CN110779935A - 一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法，其中系统包括第一供电模块、微波发射模块、发射天线、接收天线、微波检波模块、处理器、通信模块及第二供电模块；第一供电模块、微波发射模块、发射天线依次电连接，且均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块依次电连接，第二供电模块与处理器电连接；接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，通信模块设置于铁帽的表面。该方案能实现对瓷绝缘子无损、无接触、无需断电的微波近场透射检测，能及时获取在役瓷绝缘子的实时状态，检测灵敏度高、安全性好，特别适用于变电站及输电线路上的瓷绝缘子检测。

Description

一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法

技术领域

本发明涉及变电站及输电线路绝缘子检测技术领域，尤其涉及一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法。

背景技术

瓷绝缘子是广泛应用于变电站和输电线路的重要绝缘及支撑元件，悬式瓷绝缘子由瓷件、铁帽和钢脚用不低于525号硅酸盐水泥、石英砂胶合剂胶装而成。

绝缘子是一种重要的绝缘控件，固定发电厂、变电站和高压输电线路导线离不开绝缘子，同时绝缘子也是故障多发的元件。瓷绝缘子的使用年限一般是20至30年，但绝缘子在使用过程中长时间挂在高压电线连接塔上，遭受强日光、紫外线、大风、酸雨、覆冰、雾霾、尘污等气象和环境因素影响，其表面和内部物质及结构发生多种化学及物理反应导致绝缘强度降低，逐渐产生低值、零值等劣化情况，从而可能引发绝缘子串污秽闪络或炸裂掉串，对电力系统的安全稳定运行构成严重威胁。

在湿度较高的环境下，劣化瓷绝缘子的内部缺陷处可能受潮。同时内部缺陷处将产生电场畸变，可能导致局部放电。局部放电带来的电子崩以及电子脉冲将损坏瓷绝缘子材料的化学结构，使材料碳化，大幅降低故障区域的局部电阻，产生绝缘缺陷。

国内外研究者提出多种瓷绝缘子劣化检测方法，包括火花间隙法、电压分布法、泄露电流法、红外成像法、紫外成像法、绝缘电阻法、超声波法等。但在电网实际应用中，绝缘子状态现场检测以火花间隙法为主。火花间隙法需要停电条件下电力工人攀登电线杆进行逐片检测，工作强度大、检测效率低、安全性差，且易造成误检、漏检，所以急需一种高效、安全的方法作为替代或者补充。

发明内容

本发明提供了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法，以解决现有技术中瓷绝缘子状态现场检测需停电、检测效率低及存在安全隐患的问题。

本发明第一方面，提供了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，包括第一供电模块、微波发射模块、发射天线、接收天线、微波检波模块、处理器、通信模块及第二供电模块；

所述第一供电模块、微波发射模块、发射天线依次电连接，且均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；

所述接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块依次电连接，所述第二供电模块与所述处理器电连接；所述接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，所述通信模块设置于所述铁帽的表面；

所述发射天线、接收天线及瓷绝缘子的瓷件三者的中心轴线共轴。

本方案中采用微波近场检测方案，微波在瓷绝缘子内部传播遇到缺陷时，缺陷处的介电常数与正常情况下的介电常数有差异，而这种差异将使微波的透射参量的幅度、相位发生变化，根据接收的微波的参量的变化可分析判断瓷绝缘子劣化情况。由于近场电磁场强度较大，有利于检测瓷绝缘子细微的缺陷、劣化情况，利用微波的近场电磁场即使是毫米级的缺陷也能有明显的体现，其中，近场电磁场是指发射天线中心频率所对应的三个波长内的区域；本方案中发射天线及接收天线无需与待测的瓷绝缘子的瓷件接触，同时，本方案通过第一供电模块及第二供电模块为系统供电，故而能够实现对瓷绝缘子无损、无接触、无需断电的微波近场透射检测，并能够及时获取在役瓷绝缘子的实时状态，检测灵敏度高、安全性好，特别适用于变电站及输电线路上的瓷绝缘子检测。

进一步地，所述第一供电模块、第二供电模块均为高压感应取电装置。

高压感应取电装置是一种利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能的新型感应取电装置。高压感应取电装置能将输电导线周围的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源，保证负载的长期稳定供电。

在一些实施例中，所述第一供电模块、第二供电模块也可选择蓄电池供电或太阳能供电，但蓄电池供电的缺点在于使用寿命短，更换不便；太阳能供电缺点在于能量转换效率较低，易受天气条件制约，这就给高压侧现有设备的供电带来了困难，故而优选高压感应取电装置。

进一步地，所述微波发射模块、微波检波模块均为谐振腔。发射微波时，由第一供电模块向谐振腔直接馈电，谐振腔向发射天线发射功率为毫瓦级、频率为28.2±0.4GHz的微波信号进行扫描检测。

进一步地，所述发射天线的前端与瓷件之间间隔为[0.9λ，1.1λ]，其中λ为所述微波发射模块发射的微波的波长，以便于可实现微波近场垂直极化透射。

进一步地，所述发射天线的前端处设置有介质透镜。以保证发射天线增益高，微波波束横截面窄小，提高监测系统分辨率。

进一步地，所述发射天线、接收天线均为角锥喇叭天线；所述发射天线、接收天线的尺寸均满足如下要求：

其中，L_H和L_E为角锥喇叭天线的H面和E面的张角延长线交点至张口面处的长度，a_h和b_h为角锥喇叭天线的H面和E面的张开面端两边的长度，a和b为角锥喇叭天线的H面和E面的另一端两边的长度。

满足上述要求的角锥喇叭天线使得E面扇形和H面扇形(E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面)都达到最佳尺寸，做到喇叭与波导在颈部尺寸配合，能够使得电磁波的接收达到最佳效果。

进一步地，所述通信模块为共形天线。

进一步地，还包括计算机，所述计算机用于接收通信模块发送的数据信号，并基于接收的数据信号判断瓷绝缘子的劣化情况。

具体的，计算机接收共形天线发送的数据信号后，得到透射参量(S_2,1)波形图。在频率区间[27.8GHz，28.6GHz]中每隔0.01GHz做垂直于横坐标直线，分别记录直线与正常瓷绝缘子曲线和待测瓷绝缘子曲线交点透射参量值，分别记为S_2,1正(dB)、S_2,1测(dB)；通过公式(1)分别计算正常瓷绝缘子与劣化瓷绝缘子各频率点透射参量之间的差值

(共n个，n＝801)；通过公式(2)将

的对数集合转化为实数集合S，测量结果显示的透射参量数据为对数形式，需要转换为线性形式；再通过公式(3)计算实数集合S的平均值其中，n表示实数集合S中的元素总个数，S_i表示实数集合S中第i个元素，实数集合S中的元素总个数与差值

的总个数相等；最后通过公式(4)将其转化为对数值

若

则判定该待测瓷绝缘子为劣化绝缘子。

本发明第二方面，提供了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测方法，具体包括以下步骤：

微波发射组件向瓷绝缘子的瓷件发射微波；其中，所述微波发射组件包括依次电连接的第一供电模块、微波发射模块、发射天线，且第一供电模块、微波发射模块、发射天线均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；

微波接收组件接收通过瓷件的微波，并将接收的微波转换为数据信号发送至计算机；其中微波接收组件包括依次电连接的接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块，所述处理器还电连接有第二供电模块；所述接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，所述通信模块设置于所述铁帽的表面；

其中，所述发射天线、接收天线及瓷绝缘子的瓷件三者的中心轴线共轴。

进一步地，所述计算机内置有瓷绝缘子劣化分析模块，所述瓷绝缘子劣化分析模块执行如下过程：

将计算机接收的共形天线发送的数据信号转换为透射参量波形图；

在频率区间[27.8GHz，28.6GHz]中每隔0.01GHz做垂直于横坐标直线，分别记录直线与正常瓷绝缘子透射参量曲线和待测瓷绝缘子透射参量曲线交点透射参量值，分别记为S_2,1正、S_2,1测；

通过公式

分别计算正常瓷绝缘子与待测瓷绝缘子各频率点透射参量之间的差值

通过公式

将差值的对数集合转化为实数集合S，测量结果显示的透射参量数据为对数形式，需要转换为线性形式；

再通过公式

计算实数集合S的平均值

其中，n表示实数集合S中的元素总个数，S_i表示实数集合S中第i个元素；

最后通过公式

将平均值

转化为对数值

若

则判定该待测瓷绝缘子为劣化绝缘子。

有益效果

本发明提出了瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统及方法，本方案中采用微波近场检测方案，由于近场电磁场强度较大，有利于检测瓷绝缘子细微的缺陷、劣化情况，利用微波的近场电磁场即使是毫米级的缺陷也能有明显的体现；本方案中发射天线及接收天线无需与待测的瓷绝缘子的瓷件接触，同时，本方案通过第一供电模块及第二供电模块为系统供电，故而能够实现对瓷绝缘子无损、无接触、无需断电的微波近场透射检测，并能够及时获取在役瓷绝缘子的实时状态，检测灵敏度高、安全性好，特别适用于变电站及输电线路上的瓷绝缘子检测。

劣化的瓷绝缘子与同型号正常的瓷绝缘子相比，其介电常数将出现较大差异，从而透射参量将会受到影响，相较于传统检测方法，该微波近场检测方案的缺陷位置体现得更加明显，准确率更高。

附图说明

图1是本发明实施方式中提供的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统的结构原理图；

图2是本发明实施方式中提供的发射天线及接收天线的尺寸设计原理图；

图3是微波垂直入射到两种介质的分界平面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，包括第一供电模块21、微波发射模块22、发射天线23、接收天线34、微波检波模块33、处理器32、通信模块35及第二供电模块31；

所述第一供电模块21、微波发射模块22、发射天线23依次电连接，且均设置于瓷绝缘子的钢脚12的空腔121内；

所述接收天线34、微波检波模块33、处理器32及通信模块35依次电连接，所述第二供电模块31与所述处理器32电连接；所述接收天线34、微波检波模块33、处理器32及第二供电模块31均设置于瓷绝缘子的铁帽13内，所述通信模块35设置于所述铁帽13的表面；

所述发射天线23、接收天线34分别位于瓷绝缘子的瓷件两侧，且所述发射天线23、接收天线34及瓷绝缘子的瓷件11三者的中心轴线共轴。

本方案中采用微波近场检测方案，微波在瓷绝缘子内部传播遇到缺陷时，缺陷处的介电常数与正常情况下的介电常数有差异，而这种差异将使微波的透射参量的幅度、相位发生变化，根据接收的微波的参量的变化可分析判断瓷绝缘子劣化情况。由于近场电磁场强度较大，有利于检测瓷绝缘子细微的缺陷、劣化情况，利用微波的近场电磁场即使是毫米级的缺陷也能有明显的体现，其中，近场电磁场是指发射天线中心频率所对应的三个波长内的区域；本方案中发射天线23及接收天线34无需与待测的瓷绝缘子的瓷件11接触，同时，本方案通过第一供电模块21及第二供电模块31为系统供电，故而能够实现对瓷绝缘子无损、无接触、无需断电的微波近场透射检测，并能够及时获取在役瓷绝缘子的实时状态，检测灵敏度高、安全性好，特别适用于变电站及输电线路上的瓷绝缘子检测。

本实施例中，处理器32具体实现接收信号的分析处理，可选用型号为MT2625的芯片，所述第一供电模块21、第二供电模块31均为高压感应取电装置。

高压感应取电装置是一种利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能的新型感应取电装置。高压感应取电装置能将输电导线周围的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源，保证负载的长期稳定供电。高压感应取电装置为现有技术，可采用现有的高压感应取电装置应用于本方案中，如中国专利CN2017203939966、CN2011203063108均公开了一种高压感应取电装置，故在此不再赘述高压感应取电装置的结构及其实现原理。

当然，需明白的是，在其他的一些实施例中，所述第一供电模块21、第二供电模块31也可选择蓄电池供电或太阳能供电，但蓄电池供电的缺点在于使用寿命短，更换不便；太阳能供电缺点在于能量转换效率较低，易受天气条件制约，这就给高压侧现有设备的供电带来了困难，故而优选高压感应取电装置。

本实施例中，所述微波发射模块22、微波检波模块33均为谐振腔。发射微波时，由第一供电模块21向谐振腔22直接馈电，谐振腔22向发射天线23发射功率为毫瓦级、频率为28.2±0.4GHz的微波信号进行扫描检测。

在具体实施时，所述发射天线23的前端与瓷件11之间间隔为[0.9λ，1.1λ]，可以选择发射天线23的前端与瓷件11之间间隔为0.9λ或1.1λ，但是优选间距为λ，其中λ为所述微波发射模块22发射的微波的波长，以便于可实现微波近场垂直极化透射。

优选的，所述发射天线23的前端处设置有介质透镜(未图示)。以保证发射天线增益高，微波波束横截面窄小，提高监测系统分辨率。

优选的，所述发射天线23、接收天线34均为角锥喇叭天线，所述通信模块35为共形天线。如图2所示，所述发射天线23、接收天线34的尺寸均满足如下要求：

其中，L_H和L_E为角锥喇叭天线的H面和E面的张角延长线交点至张口面处的长度，a_h和b_h为角锥喇叭天线的H面和E面的张开面端两边的长度，a和b为角锥喇叭天线的H面和E面的另一端两边的长度。

满足上述要求的角锥喇叭天线使得E面扇形和H面扇形(E面是指与电场方向平行的方向图切面；H面是指与磁场方向平行的方向图切面)都达到最佳尺寸，做到喇叭与波导在颈部尺寸配合，能够使得电磁波的接收达到最佳效果。

还包括计算机，所述计算机用于接收共形天线发送的数据信号，并基于接收的数据信号判断瓷绝缘子的劣化情况。

根据接收的数据可以确定劣化绝缘子劣化情况。劣化瓷绝缘子缺陷位置与周围材料介电常数存在差异，而介电常数的变化直接影响所接收微波的相位、幅度、透射参量等参数。如图3所示，在z<0的区域充满参数为ε₁、μ₁和σ₁的导电媒质1，ε₁、μ₁和σ₁分别是导电媒质1的介电常数、磁导率和电导率，在z>0的区域充满参数为ε₂、μ₂和σ₂的导电媒质2，ε₂、μ₂和σ₂分别是导电媒质2的介电常数、磁导率和电导率，均匀平面波从媒质1垂直入射到z＝0的分界平面上。推导得到透射系数公式(6)：

式中τ是透射系数，E_tm是透射波，E_im是入射波，η_1c及η_2c分别表示透射波振幅及入射波振幅。

其中，

式中，ω表示角频率，ω可由2π除以微波的中心频率计算，j为虚数。

其中最主要的是透射系数，微波传输过程中经过劣化瓷绝缘子缺陷处的透射系数和相位会发生变化，据此可以计算瓷绝缘子透射参量并分析其劣化状况。

具体的，计算机接收共形天线发送的数据信号后，转换得到透射参量(S_2,1)波形图。在频率区间[27.8GHz，28.6GHz]中每隔0.01GHz做垂直于横坐标直线，分别记录直线与正常瓷绝缘子曲线和待测瓷绝缘子曲线交点透射参量值，分别记为S_2,1正(dB)、S_2,1测(dB)；通过公式(1)分别计算正常瓷绝缘子与劣化瓷绝缘子各频率点透射参量之间的差值

(共n个，n＝801)；通过公式(2)将

的对数集合转化为实数集合S，测量结果显示的透射参量数据为对数形式，需要转换为线性形式；再通过公式(3)计算实数集合S的平均值

其中，n表示实数集合S中的元素总个数，S_i表示实数集合S中第i个元素，实数集合S中的元素总个数与差值的总个数相等；最后通过公式(4)将其转化为对数值

若

≥10dB，则判定该绝缘子为劣化绝缘子。

具体实施时，可参考如下尺寸：天线尺寸为6.5mm*6.5mm*10mm(长*宽*高)，处理器尺寸为4mm*4mm*4mm，第一、第二供电模块为5mm*5mm*15mm，通信模块7mm*7mm*3mm，发射模块5.5*5.5*10mm，检波模块5*5*10mm。

本发明实施例还提供了一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测方法，具体包括以下步骤：

微波发射组件向瓷绝缘子的瓷件发射微波；其中，所述微波发射组件包括依次电连接的第一供电模块、微波发射模块、发射天线，且第一供电模块、微波发射模块、发射天线均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；

微波接收组件接收通过瓷件的微波，并将接收的微波转换为数据信号发送至计算机；其中微波接收组件包括依次电连接的接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块，所述处理器还电连接有第二供电模块；所述接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，所述通信模块设置于所述铁帽的表面；

其中，所述发射天线、接收天线分别位于瓷绝缘子的瓷件两侧，且所述发射天线、接收天线及瓷件三者的中心轴线共轴。

进一步地，所述计算机内置有瓷绝缘子劣化分析模块，所述瓷绝缘子劣化分析模块执行如下过程：

将计算机接收的共形天线发送的数据信号转换为透射参量波形图；

在频率区间[27.8GHz，28.6GHz]中每隔0.01GHz做垂直于横坐标直线，分别记录直线与正常瓷绝缘子透射参量曲线和待测瓷绝缘子透射参量曲线交点透射参量值，分别记为S_2,1正、S_2,1测；

通过公式

分别计算正常瓷绝缘子与待测瓷绝缘子各频率点透射参量之间的差值

通过公式将差值

的对数集合转化为实数集合S，测量结果显示的透射参量数据为对数形式，需要转换为线性形式；

再通过公式计算实数集合S的平均值

其中，n表示实数集合S中的元素总个数，S_i表示实数集合S中第i个元素；

最后通过公式

将平均值

转化为对数值

若

则判定该待测瓷绝缘子为劣化绝缘子。

该瓷绝缘子本体嵌入式在线监测方法实现的其他更为详细的技术方案可参见上述瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统的具体实现方案，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，包括第一供电模块、微波发射模块、发射天线、接收天线、微波检波模块、处理器、通信模块及第二供电模块；

所述第一供电模块、微波发射模块、发射天线依次电连接，且均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；

所述接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块依次电连接，所述第二供电模块与所述处理器电连接；所述接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，所述通信模块设置于所述铁帽的表面；

所述发射天线、接收天线及瓷绝缘子的瓷件三者的中心轴线共轴。

2.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述第一供电模块、第二供电模块均为高压感应取电装置。

3.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述微波发射模块、微波检波模块均为谐振腔。

4.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述发射天线的前端与瓷件之间间隔为[0.9λ，1.1λ]，其中λ为所述微波发射模块发射的微波的波长。

5.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述发射天线的前端处设置有介质透镜。

6.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述发射天线、接收天线均为角锥喇叭天线；所述发射天线、接收天线的尺寸均满足如下要求：

其中，L_H和L_E为角锥喇叭天线的H面和E面的张角延长线交点至张口面处的长度，a_h和b_h为角锥喇叭天线的H面和E面的张开面端两边的长度，a和b为角锥喇叭天线的H面和E面的另一端两边的长度。

7.根据权利要求1所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，所述通信模块为共形天线。

8.根据权利要求1至7任一项所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测系统，其特征在于，还包括计算机，所述计算机用于接收通信模块发送的数据信号，并基于接收的数据信号判断瓷绝缘子的劣化情况。

9.一种瓷绝缘子本体嵌入式在线监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

微波发射组件向瓷绝缘子的瓷件发射微波；其中，所述微波发射组件包括依次电连接的第一供电模块、微波发射模块、发射天线，且第一供电模块、微波发射模块、发射天线均设置于瓷绝缘子的钢脚的空腔内；

微波接收组件接收通过瓷件的微波，并将接收的微波转换为数据信号发送至计算机；其中微波接收组件包括依次电连接的接收天线、微波检波模块、处理器及通信模块，所述处理器还电连接有第二供电模块；所述接收天线、微波检波模块、处理器及第二供电模块均设置于瓷绝缘子的铁帽内，所述通信模块设置于所述铁帽的表面；

其中，所述发射天线、接收天线及瓷绝缘子的瓷件三者的中心轴线共轴。

10.根据权利要求9所述的瓷绝缘子本体嵌入式在线监测方法，其特征在于，所述计算机内置有瓷绝缘子劣化分析模块，所述瓷绝缘子劣化分析模块执行如下过程：

将计算机接收的共形天线发送的数据信号转换为透射参量波形图；

在频率区间[27.8GHz，28.6GHz]中每隔0.01GHz做垂直于横坐标直线，分别记录直线与正常瓷绝缘子透射参量曲线和待测瓷绝缘子透射参量曲线交点透射参量值，分别记为S_2,1正、S_2,1测；

通过公式

分别计算正常瓷绝缘子与待测瓷绝缘子各频率点透射参量之间的差值

通过公式将差值

的对数集合转化为实数集合S；

再通过公式

计算实数集合S的平均值

其中，n表示实数集合S中的元素总个数，S_i表示实数集合S中第i个元素；

最后通过公式

将平均值

转化为对数值

若

则判定该待测瓷绝缘子为劣化绝缘子。

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