CN113391166A - 基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，属于配电系统技术领域。包括超声波传感器和局部放电检测主机两部分，超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号，局部放电检测主机对超声波传感器采集的信号进行处理，结合环境中的温度和湿度因素进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型；检测装置配备有高清摄像头、嵌入式GPS接收器、高亮度激光笔，通过摄像头和激光探测器，准确定位故障位置并拍照。可在配电网不停电的状态下实现对110kV及以下电压等级电力配电系统设备及架空线路的快速巡检，有效监测线路的故障隐患，同时显著降低了人工巡检工作量，提高了巡检效率。

Description

基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置
技术领域
本发明涉及配电系统技术领域，特别涉及一种基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，可实现对110kV及以下电压等级电力配电系统设备及架空线路的快速巡检。
背景技术
在配电网中，设备故障和缺陷易于发生在绝缘子部分和转接部位。绝缘子用于隔绝导体与杆塔、导体与导体，并具有承重、抵抗外界恶劣天气条件的能力，其常见的电气故障主要为击穿和闪络。另外，绝缘子长期在高压、高温环境下运行，并伴随着有雷击、短路等冲击，造成物理和化学上的腐蚀，使其绝缘性能下降，给线路安全运行带来隐患。电缆终端接头、烙断器接头、电缆连接处、导体与导体连接部位、线夹等，由于导体周围电场分布不均匀，极易发生电晕放电及导体对绝缘部位的局部放电，久而久之，电缆腐蚀、绝缘损坏，最终造成安全事故，而且这些设备在配网网络中最为常见，数量极大，因此对于这些零散的设备，即使很少的设备发生故障，对整条线路的损害也很大。
目前，我国对电力配电系统的检修主要分为人工巡检和定期预防性试验。人工巡检法包括传统型巡视法、数码相机巡视法和到位自动识别法。
传统型巡视法是目前应用较为广泛的方式之一，由生产管理部口每月下达巡视字或安装巡视考核牌，巡视人员到位后，通过杆塔写字或发现巡视考核牌完成巡视到位登记。缺陷录入通过人工手工记入巡视记录薄，巡视完毕后，通过抽查巡视考核字或考核牌进行巡视质量考核，手工填写缺陷上报单完成缺陷上传。该方式操作简单，新工人易于学习掌握，但由于管理方式全部为手工方式，巡视到位考核困难，缺陷描述不规范，容易出现漏报、错报、现场情况不清晰等情况。
数码相机巡视法也是目前应用较为广泛的方式之一，巡视设备主要有数码相机，巡视人员到位后，通过拍摄杆塔照片完成巡视到位登记。缺陷录入通过人工手工记录巡视记录薄，巡视完毕后，通过检查杆塔照片的数量和拍摄时间进行巡视质量考核，手工填写缺陷上报单完成缺陷上传。该方式操作简单，新工人易于学习掌握，部分解决了巡视考核困难和现场情况不清晰的问题，但由于在管理方式上仍为手工方式，巡视到位考核较为困难，缺陷描述不规范，容易出现漏报、错报。
到位自动识别法需在每基杆塔上安装信息钮、条形码等识别设备，巡视人员到位后，通过对应识别设备，接触杆塔上的信息钮或扫描条形码完成巡视到位登记。缺陷录入通过人工手工记录巡视记录薄，巡视完毕后，通过数据线与管理平台通信，完成巡视质量考核，手工填写缺陷上报单完成缺陷上传。该方式操作简单，新工人易于学习掌握，解决了巡视考核困难的问题，但由于在管理方式上仍为手工方式，手持设备及识别设备成本偏高，轩塔识别设备易损坏、缺陷描述不规范，容易出现漏报、错报、现场情况不清晰等情况，并没有得到普遍应用。
人工巡检存在着工作量大、效率低，且检验的结果受巡检人员实践经验、理论知识等多方面因素的影响，结论的准确性低、失误多，无法对配电系统的健康状况作出准确判断。
定期预防性试验是定期对电力线路定期进行预防性试验，保证设备及线路安全、可靠运行，最大限度地预防事故发生。其本质上是一种离线检测的方法，在实际应用中暴露了诸多问题，其主要表现在：１）预防性试验，需对电力线路停电，这与保证线路供电可持续性矛盾；２）停电与运行两种状态始终存在着差异，其试验结果的准确性难保证；３）预防性试验中包括耐压等多种破坏性试验，会对线路设备绝缘造成损害。
为提高配电系统巡视工作效率，减小劳动强度，解决巡视时人为误判影响正常运行的问题，需要从过去的被动型即在线路故障后对线路进行检查，转变为主动型的对电力配网线路局部放电的带电检测、状态评估及趋势发展的分析诊断，从而将故障消灭在发生前，减少停电次数并提高线路的供电可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明分为超声波传感器和局部放电检测主机两部分。通过超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号并经数据线传输至局部放电检测主机，检测主机结合环境中的温度和湿度等因素，对采集到的超声波信号进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型。该设备可在配电网不停电的状态下实现对110kV及以下电压等级电力配电系统设备及架空线路的快速巡检，有效监测线路的故障隐患，同时显著降低了人工巡检工作量，提高了巡检效率。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，包括超声波传感器和局部放电检测主机两部分，超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号，局部放电检测主机对超声波传感器采集的信号进行处理，结合环境中的温度和湿度因素进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型；检测装置配备有高清摄像头、嵌入式GPS接收器、高亮度激光笔，通过摄像头和激光探测器，准确定位故障位置并拍照；嵌入式GPS接收器自动存储位置信息；装置配备有SD存储卡接口、USB接口、串口以及耳机接口，将超声波传感器探测到的异常超声波信号转换为音频形式和图像形式输出，具备数据保存功能，能够实现数据的后台查询。
采用非接触式带电检测方法，采用车载检测与步行检测相结合方式，车载检测时以30km/h以下速度沿着线路方向进行扫描式检测，遇到车辆不便地方采取步行检测，检测距离为30米。
所述的局部放电检测主机由信号采样模块、信号降噪模块、数据处理模块、模式识别部分以及各种数据交换接口组成；信号采样模块负责对经A/D转换后的超声波信号进行采样并传送至信号降噪模块，信号降噪模块对采集到的信号进行降噪处理滤除现场噪声后传送至数据处理模块，数据处理模块进行数据特征量提取，模式识别部分依据特征量，结合数据库判断局部放电类型以及放电严重程度，同时相关数据信息经各类数据交换接口传输至对应设备。
所述的超声波传感器由超声波发射器和超声波接受器组成，超声波发射器由超声波振荡器、脉冲调制器、功率放大器及传感器组成，局部放电形成的超声波信号通过前置的功率放大器将信号进行放大，超声波接收器将高频超声波信号变成电路可接收的电平信号。
所述的超声波接收器接受频率范围为20~150kHz，接收来自电力设施局部放电所发出的超声波信号。
所述的超声波接收器由金属外壳1、金属网罩2、阻抗匹配器6、锥形共振盘3、压电晶片4和引脚5组成，所述金属外壳1的内侧设有金属网罩2，阻抗匹配器6放置在金属网罩2内部；压电晶片4的两端连接有引脚5，压电晶片4、锥形共振盘3固定在阻抗匹配器6上；金属外壳1和金属网罩2对外界电磁干扰起到了屏蔽作用，防止电磁干扰耦合到电信号回路中，锥形共振盘3则对压电晶片4起到放大振幅的作用，阻抗匹配器6起固定作用。
本发明的有益效果在于：通过超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号并经数据线传输至局部放电检测主机，检测主机结合环境中的温度和湿度等因素，对采集到的超声波信号进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型。该设备可在配电网不停电的状态下实现对110kV及以下电压等级电力配电系统设备及架空线路的快速巡检，有效监测线路的故障隐患，同时显著降低了人工巡检工作量，提高了巡检效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的架空配电线路超声波局部放电检测原理示意图；
图2为本发明的便携式架空配电线路故障检测装置架构示意图；
图3为本发明的超声波发射器原理框图；
图4为本发明的超声波接收器结构示意图。
图中：1、金属外壳；2、金属网罩；3、锥形共振盘；4、压电晶片；5、引脚；6、阻抗匹配器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，该装置分为超声波传感器和局部放电检测主机两部分。通过超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号并传输至局部放电检测主机，检测主机结合环境中的温度和湿度等因素，进行快速的诊断、评估、计算最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型。该设备可在配电网不停电的状态下实现对110kV及以下电压等级电力配电系统设备及架空线路的快速巡检，有效监测线路的故障隐患，同时显著降低了人工巡检工作量，提高了巡检效率。
一、超声波局部放电检测机理
电力设备绝缘因缺陷发生沿面放电或局部放电时，同时伴随产生超声波，超声波信号由放电源向周围空气中传播或沿着绝缘介质和金属介质传导到电力设备外壳，并通过介质和缝隙向周围空气中传播。
同时，超声波信号随着局部放电情况的不同呈现出不同的波形。超声波产生的激励源为局部放电电流，因此在不同放电情形下，其产生的超声波波形也会不一样；另外，即便是一个放电模型，当它处于不同介质环境时（如固体介质中的气泡放电与油中气泡放电），其力学等值电路中的电路参数也不相同，产生超声波的波形也会发生变化：所以通过检测到的超声波波形的识别，可判断局部放电的类型，由于超声波频率高其波长较短，因此它的方向性较强，能量较为集中，容易进行放电检测。
架空配电线路超声波局部放电检测原理如图1所示，通过超声波传感器收集配网设备局部放电产生的超声波，对超声波波形数据进行处理，提取特征量与系统数据库进行对比即可判断故障类型和故障严重程度。
二、便携式架空配电线路故障检测装置整体结构设计
本发明设计了一种基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，装置架构如图2所示，该装置由超声波传感器和局部放电检测主机两部分组成。超声波传感器负责采集架空配电线路异常超声波信号，局部放电检测主机负责对超声波传感器采集的信号进行处理，结合环境中的温度和湿度等因素进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型。
该检测装置配备有高清摄像头、嵌入式GPS接收器、高亮度激光笔，可通过摄像头和激光探测器，准确定位故障位置并拍照；嵌入式GPS接收器可以自动存储位置信息，方便查看和保存巡检路径。同时该装置配备有SD存储卡接口、USB接口、串口以及耳机接口，信息输出方式丰富，可将超声波传感器探测到的异常超声波信号转换为音频形式和图像形式等多种类型信息输出，具备数据保存功能，可实现数据的后台查询。
该装置采用非接触式带电检测方法，可采用车载检测与步行检测相结合方式，车载检测时以30km/h以下速度沿着线路方向进行扫描式检测，如遇到车辆不便地方，采取步行检测，检测距离为30米。
三、超声波传感器设计
超声波传感器主要由超声波发射器和超声波接受器组成。超声波发射器由超声波振荡器、脉冲调制器、功率放大器及传感器组成。其原理框图如图3所示。
局部放电形成的超声波信号极为微弱，其能量一般为μJ级，检测过程中必须通过前置放大器将信号进行放大。由于声信号不易放大，超声波接收器需要将高频超声波信号变成电路可接收的电平信号，其内部结构示意如图4所示。本装置使用的超声波接收器接受频率范围为20~150kHz，可以有效接收来自电力设施局部放电所发出的超声波信号。
四、局部放电检测主机设计
局部放电检测主机采用WINCE6.0系统，配备有4.3英寸TFT彩色液晶显示屏，可显示波形、db值、环境温度湿度和位置信息。局部放电检测主机通过数据线可与传感器互联，即插即用，用来接收传感器采集的超声波音频信号和波形图，并输出可听声音和直观波形图，结合传感器接收到的放电声波及环境中的温度、湿度、噪声等因素，进行快速的诊断、评估、计算，最终得出被测设备绝缘劣化程度的结果，巡检人员只需要确定劣化程度数字的大小即可判断该被测设备局部放电发生情况的严重程度。
主机内置分析软件可完成局部放电类型及严重程度分析，首先对采集的局部放电超声波信号进行智能去噪处理，滤除背景噪声，确保超声检测的有效性；对降噪后的超声波信号，通过超声模式识别，结合系统的数据库进行特征图谱分析，实现放电设备定位及放电类型诊断；采用边缘计算技术，诊断被测线路隐患严重程度，并划分等级。
该设备将所检测的异常现象分为三个等级：
一般缺陷：劣化程度在0~10，被检测设备可继续运行：
严重缺陷：劣化程度在11~30，被检测设备需要加强监控，6个月内还需要进行检测，看缺陷程度是否有发展的趋势。若有，则需要进行检修或更换；
危急缺陷：劣化程度在31以上，被检测设备需要近期进行检修或更换。
在检测现场，检测人员可当场观察主机液晶屏，即可发现被测设备的劣化程度值，在后台计算机上，也可将主机中储存的现场数据进行后台分析，通过后台电脑中的软件可形成清晰明了的检测报告，报告信息包括现场照片、线路名称、杆塔及其他配网电力设备编号，还包括现场环境因素，日期时间，检测人员，劣化程度值等，为设备下一步维护及检修工作提供了可靠的依据。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，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。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：包括超声波传感器和局部放电检测主机两部分，超声波传感器采集架空配电线路异常超声波信号，局部放电检测主机对超声波传感器采集的信号进行处理，结合环境中的温度和湿度因素进行快速的诊断、评估、计算，最终给出被测设备故障隐患位置和故障类型；检测装置配备有高清摄像头、嵌入式GPS接收器、高亮度激光笔，通过摄像头和激光探测器，准确定位故障位置并拍照；嵌入式GPS接收器自动存储位置信息；装置配备有SD存储卡接口、USB接口、串口以及耳机接口，将超声波传感器探测到的异常超声波信号转换为音频形式和图像形式输出，具备数据保存功能，能够实现数据的后台查询。
2.根据权利要求1所述的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：采用非接触式带电检测方法，采用车载检测与步行检测相结合方式，车载检测时以30km/h以下速度沿着线路方向进行扫描式检测，遇到车辆不便地方采取步行检测，检测距离为30米。
3.根据权利要求1所述的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：所述的局部放电检测主机由信号采样模块、信号降噪模块、数据处理模块、模式识别部分以及各种数据交换接口组成；信号采样模块负责对经A/D转换后的超声波信号进行采样并传送至信号降噪模块，信号降噪模块对采集到的信号进行降噪处理滤除现场噪声后传送至数据处理模块，数据处理模块进行数据特征量提取，模式识别部分依据特征量，结合数据库判断局部放电类型以及放电严重程度，同时相关数据信息经各类数据交换接口传输至对应设备。
4.根据权利要求1所述的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：所述的超声波传感器由超声波发射器和超声波接受器组成，超声波发射器由超声波振荡器、脉冲调制器、功率放大器及传感器组成，局部放电形成的超声波信号通过前置的功率放大器将信号进行放大，超声波接收器将高频超声波信号变成电路可接收的电平信号。
5.根据权利要求4所述的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：所述的超声波接收器接受频率范围为20~150kHz，接收来自电力设施局部放电所发出的超声波信号。
6.根据权利要求4或5所述的基于超声波智能检测的便携式架空配电线路故障检测装置，其特征在于：所述的超声波接收器由金属外壳（1）、金属网罩（2）、阻抗匹配器（6）、锥形共振盘（3）、压电晶片（4）和引脚（5）组成，所述金属外壳（1）的内侧设有金属网罩（2），阻抗匹配器（6）放置在金属网罩（2）内部；压电晶片（4）的两端连接有引脚（5），压电晶片（4）、锥形共振盘（3）固定在阻抗匹配器（6）上；金属外壳（1）和金属网罩（2）对外界电磁干扰起到了屏蔽作用，防止电磁干扰耦合到电信号回路中，锥形共振盘（3）则对压电晶片（4）起到放大振幅的作用，阻抗匹配器（6）起固定作用。
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