CN113740673B - 一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置及检测方法，所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置包含两个能接收故障绝缘子高压放电电磁波的磁天线阵元，每个磁天线阵元与一个信号放大电路相连接，两个放大电路与信号合成电路相连接，信号合成电路与高速数据采集模块相连接，高速数据采集模块与微处理器模块相连接，微处理器模块与计算机相连接。本发明所说的检测方法包括：a、被测绝缘子投影到水平面上，平行放置磁天线阵元，使投影点在两阵元区域中心点处；b、采集信号并获得频谱图；c、对频谱图谱线做功率积分并由积分值判断绝缘子有无故障。该方法排除了外部各种干扰和噪声，不断电检测，操作简便，检测效果好。
Description
技术领域
本发明属于绝缘子检测技术领域，尤其涉及一种基于磁阵列的故 障绝缘子在线检测装置及检测方法。
背景技术
目前电力系统输电线路及变电站使用巨量的瓷质绝缘子。瓷绝缘 子长期受工频电压、日晒雨淋、灰盐霾、机械应力、雷电等作用，会 发生劣化现象，劣化绝缘子由于内绝缘低于外绝缘，在雷击、工频、 污闪等过程中发生内绝缘击穿，由此引发绝缘子掉串，严重威胁电网 的安全运行。
当前工作中绝缘子现场检测主要采用火花间隙法、超声波法、红 外测温法、红外成像法，依靠人工检测方式进行。主要存在以下问题： 火花间隙法涉及安全、劳动强度大，需要听声音观火花；超声波法、 红外测温法、红外成像法易受环境天气干扰，误判率高、检测效率低； 这些不足使运检人员在检测周期内难以完成对运行中的绝缘子的覆盖检测，运行中绝缘子状态处于未知状态，通常依靠经验安排运检工 作，针对性、预控性差，往往事故发生后被动处理。
停电检测虽然较为准确，但对电网影响较大，因此有必要开发一 种有效的绝缘子低零值带电检测装置，实现输电线路和变电站瓷绝缘 子低零值的不停电时的有效检测。
带电高压运行中的低(零)值绝缘子必定产生放电电磁波是其故 障的本质物理现象，并且电磁波信号会在空间传播，频率分量在1MHz 到10MHz之间，其频率分量主要集中在3MHz—5MHz之间。目前的检 测方法是基于侦测高压放电产生的电磁脉冲信号。现有获取高压放电 产生的电磁脉冲信号的途径是在绝缘子承载铁塔接地线上检测，通过 一个磁感应环来耦合特定的电磁脉冲信号，当铁塔有多个接地线时， 要切割掉其余的几个，操作十分不方便。另外，接地线会耦合各种外部干扰和噪声，检测结果不准确。
采用磁天线或电天线也可以接收到低(零)值绝缘子产生的放电 电磁波，而且不需要切割接地线，操作简便。但会接收到外部各种干 扰和噪声，由于放电电磁波是宽带，所以无论磁还是电天线都必须是 宽带接收。如何能够抑制外部干扰而只接收到放电电磁波是人们研究 和探索的方向。另外一方面，通常多组绝缘子串十分靠近且在一个杆 上，如何区分是哪一串也是急需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于磁阵列的故障绝缘子 在线检测装置及检测方法，在无需停电情况下，能有效抑制掉外部的 干扰和噪声，准确接收到故障绝缘子放电电磁波，实现绝缘子状态的 准确、安全、高效、及时、方便检测，并定位故障绝缘子所在串。 本发明的技术方案是：
一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置，包含能接收故障绝 缘子高压放电电磁波的两个磁天线阵元，第一磁天线阵元与第一信号 放大电路相连接，第二磁天线阵元与第二信号放大电路相连接，第一 信号放大电路和第二信号放大电路分别与信号合成电路相连接，信号 合成电路与高速数据采集模块相连接，高速数据采集模块与微处理器模块相连接，微处理器模块与计算机相连接。装置以微处理器为控制 核心，通过两组磁天线阵元实现了对故障绝缘子高压打火放电产生电 磁波信号的接收，再经过信号放大电路的放大和信号合成电路的处理， 去除掉外部的干扰和噪声。由高速数据采集模块对合成处理后的信号 做高速采集，采集后的数字信号经过微处理器发送给外部的计算机， 由计算机完成各种数据的处理分析并做出有无故障绝缘子存在的判断。
根据大量的实验数据分析，故障绝缘子放电电磁波的频率范围在 1MHz-10MHz，所以选用了接收信号的带宽为1MHz-10MHz磁天线阵元。 由于检测装置所采用的检测方法要求通过阵元接收信号合成抵消掉 外部的干扰和噪声，由于从原理上只有磁场分量信号可以对消，因此 要求磁天线阵元的一致性要高且纯磁性能要高，所述磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB。为获得更好的磁天线阵元宽带 效果，在磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为50的磁性材料。
为满足检测方法所需要的频率分辨率和检测灵敏度，必须提高采 样速率和采样的分辨率，所述高速数据采集模块采样速率40MHz，分 辨率为16bit。
第一信号放大电路和第二信号放大电路采用可编程增益放大器 件，放大倍数达到40dB，且在一个芯片上保证共模干扰的一致性。
信号合成电路前半部分由运放构成加法器，后半部分是一个 1MHz-10MHz的带通滤波器和阻抗变换器，带通滤波器有效滤除带外 干扰和噪声，阻抗变换器使得输出的信号阻抗为50欧姆，并且是双 极性的信号。信号合成电路与高速数据采集模块相连接。
微处理器模块与计算机相连接包括RS-422口的有线连接和无线 WIFI方式的连接，两种连接方式增加了连接的可靠性和连接的便捷 性。
本发明所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检 测方法，包括以下步骤：
(1)找出被测绝缘子串在水平面或地面投影点a；
(2)以a为区域中心点，在其两侧放置第一磁天线阵元和第二 磁天线阵元，且两阵元的极性方向相反，当绝缘子串为水平放置时， 磁天线阵元垂直放置；当绝缘子串为垂直放置时，磁天线阵元水平放 置；
(3)采集信号s(i)，i＝1...N，i表示时间序号，N表示采集信 号总的长度；
(4)对s(i)做谱分析并获得其频谱图X(i)，i＝1...N；
步骤5、计算频谱图的能量m，||.||为取模运 算；
步骤6、设定阈值V，若m大于V，则判断为被测绝缘子串存在 故障，否则，被测绝缘子串为正常。
步骤4对采集的数据采用快速傅里叶变换的方法做谱分析。
步骤6中阈值V根据所开展的存在故障绝缘子和不存在故障绝缘 子所采集的实验数据分析来确定。根据一个以上无故障绝缘子检测获 得的m值求平均确定再根据有故障绝缘子检测获得的m值求平 均确定/>然后取/>本发明有益效果：
本发明可实现电力线路故障绝缘子在线检测，不需要切断电源供 应；对放电电磁波的检测采用了无线接收的方式，不需要切割铁塔的接地线，检测方便；能抑制外部干扰而只接收到放电电磁波，提高了 可信度；通过调整磁阵列几何配置，能够把故障绝缘子定位到哪一串， 提高了效率。
附图说明
图1是本发明的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置结 构框图；
图2是本发明的检测方法流程图；
图3是绝缘子串水平放置时磁天线阵元配置示意图；
图4是绝缘子串垂直放置时磁天线阵元配置示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检 测装置，该装置包含两个能接收故障绝缘子高压放电电磁波的磁天线 阵元，磁天线阵元的指标要求有：接收信号的带宽1MHz-10MHz，纯磁性能大于30dB，为减小体积和改善带宽要求，天线体内填充了导 磁率为50的磁性材料。两磁天线阵元制作工艺严格控制，保证性能 一致。各磁天线阵元与各自的信号放大电路相连接，信号放大电路对 磁性天线阵元所接收的信号做有效的放大，采用了可编程增益放大器 件，放大倍数可达到40dB，且在一个芯片上，保证共模干扰的一致 性。当两个阵元接收信号稍有差异时，通过改变放大电路的放大倍数 调整为一致。两信号放大电路与信号合成电路相连接，信号合成电路前半部分由运放构成加法器，后半部分是一个1MHz-10MHz的带通滤 波器和阻抗变换器，带通滤波器有效滤除带外干扰和噪声，阻抗变换 器使得输出的信号阻抗为50欧姆，并且是双极性的信号。信号合成 电路与高速数据采集模块相连接，高速数据采集模块把模拟信号转化为数字信号，其输入为50欧姆输入阻抗的差分信号，采样的频率为 40MHz，采样分辨率为16bit，满足采样信号的带宽要求和动态范围 的要求。高速数据采集模块与微处理器模块相连接，微处理器模块控 制数据的采集处理过程，并暂时缓存所采集到的数据。微处理器模块 与计算机相连接，计算机发送采集指令，微处理模块接收指令并采集 数据，把数据打包后通过RS-422口或其WIFI口把数据传给计算机， 计算机还要对数据进行分析处理，给出检测结论。
检测方法流程如图2所示。包括如下六个步骤：
(1)找出被测绝缘子串在水平面(地面)投影点a；
(2)以a为区域中心点，在其两侧放置第一磁天线阵元和第二 磁天线阵元，且两阵元的极性方向相反，当绝缘子串为水平放置时， 磁天线阵元垂直放置；当绝缘子串为垂直放置时，磁天线阵元水平放 置；
(3)采集信号s(i)，i＝1...N，i表示时间序号，N表示采集信 号总的长度；
(4)对s(i)做谱分析并获得其频谱图X(i)，i＝1...N；
(5)步骤5、计算频谱图的能量m，||.||为 取模运算；
(6)设定阈值V，若m大于V，则判断为被测绝缘子串存在故障， 否则，被测绝缘子串为正常。
在步骤(4)中，对采集的数据采用了快速傅里叶变换的方法做谱 分析。步骤(5)中m的意义代表了频谱图的能量。步骤(6)中阈 值V是根据所开展的存在故障绝缘子和不存在故障绝缘子所采集的 实验数据分析来确定。根据一个以上无故障绝缘子检测获得的m值求平均确定再根据有故障绝缘子检测获得的m值求平均确定/>然后取
图3和图4给出了步骤(2)天线几何配置示意图。被测绝缘子 串在水平面(地面)投影点为a，以a为区域中心点，在其两侧放置 第一磁天线阵元和第二磁天线阵元，且两阵元的极性方向相反，当绝 缘子串为水平放置时，磁天线阵元垂直放置；当绝缘子串为垂直放置 时，磁天线阵元水平放置。
应该指出：通过两个磁天线阵元的有效配置，可使其所接收的信 号等效为两阵元所围区域内的信号，而其外区域的干扰和噪声被排除； 同样地，当把两个阵元的极性放置一致时，其所接收的信号等效为两 阵元所围区域外的信号，而其内区域的干扰和噪声被排除。任何磁天 线阵元的配置方法均可以认为本信号检测方法的变种，应得到保护。
Claims (8)
1.一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述装置包含能接收故障绝缘子高压放电电磁波的两个磁天线阵元，第一磁天线阵元与第一信号放大电路相连接，第二磁天线阵元与第二信号放大电路相连接，第一信号放大电路和第二信号放大电路分别与信号合成电路相连接，信号合成电路与高速数据采集模块相连接，高速数据采集模块与微处理器模块相连接，微处理器模块与计算机相连接；所述方法包括：
步骤1、找出被测绝缘子串在水平面或地面的投影点a；
步骤2、以a为区域中心点，在两侧放置第一磁天线阵元和第二磁天线阵元，且两磁天线阵元的极性方向相反，当绝缘子串为水平放置时，磁天线阵元垂直放置；当绝缘子串为垂直放置时，磁天线阵元水平放置；
步骤3、采集信号s(i)，i＝1...N，i表示时间序号，N表示采集信号总的长度；
步骤4、对s(i)做谱分析并获得其频谱图X(i)，i＝1...N；
步骤5、计算频谱图的能量m，||.||为取模运算；
步骤6、设定阈值V，若m大于V，则判断为被测绝缘子串存在故障，否则，被测绝缘子串为正常。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述磁天线阵元接收信号的带宽为1MHz-10MHz；磁天线阵元在信号接收带宽内的纯磁性能大于30dB；所述磁天线阵元的天线体内填充了导磁率为50的磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述高速数据采集模块采样速率40MHz，分辨率为16bit。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：所述微处理器模块与计算机相连接，包括RS-422口的有线连接和无线WIFI方式的连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：第一信号放大电路和第二信号放大电路采用可编程增益放大器件，放大倍数达到40dB，且在一个芯片上保证共模干扰的一致性。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：信号合成电路前半部分由运放构成加法器，后半部分是一个1MHz-10MHz的带通滤波器和阻抗变换器。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：步骤4对采集的数据采用快速傅里叶变换的方法做谱分析。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁阵列的故障绝缘子在线检测装置的检测方法，其特征在于：步骤6中阈值V根据所开展的存在故障绝缘子和不存在故障绝缘子所采集的实验数据分析来确定；根据一个以上无故障绝缘子检测获得的m值求平均确定再根据有故障绝缘子检测获得的m值求平均确定/>然后取/>
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