CN109342566B - 一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置及方法，时序控制单元与上位机连接用于接收上位机的指令，激励信号发生单元与时序控制单元连接用于产生所需参数的激励信号，功率放大模块与激励信号发生单元连接用于将激励信号滤除直流偏置并放大，若干激励通道与功率放大模块连接并设置在盆式绝缘子上侧用于激发出Lamb波，若干接收通道设置在盆式绝缘子下侧用于接收Lamb波并转化为电信号，前置放大模块与若干接收通道连接用于将电信号进行放大，回波信号处理单元与前置放大模块和时序控制单元连接用于检波滤波。本发明在检测出盆式绝缘子是否存在缺陷的同时，判断缺陷的位置，实现盆式绝缘子的在线检测。

Description

一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置及方法

技术领域

本发明涉及一种绝缘子缺陷检测定位装置及方法，特别是一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置及方法。

背景技术

输电网建设是国家战略发展的重要方向，发展特高压输电已经列入我国中长期的发展规划，将会对未来输变电领域产生重要的影响。目前我国已经建设了很长的特高压交流输电线路。目前在特高压输电线路所选用的开关设备，大多数为气体绝缘组合开关设备。由于具有占地面积小、可靠性高、使用周期长、受气候条件的影响较小、维护工作少，装置结构紧凑而且便于安装的特点，因此适用于大型电力枢纽，在地形复杂或者地势狭小的区域也便于应用。其作为电力系统中运行的重要设备，一旦发生故障将会影响电力系统的正常供电造成巨大的经济损失和不良的社会影响。盆式绝缘子作为核心组成部件，在特高压电网建设中必然会被大量应用，因此对其安全稳定运行提出了较高要求。当前，对盆式绝缘子进行检测具有很大的意义。

常规的对于盆式绝缘子的无损检测技术主要包括化学检测法、光学检测法、脉冲电流法、特高频法等。这些无损检测方法理论上对于盆式绝缘子的缺陷检测都具有可行性，然而在生产应用中，每种方法都有各自的局限性，比如化学检测法分析周期较长，需要几个小时甚至几天；光学检测法成本较高；脉冲电流法不适用于复杂的电磁环境；特高频法不能进行定量检测。因此，研发一种简单高效、低成本、能够实现对盆式绝缘子进行缺陷检测的系统成为当前研究的热点之一。

导波以其对缺陷敏感、单点激励、衰减小、能量大等优点使其适合盆式绝缘子缺陷检测工作。然而目前我国对于盆式绝缘子超声导波无损检测技术的研究较少。山东大学的汤何美子在《基于特高频法的GIS局部放电典型缺陷类型放电特性的研究》中提出了使用特高频法进行盆式绝缘子缺陷故障检测的方法，然后采用特高频法存在的主要问题在于：外置式传感器灵敏度低，而且会受到周围环境手机信号等电磁干扰影响，必须采取有效屏蔽措施；此外，这种方法不能实现定量检测，无法测量局部放电视在放电量的大小，因而无法判断缺陷严重程度，是其应用的最大障碍。现有的技术对于盆式绝缘子缺陷故障检测工作，尚无一种快速高效、科学准确的检测方法与系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置及方法，其灵敏度高、衰减小、可定位。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：包含时序控制单元、激励信号发生单元、功率放大模块、若干激励通道、回波信号处理单元、前置放大模块和若干接收通道，时序控制单元与上位机连接用于接收上位机的指令，激励信号发生单元与时序控制单元连接用于产生所需参数的激励信号，功率放大模块与激励信号发生单元连接用于将激励信号滤除直流偏置并放大，若干激励通道与功率放大模块连接并设置在盆式绝缘子上侧用于激发出Lamb波，若干接收通道设置在盆式绝缘子下侧用于接收Lamb波并转化为电信号，前置放大模块与若干接收通道连接用于将电信号进行放大，回波信号处理单元与前置放大模块和时序控制单元连接用于检波滤波。

进一步地，所述若干激励通道采用4个超声导波激励传感器，4个超声导波激励传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的小径处。

进一步地，所述若干接收通道采用12个超声导波接收传感器，12个超声导波接收传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的大径处。

进一步地，所述超声导波接收传感器为压电超声传感器、电磁超声传感器或单晶探头。

进一步地，所述激励信号发生单元包含TMS320VC2812芯片U1和AD9854芯片U2，U1的D0-D7脚分别依次与U2的D0-D7脚连接，U1的A0-A5脚分别依次与U2的A0-A5脚连接，U1的WRB脚分别依次与U2的WRB脚连接，U2的CLKIN脚与有源晶振连接，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别输出SinOut1、SinOut2、CosOut1、CosOut2信号，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别串联一组并联的电容和电阻后接地。

进一步地，所述功率放大模块包含AD830芯片U3，U3的1脚连接电阻R1一端和电容C1一端，电容C1另一端输入SinOut1信号，U3的2脚连接电阻R2一端和电容C2一端，电容C2另一端输入SinOut2信号，电阻R1另一端和电阻R2另一端接地，U3的3脚连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端和电阻R4另一端接地，U3的4脚连接电阻R5一端和电阻R6一端，电阻R6另一端接地，U3的5脚连接电源负极，U3的8脚连接电源正极，U3的7脚连接电阻R5另一端并输出Out信号。

进一步地，所述前置放大模块包含AD830芯片U4，U4的1脚输入VX1信号，U4的2脚输入VX2信号，U4的8脚连接电源正极，U4的3脚连接电阻R7一端和电阻R8一端，电阻R7另一端和电阻R8另一端接地，U4的4脚连接电阻R9一端和电阻R10一端，U4的5脚连接电源负极，U4的7脚连接电阻R9另一端、电阻R11一端和电容C3一端，电容C3另一端连接电阻R12一端并输出VOA1信号，电阻R10另一端、电阻R11另一端和电阻R12另一端接地。

进一步地，所述回波信号处理单元包含AD835芯片U5，U5的7脚连接电阻R13一端和电容C4一端，电容C4另一端输入SinOut1或CosOut1信号，U5的8脚连接电阻R14一端和电容C5一端，电容C5另一端输入SinOut2或CosOut2信号，电阻R13另一端和电阻R14另一端接地，U5的1脚输入Uin信号，U5的2脚接地，U5的3脚连接电源负极，U5的4脚连接电阻R15一端和电阻R16一端，U5的5脚连接电阻R15另一端和电阻R17一端并输出Ux或Uy信号，电阻R16另一端和电阻R17另一端接地，U5的6脚连接电源正极。

一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置的检测定位方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：对健康状态下的盆式绝缘子进行检测，将12个接收传感器采集到的信号作为基准信号，分别提取12路基准信号第一个波包的峰值，并记为A₁、A₂、…、A₁₂；

步骤二：对任意盆式绝缘子进行检测，得到12路接收信号，分别提取12路接收信号第一个波包的峰值，并记为A₁ ^’、 A₂ ^’、…、 A₁₂ ^’；

步骤三：分别计算12路接收信号相对于基准信号的衰减率：

η₁=(A₁-A₁ ^’)/A₁

η₂=(A₂-A₂ ^’)/A₂

...

η₁₂=(A₁₂-A₁₂ ^’)/A₁₂

步骤四：若存在某一路或多路信号的衰减率超过安全阈值S，则判定该盆式绝缘子存在缺陷。

进一步地，将盆式绝缘子均匀分为12个扇形区域，12个接收传感器分别位于每个区域的轴线位置，对比12路接收信号衰减率的大小，衰减率最大的通道所在的区域即为缺陷所在的位置。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明通过超声导波探伤技术，可以在检测出盆式绝缘子是否存在缺陷的同时，判断缺陷的位置，实现盆式绝缘子的在线检测，并为盆式绝缘子的缺陷成因分析及改进提供数据基础，同时其具有灵敏度高、衰减小、可定位的优点，方便对盆式绝缘子几何和物理特性的变化进行检测。

附图说明

图1是本发明的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置的示意图。

图2是本发明的激励信号发生单元的电路图。

图3是本发明的功率放大模块的电路图。

图4是本发明的前置放大模块的电路图。

图5是本发明的回波信号处理单元的电路图。

图6是本发明的超声导波传感器阵列的布置示意图和盆式绝缘子表面分区的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本发明的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，包含时序控制单元、激励信号发生单元、功率放大模块、若干激励通道、回波信号处理单元、前置放大模块和若干接收通道，时序控制单元与上位机连接用于接收上位机的指令，激励信号发生单元与时序控制单元连接用于产生所需参数的激励信号，功率放大模块与激励信号发生单元连接用于将激励信号滤除直流偏置并放大，若干激励通道与功率放大模块连接并设置在盆式绝缘子上侧用于激发出Lamb波，若干接收通道设置在盆式绝缘子下侧用于接收Lamb波并转化为电信号，前置放大模块与若干接收通道连接用于将电信号进行放大，回波信号处理单元与前置放大模块和时序控制单元连接用于检波滤波。

若干激励通道采用4个超声导波激励传感器，4个超声导波激励传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的小径处。若干接收通道采用12个超声导波接收传感器，12个超声导波接收传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的大径处。超声导波接收传感器为压电超声传感器、电磁超声传感器或单晶探头。

如图2所示，激励信号发生单元包含TMS320VC2812芯片U1和AD9854芯片U2，U1的D0-D7脚分别依次与U2的D0-D7脚连接，U1的A0-A5脚分别依次与U2的A0-A5脚连接，U1的WRB脚分别依次与U2的WRB脚连接，U2的CLKIN脚与有源晶振连接，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别输出SinOut1、SinOut2、CosOut1、CosOut2信号，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别串联一组并联的电容和电阻后接地。

如图3所示，功率放大模块包含AD830芯片U3，U3的1脚连接电阻R1一端和电容C1一端，电容C1另一端输入SinOut1信号，U3的2脚连接电阻R2一端和电容C2一端，电容C2另一端输入SinOut2信号，电阻R1另一端和电阻R2另一端接地，U3的3脚连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端和电阻R4另一端接地，U3的4脚连接电阻R5一端和电阻R6一端，电阻R6另一端接地，U3的5脚连接电源负极，U3的8脚连接电源正极，U3的7脚连接电阻R5另一端并输出Out信号。

如图4所示，前置放大模块包含AD830芯片U4，U4的1脚输入VX1信号，U4的2脚输入VX2信号，U4的8脚连接电源正极，U4的3脚连接电阻R7一端和电阻R8一端，电阻R7另一端和电阻R8另一端接地，U4的4脚连接电阻R9一端和电阻R10一端，U4的5脚连接电源负极，U4的7脚连接电阻R9另一端、电阻R11一端和电容C3一端，电容C3另一端连接电阻R12一端并输出VOA1信号，电阻R10另一端、电阻R11另一端和电阻R12另一端接地。

如图5所示，回波信号处理单元包含AD835芯片U5，U5的7脚连接电阻R13一端和电容C4一端，电容C4另一端输入SinOut1或CosOut1信号，U5的8脚连接电阻R14一端和电容C5一端，电容C5另一端输入SinOut2或CosOut2信号，电阻R13另一端和电阻R14另一端接地，U5的1脚输入Uin信号，U5的2脚接地，U5的3脚连接电源负极，U5的4脚连接电阻R15一端和电阻R16一端，U5的5脚连接电阻R15另一端和电阻R17一端并输出Ux或Uy信号，电阻R16另一端和电阻R17另一端接地，U5的6脚连接电源正极。

本发明的工作原理为，上位机发出指令，由DSP控制单元将信号参数控制字码写入激励信号发生单元的TMS320F2812型芯片中，当更新时钟到来，激励信号发生单元产生所需参数的激励信号，经功率放大模块滤除直流偏置并放大后同时输入4个超声导波激励传感器，在盆式绝缘子中激发出Lamb波，Lamb波在盆式绝缘子中传播后，再同时由8个超声导波接收传感器接收并转化为电信号，经采用宽带差动放大器AD830的前置放大模块放大后，再由回波信号处理单元进行检波滤波处理，经过DSP控制单元调制后得到最终的检测信号并返回到上位机。

一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置的检测定位方法，包含以下步骤：

步骤一：对健康状态下的盆式绝缘子进行检测，将12个接收传感器采集到的信号作为基准信号，先在具有健康结构的盆式绝缘子上采集基准信号，如图6所示，实验时需要先用环氧胶在盆式绝缘子的凸侧耦合16个超声导波传感器，其中小径处4个，用于导波的激发，大径处12个，用于导波的接收。4个超声导波激发传感器同时在盆式绝缘子中激发出Lamb波，12个超声导波接收传感器分别接收回波信号，并作为基准信号，分别提取12路基准信号第一个波包的峰值，并记为A₁、A₂、…、A₁₂；

步骤二：在对实际盆式绝缘子进行在线检测时，通过超声导波传感器的位置将盆式绝缘子均匀分为12个扇形区域，12个接收传感器分别位于每个区域的轴线位置，对任意盆式绝缘子进行检测，得到12路接收信号，分别提取12路接收信号第一个波包的峰值，并记为A₁ ^’、 A₂ ^’、…、 A₁₂ ^’；

步骤三：分别计算12路接收信号相对于基准信号的衰减率：

η₁=(A₁-A₁ ^’)/A₁

η₂=(A₂-A₂ ^’)/A₂

η₁₂=(A₁₂-A₁₂ ^’)/A₁₂

步骤四：若存在某一路或多路信号的衰减率超过安全阈值S，则判定该盆式绝缘子存在缺陷。

将盆式绝缘子均匀分为12个扇形区域，12个接收传感器分别位于每个区域的轴线位置，对比12路接收信号衰减率的大小，衰减率最大的通道所在的区域即为缺陷所在的位置。

本发明通过超声导波探伤技术，可以在检测出盆式绝缘子是否存在缺陷的同时，判断缺陷的位置，实现盆式绝缘子的在线检测，并为盆式绝缘子的缺陷成因分析及改进提供数据基础，同时其具有灵敏度高、衰减小、可定位的优点，方便对盆式绝缘子几何和物理特性的变化进行检测。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：包含时序控制单元、激励信号发生单元、功率放大模块、若干激励通道、回波信号处理单元、前置放大模块和若干接收通道，时序控制单元与上位机连接用于接收上位机的指令，激励信号发生单元与时序控制单元连接用于产生所需参数的激励信号，功率放大模块与激励信号发生单元连接用于将激励信号滤除直流偏置并放大，若干激励通道与功率放大模块连接并设置在盆式绝缘子上侧用于激发出Lamb波，若干接收通道设置在盆式绝缘子下侧用于接收Lamb波并转化为电信号，前置放大模块与若干接收通道连接用于将电信号进行放大，回波信号处理单元与前置放大模块和时序控制单元连接用于检波滤波；所述功率放大模块包含AD830芯片U3，U3的1脚连接电阻R1一端和电容C1一端，电容C1另一端输入SinOut1信号，U3的2脚连接电阻R2一端和电容C2一端，电容C2另一端输入SinOut2信号，电阻R1另一端和电阻R2另一端接地，U3的3脚连接电阻R3一端和电阻R4一端，电阻R3另一端和电阻R4另一端接地，U3的4脚连接电阻R5一端和电阻R6一端，电阻R6另一端接地，U3的5脚连接电源负极，U3的8脚连接电源正极，U3的7脚连接电阻R5另一端并输出Out信号；所述前置放大模块包含AD830芯片U4，U4的1脚输入VX1信号，U4的2脚输入VX2信号，U4的8脚连接电源正极，U4的3脚连接电阻R7一端和电阻R8一端，电阻R7另一端和电阻R8另一端接地，U4的4脚连接电阻R9一端和电阻R10一端，U4的5脚连接电源负极，U4的7脚连接电阻R9另一端、电阻R11一端和电容C3一端，电容C3另一端连接电阻R12一端并输出VOA1信号，电阻R10另一端、电阻R11另一端和电阻R12另一端接地；所述回波信号处理单元包含AD835芯片U5，U5的7脚连接电阻R13一端和电容C4一端，电容C4另一端输入SinOut1或CosOut1信号，U5的8脚连接电阻R14一端和电容C5一端，电容C5另一端输入SinOut2或CosOut2信号，电阻R13另一端和电阻R14另一端接地，U5的1脚输入Uin信号，U5的2脚接地，U5的3脚连接电源负极，U5的4脚连接电阻R15一端和电阻R16一端，U5的5脚连接电阻R15另一端和电阻R17一端并输出Ux或Uy信号，电阻R16另一端和电阻R17另一端接地，U5的6脚连接电源正极。

2.按照权利要求1所述的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：所述若干激励通道采用4个超声导波激励传感器，4个超声导波激励传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的小径处。

3.按照权利要求1所述的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：所述若干接收通道采用12个超声导波接收传感器，12个超声导波接收传感器均匀分布于盆式绝缘子凸面的大径处。

4.按照权利要求3所述的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：所述超声导波接收传感器为压电超声传感器、电磁超声传感器或单晶探头。

5.按照权利要求1所述的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置，其特征在于：所述激励信号发生单元包含TMS320VC2812芯片U1和AD9854芯片U2，U1的D0-D7脚分别依次与U2的D0-D7脚连接，U1的A0-A5脚分别依次与U2的A0-A5脚连接，U1的WRB脚分别依次与U2的WRB脚连接，U2的CLKIN脚与有源晶振连接，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别输出SinOut1、SinOut2、CosOut1、CosOut2信号，U2的IOUT1、OUT1B、IOUT2、IOUT2B脚分别串联一组并联的电容和电阻后接地。

6.一种权利要求1-5任一项所述的一种基于超声导波的盆式绝缘子缺陷检测定位装置的检测定位方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：对健康状态下的盆式绝缘子进行检测，将12个接收传感器采集到的信号作为基准信号，分别提取12路基准信号第一个波包的峰值，并记为A₁、A₂、…、A₁₂；

步骤二：对任意盆式绝缘子进行检测，得到12路接收信号，分别提取12路接收信号第一个波包的峰值，并记为A₁ ^’、 A₂ ^’、…、 A₁₂ ^’；

步骤三：分别计算12路接收信号相对于基准信号的衰减率：

η₁=(A₁-A₁ ^’)/A₁

η₂=(A₂-A₂ ^’)/A₂

...

η₁₂=(A₁₂-A₁₂ ^’)/A₁₂

步骤四：若存在某一路或多路信号的衰减率超过安全阈值S，则判定该盆式绝缘子存在缺陷。

7.按照权利要求6所述的检测定位方法，其特征在于：将盆式绝缘子均匀分为12个扇形区域，12个接收传感器分别位于每个区域的轴线位置，对比12路接收信号衰减率的大小，衰减率最大的通道所在的区域即为缺陷所在的位置。