一种盆式绝缘子缺陷故障检测方法与流程

本发明涉及一种故障检测方法，特别是一种盆式绝缘子缺陷故障检测方法。

背景技术：

输电网建设是国家战略发展的重要方向，发展特高压输电已经列入我国中长期的发展规划，将会对未来输变电领域产生重要的影响。目前我国已经建设了很长的特高压交流输电线路。目前在特高压输电线路所选用的开关设备，大多数为气体绝缘组合开关设备。由于具有占地面积小、可靠性高、使用周期长、受气候条件的影响较小、维护工作少，装置结构紧凑而且便于安装的特点，因此适用于大型电力枢纽，在地形复杂或者地势狭小的区域也便于应用。其作为电力系统中运行的重要设备，一旦发生故障将会影响电力系统的正常供电造成巨大的经济损失和不良的社会影响。盆式绝缘子作为核心组成部件，在特高压电网建设中必然会被大量应用，因此对其安全稳定运行提出了较高要求。当前，对盆式绝缘子进行检测具有很大的意义。

常规的对于盆式绝缘子的无损检测技术主要包括化学检测法、光学检测法、脉冲电流法、特高频法等。这些无损检测方法理论上对于盆式绝缘子的缺陷检测都具有可行性，然而在生产应用中，每种方法都有各自的局限性，比如化学检测法分析周期较长，需要几个小时甚至几天；光学检测法成本较高；脉冲电流法不适用于复杂的电磁环境；特高频法不能进行定量检测。因此，研发一种简单高效、低成本、能够实现对盆式绝缘子进行缺陷检测的系统成为当前研究的热点之一。

导波以其对缺陷敏感、单点激励、衰减小、能量大等优点使其适合盆式绝缘子缺陷检测工作。然而目前我国对于盆式绝缘子超声导波无损检测技术的研究较少。山东大学的汤何美子在《基于特高频法的gis局部放电典型缺陷类型放电特性的研究》中提出了使用特高频法进行盆式绝缘子缺陷故障检测的方法，然后采用特高频法存在的主要问题在于：外置式传感器灵敏度低，而且会受到周围环境手机信号等电磁干扰影响，必须采取有效屏蔽措施；此外，这种方法不能实现定量检测，无法测量局部放电视在放电量的大小，因而无法判断缺陷严重程度，是其应用的最大障碍。现有的技术对于盆式绝缘子缺陷故障检测工作，尚无一种快速高效、科学准确的检测方法与系统。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种盆式绝缘子缺陷故障检测方法，快速高效、科学准确。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种盆式绝缘子缺陷故障检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：搭建盆式绝缘子缺陷故障检测系统，包括上位机、功率放大模块、检测换能器、盆式绝缘子、前置放大模块和多通道信号控制与处理模块，多通道信号控制与处理模块包括多通道激励信号发生单元、多通道回波信号处理单元和时序控制单元；在盆式绝缘子上布置有检测换能器，上位机与多通道信号控制与处理模块相连，多通道信号控制与处理模块中的多通道激励信号发生单元与功率放大模块相连，功率放大模块分别与布置在盆式绝缘子上的检测换能器的输入端相连；检测换能器的输出端与前置放大模块相连，前置放大模块与多通道信号控制与处理模块中的多通道回波信号处理单元相连，多通道回波处理单元与上位机相连，时序控制单元分别与多通道激励信号发生单元和多通道回波信号处理单元连接；

步骤二：在盆式绝缘子上布置检测换能器；

步骤三：每次以检测换能器中的一个检测换能器作为激励源进行检测处理，一个检测换能器作为接收端进行检测信号的收集；

步骤四：重复步骤三的过程，获得各个可能存在缺陷区域各自的原始采集数据矩阵sj，j=1,2,3,…,m，m为可能存在缺陷的区域个数；

步骤五：在盆式绝缘子无缺陷的情况下，对各个区域的原始采集数据矩阵sj进行数据的存储，然后将采集的数据信号进行巴特沃斯滤波，以消除信号中的其他频率段的信号，最后进行小波视频分析，采用匹配追踪算法进行降噪处理，以消除随机噪声的影响，最终得到标准采样数据；

步骤六：在盆式绝缘子有缺陷的情况下，对各个可能存在缺陷区域的原始采集数据矩阵sj进行巴特沃斯滤波和降噪处理，以消除其他频率段的信号及随机噪声的影响，得到实时检测数据；

步骤七：将实时检测数据与标准采样数据进行比较，主要对实时检测数据与标准采样数据的信号的幅值进行比较，通过比较同一时刻两组数据的信号的幅值的差值，若该幅值差值小于无缺陷时幅值的6%，可以认为没有缺陷存在，若该幅值差值大于无缺陷时幅值的6%，则说明缺陷较大，从而可以判断缺陷是否存在以及缺陷的相对大小。

进一步地，所述功率放大模块将激励信号源输出的两路时序相差0.25周期的信号进行功率放大，将激励信号源放大到峰峰值200v，最大驱动负载5欧姆。

进一步地，所述前置放大模块将换能器中的回波信号进行放大，换能器接收的回波信号量级在微伏，需要进行上千倍的放大。

进一步地，所述多通道信号控制与处理模块中的多通道激励信号发生单元采用的是dds激励信号源。

进一步地，所述dds激励信号源工作流程为

dds_start为外部给的一个启动脉冲，触发dds启动；

dds根据给定的重复率rt_t，重复次数rt_n，波形个数wave_f进行发送dds波形；

重复率rt_t为间隔多长时间进行一次dds波形发送，重复次数rt_n为发送几组波形，波形个数wave_f为每组发送几个波形；

dds启动后，开始计时，根据重复率rt_t的时间间隔，计时到了，发送一组波，同时累加器进行一次累加，说明发送了一组波；

比较器比较已发送的波形组数和设定需要发送的波形组数，当发送组数达到设置值时，停止计时器计时,也就停止了dds波形发送；

计时器在计时时间到使能相位累加器，相位累加器实现上一次输出值与频率控制字k相加，其输出作为波形存储器的地址信号，查找出相应相位处的幅度值，完成相位到幅度的转换，输出的幅度值送d/a转换器进行数模变换，获得模拟输出。

进一步地，所述多通道信号控制与处理模块中的多通道回波信号处理单元的工作流程为

对超声导波采用方向控制策略，信号采集分为两路，每一路采集方式一样，相互独立，可以进行同时采集；

每路进行给定次数的采集，并进行叠加，最后取平均值输出；

采集系统输入时钟为50m，首先根据采样频率sample_f进行分频,分频后的时钟给采集模块，采集到的数据通过fifo进行缓存；然后读出来存入sram中；

当进行第二次采集时，把sram中的数据读出来和采集到的数据叠加再次存入到sram中；

直到采集结束，然后读出sram中的数据，进行数据平均；

先对第一路ad数据进行平均，再对第二路ad数据进行平均，通过第一路ad数据是否读完标志sram1_to_sram2进行判断；

数字平均后的数据输出给通信模块，进行usb发送。

进一步地，所述步骤二检测换能器布置方式为检测换能器分别布置在盆式绝缘子的顶部和底部，分别用于激励信号的输入和回波信号的输出。

进一步地，所述步骤三具体为

3.1一个检测换能器激励产生超声导波信号，超声导波信号是两路经过汉宁窗调制的五个周期的正弦电信号，所述两路正弦电信号除相位差为90°以外其他参数均一致，使激励出的向检测换能器的探头发射方向反向传播的导波分量相互抵消，而向发射方向正向传播的导波分量相干叠加；

3.2由该区域中所有检测换能器同时开始接收信号，每个检测换能器接收到两路回波信号，两路回波信号经过时序控制后叠加在一起作为检测换能器的接收信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明可以实现盆式绝缘子缺陷故障的检测，方便判断缺陷是否存在；

2、本发明实施不仅可以检测盆式绝缘子表面的缺陷，对于盆式绝缘子内部的缺陷也可以进行检测；

3、本发明不仅可以检测盆式绝缘子缺陷的有无，还可以判断缺陷的相对大小。

附图说明

图1是本发明的一种盆式绝缘子故障检测系统的连接示意图。

图2是本发明的多通道激励信号发生单元的逻辑框图。

图3是本发明的多通道回波信号处理单元的逻辑框图。

图4是本发明的检测换能器布置示意图。

图5是本发明的实施例的疑似存在缺陷区域无缺陷时换能器的检测信号图。

图6是本发明的实施例的疑似存在缺陷区域有缺陷时换能器的检测信号图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

一种盆式绝缘子缺陷故障检测方法，包含以下步骤：

步骤一：搭建盆式绝缘子缺陷故障检测系统，如图1所示，盆式绝缘子缺陷故障检测系统包括上位机1、功率放大模块3、检测换能器4、盆式绝缘子5、前置放大模块6和多通道信号控制与处理模块9。多通道信号控制与处理模块9包括多通道激励信号发生单元2、多通道回波信号处理单元7和时序控制单元8。

在盆式绝缘子5上布置有检测换能器4，上位机1与多通道信号控制与处理模块9相连，多通道信号控制与处理模块9中的多通道激励信号发生单元2与功率放大模块3相连，功率放大模块3分别与布置在盆式绝缘子5上的检测换能器4的输入端相连；检测换能器4的输出端与前置放大模块6相连，前置放大模块6与多通道信号控制与处理模块9中的多通道回波信号处理单元7相连，多通道回波处理单元7与上位机1相连，时序控制单元8分别与多通道激励信号发生单元2和多通道回波信号处理单元7连接。

多通道激励信号发生单元2发出激励信号经功率放大模块3放大后输入到检测换能器4中，分别控制检测换能器4向盆式绝缘子产生超声导波，经盆式绝缘子的回波信号再被检测换能器4接收经前置放大模块6处理后发送到多通道回波处理单元7，再发送到上位机1；时序控制单元8对多通道激励信号发生单元2发出的激励信号和多通道回波处理单元7接收的回波信号进行时序调整。

如图2所示，多通道信号控制与处理模块9中的多通道激励信号发生单元2采用的是dds激励信号源的。dds_start为外部给的一个启动脉冲，触发dds启动。dds根据给定的重复率rt_t，重复次数rt_n，波形个数wave_f进行发送dds波形。重复率rt_t为间隔多长时间进行一次dds波形发送，重复次数rt_n为发送几组波形，波形个数wave_f为每组发送几个波形。dds启动后，开始计时，根据重复率rt_t的时间间隔，计时到了，发送一组波，同时累加器进行一次累加，说明发送了一组波。比较器比较已发送的波形组数和设定需要发送的波形组数，当发送组数达到设置值时，停止计时器计时,也就停止了dds波形发送。计时器在计时时间到使能相位累加器，相位累加器实现上一次输出值与频率控制字k相加，其输出作为波形存储器的地址信号，查找出相应相位处的幅度值，完成相位到幅度的转换，输出的幅度值送d/a转换器进行数模变换，获得模拟输出。

图2中，输入信号和输出信号说明如下。输入信号：clk为系统时钟，rst_n为复位信号，rt_t为重复率，rt_n为重复次数，wave_n为波形个数，dds_start为开始发送波形，wave_f为输出波形频率，dac_control_i为da控制信号，clk_dac_i为da控制时钟；输出信号：dac_data为da数据输出，dac_control_o为da控制信号输出，clk_dac_o为da控制时钟。

如图3所示，多通道信号控制与处理模块9中的多通道回波信号处理单元7的工作原理如下：由于对超声导波采用了方向控制策略，信号采集分为两路，每一路采集方式基本一样，相互独立，可以进行同时采集。每路进行给定次数的采集，并进行叠加，最后取平均值输出。采集系统输入时钟为50m，首先根据采样频率sample_f进行分频,分频后的时钟给采集模块，采集到的数据通过fifo进行缓存。然后读出来存入sram中。当进行第二次采集时，把sram中的数据读出来和采集到的数据叠加再次存入到sram中。直到采集结束，然后读出sram中的数据，进行数据平均。先对第一路ad数据进行平均，再对第二路ad数据进行平均，通过第一路ad数据是否读完标志sram1_to_sram2进行判断。数字平均后的数据输出给通信模块，进行usb发送。

图3中，输入信号和输出信号说明如下。输入信号：clk2为系统时钟，sys_rst为系统复位信号，sram1_data[15:0]为sram1数据口，ada1[13:0]为ad1数据口，num为需要采集的个数，sample_f为采样频率，ada2[13:0]为ad2数据口，sram2_data[15:0]为sram2数据口；输出信号：adaclk1_in为ad1采样时钟，adaoe1为ad1芯片使能，sram1_addr[19:0]为sram1地址线，sram1_ctl为sram1的控制信号，start_sram为输出给通信模块，进行usb读写状态判断，average_data为数字平均之后的数据，给通信模块，发送给上位机，adaclk2_in为ad2采样时钟，adaoe2为ad2芯片使能，sram2_addr[19:0]为sram2地址线，sram2_ctl为sram2的控制信号。

步骤二：在盆式绝缘子上布置检测换能器；如图4所示，检测换能器4布置在盆式绝缘子可能存在缺陷的区域两侧，一个作为信号的输入端，一个作为回波信号的接收端。检测换能器4采用的是压电换能器，可以实现输出和接收模态的精确控制，完成检测工作。

步骤三：每次以检测换能器中的一个检测换能器作为激励源进行检测处理，一个检测换能器作为接收端进行检测信号的收集；

每次监测处理具体为：

3.1一个检测换能器激励产生超声导波信号，超声导波信号是两路经过汉宁窗调制的五个周期的正弦电信号，所述两路正弦电信号除相位差为90°以外其他参数均一致，使激励出的向检测换能器的探头发射方向反向传播的导波分量相互抵消，而向发射方向正向传播的导波分量相干叠加；

3.2由该区域中所有检测换能器(包括自身产生超声导波信号的检测换能器)同时开始接收信号，每个检测换能器接收到两路回波信号，两路回波信号经过时序控制后叠加在一起作为检测换能器的接收信号。

步骤四：重复步骤三的过程，获得各个可能存在缺陷区域各自的原始采集数据矩阵sj，j=1,2,3,…,m，m为可能存在缺陷的区域个数；

步骤五：在盆式绝缘子无缺陷的情况下，对各个区域的原始采集数据矩阵sj进行数据的存储，然后将采集的数据信号进行巴特沃斯滤波，以消除信号中的其他频率段的信号，最后进行小波视频分析，采用匹配追踪算法进行降噪处理，以消除随机噪声的影响，最终得到标准采样数据；

步骤六：在盆式绝缘子有缺陷的情况下，对各个可能存在缺陷区域的原始采集数据矩阵sj进行巴特沃斯滤波和降噪处理，以消除其他频率段的信号及随机噪声的影响，得到实时检测数据；

步骤七：将实时检测数据与标准采样数据进行比较，主要对实时检测数据与标准采样数据的信号的幅值进行比较，通过比较同一时刻两组数据的信号的幅值的差值，若该幅值差值小于无缺陷时幅值的6%，可以认为没有缺陷存在，若该幅值差值大于无缺陷时幅值的6%，则说明缺陷较大，从而可以判断缺陷是否存在以及缺陷的相对大小。

功率放大模块将激励信号源输出的两路时序相差0.25周期的信号进行功率放大，将激励信号源放大到峰峰值200v，最大驱动负载5欧姆。前置放大模块将换能器中的回波信号进行放大，换能器接收的回波信号量级在微伏，需要进行上千倍的放大。

本发明使用lamb波对盆式绝缘子进行缺陷故障检测工作，具体是在盆式绝缘子可能存在缺陷的位置布置压电换能器，利用换能器在盆式绝缘子表面激发出低频（20khz～250khz）的lamb波，lamb波与缺陷相互作用产生回波及透射波。使用换能器接收透射波信号，进行保存方便后续的分析。

在缺陷检测过程中，对于可能存在缺陷的区域，安装两个换能器进行缺陷的检测，其中一个换能器作为回波信号的输入端，一个换能器作为回波信号的接收端，在无缺陷时换能器接收到的信号如图5所示，在有缺陷时换能器接收到的信号如图6所示，将两个信号的幅值进行对比，即可判断缺陷是否存在以及缺陷的相对大小。由此，本发明实现了盆式绝缘子缺陷故障的检测，不仅可以判断缺陷是否存在，还可以判断缺陷的相对大小，使盆式绝缘子缺陷故障检测更为高效、智能。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。