基于空气热纹影分布的绝缘子故障检测装置及其方法与流程

本发明涉及一种绝缘子故障检测装置及其方法，尤其涉及一种基于空气热纹影分布的绝缘子故障检测装置及其方法，属于电力故障诊断技术领域。

背景技术：

绝缘子是电网中,尤其是输电线路的主要绝缘部件,是保障电气性能的关键部件。目前,在架空输电线路和变电站中,所使用的绝缘子主要是瓷质悬式绝缘子。运行中的绝缘子长期工作于强电场、机械应力、污秽及温湿度等共存的复杂环境中,出现故障的几率很大。随着运行时间的增加，受机电联合作用，绝缘子的绝缘性能和机械性能会下降，从而产生零值或低值绝缘子，这种现象称为绝缘子的老化或劣化。

零值低值绝缘子的存在，相当于部分绝缘被短路，相应地减少了绝缘子串的整体爬电距离，大大增加了该串绝缘子的闪络概率。一旦发生闪络，其短路电流会从绝缘子内部通过，产生热效应，常使绝缘子钢帽炸裂、脱开或钢脚烧断，从而出现绝缘子断串、掉串和电力线路导线落地等严重事故，导致局部电网解裂和整个电网的崩溃、瘫痪，严重影响工农生产和人民生活安定。同时大量低值零值绝缘子的存在增加了电量损耗，造成了一部分不明电量的丢失。

常规零值低值绝缘子检测手段，主要有电压分布法、电场测量法、超声波法、红外热像测温法和紫外脉冲法。以上方法均有各自的优点和不足。电压分布法操作直观、能准确判断绝缘子性能变化的优点，但工作量大，安全性差，效率低，易受电磁干扰，造成误检和漏检。电场测量法所用设备简单，且对温度、湿度、风速等天气条件要求比较低，但需要在多个位置测量、检测任务繁重。超声波法设备简单，操作方便，抗干扰能力强，可以较准确地检测出由开裂引起的零值绝缘子，但受环境背景噪声影响大，对为开裂的低值零值绝缘子不起作用，而且超声波本身存在一定局限性。红外热像法可靠、高效，但绝缘子的运行环境、气象条件、检测时间、距离等因素对其影响不容忽视，而且不能进行早期预告。紫外成像法预见性好，不受天气限制，检测速度快、检测距离较远、操作简单，但只能观察较强的防电信号，主要适用于局部放电的观测，难以对零值绝缘子进行准确的检测。

零值低值绝缘子发热情况与正常绝缘子发热情况不同，这一现象导致故障绝缘子周围密度与正常情况的差异。纹影技术可以利用流场的密度梯度场来反映流场的结构，光源经过准直后的平行光束穿过扰动流场区域时发生偏折，在光源的像平面处设置刀口，受扰动流场沿刀口方向不同的密度梯度变化导致光源的像被刀口不同程度的切割，从而在记录平面上产生明暗变化，亮度增加或减弱正比于扰动流场沿刀口方向的密度梯度变化。

纹影技术部分简化原理图如图1所示，图中s为光源设置在纹影镜ls1的焦点上，平行光通过试验段的观察区，在纹影镜ls2的焦平面上放置一个刀口k。刀口要能够阻挡一半的光源像，此时在扰动区域中，在垂直于刀刃边的方向上存在折射率梯度，则光束发生偏折，图中实现表示没有扰动的光线，虚线表示受到扰动变化的光线。光线在垂直于刀刃方向上光线的偏移量为刀口平面上的位移量在y方向的位移对导致光屏上相应部位的光强产生变化，相对于背景照度有反差c:

通常在调整纹影系统时取a＝h/2(h为光源高度)，2a即为y轴方向上刀口与两纹影镜焦点连线的距离。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于空气热纹影分布的零值低值绝缘子的故障检测方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

技术方案一：

一种基于空气热纹影分布的零值低值绝缘子的故障检测装置，其特征在于：包括光源模块、由纹影镜、第二平面反射镜、刀口器以及光敏板组成的纹影采集模块、数据处理模块和计算机；所述光源模块的透光区域中心与绝缘子中心在同一水平面上，并且直射纹影镜中心；纹影镜中心与透光区域中心在同一水平面上，与光源模块发射的平行光垂直放置；第二平面反射镜将纹影镜反射的光线水平投射到刀口器，刀口器的中心与第二反射镜中心在同一水平面上；所述光源模块产生的平行光信号，穿过绝缘子所处扰动区后被纹影采集模块接收，纹影信号采集模块将接收的光信号转化为纹影成像电信号输出至数据处理模块，所述数据处理模块对纹影成像电信号进行数字化、滤波及幅值调整处理后，将其传输至计算机；由计算机进行图像显示和故障判断；所述计算机装载检测模块，检测模块将得到的数字信号拟合成测试光滑曲面图像，将其与绝缘子正常工作时的正常光滑曲面图像进行相关性处理，计算相关系数并判断是否存在零值、低值绝缘子。

所述光源模块由钨卤素灯光源、第一反射镜和准直镜组成；第一反射镜中钨卤素灯光源的像在准直镜的焦平面上；所述准直镜与纹影镜的相互平行。

所述光敏板包括光检测电路、背景板及其上安装的1个以上光敏二极管组成；所述光检测电路包括电阻rf、电阻rl、光电二极管和cmos输入放大器，光电二极管跨接在cmos输入放大器的正向输入端和反向输入端之间，电阻rf接在cmos输入放大器的反向输入端和输出端之间，电阻rl接在cmos输入放大器的输出端和地之间。

技术方案二：

所述的基于空气热纹影分布的零值低值绝缘子的故障检测装置的故障检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采集绝缘子正常工作的曲线：绝缘子正常工作的曲线为r1＝(x(t)，y(t))，其中x(t)为绝缘子正常时光敏板上x轴电压随时间的变化，y(t)为光敏板上y轴电压随时间的变化；其斜率为：

步骤2：采集待检测绝缘子工作时的检测曲线：检测曲线为r2＝(p(t)，q(t))，其中p(t)为检测时光敏板上x轴电压随时间的变化，q(t)为检测时光敏板上y轴电压随时间的变化；其斜率为：

步骤3：相似性判定：由以下具体步骤组成：

步骤3-1：计算相关性测度：

步骤3-2：计算绝缘子正常工作的曲线和检测曲线之间的距离：

其中||·||2表示l2；

步骤3-3：判断距离是否小于预设阈值ε，如果是，转向步骤3-4：

步骤3-4：计算相似性综合值：

步骤3-5：判断综合值是否大于预设阈值，如果是，判定绝缘子内部存在缺陷，否则判定绝缘子正常。

采用上述技术方案所取得的技术效果在于：

1、本发明通过检测绝缘子附近的空气热纹影分布来检测零值低值绝缘子缺陷的方法。该方法利用零值、低值绝缘子的发热与周围绝缘子不同，进而导致其周围空气纹影分布不同，来远距离检测故障绝缘子，该方法直观、可靠，可以节省人力物力，具有较大的工程实际应用价值。

2、本发明采用光敏板接收信号，直接将光强信号转化为电信号，方便了数据处理，在实际操作中带来了方便并且造价比较低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1纹影原理图；

图2是实施例1中光敏板的结构示意图；

图3是实施例1中光敏板的光检测电路的电路原理图；

图4是实施例1的结构示意图。

其中：1、钨卤素灯光源2、第一反射镜3、准直镜4、透光区域5、光源模块；6、绝缘子串7、纹影镜8、第二反射镜9、刀口器10、光敏板11、纹影采集模块12、数据处理模块

具体实施方式

实施例1：

一种基于空气热纹影分布的零值低值绝缘子的故障检测装置，其特征在于：包括光源模块、由纹影镜、第二平面反射镜、刀口器以及光敏板组成的纹影采集模块、数据处理模块和计算机；所述光源模块的透光区域中心与绝缘子中心在同一水平面上，并且直射纹影镜中心；纹影镜中心与透光区域中心在同一水平面上，与光源模块发射的平行光垂直放置；第二平面反射镜将纹影镜反射的光线水平投射到刀口器，刀口器的中心与第二反射镜中心在同一水平面上；

所述光源模块产生的平行光信号，穿过绝缘子所处扰动区后被纹影采集模块接收，纹影信号采集模块将接收的光信号转化为纹影成像电信号输出至数据处理模块，所述数据处理模块对纹影成像电信号进行数字化、滤波及幅值调整处理后，将其传输至计算机；由计算机进行图像显示和故障判断；所述计算机装载检测模块，检测模块将得到的数字信号拟合成测试光滑曲面图像，将其与绝缘子正常工作时的正常光滑曲面图像进行相关性处理，计算相关系数并判断是否存在故障绝缘子。

所述光源模块由钨卤素灯光源、第一反射镜和准直镜组成；第一反射镜中钨卤素灯光源的像在准直镜的焦平面上；所述准直镜与纹影镜的相互平行。

所述光敏板包括光检测电路、背景板及其上安装的1个以上光敏二极管组成；所述光检测电路包括电阻rf、电阻rl、光电二极管和cmos输入放大器，光电二极管跨接在cmos输入放大器的正向输入端和反向输入端之间，电阻rf接在cmos输入放大器的反向输入端和输出端之间，电阻rl接在cmos输入放大器的输出端和地之间。

实施例2：

所述的基于空气热纹影分布的零值低值绝缘子的故障检测装置的故障检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采集绝缘子正常工作的曲线：绝缘子正常工作的曲线为r1＝(x(t)，y(t))，其中x(t)为绝缘子正常时光敏板上x轴电压随时间的变化，y(t)为光敏板上y轴电压随时间的变化；其斜率为：

步骤2：采集待检测绝缘子工作时的检测曲线：检测曲线为r2＝(p(t)，q(t))，其中p(t)为检测时光敏板上x轴电压随时间的变化，q(t)为检测时光敏板上y轴电压随时间的变化；其斜率为：

步骤3：相似性判定：由以下具体步骤组成：

步骤3-1：计算相关性测度：

步骤3-2：计算绝缘子正常工作的曲线和检测曲线之间的距离：

其中||·||2表示l2；

步骤3-3：判断距离是否小于预设阈值ε，如果是，转向步骤3-4：

步骤3-4：计算相似性综合值：

步骤3-5：判断综合值是否大于预设阈值，如果是，判定绝缘子内部存在缺陷，否则判定绝缘子正常。