CN117330883B - 一种架空线路绝缘子运行状态监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种架空线路绝缘子运行状态监测系统及方法，属于高压电力设备在线监测与故障诊断技术领域。包括第一电场探头和内部电路；内部电路包括运算放大器和单片机；第一电场探头悬挂于靠近待监测绝缘子串一侧的横担上，内部电路设置于第一电场探头远离待监测绝缘子串一侧的横担上；利用第一电场探头监测绝缘子串低压端的空间电场数值并将其转化为电压信号传输至运算放大器，以便运算放大器对电压信号进行放大后传输至单片机，单片机对放大后的信号进行连续采样，并计算峰值因子和表征污秽度，从而判断待监测绝缘子串的放电状态和污秽度。本申请可实现对绝缘子串多个运行状态的实时监测，且结构简单易于实现，成本较低。

Description

一种架空线路绝缘子运行状态监测系统及方法

技术领域

本发明涉及高压电力设备在线监测与故障诊断技术领域，尤其是指一种架空线路绝缘子运行状态监测系统及方法。

背景技术

架空线路绝缘子是一种特殊的绝缘组件，用于支撑和保护架空输电线路，在架空输电线路中起着重要作用。绝缘子损坏或老化可能会导致线路断路，引发严重电力事故，影响架空线路的正常工作，因此，对于架空线路绝缘子的运行状态进行监测十分重要。国内外相关科研机构对架空线路绝缘子的运行状态开展了大量研究，并在污秽度预测、局部放电监测和污闪预警方面取得了很多成果。

现有的对于绝缘子运行状态的监测方法包括以下几种：1、泄漏电流法，通过测量绝缘子串泄漏电流有效值、最大值和泄漏电流脉冲数作为特征量，实现污闪的实时监测和预警，该方法线性度良好且灵敏度较高，但是设备价格昂贵，并且泄漏探头长时间在输电线路污秽潮湿的环境下使用容易发生锈蚀，影响监测效果，甚至发生漏判和错判；2、紫外成像法，远距离检测绝缘子紫外放电脉冲信号，从而获得绝缘子表面放电状况的方法，该方法只能局部检测绝缘子串的放电情况，不能整体判别绝缘子串是否会发生闪络（与绝缘子串的表面污秽等级相关），难以用于实时在线监测；3、红外成像法，通过带电绝缘子串反射的红外线温度信号获得绝缘子运行状况，能够对绝缘子串的劣化进行较为准确的判断，但无法判断绝缘子串是否会发生闪络，且易受周边环境温度的影响，无法对绝缘子进行实时监测；4、可见光图像处理技术，大多应用于绝缘子表面污秽等级及外观劣化的监测识别，忽略了绝缘子表面湿润和放电等复杂运行状态的识别。

综上所述，现有的绝缘子运行状态监测方法无法实现对绝缘子串污秽、放电和劣化等多状态的监测，识别技术功能单一，监测精度和效率层次不齐，且装置本身不够经济。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的绝缘子运行状态监测方法无法实现对绝缘子串污秽、放电和劣化等多状态的监测，识别技术功能单一，监测精度和效率层次不齐，且装置本身不够经济的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种架空线路绝缘子运行状态监测系统，包括：

第一电场探头，悬挂于靠近待监测绝缘子串一侧的横担上，用于实时监测所述待监测绝缘子串远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第一空间电场数值转换为第一电压信号；

内部电路，设置于所述第一电场探头远离所述待监测绝缘子串一侧的横担上，与所述第一电场探头相连，其具体包括：

运算放大器，用于对所述第一电压信号进行放大；

单片机，与所述运算放大器相连，其包括：

ADC采样模块，用于对放大后的第一电压信号进行连续采样，得到第一工频周波数组；

第一计算模块，用于基于所述第一工频周波数组的有效值和最大值计算峰值因子，并基于所述峰值因子计算表征污秽度。

在本发明的一个实施例中，所述峰值因子的计算公式为：

，

其中，表示峰值因子，/>为第一工频周波数组的最大值，/>为第一工频周波数组的有效值；

所述峰值因子和所述表征污秽度的关系表达式为：

，

其中，为表征污秽度。

在本发明的一个实施例中，还包括：

第二电场探头，悬挂于所述内部电路远离所述第一电场探头一侧的横担上，用于实时监测第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第二空间电场数值转换为第二电压信号传输至所述内部电路中的运算放大器，以便所述运算放大器对所述第二电压信号进行放大后传输至所述ADC采样模块，由所述ADC采样模块对放大后的第二电压信号进行连续采样，得到第二工频周波数组；

无线电场传感器，设置在所述待监测绝缘子串上，用于实时监测所述待监测绝缘子串上的第三电场空间数值，并将所述第三电场空间数值转换为第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，将所述第三工频周波数组无线传输至所述内部电路中的单片机。

在本发明的一个实施例中，所述单片机还包括：

第二计算模块，用于基于所述第一工频周波数组的最大值和所述第二工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重，基于所述第二工频周波数组的最大值和所述第三工频周波数组的最大值计算第二空间电场幅值变化权重。

在本发明的一个实施例中，所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重的计算公式为：

，

，

其中，表示第一空间电场幅值变化权重，/>表示第二空间电场幅值变化权重，为第一工频周波数组的最大值，/>为第三工频周波数组的最大值；

，

，

其中，为第二工频周波数组的最大值，/>为第一预设比例系数，/>为第二预设比例系数。

在本发明的一个实施例中，所述内部电路还包括：

数据传输模块，与所述单片机相连，用于将所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重无线传输至用户，以便用户基于所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重判断所述待监测绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度；

锂电池，用于提供电源；

稳压逆变模块，与所述锂电池、所述运算放大器、所述单片机和所述数据传输模块相连，用于将所述锂电池提供的电源转化为稳定电压为所述运算放大器、所述单片机和所述数据传输模块供电。

在本发明的一个实施例中，所述内部电路还包括：

第一MOS开关，其栅极与所述单片机相连，其漏极与所述运算放大器相连，其源极与所述稳压逆变模块相连；

第二MOS开关，其栅极与所述单片机相连，其漏极与所述数据传输模块相连，其源极与所述稳压逆变模块相连。

在本发明的一个实施例中，所述单片机还包括：

第一比较模块，用于比较所述峰值因子是否大于2；

第一控制模块，用于当所述峰值因子大于2时，基于第一预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第一预设时间间隔闭合一次；

第二比较模块，用于当所述峰值因子小于2时，比较所述峰值因子是否大于1.42；

第二控制模块，用于当所述峰值因子小于2且大于1.42时，基于第二预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第二预设时间间隔闭合一次；

第三控制模块，用于当所述峰值因子小于1.42时，基于第三预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第三预设时间间隔闭合一次；

其中，所述第一预设时间间隔小于所述第二预设时间间隔，所述第二预设时间间隔小于所述第三预设时间间隔。

在本发明的一个实施例中，所述数据传输模块为GPRS模块或Lorawan模块。

本发明还提供了一种应用于上述系统的架空线路绝缘子运行状态监测方法，包括：

第一电场探头监测待监测绝缘子串远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第一空间电场数值转换为第一电压信号；

第二电场探头监测第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第二空间电场数值转换为第二电压信号；

运算放大器对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行放大；

单片机的ADC采样模块分别对放大后的第一电压信号和第二电压信号进行连续采样，得到第一工频周波数组和第二工频周波数组；

无线电场传感器监测所述待监测绝缘子串上的第三电场空间数值，并将所述第三电场空间数值转换为第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，并将所述第三工频周波数组无线传输至所述单片机；

单片机的第一计算模块基于所述第一工频周波数组的最大值和有效值计算峰值因子，并基于所述峰值因子计算表征污秽度；

单片机的第二计算模块基于所述第一工频周波数组的最大值、所述第二工频周波数组的最大值和所述第三工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重；

数据传输模块接收所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重并无线传输至用户，以便用户基于所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重判断所述待监测绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度。

本发明提供的架空线路绝缘子运行状态监测系统在横担上靠近待监测绝缘子串的位置处设置电场探头，对带电运行的待监测绝缘子串的空间电场参量进行非接触式检测，由于带电运行的待监测绝缘子串在发生闪络或放电过程中其电场信号都会发生变化，因此，本申请通过实时监测绝缘子串的空间电场参量并计算峰值因子和表征污秽度，即可实现对待监测绝缘子串的表面污秽度、沿面放电程度等多个运行状态的实时监测；另外，本申请提供的系统仅包括电场探头和内部电路，结构简单易于实现，且成本较低，并且，由于本申请提供的系统是通过检测空间电场参量实现绝缘子串运行状态的监测，不易受到输电线路污秽、降雨或覆冰等环境的影响，具有更好的监测效果，且能够更准确地反映绝缘子串的运行状态。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明提供的一种架空线路绝缘子运行状态监测系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种内部电路的结构示意图；

图3为本发明提供的一种电场信号波形畸变示意图；

图4为本发明提供的一种峰值因子与表征污秽度的关系示意图；

图5为本发明提供的一种不同峰值因子下的放电程度变化曲线示意图；

图6为本发明提供的一种绝缘子串劣化与电场分布关系示意图；其中，图6中的（a）为绝缘子串与架空线路的连接关系示意图，图6中的（b）为绝缘子串中不同串瓷绝缘子劣化时对应的电场分布示意图；

图7为本发明提供的一种图1所示的监测系统低功耗运行示意图；

图8为本发明提供的一种架空线路绝缘子运行状态监测方法流程图；

说明书附图标记说明：10、绝缘子串；20、横担；30、第一电场探头；40、内部电路；401、运算放大器；402、单片机；403、数据传输模块；404、锂电池；405、稳压逆变模块；406、第一MOS开关；407、第二MOS开关；50、第二电场探头；60、无线电场传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1，图1为本申请提供的一种架空线路绝缘子运行状态监测系统，其中，绝缘子串10悬挂于横担20的一端，绝缘子串10下方为架空线路，该监测系统具体包括：

第一电场探头30，悬挂于横担20靠近绝缘子串10的一侧，用于实时监测绝缘子串10远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将第一空间电场数值转换为第一电压信号；

具体地，第一电场探头30由微型电场天线和外壳组成；

内部电路40，设置于横担20上第一电场探头30远离绝缘子串10的一侧，与第一电场探头30相连，如图2所示，其具体包括：

运算放大器401，用于对第一电压信号进行放大；

单片机402，与运算放大器401相连，其包括：

ADC采样模块，用于对放大后的第一电压信号进行连续采样，得到第一工频周波数组；

第一计算模块，用于基于第一工频周波数组的有效值和最大值计算峰值因子，并基于峰值因子计算表征污秽度。

由于绝缘子串发生闪络或沿面放电地过程中，其周围的电场信号均会发生明显变化，因此，本申请利用非接触式的电场信号反映绝缘子串的运行状态，通过设置第一电场探头获取绝缘子串的空间电场数值，并给予空间电场数值计算峰值因子和表征污秽度，利用峰值因子和表征污秽度反映绝缘子串的放电程度和表面污秽度，同时实现对绝缘子串多个运行状态的监测；并且，本申请提供的监测系统仅包括电场探头和内部电路，结构简单且易于实现，成本较低，更具经济性；另外，由于本身请提供的监测系统仅需要监测绝缘子串周围的空间电场数值，不易受输电线路污秽、降雨以及覆冰等环境的影响，具有更好的监测效果，能够更准确地获取绝缘子串的运行状态。

具体地，由于绝缘子串10的下方为架空线路，即高压电位，因此，绝缘子串10的上方靠近横担20的一端为低压端；第一电场探头30通过获取绝缘子串10低压端空间电场数值，可以反映绝缘子串10的运行状态。并且，第一电场探头30的探测数据受绝缘子串10的水平距离、电压等级、绝缘子串的串长和串型影响，在本申请的一些实施例中，第一电场探头30应该尽可能的靠近绝缘子串10，距离太远则无法监测到能够准确反映绝缘子串10状态的空间电场信号。

示例地，对于110KV、220KV、500KV和1000KV的四个输电线路电压等级，第一电场探头30的安装位置与绝缘子串10的水平距离最大可取10cm、20cm、30cm和40cm。

另外，在本申请的一些实施例中，为了使第一电场探头30获取空间电场数值时不受横担20金属的屏蔽影响，第一电场探头30采用悬吊式，其距离横担20的垂直距离大于10cm。

可选地，为了使得内部电路40免受环境影响，在本申请的一些实施例中，内部电路40设置在外壳内部，外壳可以直接吸附或绑扎在横担20上。

具体地，单片机的ADC采样模块对第一电压信号进行连续采样，并基于每次采样得到的数据得到第一工频周波数组，可选地，在本申请的一些实施例中，考虑不稳定干扰因素，还对第一工频周波数组中的数据进行预处理。

示例地，单片机的ADC采样模块连续采集20个工频周波，并剔除其中相对误差大于5%的数据，基于处理后的工频周波数据得到第一工频周波数组。

进一步地，本申请中计算峰值因子的原理是根据空间电场波形有效值和幅值的比值，本质上反映的是电场波形的畸变。当绝缘子表面湿润或有泄漏电流流过时会产生干带或局部电弧，从而改变绝缘子表面的电位分布，这会直接影响第一电场探头的波形。示例地，如图3所示为本申请实施例提供的一种电场信号波形畸变示意图，从图中可以看出，当产生局部电弧后，干带压降占据主导，其波形与空间电场波形一致。

具体地，单片机的第一计算模块基于第一工频周波数组的最大值和有效值计算峰值因子，其具体计算公式为：

，

其中，表示峰值因子，/>为第一工频周波数组的最大值，/>为第一工频周波数组的有效值；

具体地，第一工频周波数组的有效值的计算公式为：

，

其中，表示第一工频周波数组中的工频周波数量，/>表示工频周波数组中第/>个工频周波。

请参阅图4，图4为本申请实施例提供的峰值因子和表征污秽度之间的关系示意图，图中横坐标为表征污秽度ESDD，纵坐标为峰值因子。

从图4中可以看出，峰值因子和表征污秽度ESDD之间的关系满足幂指数关系，因此可以通过峰值因子/>计算表征污秽度ESDD，二者之间的关系表达式为：

。

在绝缘子串表面湿润的前提下，污秽度越严重，空间电场信号波形畸变也越剧烈，峰值因子也越大，因此，本申请实施例使用峰值因子计算表征污秽度的方法也受绝缘子串表面湿润程度的影响，由此得到的表征污秽度也会在一天当中发生数值波动，当绝缘子串表面湿润时（大雾、毛毛雨、融雪或融冰），表征污秽度会达到最大值，因此用户基于表征污秽度判断绝缘子串运行状态时，可以选取易发生绝缘子污秽闪络时间段。

请参阅图5，图5为本申请实施例提供的一种不同峰值因子下的放电程度变化趋势图，图中第一组和第二组均为绝缘子串污秽度较低，湿润后轻微放电的情况，第三组为绝缘子串污秽度较高，湿润后放电剧烈的情况。

从图5中可以看出，绝缘子串表面湿润后，峰值因子值会显著上升，产生轻微放电时，峰值因子/>值大于2；当产生明显的沿面电弧时，峰值因子/>值会大于4；当接近闪络处于十分危险的情况时，峰值因子/>值会大于6。基于上述关系，用户可以通过判断峰值因子/>值的大小判断绝缘子串的放电程度，具体地，当峰值因子/>值持续大于4时，表明绝缘子串已经出现显著电弧放电，需要立即采取相应措施。

请参阅图6，图6为本申请实施例提供的绝缘子串劣化时的电场分布示意图，图中的（a）为绝缘子串与架空线路的连接关系示意图，其中，绝缘子串由14片串瓷绝缘子组成，L表示低压端，H表示高压端，d表示绝缘子串的中部，S表示绝缘子串的长度；图中的（b）为绝缘子串中不同串瓷绝缘子劣化时对应的电场分布示意图。

从图6中可以看出，当存在一片零值串瓷绝缘子时，绝缘子串中部以及横担附近的空间电场幅值会显著波动，当存在2片以上零值串瓷绝缘子时，其空间电场幅值波动会更加明显，并且，14片串瓷绝缘子中不同位置的串瓷绝缘子发生劣化的空间电场幅值波动幅度不同，因此，还可以通过空间电场幅值的波动区别判断第几片串瓷绝缘子发生了劣化。

基于上述原因，本申请的一些实施例中还计算了空间电场幅值变化权重，具体地，如图1所示，在本申请的一些实施例中，该系统还包括：

第二电场探头50，悬挂于横担20上内部电路40远离第一电场探头30的一侧，用于实时监测第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将第二空间电场数值转换为第二电压信号传输至内部电路40中的运算放大器401，以便运算放大器401对第二电压信号进行放大后传输至ADC采样模块，由ADC采样模块对放大后的第二电压信号进行连续采样，得到第二工频周波数组；

无线电场传感器60，设置在绝缘子串10上，用于实时监测绝缘子串10上的第三电场空间数值，并将第三电场空间数值转换为第三电压信号，对第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，将第三工频周波数组无线传输至内部电路40中的单片机402。

第二电场探头50用于监测杆塔地点位附近的空间电场数值，该数值可以反映绝缘子串10背景电场信号和输电线路运行电压的波动，作为对比参考量辅助第一电场探头30提取绝缘子串10有效电场信号特征参量。

具体地，第二电场探头50和第一电场探头30相同，均是由微型电场天线和外壳组成的，且第二电场探头50也采用悬吊式以避免横担20金属的屏蔽影响，其距离横担20的垂直距离大于10m。

在本申请的一些实施例中，为了使得第二电场探头50测得的空间电场数值更准确地反映绝缘子串10背景电场信号，第二电场探头50需要距离绝缘子串10越远越好，另外，作为本申请的一个具体示例，第二电场探头50与内部电路40的水平距离为1m。

优选地，无线电场传感器60通过腕状结构捆扎在绝缘子串10中部，用于监测绝缘子串10中部空间电场数值。

进一步地，单片机402还包括第二计算模块，用于基于第一工频周波数组的最大值和第二工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重，基于第二工频周波数组的最大值和第三工频周波数组的最大值计算第二空间电场幅值变化权重。

具体地，第一空间电场幅值变化权重的计算公式为：

，

第二空间电场幅值变化权重的计算公式为：

，

其中，表示第一空间电场幅值变化权重，/>表示第二空间电场幅值变化权重，为第一工频周波数组的最大值，/>为第三工频周波数组的最大值；

，

，

其中，为第二工频周波数组的最大值，/>为第一预设比例系数，/>为第二预设比例系数，/>为绝缘子劣化导致的第一电场幅值变化量，/>为绝缘子劣化导致的第二电场幅值变化量；

由于造成空间电场数值波动的因素除了绝缘子串劣化外，还可能是由于绝缘子串背景电场信号和输电线路运行电压的波动，或线路雷击放电等不稳定因素，因此，本申请实施例中第一预设比例系数为本装置初始运行、绝缘子串还未劣化时/>和/>的比值，同理，第二预设比例系数/>为本装置初始运行、绝缘子串还未劣化时/>和/>的比值。

进一步地，绝缘子劣化是一个稳定的长期存在的状态，而污秽湿润和放电是暂时状态，利用本申请提供的方法进行绝缘子劣化判断时需要尽量避免表面污秽和放电的影响，因此，作为优选地，本申请实施例在计算第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重时均是在峰值因子值大于1.4且小于1.42时计算的，使得第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重能够更准确地反映绝缘子串的劣化状态。

基于上述实施例得到的第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重/>为不同位置的空间电场幅值变化权重，因此，当/>或/>持续大于10%，用户即需要到现场进行红外检测或零值检测以排除故障。

在计算得到的峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重后，还需要将这些指标传输至用户，以便用户基于这些指标判断绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度。

因此，如图2所示，在本申请的一些实施例中，内部电路40还包括：

数据传输模块403，与单片机402相连，用于将峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重无线传输至用户，以便用户基于峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重判断绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度；

锂电池404，用于提供电源；

稳压逆变模块405，与锂电池404、运算放大器401、单片机402和数据传输模块403相连，用于将锂电池404提供的电源转化为稳定电压为运算放大器401、单片机402和数据传输模块403供电。

可选地，在本申请的一些实施例中，数据传输模块403可以是GPRS模块或Lorawan模块等通用的物联网数传模块，可以将单片机的运算结果传输至平台或用户。

进一步地，为了兼顾该架空线路绝缘子运行状态监测系统的功耗，使得其能长期运行免维护，本申请实施例还通过在内部电路中设置MOS开关，并通过判断峰值因子来决定系统的工作状态，具体地，如图2所示，在本申请的一些实施例中，内部电路40还包括：

第一MOS开关406，其栅极与单片机402相连，其漏极与运算放大器401相连，其源极与稳压逆变模块405相连；

第二MOS开关407，其栅极与单片机402相连，其漏极与数据传输模块403相连，其源极与稳压逆变模块405相连。

相应地，为了控制第一MOS开关406和第二MOS开关407从而实现内部电路的通断，单片机402还包括：

第一比较模块，用于比较峰值因子是否大于2；

第一控制模块，用于当峰值因子大于2时，基于第一预设时间间隔发送控制信号至第一MOS开关406和第二MOS开关407，控制第一MOS开关406和第二MOS开关407每隔第一预设时间间隔闭合一次；

第二比较模块，用于当峰值因子小于2时，比较峰值因子是否大于1.42；

第二控制模块，用于当峰值因子小于2且大于1.42时，基于第二预设时间间隔发送控制信号至第一MOS开关406和第二MOS开关407，控制第一MOS开关406和第二MOS开关407每隔第二预设时间间隔闭合一次；

第三控制模块，用于当峰值因子小于1.42时，基于第三预设时间间隔发送控制信号至第一MOS开关406和第二MOS开关407，控制第一MOS开关406和第二MOS开关407每隔第三预设时间间隔闭合一次；

其中，第一预设时间间隔小于第二预设时间间隔，第二预设时间间隔小于第三预设时间间隔。

具体地，当峰值因子大于2时，认为绝缘子串表面开始湿润且有一定积污，因此需要较频繁的进行数据监测；当峰值因子/>小于2且大于1.42时，认为绝缘子串表面轻微湿润，相比于峰值因子大于2的情况可以减少对绝缘子串的监测频率和次数；当峰值因子小于1.42时，认为绝缘子串表面干燥或污秽度很轻，且湿润之后几乎没有泄漏电流，此时可以间隔较长时间进行一次数据监测和传输，从而减小整个监测系统的功耗。

示例地，如图7所示，当峰值因子大于2时，第一预设时间间隔为5min，即每5min单片机控制第一MOS开关和第二MOS开关闭合一次，整个内部电路基于闭合时采集的空间电场数值计算一次峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重并传输至用户；当峰值因子/>小于2且大于1.42时，第二预设时间间隔为20min，即每20min单片机控制第一MOS开关和第二MOS开关闭合一次；当峰值因子/>小于1.42时，第三预设时间间隔为1h，即每1h单片机控制第一MOS开关和第二MOS开关闭合一次，基于这种运行方式，该监测系统的平均功耗可低至0.016mW。

可选地，在本申请的一些实施例中，无线电场传感器60也可以由小尺寸的微型电场天线、运算放大器、单片机、锂电池、稳压逆变器、MOS开关和数据传输模块组成，其连接方式与内部电路相同，与内部电路相比，其锂电池的尺寸和容量均更小。

基于上述结构的无线电场传感器60，也可以通过控制MOS开关的闭合实现每M小时进行一次数据监测和发送，从而降低无线电场传感器60的功耗。

作为本申请的具体示例，控制无线电场传感器60每2小时进行一次数据监测和传输，其平均功耗可以降低至0.002mW。

基于上述实施例提供的架空线路绝缘子运行状态监测系统，本申请实施例还提供了一种架空线路绝缘子运行状态监测方法，如图8所示，其具体包括：

S10：第一电场探头监测绝缘子串远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第一空间电场数值转换为第一电压信号；

S20：第二电场探头监测杆塔地电位处的第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将第二空间电场数值转换为第二电压信号；

S30：运算放大器对第一电压信号和第二电压信号进行放大；

S40：单片机的ADC采样模块分别对放大后的第一电压信号和第二电压信号进行连续采样，得到第一工频周波数组和第二工频周波数组；

S50：无线电场传感器监测绝缘子串上的第三电场空间数值，并将第三电场空间数值转换为第三电压信号，对第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，并将第三工频周波数组无线传输至单片机；

S60：单片机的第一计算模块基于第一工频周波数组的最大值和有效值计算峰值因子，并基于峰值因子计算表征污秽度；

S70：单片机的第二计算模块基于第一工频周波数组的最大值、第二工频周波数组的最大值和第三工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重；

S80：数据传输模块接收峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重并无线传输至用户，以便用户基于峰值因子、表征污秽度、第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重判断绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，包括：

第一电场探头，悬挂于靠近待监测绝缘子串一侧的横担上，用于实时监测所述待监测绝缘子串远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第一空间电场数值转换为第一电压信号；

第二电场探头，悬挂于内部电路远离所述第一电场探头一侧的横担上，用于实时监测第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第二空间电场数值转换为第二电压信号传输至所述内部电路中；

无线电场传感器，设置在所述待监测绝缘子串上，用于实时监测所述待监测绝缘子串上的第三电场空间数值，并将所述第三电场空间数值转换为第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，将所述第三工频周波数组无线传输至内部电路中的单片机；

内部电路，设置于所述第一电场探头远离所述待监测绝缘子串一侧的横担上，与所述第一电场探头相连，其具体包括：

运算放大器，用于对所述第一电压信号进行放大，对所述第二电压信号进行放大；

单片机，与所述运算放大器相连，其包括：

ADC采样模块，用于对放大后的第一电压信号进行连续采样，

得到第一工频周波数组，对放大后的第二电压信号进行连续采样，

得到第二工频周波数组；

第一计算模块，用于基于所述第一工频周波数组的有效值和最大值计算峰值因子，并基于所述峰值因子计算表征污秽度；

第二计算模块，用于基于所述第一工频周波数组的最大值和所述第二工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重，基于所述第二工频周波数组的最大值和所述第三工频周波数组的最大值计算第二空间电场幅值变化权重。

2.根据权利要求1所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述峰值因子的计算公式为：

C_p＝E_max1/E_rms1，

其中，C_p表示峰值因子，E_max1为第一工频周波数组的最大值，E_rms1为第一工频周波数组的有效值；

所述峰值因子和所述表征污秽度的关系表达式为：

C_p＝1.454×e^5.965·ESDD，

其中，ESDD为表征污秽度。

3.根据权利要求1所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重的计算公式为：

Q₁＝|ΔE₁|/E_max1×100％，

Q₂＝|ΔE₂|/E_max3×100％，

其中，Q₁表示第一空间电场幅值变化权重，Q₂表示第二空间电场幅值变化权重，E_max1为第一工频周波数组的最大值，E_max3为第三工频周波数组的最大值；

ΔE₁＝E_max1-K₁·E_max2，

ΔE₂＝E_max3-K₂·E_max2，

其中，E_max2为第二工频周波数组的最大值，K₁为第一预设比例系数，K₂为第二预设比例系数。

4.根据权利要求1所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述内部电路还包括：

数据传输模块，与所述单片机相连，用于将所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重无线传输至用户，以便用户基于所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重判断所述待监测绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度；

锂电池，用于提供电源；

稳压逆变模块，与所述锂电池、所述运算放大器、所述单片机和所述数据传输模块相连，用于将所述锂电池提供的电源转化为稳定电压为所述运算放大器、所述单片机和所述数据传输模块供电。

5.根据权利要求4所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述内部电路还包括：

第一MOS开关，其栅极与所述单片机相连，其漏极与所述运算放大器相连，其源极与所述稳压逆变模块相连；

第二MOS开关，其栅极与所述单片机相连，其漏极与所述数据传输模块相连，其源极与所述稳压逆变模块相连。

6.根据权利要求5所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述单片机还包括：

第一比较模块，用于比较所述峰值因子是否大于2；

第一控制模块，用于当所述峰值因子大于2时，基于第一预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第一预设时间间隔闭合一次；

第二比较模块，用于当所述峰值因子小于2时，比较所述峰值因子是否大于1.42；

第二控制模块，用于当所述峰值因子小于2且大于1.42时，基于第二预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第二预设时间间隔闭合一次；

第三控制模块，用于当所述峰值因子小于1.42时，基于第三预设时间间隔发送控制信号至所述第一MOS开关和所述第二MOS开关，控制所述第一MOS开关和所述第二MOS开关每隔第三预设时间间隔闭合一次；

其中，所述第一预设时间间隔小于所述第二预设时间间隔，所述第二预设时间间隔小于所述第三预设时间间隔。

7.根据权利要求4所述的架空线路绝缘子运行状态监测系统，其特征在于，所述数据传输模块为GPRS模块或Lorawan模块。

8.一种应用于权利要求4-7任一项所述的系统的架空线路绝缘子运行状态监测方法，其特征在于，包括：

第一电场探头监测待监测绝缘子串远离架空线路一侧的第一空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第一空间电场数值转换为第一电压信号；

第二电场探头监测第二空间电场数值，并利用电容耦合原理将所述第二空间电场数值转换为第二电压信号；

运算放大器对所述第一电压信号和所述第二电压信号进行放大；

单片机的ADC采样模块分别对放大后的第一电压信号和第二电压信号进行连续采样，得到第一工频周波数组和第二工频周波数组；

无线电场传感器监测所述待监测绝缘子串上的第三电场空间数值，并将所述第三电场空间数值转换为第三电压信号，对所述第三电压信号进行放大并连续采样，得到第三工频周波数组，并将所述第三工频周波数组无线传输至所述单片机；

单片机的第一计算模块基于所述第一工频周波数组的最大值和有效值计算峰值因子，并基于所述峰值因子计算表征污秽度；

单片机的第二计算模块基于所述第一工频周波数组的最大值、所述第二工频周波数组的最大值和所述第三工频周波数组的最大值计算第一空间电场幅值变化权重和第二空间电场幅值变化权重；

数据传输模块接收所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重并无线传输至用户，以便用户基于所述峰值因子、所述表征污秽度、所述第一空间电场幅值变化权重和所述第二空间电场幅值变化权重判断所述待监测绝缘子串的放电状态、污秽程度和劣化程度。