立关联图，可进行声发射参数分布统计。实现对碳纤维复合芯架空导线结构异常情况进行识别与诊断，并给出预警信息。

通过本发明提供的一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置及方法，通过在碳纤维复合芯架空导线表面安装声发射传感器，更精确的监测碳纤维复合芯架空导线结构内部损伤及断股情况。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，其特征在于，包括数据监测端、数据处理端，数据监测端用于监测碳纤维复合芯架空导线上的声发射信号，并通过无线传输的方式将该信号传输给数据处理端，数据处理端实现监测信号的分析处理及结果显示；

其中数据监测端包括若干前端传感监测系统，前端传感监测系统用于对碳纤维复合芯架空导线运行过程产生的声发射信号进行监测，并将数据上传给无线传输模块，由无线传输模块对数据进行发送；

数据处理端包括依次相连的无线采集/接收节点、波形处理模块、结果分析处理模块，无线采集/接收节点用于发出监测信号并接收数据监测端发出的监测数据，波形处理模块对接收到的信息进行波形处理后发送给结果分析处理模块，结果分析处理模块用于对结果进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，其特征在于，前端传感监测系统包括依次连接的声发射传感器、信号调理电路、无线传感节点，上述各器件封装为一个整体。

3.根据权利要求2所述的碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，其特征在于，无线传感节点包括依次连接的数据接收模块、数据处理模块、无线通讯模块、时钟模块和电源模块，并作为一个整体进行封装。

4.根据权利要求1所述的碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置，其特征在于，波形处理模块采用声发射检测仪。

5.一种基于权利要求1所述碳纤维复合芯架空导线结构健康监测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将一个以上的前端传感监测系统贴装在待监测的碳纤维复合芯架空导线上，将无线传输模块安装在无线传感节点对应的杆塔上，数据处理端设置在监控室内；

步骤2、利用数据处理端通过无线传输的方式向对应监测的碳纤维复合芯架空导线的无线传输模块发出进行监测的命令，无线传输模块发送唤醒信号给前端传感监测系统；

步骤3、前端传感监测系统收到监测命令后开始监测碳纤维复合芯架空导线结构变形产生的声发射信号，将接收到的声发射信号进行初步处理后通过无线的方式传送回无线传输模块进行集中，再通过无线传输的方式返回数据处理端；

步骤4、数据处理端完成对检测数据的接收和处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3中对接收到的声发射信号进行初步处理包括信号放大、滤波、A/D转换处理。