瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法
【专利摘要】本发明提供一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法，该方法采用超声波检测和红外测量，它可以找出其失效部件，最大限度地减少它对整个系统造成的损害，延长设备的寿命，避免灾难性故障，同时可以确定修理的具体部位，避免了整个系统的关闭；对刚投运的新设备，可为运行人员提供有价值的原始数据资料；对那些已完成修理的设备，它的检测可以确信它们工作的正常，从而进一步增加设备的工作效率。
【专利说明】瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]变电站中有变压器、母线、隔离开关、断路器、耦合电容器、高压电缆等等大量的设备，电力设备运行状态的好坏直接决定电力系统的安全和效益。任何设备出现不正常工作状态若不及时处理很可能会发展成故障，甚至造成设备损坏或人身事故，演变成不可估量的后果。高压支柱瓷绝缘子在电力系统变电站得到广泛应用，它的运行安全与否对电网安全运行至关重要。但由于支柱将瓷绝缘子的质量、运行、检修、检测手段及检测水平的差异，常常发现不了设备的缺陷和隐患。近年来，因高压支柱绝缘子损坏而造成的电力事故频繁发生。瓷绝缘子的断裂，造成设备损坏甚至人身伤害事故。使变电站供电线路部分或全部停电，造成巨大经济损失和社会影响。
[0003]下面介绍几起因绝缘子断裂而引发的停电事故:
1991年4月29日，某发电厂发生一起220kV隔离开关绝缘子在操作中断裂造成母线接地、母差动作，造成五条220kV线路和两台机组跳闸；1992年元月7日某电业局变电所在恢复送电的操作中刀闸绝缘子根部断裂短路接地，造成停电事故；2001年某电业局两个变电所在同一天发生220kV支持绝缘子断裂、隔离开关倒塌，造成变电站全部停电的重大事故。2002年10月24日，某供电局池汉变110千伏I段母线刀闸C相支柱瓷瓶断裂，造成局部停电事故；2003年3月15日，某供电局小桥变I 1kV母线支柱瓷瓶断裂等。2004年北京供电局发生两起支柱绝缘子断裂事故，其中一起为人员伤亡事故；2005年11月在短短的20天的时间内河北省的沧州、衡水、邯郸三局的变电站接连发生支柱断裂重大事故，并各别变电站导致了整站的停电重大事故，对这三起事故国电公司在全国各电网做了通报；2006年广州市某热电厂操作中发生支柱断裂，造成停电事故；同年4月陕西省某供电局220kV变电站刀闸支柱瓷瓶断裂，造成停电事故，这样的事故在国内来讲还有很多，在各个电网每年均有很多起事故发生，高压支柱瓷绝缘子断裂事故的发生给电网的安全稳定运行和工作人员人身安全带来严重的危害。要彻底改变这种状况，只有在绝缘子的的选购、安装、调试、运行和检修等各个环节层层把关，才能消除缺陷和隐患，避免事故的发生，确保电网的安全运行。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明提供了一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法，其目的是解决瓷支柱绝缘子绝缘缺欠故障而损坏、容易产生事故影响安全生产的问题。
[0005]技术方案:本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，其特征在于:该系统包括主控制器、红外测温传感器和超声测距传感器；红外测温传感器和超声测距传感器均连接至主控制器。
[0006]在主控制器上还连接有日历时钟、键盘、IXD显示和EEPROM存储。
[0007]超声测距传感器为超灵敏的6500测量模块板的增强型600系列静电传感器。
[0008]红外传感器功能特点:探头尺寸:M12X1，长87mm，不锈钢外壳。温度测量范围:-20?350°C，采用坚固镀硅镜头，无须冷却可耐环境温度75°C，信号处理可调节，有可选的USB数据接口及软件，工作电压范围:5?7 VDC，12?28VDC ;距离系数比为10:1。
[0009]利用上述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统所实施的瓷支柱绝缘子自动探伤测试方法，其特征在于:
本方法利用主控器控制AD对超声波传感器和红外温度传感器进行数据采集和处理，接收外部按键输入，控制液晶显示器，控制EEPROM存储芯片以及PCF8563日历时钟芯片，具体为:
超声测量
系统的超声测量主要是采用定时计数的方法，利用超声波传感器的INIT引脚以及ECHO引脚分别和主控制器的PCO和PD6相连，测量方式采用单回波工作模式下，在此模式下所需要做的就是等待传输信号的返回，每英尺的输出和返回需要0.9毫秒，返回信号被放大并作为一个高电平信号输出，INIT变成高电平和ECHO输出变为高电平之间的时间与传感器与测量目标之的缺陷是成比例的，如果需要，当准备下一次传输的时候可以返回一个低电平的INIT信号然后再使它变为高电平，这样就可以使周期重复；
红外测量
系统的红外测量主要是采用主控制器即AVR控制串行AD转换芯片ADS7841完成，ADS7841通过6线串行接口与AVR进行通信，而且接口简单方便，一个转换周期需要24个时钟周期，其中8个用于输入控制字，16个用于读取转换结果；控制字的所有位在时钟上升沿被锁入芯片，转换结果在时钟的下降沿被逐位移出，所有移入和移出的数据都是高位在前、低位在后，需要说明的是，ADS7841是12位A/D转换器，其转换结果只有12位，故在移出12位结果后，还需送人4个时钟来完成整个转换过程，编成用AVR的I/O端口来模拟上述时序，完成A/D转换过程；
A/D转换完成后，需要对转换后的数字信号进行处理，滤除噪声，提高输出信噪比，在方法中采用限幅滤波及平均值滤波的方法滤除噪声，在温度测量过程中，每次连续启动10次A/D转换，将10次A/D转换的结果存入数组中，方法中，首先从该数组中剔除最大与最小值，然后对剩余的8个数取其均值作为最后A/D转换结果。
[0010]优点及效果:
本发明提供一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统及测试方法，该方法采用超声波检测和红外测量，超声波检测是无损检测方法之一，无损检测是在不破坏前提下，检查工件宏观缺陷或测量工件特征的各种技术方法的统称。运用超声检测的方法来检测的仪器称之为超声波探伤仪。它的原理是:超声波在被检测材料中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化的技术称为超声检测。超声检测方法通常有穿透法、脉冲反射法、串列法等。
[0011]超声波探伤仪的种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。
[0012]脉冲反射式超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，所谓A扫描显示方式即显示器的横坐标是超声波在被检测材料中的传播时间或者传播距离，纵坐标是超声波反射波的幅值。譬如，在一个钢工件中存在一个缺陷，由于这个缺陷的存在，造成了缺陷和钢材料之间形成了一个不同介质之间的交界面，交界面之间的声阻抗不同，当发射的超声波遇到这个界面之后，就会发生反射，反射回来的能量又被探头接受到，在显示屏幕中横坐标的一定的位置就会显示出来一个反射波的波形，横坐标的这个位置就是缺陷在被检测材料中的深度。这个反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反映了缺陷的性质。
[0013]电力设备都有可能绝缘缺欠故障而损坏，自动探伤仪能够对运行中的高压设备的绝缘子进行监测，能够及早地发现一些小问题，从而避免了大多数严重问题的发生，改善了设备的运行状况，同时增加了系统的安全性、可靠性，使用户满意。本仪器对运行中的旧设备，对刚投运的新设备以及完成修理的设备都一样行之有效。对运行中的旧设备，它可以找出其失效部件，最大限度地减少它对整个系统造成的损害，延长设备的寿命，避免灾难性故障，同时可以确定修理的具体部位，避免了整个系统的关闭；对刚投运的新设备，可为运行人员提供有价值的原始数据资料；对那些已完成修理的设备，它的检测可以确信它们工作的正常，从而进一步增加设备的工作效率。
[0014]【专利附图】
【附图说明】:
图1为超声波探伤控制电路结构图；
图2为超生测量流程图；
图3为ADS7841基本转换时序。
[0015]【具体实施方式】:下面结合附图对本发明做进一步的描述:
目前检测绝缘子几种常用检测方法有电场测量法、泄漏电流法、超声波检测法、红外测温法等。随着对电网安全的日益重视，绝缘子缺陷检测技术就其是否在线检测更有效成为研究的热点。由于在线绝缘子的特殊性，其在线检测极其困难。虽然采用非电量检测法具有不与被测量直接接触、没有高压绝缘问题困扰的优点，但由于其测量受种种外在条件如造价、设备本身条件、外在因素影响及设备操作复杂等的限制，在实际中广泛使用困难重重。
[0016]就其方法而言，在电量检测法中，分布电压法虽然具有直观、能准确地判断绝缘子性能变化的特点，但其需要登高测量、工作危险程度高的弱点也使其应用潜力受到限制；绝缘电阻法测量在低压端进行，能准确地测量出绝缘电阻的变化情况，但该值并非只反映绝缘子的劣化程度，而且与很多其他因素密切相关，故也难于准确反映绝缘子的劣化状况，且难于直接判断出劣值绝缘子的准确位置，实际单独广泛应用的可能性也不大；脉冲电流法基于电晕放电的原理，受外在因素的影响较小，随着人工智能技术发展的日益完善，通过人工神经网络模糊辨识方法解决受损绝缘子定位，问题已成为可能；其可在低压端检测的特点亦为其广泛使用提供了条件。
[0017]在非电量检测方法中，如国外将红外技术应用于电力设备监测始于20世纪60年代中期，瑞典国家电力局成功的应用红外热像仪进行了电力设备的故障诊断。70年代开始把热像仪装在汽车或直升机上对变电站设备或高压输电线路连接件故障做生产性巡回检测，并分别制订出相应的技术规范或红外诊断故障判定标准。红外检测技术已在发达国家普遍使用。1990年国际大电网会议(CIGIE)充分肯定了电力设备故障红外诊断技术，并指出该技术在电力设备从传统的预防性故障检修体制向先进的预知性状态维修体制发展中将发挥重要作用。2006年，美国Bmcher电站的变压器，安装了 300多台有载分接开关监控器，以便对分接开关温升进行监控。
[0018]我国电力系统是国内研究应用红外技术比较早的行业，研究开发电力设备红外监测技术始70年代初，利用国内研制的红外测温仪检测运行中的电气设备裸露过热接头，80年代中期，几家电力专业研究所先后引进较先进的光机扫描热像仪，积极开展发变电设备故障检测试验和220kV及IlOkV输电线路的直升机巡线红外检测试验，并取得了良好结果。90年代后，除进一步扩大现场检测外，一些电力研究和供电部门联合，通过对多种高压电气设备内部导流回路故障及绝缘故障的模拟试验研究，并结合现场检测积累的经验，现已掌握了各类高压电气设备内外部故障的外表红外热像特征，积累了各类设备不同内外部故障的温度变化规律和大量典型红外图谱。不仅对高压电气设备内外部故障类型做出定性诊断，而且给出故障位置和故障大小的定量诊断，并且对影响电力设备故障诊断准确性的诸因素及对策也做了深入研究，并在高压电气设备内部故障和高压瓷质绝缘子故障诊断方面，达到了国际先进水平或领先地位。
[0019]近年随着先进的红外热成像仪的出现和红外检测水平的提高，以及电力行业标准DL / T664—2008《带电设备红外诊断技术应用导则》的颁布实施，电力系统已较广泛地把红外检测项目列为高压电气设备定期检测和巡检的内容，每年在对电流致热型设备的检测中都及时发现了大量“重大”或“紧急”缺陷，为电力系统的安全和经济运行提供了有力保障。在日常的巡视中，一般都使用便携式红外点温仪对负荷较重的设备和重要负荷设备的接头温度进行重点巡视测试。红外成像仪则能很清晰地显示设备的温度场，对设备的整体发热情况作很直观的观察，对同一设备的不同点温度的异常也能很快发现，它具有稳定、可靠、测温迅速、分辨率高、直观、不受电磁干扰以及信息采集、存储、处理和分析方便等优点，具有点温仪不可替代的优点。但红外成像仪也存在重量较大、使用不方便和价格贵等缺点，因此红外成像仪要作为运行人员日常巡视的必备工具还不够现实。
[0020]还有，激光多普勒振动法是利用已开裂的绝缘子的振动中心频率与正常时不同的特点，通过外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘子，或用激光源对准被测绝缘子，以激起绝缘子的微小振动，然后将激光多普勒仪发出的激光对准被测绝缘子，根据对反射回来的信号的频谱的分析，从而获得该绝缘子的振动中心频率值，据此判定该绝缘子的好坏；超声波检测法是基于当超声波从一种介质进入到另一种介质的传播过程中，在两介质的交界面发生反射、折射和模式变换(纵、横波转换)的原理实现的。通过接收超声波发生器(称为换能器)发出的脉冲超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝缘子的位置区间。当绝缘子出现“开裂”时，则在接收到的反射波的时间轴上将出现该缺陷的反射波，由时间轴上的该缺陷波的大小及位置，即可判断出缺陷在绝缘子中的具体情况。激光多普勒振动仪体积庞大、笨重、使用及维修复杂、造价高等缺点及两种检测法对未开裂的劣值绝缘子检测无效的问题，限制了这两种检测法的适用范围。
[0021]超声波检测法存在的耦合和衰减及超声波换能器的性能问题在远距离遥测上目前未有大的突破，尚处于摸索阶段，该类设备目前主要用于企业生产的在线检测及实验室检定。因此，本项目要突破在安全距离范围内的带电遥测技术，寻找一种超声有效的探伤方法。
[0022]如图1所示，本发明提供一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，该系统包括主控制器、红外测温传感器和超声测距传感器；红外测温传感器和超声测距传感器均连接至主控制器。
[0023]在主控制器上还连接有日历时钟、键盘、IXD显示和EEPROM存储。
[0024]超声测距传感器为基于超灵敏的6500测量模块板的增强型600系列静电传感器序列，新的电压控制电路可使传感器工作在6?24 VDC的电源下。TTL谐调集电极开路输出包括上拉电阻，新的振荡电路的配置可以使该单元外部触发，也可以在5 Hz的频率下连续感应。数控增益和可变带宽放大器可以使器件在声纳应用中降低杂波从而可以进行表面突起检测。典型绝对精度是满量程读数的±1%。600系列智能传感器新的紧凑综合设计可以使器件容易开发。
[0025]红外传感器功能特点:探头尺寸:M12X1，长87_，不锈钢外壳。温度测量范围:-20?350°C，采用坚固镀硅镜头，无须冷却可耐环境温度75°C，信号处理可调节，有可选的USB数据接口及软件，工作电压范围:5?7 VDC, 12?28VDC ;距离系数比为10:1。
[0026]利用上述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统所实施的瓷支柱绝缘子自动探伤测试方法，其特征在于:
图1中主控器的主要功能是控制AD对超声波传感器和红外温度传感器进行数据采集和处理，接收外部按键输入，控制液晶显示器，控制EEPROM存储芯片以及PCF8563日历时钟芯片。单片机实质是把一个计算机系统集成在一个芯片上，其优点是体积小、重量轻价格便宜，为应用和开发提供了便利条件。可靠性高、功能强、速度快、功耗低价位低一直是衡量单片机性能的重要指标。早期单片机主要由于工艺及设计水平高、功耗高和抗干扰性能差等原因，大多采用较高的分频系数对时钟分频，使得令周期长、执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频数等措施，但是这种状态并未被彻底改观(如MCS51以及MCS51兼容机)。AVR单片机彻底打破这种旧设备格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令集U (Complex Instruct1n Set CPU, CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集U (Reduced Instruct1n Set CPU, RISC)，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操数与操作码安排在一字中，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高执行指令。AVR单片机博采众长，是8位机中的佼佼者。
[0027]超声测量
系统的超声测量主要是采用定时计数的方法，超声波传感器的INIT引脚以及ECHO引脚分别和AVR的PCO和PD6相连，测量方式采用单回波工作模式下，在此模式下所需要做的就是等待传输信号的返回，每英尺的输出和返回大约需要0.9毫秒。返回信号被放大并作为一个高电平信号输出。INIT变成高电平和ECHO输出变为高电平之间的时间与传感器与测量目标之的缺陷是成比例的，距离比例100:1。如果需要，当准备下一次传输的时候可以返回一个低电平的INIT信号然后再使它变为高电平，这样就可以使周期重复。超生测量流程如图2所不。
[0028]红外测量
系统的红外测量主要是采用AVR控制串行AD转换芯片ADS7841完成，ADS7841通过6线串行接口与AVR进行通信，而且接口简单方便。ADS7841基本转换时序如图3所示。从图3中可见，一个转换周期需要24个时钟周期，其中8个用于输入控制字，16个用于读取转换结果。控制字的所有位在时钟上升沿被锁入芯片，转换结果在时钟的下降沿被逐位移出。所有移入和移出的数据都是高位在前、低位在后。需要说明的是，ADS7841是12位A/D转换器，其转换结果只有12位，故在移出12位结果后，还需送人4个时钟来完成整个转换过程。编成用AVR的I/O端口来模拟上述时序，完成A/D转换过程。
[0029]A/D转换完成后，需要对转换后的数字信号进行处理，滤除噪声，提高输出信噪比。在程序中采用限幅滤波及平均值滤波的方法滤除噪声。在温度测量过程中，每次连续启动10次A/D转换，将10次A/D转换的结果存入数组中。程序中，首先从该数组中剔除最大与最小值，然后对剩余的8个数取其均值作为最后A/D转换结果。
[0030]总之，通过超声波检测诊断，可预防绝缘子故障，改变维修管理体制，使其从预防性的，甚至是紧急状态下的抢修变成为预知性维修。超声诊断技术可称为设备管理工作的眼睛，它使电力维修走出了盲目的时代。由此预见，超声绝缘子探伤易于大规模推广使用，将创造良好的社会和经济效益。
【权利要求】
1.一种瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，其特征在于:该系统包括主控制器、红外测温传感器和超声测距传感器；红外测温传感器和超声测距传感器均连接至主控制器。
2.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，其特征在于:在主控制器上还连接有日历时钟、键盘、IXD显示和EEPROM存储。
3.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，其特征在于:超声测距传感器为超灵敏的6500测量模块板的增强型600系列静电传感器。
4.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统，其特征在于:红外传感器功能特点:探头尺寸:M12X1，长87_，不锈钢外壳； 温度测量范围:_20?350°C,米用坚固镀娃镜头,无须冷却可耐环境温度75°C,信号处理可调节，有可选的USB数据接口及软件，工作电压范围:5?7 VDC，12?28VDC ;距离系数比为10:1。
5.利用权利要求1所述的瓷支柱绝缘子自动探伤测试系统所实施的瓷支柱绝缘子自动探伤测试方法，其特征在于: 本方法利用主控器控制AD对超声波传感器和红外温度传感器进行数据采集和处理，接收外部按键输入，控制液晶显示器，控制EEPROM存储芯片以及PCF8563日历时钟芯片，具体为: 超声测量 系统的超声测量主要是采用定时计数的方法，利用超声波传感器的INIT引脚以及ECHO引脚分别和主控制器的PCO和PD6相连，测量方式采用单回波工作模式下，在此模式下所需要做的就是等待传输信号的返回，每英尺的输出和返回需要0.9毫秒，返回信号被放大并作为一个高电平信号输出，INIT变成高电平和ECHO输出变为高电平之间的时间与传感器与测量目标之的缺陷是成比例的，如果需要，当准备下一次传输的时候返回一个低电平的INIT信号然后再使它变为高电平，这样就可以使周期重复； 红外测量 系统的红外测量主要是采用主控制器即AVR控制串行AD转换芯片ADS7841完成，ADS7841通过6线串行接口与AVR进行通信，而且接口简单方便，一个转换周期需要24个时钟周期，其中8个用于输入控制字，16个用于读取转换结果；控制字的所有位在时钟上升沿被锁入芯片，转换结果在时钟的下降沿被逐位移出，所有移入和移出的数据都是高位在前、低位在后，需要说明的是，ADS7841是12位A/D转换器，其转换结果只有12位，故在移出12位结果后，还需送人4个时钟来完成整个转换过程，编成用AVR的I/O端口来模拟上述时序，完成A/D转换过程； A/D转换完成后，需要对转换后的数字信号进行处理，滤除噪声，提高输出信噪比，在方法中采用限幅滤波及平均值滤波的方法滤除噪声，在温度测量过程中，每次连续启动10次A/D转换，将10次A/D转换的结果存入数组中，方法中，首先从该数组中剔除最大与最小值，然后对剩余的8个数取其均值作为最后A/D转换结果。
【文档编号】G01N29/04GK104198578SQ201410370484
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】杨雪滨, 张洋, 孙艳鹤 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司检修分公司