CN113720508A - 基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置及方法 - Google Patents

基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置和方法。本发明的装置包括可在支柱瓷绝缘子表面非接触的激励和接收超声波的激光超声发射模块、激光超声接收模块以及搭载应力标定与测量模块的计算机，激光超声发射模块包括第一激光器、扩束镜、第一动态聚焦镜和能够实现扫描范围全面覆盖支柱瓷绝缘子的第一扫描振镜；所述激光超声接收模块包括第二激光器、分光镜、用于协同第一扫描振镜的第二扫描振镜、反射镜、第二动态聚焦镜、振动探测器、以及用于激光扫描点观察的摄像头。本发明实现了对支柱瓷绝缘子的应力远距离带电测量，避免了传统应力检测方法需要停电检测的弊端；实现了对复杂结构、微小区域的应力分布高精度测量。

Description

基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置及方法
技术领域
本发明属于支柱瓷绝缘子应力检测领域，特别是一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力远程带电监测装置及方法。
背景技术
支柱瓷绝缘子在电网设备中起着支撑和绝缘的重要作用，然而绝缘子在服役过程中，由于自身质量、安装姿态及外在风载荷等综合影响中存在着复杂的应力状态。目前所发生的绝缘子断裂事故主要是因为其具备区域的应力集中导致。开发绝缘子应力监测技术及装备，实时监测绝缘子的应力状态，可以预判缺陷出现和事故发生，是电网安全运行的迫切需求。
现有的应力测量方法，包括电阻应变仪、应变片测应力、超声换能器测应力等方法，均无法应用于支柱瓷绝缘子应力监测。支柱瓷绝缘子应力监测难点主要体现在：
(1)支柱瓷绝缘子工作环境为高压状态，高达直流和交流1000KV。在这种高压下，接触式的测量仪器和仪表均无法靠近绝缘子表面，只有光、声等不受强电场影响的且可以远程激励和接收的物理场才有可能进行测量。
(2)支柱瓷绝缘子是典型的复杂结构，特别是绝缘子伞裙部位，由于不规则弧面的影响，超声波换能器由于无法有效的耦合，超声传播的时间和传播距离测量困难而导致较大的应力测量误差。
(3)传统的测量方法多为单点式或多点式的测量方案，难以实现对一定区域应力分布的精细化测量，有待开发扫描式的应力测量方法，从而实现应力分布图的绘制，更为全面的掌握绝缘子的应力状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力远程带电监测装置及方法，其在带电情况下能够对支柱瓷绝缘子的应力进行在线监测，实现对绝缘子应力进行远程带电监测。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，包括可在支柱瓷绝缘子表面非接触的激励和接收超声波的激光超声发射模块、激光超声接收模块以及搭载应力标定与测量模块的计算机；
所述激光超声发射模块包括用于发射激励超声的激光的第一激光器、扩束镜、第一动态聚焦镜和能够实现扫描范围全面覆盖支柱瓷绝缘子的第一扫描振镜，第一激光器发射的激光经扩束镜、第一动态聚焦镜和第一扫描振镜后扫描在支柱瓷绝缘子表面上；
所述激光超声接收模块包括用于发射接收超声波的激光的第二激光器、分光镜、用于协同第一扫描振镜的第二扫描振镜、反射镜、第二动态聚焦镜、振动探测器以及用于激光扫描点观察的摄像头，所述的振动探测器和摄像头与计算机连接；第二激光器发出的激光经分光镜分成二路，一路经第二动态聚焦镜后进入振动探测器，另一路经第二扫描振镜和反射镜后再分成二路，一路进入振动探测器，另一路扫描在支柱瓷绝缘子表面上；
所述应力标定与测量模块搭载在计算机上，用于同步控制连接在计算机上的激光超声发射模块和激光超声接收模块，接收和处理电信号并显示应力分布值。
本发明通过激光激励和接收超声波实现了对支柱瓷绝缘子的应力远距离带电测量，避免了传统应力检测方法需要停电检测的弊端；通过采用基于振镜的双激光扫描方式，实现了对复杂结构、微小区域的应力分布高精度测量。
进一步地，所述第一激光器为脉冲激光器。
进一步地，第二激光器为连续激光器。
进一步地，所述第一扫描振镜与第二扫描振镜在扫描测量过程中保持激励激光光斑与接收激光光斑为固定的光斑间距值，光斑间距值在0.2mm至5mm范围内可调。
进一步地，所使用扩束镜保证在安全带电范围实施应力监测时，远程激励的激光扩散角不高于arctan(20/10000)。
本发明还提供一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测方法，其采用上述的支柱瓷绝缘子应力监测装置，其包括步骤：
S1.通过有限元应力分析和历史失效数据，确认在役支柱瓷绝缘子的最大应力所处的方位和区域，作为应力监测区；
S2.选择与被监测对象材质和型号均相同，且质量检验合格的支柱瓷绝缘子作为标准试样，并根据步骤S1的应力监测区，在标准试样上标记出标定区域；
S3.将第一激光器发射的激励超声的激光和第二激光器发射的接收超声波的激光，对准标准试样的标定区域，通过调整动态聚焦镜，实现超声表面波信号的发射和接收，并将接收到的表面波信号记录为时域信号A；
S4.从得到的时域信号A中读取表面波的传播时间t0，从摄像头读取激励光斑与接收光斑之间固定的光斑间距值为d，计算得到零应力状态下的超声表面波波速为
Figure BDA0003208999910000031
S5.将标准试样置于绝缘子试验机上，以5KN为梯度增大应力，每一个应力台阶进行一次表面波传播时间测量，并计算得到相应的表面波飞行时间
Figure BDA0003208999910000032
S6.以
Figure BDA0003208999910000033
对应的应力值为横坐标，以计算得到的相应表面波飞行时间为纵坐标，进行线性回归计算，记录线性回归的斜率为应力标定系数K；
S7.将支柱瓷绝缘子应力监测装置安装在现场并置于安全带电范围，其发射激光和接收激光以固定的光斑间距值d′对准应力监测区，记录接收到的表面波信号B；
S8.从表面波信号B读取表面波到达时刻t′，计算得到超声表面波波速
Figure BDA0003208999910000034
然后引入应力标定系数，计算得到当前应力值σ为：
Figure BDA0003208999910000035
S9.以应力监测区的下端点为基准点，以固定的光斑间距值对应力监测区进行上下扫描，记录扫描过程中的每一位置的表面波信号，重复测量步骤S7-S8，即可得到应力监测区的应力分布值；
S10.按照一定的时间间隔，读取监测区域的应力分布值中的最大应力值，绘制按照时间顺序变化的应力变化曲线；
S11.根据当前应力值进行评估，计算机械强度安全系数SR＝σR/σ，其中σR为支柱瓷绝缘子的额定机械破坏负荷，当SR大于支柱瓷绝缘子技术规范书规定值，则对此时支柱绝缘子的应力状态进行报警。
进一步地，根据设置的光斑间距值不同，分为重点区域扫描模式和全面扫描模式，其中重点区域扫描模式设置扫描区域为支柱瓷绝缘子危险区域划定20mm×20mm的区块，并利用动态聚焦镜修正因绝缘子弧面导致的激光失焦影响；全面扫描模式是对支柱瓷绝缘子瓷体从下至上进行扫描，得到支柱瓷绝缘子应力的整体分布。
本发明具有的有益效果在于：
首先，本发明利用激光实现超声场的非接触式激励和接收，从而避免了支柱瓷绝缘子工作所处的高压环境对监测装置的影响，相比于传统接触式应力测量仪器仪表只能在停电检修期靠近绝缘子表面，本发明可以远程实现在不停电情况下，对支柱瓷绝缘子应力的实时在线测量。
其次，支柱瓷绝缘子是典型的复杂结构，特别是绝缘子伞裙部位，由于不规则弧面的影响，超声波换能器尺寸较大(>20mm)由于无法有效的耦合，超声传播的时间和传播距离测量困难而导致较大的应力测量误差；而本发明采用激光激励和接收，光斑尺寸通常小于1mm，应该能够避免耦合影响，且提高测量的精度，同时使用动态聚焦镜对激光束进行修正，减小了绝缘子弧面对测量结果的影响。
最后，传统的测量方法多为单点式或多点式的测量方案，难以实现对一定区域应力分布的精细化测量；而本发明采用基于振镜的双激光扫描的方式，而无需借助复杂的机械装置，可以在更大的区域实现区域应力的扫描测量，从而实现应力分布图的绘制，更为全面的掌握绝缘子的应力状态。
附图说明
图1为本发明基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置的示意图；
图2为本发明具体实施方式中监测区域及激光扫描方式示意图；
图3为本发明具体实施方式中测量应力沿周向分布图；
图4为本发明具体实施方式中测量应力随时间变化图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做以下详细描述。
实施例1
本实施例为一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，由可以在支柱瓷绝缘子表面非接触的激励和接收超声波的激光超声发射模块、激光超声接收模块以及搭载应力标定与测量模块的计算机组成，如图1所示。所述激光超声发射系统由第一激光器、扩束镜1、第一动态聚焦镜2和能够实现扫描范围全面覆盖支柱瓷绝缘子的第一扫描振镜3组成。所述激光超声接收模块由第二激光器、分光镜4、用于协同第一扫描振镜的第二扫描振镜5、反射镜6、第二动态聚焦镜7、振动探测器以及用于激光扫描点观察的摄像头组成。
第一激光器发射的激光经扩束镜1、第一动态聚焦镜2和第一扫描振镜3后扫描在支柱瓷绝缘子表面上，扫描路径如图2所示。
所述的振动探测器和摄像头与计算机连接；第二激光器发出的激光经分光镜4分成二路，一路经第二动态聚焦镜7后进入振动探测器，另一路经第二扫描振镜5和反射镜6后再分成二路，一路进入振动探测器，另一路扫描在支柱瓷绝缘子表面上。
所述应力标定与测量模块搭载与计算机上，用于同步控制连接在计算机上的激光超声发射模块和激光超声接收模块，接收和处理电信号并显示应力分布值。
所述第一激光器为脉冲激光器，激光波长为1064nm，用于发射激励超声的激光；第二激光器为连续激光器，用于发射接收超声波的激光，激光波长为532nm。
所述第一扫描振镜与第二扫描振镜在扫描测量过程中保持激励激光光斑与接收激光光斑为固定的光斑间距值，间距值在1mm。
所使用扩束镜保证在安全带电范围实施应力监测时，远程激励的激光扩散角为arctan(20/10000)。
实施例2
本实施例提供一种基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测方法，其采用实施例1的支柱瓷绝缘子应力监测装置，步骤如下：
S1.通过有限元应力分析和历史失效数据，确认在役支柱瓷绝缘子的最大应力所处的方位和区域，作为应力监测区。
S2.选择与被监测对象材质和型号均相同，且质量检验合格的支柱瓷绝缘子作为标准试样，并根据步骤S1的应力监测区，在标准试样上标记出标定区域。
S3.将第一激光器发射的激励超声的激光和第二激光器发射的接收超声波的激光，对准标准试样的标定区域，通过调整动态聚焦镜，实现超声表面波信号的发射和接收，并将接收到的表面波信号记录为时域信号A。
S4.从得到的时域信号A中读取表面波的传播时间t0，从摄像头读取激励光斑与接收光斑之间固定的光斑间距值为d，计算得到零应力状态下的超声表面波波速为
Figure BDA0003208999910000051
S5.将标准试样置于绝缘子试验机上，以5KN为梯度增大应力，每一个应力台阶进行一次表面波传播时间测量，并计算得到相应的表面波飞行时间
Figure BDA0003208999910000052
S6.以表面波飞行时间
Figure BDA0003208999910000053
对应的应力值为横坐标，以计算得到的相应表面波飞行时间为纵坐标，进行线性回归计算，记录线性回归的斜率为应力标定系数K。
S7.将支柱瓷绝缘子应力监测装置安装在现场并置于安全带电范围，其发射激光和接收激光以固定的光斑间距值d′对准应力监测区，记录接收到的表面波信号B。
S8.从表面波信号B读取表面波到达时刻t′，计算得到超声表面波波速
Figure BDA0003208999910000054
然后引入应力标定系数，计算得到当前应力值σ为：
Figure BDA0003208999910000055
S9.以应力监测区的下端点为基准点，以固定的光斑间距值对应力监测区进行上下扫描，如图2所示，记录扫描过程中的每一位置的表面波信号，重复上述测量步骤S7-S8，即可得到应力监测区的应力分布值，如图3所示。
S10.按照一定的时间间隔，读取应力监测区的应力分布值中的最大应力值，绘制按照时间顺序变化的应力变化曲线，如图4所示。
S11.根据当前应力值进行评估，计算机械强度安全系数SR＝σR/σ，其中σR为支柱瓷绝缘子的额定机械破坏负荷，当SR大于支柱瓷绝缘子技术规范书规定值，则对此时支柱绝缘子的应力状态进行报警。
根据设置的光斑间距值不同，分为重点区域扫描模式和全面扫描模式，其中重点区域扫描模式设置扫描区域为支柱瓷绝缘子危险区域划定20mm×20mm的区块，并利用动态聚焦镜修正因绝缘子弧面导致的激光失焦影响；全面扫描模式是对支柱瓷绝缘子瓷体从下至上进行扫描，得到支柱瓷绝缘子应力的整体分布。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，包括可在支柱瓷绝缘子表面非接触的激励和接收超声波的激光超声发射模块、激光超声接收模块以及搭载应力标定与测量模块的计算机，其特征在于，
所述激光超声发射模块包括用于发射激励超声的激光的第一激光器、扩束镜(1)、第一动态聚焦镜(2)和能够实现扫描范围全面覆盖支柱瓷绝缘子的第一扫描振镜(3)，第一激光器发射的激光经扩束镜(1)、第一动态聚焦镜(2)和第一扫描振镜(3)后扫描在支柱瓷绝缘子表面上；
所述激光超声接收模块包括用于发射接收超声波的激光的第二激光器、分光镜(4)、用于协同第一扫描振镜的第二扫描振镜(5)、反射镜(6)、第二动态聚焦镜(7)、振动探测器以及用于激光扫描点观察的摄像头，所述的振动探测器和摄像头与计算机连接；第二激光器发出的激光经分光镜(4)分成二路，一路经第二动态聚焦镜(7)后进入振动探测器，另一路经第二扫描振镜(5)和反射镜(6)后再分成二路，一路进入振动探测器，另一路扫描在支柱瓷绝缘子表面上；
所述应力标定与测量模块搭载在计算机上，用于同步控制连接在计算机上的激光超声发射模块和激光超声接收模块，接收和处理电信号并显示应力分布值。
2.根据权利要求1所述的基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，其特征在于，所述第一激光器为脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，其特征在于，第二激光器为连续激光器。
4.根据权利要求1所述的基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，其特征在于，所述第一扫描振镜(2)与第二扫描振镜(5)在扫描测量过程中保持激励激光光斑与接收激光光斑为固定的光斑间距值，光斑间距值在0.2mm至5mm范围内可调。
5.根据权利要求1所述的基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测装置，其特征在于，所使用扩束镜保证在安全带电范围实施应力监测时，远程激励的激光扩散角不高于arctan(20/10000)。
6.基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测方法，其采用权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，包括步骤：
S1.通过有限元应力分析和历史失效数据，确认在役支柱瓷绝缘子的最大应力所处的方位和区域，作为应力监测区；
S2.选择与被监测对象材质和型号均相同，且质量检验合格的支柱瓷绝缘子作为标准试样，并根据步骤S1的应力监测区，在标准试样上标记出标定区域；
S3.将第一激光器发射的激励超声的激光和第二激光器发射的接收超声波的激光，对准标准试样的标定区域，通过调整动态聚焦镜，实现超声表面波信号的发射和接收，并将接收到的表面波信号记录为时域信号A；
S4.从得到的时域信号A中读取表面波的传播时间t0，从摄像头读取激励光斑与接收光斑之间固定的光斑间距值为d，计算得到零应力状态下的超声表面波波速为
Figure FDA0003208999900000021
S5.将标准试样置于绝缘子试验机上，以5KN为梯度增大应力，每一个应力台阶进行一次表面波传播时间测量，并计算得到相应的表面波飞行时间
Figure FDA0003208999900000022
S6.以
Figure FDA0003208999900000023
对应的应力值为横坐标，以计算得到的相应表面波飞行时间为纵坐标，进行线性回归计算，记录线性回归的斜率为应力标定系数K；
S7.将支柱瓷绝缘子应力监测装置安装在现场并置于安全带电范围，其发射激光和接收激光以固定的光斑间距值d′对准应力监测区，记录接收到的表面波信号B；
S8.从表面波信号B读取表面波到达时刻t′，计算得到超声表面波波速
Figure FDA0003208999900000024
然后引入应力标定系数，计算得到当前应力值σ为：
Figure FDA0003208999900000025
S9.以应力监测区的下端点为基准点，以固定的光斑间距值对应力监测区进行上下扫描，记录扫描过程中的每一位置的表面波信号，重复测量步骤S7-S8，即可得到应力监测区的应力分布值；
S10.按照一定的时间间隔，读取监测区域的应力分布值中的最大应力值，绘制按照时间顺序变化的应力变化曲线；
S11.根据当前应力值进行评估，计算机械强度安全系数SR＝σR/σ，其中σR为支柱瓷绝缘子的额定机械破坏负荷，当SR大于支柱瓷绝缘子技术规范书规定值，则对此时支柱绝缘子的应力状态进行报警。
7.根据权利要求6所述的基于双激光扫描的支柱瓷绝缘子应力监测方法，其特征在于，根据设置的光斑间距值不同，分为重点区域扫描模式和全面扫描模式，其中重点区域扫描模式设置扫描区域为支柱瓷绝缘子危险区域划定20mm×20mm的区块，并利用动态聚焦镜修正因绝缘子弧面导致的激光失焦影响；全面扫描模式是对支柱瓷绝缘子瓷体从下至上进行扫描，得到支柱瓷绝缘子应力的整体分布。
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