CN110118918A - 一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其包括绝缘手柄、绝缘开合套环、MEMS光纤微电流传感器、放大处理模块、显示器和电源，所述绝缘开合套环由两个可相互开合的绝缘套臂组成，分别为左绝缘套臂和右绝缘套臂，两个绝缘套臂可转动连接在绝缘手柄的前端，且在两个绝缘套臂上设有四个MEMS光纤微电流传感器，所述MEMS光纤微电流传感器用于检测绝缘子串周围的磁场，并将检测的信号传输给放大处理模块，所述放大处理模块对接收到的信号放大处理后，将计算结果输送至显示器进行实时显示。本发明不受电磁干扰，以非接触式的测量方式可及时发现隐患，提高绝缘子运维效率。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘子劣化检测技术领域，如特高压直流输电线路绝缘子检测、特高压交流输电线路绝缘子检测，具体涉及一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置。
背景技术
电网的安全、稳定运行越来越受到重视。绝缘子在输配电系统中应用广泛,尤其是在近年来大力发展的超高压、特高压交、直流输电系统中,绝缘子的安全运行问题更是直接决定了整个系统的投资及安全水平。长期经受机电负荷、日晒雨林、冷热变化等作用，会使绝缘子的绝缘性能或机械性能下降，从而产生劣化绝缘子进而直接威胁着电力系统的安全运行。故如何及时检测发现劣化绝缘子是当前的重要课题。
当前主要是以分布电压检测法、电晕脉冲电流法等为典型的电量测量法和以超声波检测法、红外热像仪法等为代表的非电量测量法。分布电压法利用劣化绝缘子的绝缘电阻降低,分担电压降低的特点进行检测,属于接触式测量,通过检测绝缘子承担电压值的变化,掌握其绝缘状况。这种传统的绝缘子检测方法目前在各供电单位采用较多,但具有劳动强度大、安全性差、效率低且受电磁干扰等缺点,易造成误检或漏检；电晕脉冲电流法通过测量多个工频周期内电晕脉冲的个数，来判定绝缘子串中是否存在劣化绝缘子，该方法具有成本低、检测方便的优点，但其缺点是准确率不够、灵敏度受外界环境因素影响大，且容易受到金具、导线电晕等因素干扰；超声波检测法是通过检测绝缘子表面局部放电对周围的介质施加压力而产生的声波,来判定放电强弱,从而了解绝缘子运行状态。在现场强大的高压磁场下,该方法区别局部劣化放电信号,具有一定难度，对绝缘子劣化、绝缘阻值下降的早期子预报有一定困难；在绝子发生绝缘劣化或者表面污秽严重后,会造成运行中绝绿子串的分布电压改变、泄漏电流异常,出现发热或局部发凉迹象,这是红外成像法检测劣化绝缘子的基本原理。该方法的缺点是:当劣化绝缘子的绝缘电阻在5～10MΩ之间时,温度变化不明显,难以通过红外热像加以区别,存在检测盲区。且该方法受环境影响较大,太阳和背景辐射的干扰,光谱发射率ε的选定,对焦情况、气象条件等均会对检测结果造成影响。因此,在实际应用中还受到一些限制。此外，还有敏感绝缘子法、紫外成像法、紫外脉冲法、电场测量法和超高频检测法等。
上述各种检测方法的工作原理是利用了接收绝缘子在损坏过程中出现的电、声、光、热等信号，而在电信号的检测方法中基本都需要传感器与绝缘子进行接触连接，存在一定的安全隐患。而非接触式的绝缘子状忞检测方法基于对空间分布特征量的检测，但由于其中有些特征量的信号较为微弱，检测难度较大。同时上述检测方法还存在一些问题有待解决，例如测量精度差、检测工效低等。因此，亟需提出一种准确、快速、低成本、安全、不受电磁干扰的非接触式绝缘子方法，以及时发现隐患，提高绝缘子运维效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，该装置不受电磁干扰，可及时发现隐患，提高绝缘子运维效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，包括绝缘手柄、绝缘开合套环、MEMS光纤微电流传感器、放大处理模块、显示器和电源，所述绝缘开合套环由两个可相互开合的绝缘套臂组成，分别为左绝缘套臂和右绝缘套臂，所述左绝缘套臂和右绝缘套臂可转动连接在所述绝缘手柄的前端，且在两个绝缘套臂上分别设有所述MEMS光纤微电流传感器，该MEMS光纤微电流传感器的信号输出端与所述放大处理模块连接，所述MEMS光纤微电流传感器用于检测绝缘子串周围的磁场，并将检测的信号传输给放大处理模块，所述放大处理模块对接收到的信号放大处理后，将计算结果输送至显示器进行实时显示。
进一步的，所述MEMS光纤微电流传感器的数量共设置四个，四个MEMS光纤微电流传感器分别对称安装在绝缘开合套环上。
进一步的，所述放大处理模块包括放大器和单片机，所述放大器采用低噪声的AD620放大器，所述单片机采用89C2051单片机。
进一步的，所述放大处理模块和电源设置在绝缘手柄内部，所述显示器设置在绝缘手柄外表面上，放大处理模块分别与MEMS光纤微电流传感器和显示器之间电性连接。其中，所述显示器采用数字式显示屏。
进一步的，所述绝缘手柄上设有用于打开和闭合绝缘开合套环的开合按钮。
进一步的，所述左绝缘套臂和右绝缘套臂通过可转动连接轴连接在绝缘手柄的前端。
进一步的，所述绝缘开合套环的开合环外径为410mm，内径为380mm；所述绝缘手柄的长度为500mm，直径为50mm。
本发明的有益效果如下：
1、采用MEMS光纤微电流传感技术实现绝缘子劣化检测，与现有传统电子传感器相比，适应性强，抗电磁干扰、抗高压、抗腐蚀；
2、可实现绝缘子串无接触式测量，大幅提高绝缘子运维检修的安全性，方便快捷、大幅提高检测效率；
3、引入微电流及磁场强度变量测量判据，监测手段和数据可靠性更高，光纤传输信号，检测灵敏度和精度更高；
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是绝缘子劣化检测装置非工作状态时结构示意图；
图2是绝缘子劣化检测装置工作状态时结构示意图；
图3是绝缘子劣化检测装置的结构尺寸图。
图4是AD620放大器内部结构图。
图5是不同劣化和湿度程度下绝缘子串微电流变化曲线。
图6是绝缘子串磁场理论模型。
图中标记为：1-绝缘手柄，2-绝缘开合套环，3-MEMS光纤微电流传感器，4-放大处理模块，5-显示器，6-开合按钮，7-可转动连接轴，8-被测绝缘子。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1至3所示，一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，包括绝缘手柄1、绝缘开合套环2、MEMS光纤微电流传感器3、放大处理模块4、显示器5和电源，所述绝缘开合套环2由两个可相互开合的绝缘套臂组成，分别为左绝缘套臂和右绝缘套臂，所述左绝缘套臂和右绝缘套臂可转动连接在所述绝缘手柄1的前端，且在两个绝缘套臂上分别设有所述MEMS光纤微电流传感器3，该MEMS光纤微电流传感器3的信号输出端与所述放大处理模块4连接，所述MEMS光纤微电流传感器3用于检测绝缘子串周围的磁场，并将检测的信号传输给放大处理模块4，所述放大处理模块4对接收到的信号放大处理后，将计算结果输送至显示器5进行实时显示。
本实施例中，所述MEMS光纤微电流传感器的数量共设置四个，四个MEMS光纤微电流传感器分别对称安装在绝缘开合套环上。所述放大处理模块和电源设置在绝缘手柄内部，所述显示器设置在绝缘手柄外表面上，放大处理模块分别与MEMS光纤微电流传感器和显示器之间电性连接。
本实施例中，所述放大处理模块包括放大器和单片机。其中，采用AD620作放大器，AD620是高精度、低噪声放大器，用于仪表放大，AD620使用方便，增益只用一个电阻就可以灵活设置，AD620体积小，成本低，是磁场传感器的理想放大电路。电路组成框图如图3所示。
用AD620放大绝缘子弱磁信号，将MEMS光纤微电流传感器输出信号放大至适当倍数，使用单片机89C2051进行A/D变换，由程序进行数字处理，得出较高精度的数据，并送数字式显示器作实时显示。
本实施例的绝缘开合套环通过手动的方式可以打开或闭合。作为优选，可以在绝缘手柄上设置用于打开和闭合绝缘开合套环的开合按钮，对于按钮控制开合采用当前现有技术即可实现(如电机驱动或扭簧与拉线配合等)，此处不再赘述。
本实施例的绝缘开合套环的开合环外径为410mm，内径为380mm；绝缘手柄的长度为500mm，直径为50mm。
综上，本装置的检测原理：将的探测头放置在绝缘子串周围适当位置，传感器不与绝缘子相接触，工作中的绝缘子串存在有微电流(泄露电流)，当绝缘子发生劣化时，绝缘子阻抗(阻值)会增大，引起绝缘子串中的微电流增大。根据安培环路定律，绝缘子串周围的磁场强度会随之增大，通过MEMS光纤微电流传感器测量绝缘子串周围磁场，即可实现对绝缘子劣化状态的准确、快速、非接触检测。
更具体他，本发明的技术路线与原理如下：
(1)首先研究通电情况下绝缘子串在不同劣化程度下的微电流变化特征。实验结果表明，正常绝缘子与劣质绝缘子的阻抗特性有很大的区别，正常绝缘子的交流阻抗值很大，通常为60MΩ～90MΩ之间，最大可超过100MΩ，可是劣质绝缘子(表面受污、潮湿绝缘子)由于其绝缘介质内部结构已经受到损坏或者表面电阻系数的改变，其交流阻抗特性与正常绝缘子相比小得多，表现在其等效电阻值减小，等效电容值增大，宏观的表象即为绝缘子串微电流的增加。主要特征如下图5所示，以等值盐密ESDD(mg/cm2)表示绝缘子劣化(污秽)程度。从图5可以看出，良好绝缘子随劣化程度的增加，绝缘子串中的微电流也随之增大，且具有一定的线性度；当然在实际情况下有很多其他环境因素的影响，如:温度、气压、冰雪覆盖、静电场等等。采用现有己知的有关外界因素如污秽、潮湿、温度、冰雪覆盖等对绝缘子串微电流值影响的数学模型，通过分别赋予不同外界干扰因素以不同隶属度的思想，利用模糊集合理论综合考虑绝缘子的运行情况以最终确定绝缘子的绝缘状况。考虑各种不同的实际应用环境，通过设计合理的分析模型，找到适合的绝缘子劣化秽程度与绝缘子串微电流变化关系模型。
(2)研究绝缘子串周围弱磁场特征,建立绝缘子串磁场分析计算模型。绝缘子串周围的磁场分析计算需要利用安培环路定理，该定理使用于稳恒的电流和磁场。绝缘子大多应用在交变电压的输电线路上，所以理想情况下绝缘子串中通过的微电流属于简谐的交变电流。麦克斯韦方程：简谐电场和磁场可以表示为：将这两式带入上述麦克斯韦方程，对得出公式两边空间闭合曲线L进行积分可以得到：由该式可以得出B∝I，即单频的简谐电流与其产生的磁场具有一定的线性关系，故可将其绝缘子串中通过的单频交变电流看作是静电，即稳恒电流。
绝缘子串相当于一个有限长直电流导体,建立绝缘子串磁场理论计算分析模型如图6所示。
当绝缘子串中的电流向上时，磁场方向垂直纸面向里；绝缘子串轴线上端延长线和上端点与测磁点连线的夹角为θ1；绝缘子串轴线和下端点与测磁点连线的夹角为θ1；测磁点到绝缘子串轴线的距离为r0；根据绝缘子串微电流-磁场理论模型，应用安培环路定理和毕奥-萨伐尔定律求解其周围磁场，对于无限长直载流导体适用于安培环路定理：对于描述电流元在空间任意点处所激发的磁场，有毕奥-萨伐尔定律：上述两式中L为任一闭合曲线；I为通过所围曲面的总电流；μ0为真空中磁导率。结合上述毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理，可以得到有限长度绝缘子串周围某点处的磁感应强度为：由该式可以看出，绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系，故利用弱磁传感器检测绝缘子附近特定点处的磁感应强度的大小和变化，即可得到绝缘子串中微电流的变化特征，进而对绝缘子的劣化情况进行监测。
(3)确定并利用MEMS光纤微电流传感器对绝缘子串中微电流物理量进行测量。根据安培环路定律，绝缘子串中流过的微电流会在绝缘子串周围产生磁感应强度B。绝缘子发生劣化时由于其流过的微电流I增大，故其周围的磁感应强度B也会随之增大。基于MEMS光纤微电流传感器的原理就是通过直接检测绝缘子串周围磁场的变化，间接得到绝缘子串中通过的微电流的大小和变化特征，从而实现绝缘子劣化程度的非接触式检测。MEMS光纤微电流传感器的工作原理是:磁性薄膜受到与其磁矩方向正交的外磁场作用时将产生磁扭矩；在该磁扭矩作用下，MEMS扭镜产生扭转运动，与硅弹性扭转梁弹性扭转力矩平衡，MEMS扭镜的扭转角度与外磁场对应；通过双光纤准直器与微镜面形成的反射光路，可以探测由于扭转所产生的光强耦合损耗，通过耦合损耗即可获得待测磁场信息，进而可以测量交流电信号。
(4)系统结构及测量：如图1和2所示，4个MEMS光纤微电流传感器分别对称安装在绝缘开合圆环上，并与绝缘手柄内部测量电路和显示屏连接，绝缘开合圆环的开合由绝缘手柄上的手动按钮控制。传感器检测到的绝缘子串外围磁场通过测量电路的信号转换传输，在经数据库绝缘子状态信息比对，在显示屏上直接显示出检测绝缘子微电流大小及绝缘状态信息，并实时储存数据。还可在装置上加装无线数据传输模块，讲数据传输至地面PC端进行分析、诊断。
绝缘子串微电流计算方法：由上面得到的有限长度绝缘子串周围某点处的磁感应强度公式，可以得到绝缘子串微电流与其附近特定位置磁场强度的关系。即，假设四个对称MEMS光纤微电流传感器检测到的磁场强度分别为B1、B2、B3、B4，相隔两MEMS光纤微电流传感器与圆环直径共线，根据几何关系可得绝缘子串微电流为：式中R为绝缘开合圆环半径，是一个变量系数，与绝缘开合圆环与绝缘子串轴线方向相对位置有关，在实际的工程应用中可根据输电铁塔不同绝缘子串位置及绝缘基本规格参数将α设定不同的固定值，进而在检测中实时调取设定。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，包括绝缘手柄、绝缘开合套环、MEMS光纤微电流传感器、放大处理模块、显示器和电源，所述绝缘开合套环由两个可相互开合的绝缘套臂组成，分别为左绝缘套臂和右绝缘套臂，所述左绝缘套臂和右绝缘套臂可转动连接在所述绝缘手柄的前端，且在两个绝缘套臂上分别设有所述MEMS光纤微电流传感器，该MEMS光纤微电流传感器的信号输出端与所述放大处理模块连接，所述MEMS光纤微电流传感器用于检测绝缘子串周围的磁场，并将检测的信号传输给放大处理模块，所述放大处理模块对接收到的信号放大处理后，将计算结果输送至显示器进行实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述MEMS光纤微电流传感器的数量共设置四个，四个MEMS光纤微电流传感器分别对称安装在绝缘开合套环上。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述放大处理模块包括放大器和单片机，所述放大器采用低噪声的AD620放大器，所述单片机采用89C2051单片机。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述放大处理模块和电源设置在绝缘手柄内部，所述显示器设置在绝缘手柄外表面上，放大处理模块分别与MEMS光纤微电流传感器和显示器之间电性连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述显示器采用数字式显示屏。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述绝缘手柄上设有用于打开和闭合绝缘开合套环的开合按钮。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述左绝缘套臂和右绝缘套臂通过可转动连接轴连接在绝缘手柄的前端。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤微电流传感器的绝缘子劣化检测装置，其特征在于，所述绝缘开合套环的开合环外径为410mm，内径为380mm；所述绝缘手柄的长度为500mm，直径为50mm。
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