CN114166175A - 一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，装置包括：第一主体部、第二主体部、振动测量模块、气象测量模块和上位机；第一主体部与第二主体部可以合拢形成筒装结构，安装在复合横担绝缘子法兰上；振动测量模块用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，气象测量模块用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，并将测量数据发送至上位机；上位机用于实施记录、分析及形变状态判断。本发明为复合杆塔运维中及时掌握杆塔结构运行情况和结构性能提供了直接手段，可在线路运行后定期检测复合横担绝缘子的形变和疲劳状态，通过检测低压侧端部振动幅度、频率等参量，在常规输电线路涉及振动等工况的检测中均可以使用和推广。

Description

一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置及方法

技术领域

本发明属于输电线路运维技术领域，更具体地，涉及一种复合横担绝缘子用芯体形变检测方法及装置。

背景技术

复合材料具有良好的电气性能、力学性能、结构可设计等优点，在诸多领域内得到了广泛的应用。随着复合绝缘横担杆塔在工程应用中的增加，加上复合绝缘横担杆塔没有成熟的设计规范，其安全问题受到日益重视。

目前高电压等级的复合横担复合绝缘横担均采用大直径的芯体，且横担与杆塔目前大多采用金属法兰结构进行连接。在环境复杂地区，随着运行年限的增加，复合横担绝缘子的抗弯性能和整体横担结构强度以及端部节点处会出现下降和松动，进而造成复合横担绝缘子的芯体疲劳和形变。若不及时进行维护会对输电线路的安全稳定运行造成倒塔等严重后果。

由于复合材料杆塔通常采用大直径柱式绝缘子悬挂导线，导线可以将风荷载传递到横担上，产生频率变化的摆动，而支柱绝缘子的摆动会在法兰处形成长期的弯扭振动，对柱式绝缘子的抗弯性能和整体横担结构强度具有一定破坏性。复合绝缘横担材料耐久性及老化寿命评估问题日益突出，随着复合绝缘横担的大量、长时间使用，已出现了复合横担机械性能的失效问题，复合绝缘横担复合材料的耐久性性能及老化状态已经引起越来越广泛的关注。

由于复合材料本身会逐渐老化降解，对其耐久性评估很难评定，每年运行部门都要投入大量的人力物力对复合绝缘横担进行监测检修，但目前为止现有标准和测试方法都不能很好的解决这方面问题。

目前暂没有专门针对复合横担绝缘子芯体形变状态测量的装置和方法。但与此较为接近的技术是针对杆塔振动的观测，主要有两类技术方式，一类是采用加速度计在停电检修时开展现场检测，另一类是安装监测装置。第一类方法主要用于振动严重的杆塔开展重点关注检测，是在严重的振动问题出现且确定某一杆塔后开展检测，该类装置由于是开展现场检测，不具备长期监测功能，装置结构复杂安装繁琐，主要由加速度计、电缆线和分析仪组成；第二类监测装置主要用于铁塔振动监测，装在塔身或横担构架零电位，不具备等电位监测功能及强电磁场防护能力，采用长距离电缆供电和采集信号，容易受到外力破坏，且影响供电安全，长期使用的耐候性和稳定性不能满足现状长期监测需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种复合横担绝缘子用芯体形变检测方法及装置，用于获得横担绝缘子在运行过程中的芯体疲劳状态和形变程度，及时进行维护，促进输电线路的安全稳定运行，解决现有技术中复合绝缘横担其耐久性评估很难评，要投入大量的人力物力对复合绝缘横担进行监测检修的问题。

本发明采用如下的技术方案。本发明的第一方面提供了一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，包括：第一主体部、第二主体部、振动测量模块、气象测量模块和上位机；所述第一主体部与第二主体部可以合拢形成筒装结构，安装在复合横担绝缘子法兰上；所述振动测量模块用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，并将测量数据发送至上位机，所述气象测量模块用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，并将测量数据发送至上位机；所述上位机用于基于横担绝缘子端部的振幅及频率和气象数据，实施记录、分析及形变状态判断。

优选地，第一主体部的一端与第二主体部的一端通过锁紧转轴可旋转地相连接，第一主体部的另一端与第二主体部的另一端可以通过所述锁紧销可拆卸地相连接。

优选地，锁紧销与锁紧转轴呈水平布置，用于复合横担绝缘子用芯体形变检测装置稳固固定。

优选地，所述振动测量模块包括：第一电源、加速度计单元和第一数据传输单元，第一电源用于为加速度计单元和第一数据传输单元供电，所述加速度计单元将测量获得的数据经由第一数据传输单元通过无线网络发送至上位机。

优选地，所述加速度计单元用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，包括：横向加速度计和纵向加速度计。

优选地，所述气象测量模块用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，包括：第二电源、气象传感器单元和第二数据传输单元，第二电源用于为气象传感器单元和第二数据传输单元供电，气象传感器单元将测量获得的数据经由第二数据传输单元通过无线网络发送至上位机。

优选地，在第一主体部的中部以及第二主体部的中部还设置有可以伸缩的可调连板。

优选地，所述振动测量模块和所述气象测量模块选择安装在可调连板两侧，呈对称布置。

本发明的第二方面提供了一种复合横担绝缘子用芯体形变检测方法，使用所述的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，包括以下步骤：

步骤1，根据不同规格的复合横担结构以及运行环境设置初始运行条件；

步骤2，将所述复合横担绝缘子用芯体形变检测装置安装至复合横担绝缘子法兰上，接通电源和通信网络；

步骤3，复合横担绝缘子用芯体形变检测装置测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，并且同时测量复合横担绝缘子端部的气象数据，并将测量数据发送至上位机；

步骤4，上位机判断形变的程度，当测得的参数超过预警值时，提示需要更换绝缘子。

优选地，步骤4中，根据批次横担的型式试验设定预警值。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：实时获得复合横担绝缘子的形变和疲劳状态；装置通过电磁兼容精密设计和反复测试优化，实现了复杂电磁环境下稳定运行，屏蔽措施阻隔了强电磁场对测量电源、信号采集回路的干扰，实现了高稳定性可靠测量。更具体地，本装置采用一体化和模块化设计，增强了装置的整体耐候性和环境适应性，安装检修方便。一体化是指将整个装置类似可开口的圆筒状直接扣合在绝缘子法兰上，模块化是指将电源、传感器以及无线模块，电源是独立供电电源，为整个装置供电；传感器含有横向加速度计测量模块和纵向加速度计测量模块，精确感知复合横担芯体的振幅和频率；无线模块是测量数据信息传输模块，以上设备具有较好的抗干扰性。该装置为复合杆塔运维中及时掌握杆塔结构运行情况和结构性能提供了直接手段，可在线路运行后定期检测复合横担绝缘子的形变和疲劳状态，通过检测低压侧端部振动幅度、频率等参量，在常规输电线路涉及振动等工况的检测中均可以使用和推广。

附图说明

图1为本发明提供的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置原理图；

图2为本发明提供的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置中振动测量模块结构示意图；

图3为本发明提供的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置中气象测量模块结构示意图；

图4为本发明提供的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置电路示意图。

图5为本发明高磁导率材料提供磁旁路起到屏蔽作用的示意图。

图中：

1-锁紧转轴；

2-振动测量模块；

21-第一电源；

22-加速度计单元；

23-第一数据传输单元；

3-可调连板；

4-气象测量装置；

41-第二电源；

42-气象传感器单元；

43-第二数据传输单元；

5-锁紧销。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，

进一步优选地，

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，包括：第一主体部、第二主体部、锁紧转轴1、振动测量模块2、可调连板3、气象测量模块4、锁紧销5和上位机。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述第一主体部和第二主体部为弧形结构，第一主体部的一端与第二主体部的一端通过锁紧转轴1可旋转地相连接，第一主体部的另一端与第二主体部的另一端可以通过所述锁紧销5可拆卸地相连接。进一步地，所述第一主体部和第二主体部经由锁紧转轴1旋转合拢，卡在复合横担的端部金具部分，调整合适后使用锁紧销5固定锁紧。进一步优选地，锁紧销5与锁紧转轴1呈水平布置，有利于整个装置的固定。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，如图2所示，所述振动测量模块2包括：第一电源21、加速度计单元22和第一数据传输单元23。进一步地，第一电源21用于为加速度计单元22和第一数据传输单元23供电。

进一步优选地，所述加速度计单元22用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，包括：横向加速度计和纵向加速度计。值得注意的是，横向和纵向指的是复合横担绝缘子振动过程中相对于地面来说的，横向是指相对于地面水平左右运动，纵向是指相对于地面上下运动。所述加速度计单元22将测量获得的数据经由第一数据传输单元23经过无线网络发送至上位机，用于记录、分析及形变状态判断。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，如图3所示，所述气象测量模块4用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，包括：第二电源41、气象传感器单元42和第二数据传输单元。进一步地，第二电源41用于为气象传感器单元42和第二数据传输单元43供电。

复合横担芯体的形变与气象因素关联紧密，特别是风力、降雨等气象条件对复合横担芯体的振幅和频率影响较大，因此气象数据的监测是非常重要的环节。例如在微风状态下，运行时间短的复合横担形变很小，但是在大风或者大雨的情况下，风力和强降雨都会造成复合横担芯体的形变量加大。长时间运行后的复合横担芯体会出现疲劳老化，在风力不大的情况下，自身形变量较短时间运行的复合横担也会明显增大。

进一步优选地，风速、风向可直接影响复合横担绝缘子的振幅和振动频率，对风速、风向、温度和湿度等可影响复合横担绝缘子振动幅度和振动频率的气象参数进行测量，风速、风向测量是通过专用风速、风向传感器进行测量；温度和湿度可反映复合横担振动时的天气特征，比如通过温湿度的测量可以判断是否为下雨天气，下雨天雨水对复合横担绝缘子的冲击也会影响复合横担的振幅和振动频率。

所述气象传感器单元42将测量获得的数据经由第二数据传输单元43通过无线网络发送至上位机。

气象参数是修正形变的一个重要因素，因为气象参数中的风力对形变有一定影响，因此气象参数的测量对形变有一个修正作用。气象因素中对复合横担的振幅和频率影响最大的因素是风力，按照输电线路运维要求，一般在恶劣天气下不进行线路运维，因此气象参数中的风力大小对复合横担的形变检测提供修正，通常风力每增加一个等级，形变量增加约5％。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，以如下公式表示振动加速度、振幅、频率三者关系，

式中：

a表示加速度，

f表示频率，

v表示速度，

d表示行程也可理解为振幅。

在复合横担运行初始阶段，复合横担芯体的形变很小，随着运行时间的增加，在风力、降雨等影响因素下形变量(振幅和频率)规律会发生较为明显的变化。当测量得到的复合横担芯体振幅和频率达到一定程度时，则可以判断其芯体形变和疲劳状态。根据不同规格的复合横担结构以及运行环境设置初始运行条件，再根据测量的振动加速度、振幅、频率三者关系，来判断形变的程度，当测得的参数与预警值接近时则需要更换绝缘子。

振幅和频率乘积f²d与加速度a呈正比例关系。振动加速度、振幅、频率三者关系在低频范围内，振动强度与位移成正比，在中频范围内，振动强度与加速度成正比，在高频范围内振动强度与加速度成正比。因为频率低意味着振动体在单位时间内对振动次数少，过程时间长，速度、加速度的数值相对较小且变化量更小，因此振动位移能够更清晰的反映振动强度的大小；而频率高意味着振动次数多、过程短，速度、尤其加速度的数值变化量大，因此振动强度与振动加速度成正比。

可以理解的是，通常情况下机械振动，低频为小于10Hz，10Hz～1000Hz为中频，大于1000Hz为高频。

振动位移d具体的反映了间隙的大小、振动速度v反映了能量的大小，振动加速度a放映了冲击力的大小。因此在对复合横担进行形变检测时，要根据不同的横担类型进行初始状态检测，即获得初始值，并对应的根据使用环境对其设定预警值，然后定期对复合横担的形变进行检测，当测量的数据达到预警值即提示需进行检修或者更换。在本发明进一步优选但非限制性的实施方式中，根据批次横担的型式试验设定预警值。

测量振动加速度，并假设横担形变的振动频率为低频率，根据振动加速度，估计出振动幅度，即位移。随后，根据振动幅度，基于振动幅度参考值，确定芯体形变是否达到预警状态。

本发明中的预警值与复合横担的材料、结构尺寸(包括芯体直径、横担长度等)有关，因此需要根据不同型号的产品设定预警值，当测量的数据超过预警值的20％则需要对复合横担进行维护或更换。

图4为本发明提供的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置电路示意图，受限于电场传感器的实际应用环境及工况，在复合横担端部进行横担芯体形变测量时，为了保证参数测量的准确性，需从电气参数、机械强度、耐候性能、抗干扰性等方面出发，对传感器的材料进行合理的遴选和性能测试。本装置所处的工频磁场属于低频磁场，根据电磁屏蔽的基本原理，低频磁场由于其频率低，趋肤效应很小，吸收损耗很小，并且由于其波阻抗很低，反射损耗也很小，因此单纯靠吸收和反射很难获得需要的屏蔽效能。因此对于本装置的工频磁场，要通过使用高导磁率材料提供磁旁路来实现屏蔽；对传感装置外部加上专用屏蔽抗干扰屏蔽罩实现强电磁屏蔽。磁旁路设置在传感器附近，相当于在测量装置旁边增加一套防电磁干扰的电路实现。

通过使用高磁导率材料提供磁旁路来实现屏蔽，如图5所示。由于屏蔽材料的导磁率很高，因此为磁场提供了一条磁阻很低的通路，因此空间的磁场会集中在屏蔽材料中，从而使敏感器件免受磁场干扰。

在本发明优选但非限制性的实施方式中，可调连板3可以伸缩，用于增大测量装置的适用场景，因为不同结构和电压等级的复合横担端部金具尺寸有差异，通过可调连板可以使装置能固定在不同尺寸的横担端部。

进一步优选地，所述可调连板3设置在第一主体部的中心位置，以及第二主体部的中心位置，用于复合横担绝缘子用芯体形变检测装置调节尺寸。进一步优选地，所述振动测量模块2和所述气象测量模块4选择安装在可调连板3两侧，呈对称布置。

本发明的有益效果至少包括：实时获得复合横担绝缘子的形变和疲劳状态；装置通过电磁兼容精密设计和反复测试优化，实现了复杂电磁环境下稳定运行，屏蔽措施阻隔了强电磁场对测量电源、信号采集回路的干扰，实现了高稳定性可靠测量。更具体地，本装置采用一体化和模块化设计，增强了装置的整体耐候性和环境适应性，安装检修方便。一体化是指将整个装置类似可开口的圆筒状直接扣合在绝缘子法兰上，模块化是指将电源、传感器以及无线模块，电源是独立供电电源，为整个装置供电；传感器含有横向加速度计测量模块和纵向加速度计测量模块，精确感知复合横担芯体的振幅和频率；无线模块是测量数据信息传输模块，以上设备具有较好的抗干扰性。该装置为复合杆塔运维中及时掌握杆塔结构运行情况和结构性能提供了直接手段，可在线路运行后定期检测复合横担绝缘子的形变和疲劳状态，通过检测低压侧端部振动幅度、频率等参量，在常规输电线路涉及振动等工况的检测中均可以使用和推广。

值得注意的是，本发明的重点是如何应用这些传感器获得与复合横担绝缘子相关的参数，而不在于提出新的传感器，由此可知，使用任意现有技术中满足功能和精度需求的任意可用传感器实施本发明均落入本发明的核心构思。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，包括：第一主体部、第二主体部、振动测量模块(2)、气象测量模块(4)和上位机；其特征在于，

所述第一主体部与第二主体部可以合拢形成筒装结构，安装在复合横担绝缘子法兰上；所述振动测量模块(2)用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，并将测量数据发送至上位机，所述气象测量模块(4)用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，并将测量数据发送至上位机；所述上位机用于基于横担绝缘子端部的振幅及频率和气象数据，实施记录、分析及形变状态判断。

2.根据权利要求1所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

第一主体部的一端与第二主体部的一端通过锁紧转轴(1)可旋转地相连接，第一主体部的另一端与第二主体部的另一端可以通过所述锁紧销(5)可拆卸地相连接。

3.根据权利要求2所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

锁紧销(5)与锁紧转轴(1)呈水平布置，用于复合横担绝缘子用芯体形变检测装置稳固固定。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

所述振动测量模块(2)包括：第一电源(21)、加速度计单元(22)和第一数据传输单元(23)，第一电源(21)用于为加速度计单元(22)和第一数据传输单元(23)供电，所述加速度计单元(22)将测量获得的数据经由第一数据传输单元(23)通过无线网络发送至上位机。

5.根据权利要求4所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

所述加速度计单元(22)用于测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，包括：横向加速度计和纵向加速度计。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

所述气象测量模块(4)用于测量复合横担绝缘子端部的气象数据，包括：第二电源(41)、气象传感器单元(42)和第二数据传输单元，第二电源(41)用于为气象传感器单元(42)和第二数据传输单元(43)供电，气象传感器单元(42)将测量获得的数据经由第二数据传输单元(43)通过无线网络发送至上位机。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

在第一主体部的中部以及第二主体部的中部还设置有可以伸缩的可调连板(3)。

8.根据权利要求7所述的一种复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于：

所述振动测量模块(2)和所述气象测量模块(4)选择安装在可调连板(3)两侧，呈对称布置。

9.一种复合横担绝缘子用芯体形变检测方法，使用权利要求1至8中任一项所述的复合横担绝缘子用芯体形变检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据不同规格的复合横担结构以及运行环境设置初始运行条件；

步骤2，将所述复合横担绝缘子用芯体形变检测装置安装至复合横担绝缘子法兰上，接通电源和通信网络；

步骤3，复合横担绝缘子用芯体形变检测装置测量复合横担绝缘子端部的振幅及频率，并且同时测量复合横担绝缘子端部的气象数据，并将测量数据发送至上位机；

步骤4，上位机判断形变的程度，当测得的参数超过预警值时，提示需要更换绝缘子。

10.根据权利要求9所述的复合横担绝缘子用芯体形变检测方法，其特征在于：

步骤4中，根据批次横担的型式试验设定预警值。

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