瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统及其监测方法
【专利摘要】本发明涉及瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，包括吸附在绝缘子底部法兰上的激发器和信号采集器，无线激振采集模块的输出端与激发器的输入端相连，信号采集器的输出端与无线激振采集模块的输入端相连，无线激振采集模块与无线中继模块无线通讯，无线中继模块与中心接收站无线通讯，中心接收站通过串口与后台计算机相连。本发明还公开了瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统的监测方法。本发明通过对瓷支柱绝缘子的机械参数进行采集、分析及控制，不仅能做到实时监测，同时可观察每只瓷支柱绝缘子的机械性能发展曲线，当绝缘子出现损伤或机械强度下降到预警值以下时，能够及时被本系统捕捉，及时报警通知工作人员，从而避免事故的发生。
【专利说明】瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统及其监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统中瓷支柱绝缘子裂纹监测【技术领域】，尤其是一种瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统及其监测方法。
【背景技术】
[0002]瓷支柱绝缘子是发电站和变电站运行的重要组成设备，起着支撑导线和绝缘的作用。由于瓷支柱绝缘子是高温烧结成的电瓷产品，属于脆性材料，没有固有的形变能且韧性极低，再则瓷支柱绝缘子工作环境恶劣，受外界影响因素很多，如大风、雨雪、覆冰、日晒等等，而引起的附加应力增大，若瓷支柱绝缘子存在微小缺陷，就容易在该处产生应力集中造成破坏。近几年来，时常发生因瓷支柱绝缘子断裂而引发的事故。
[0003]为了有效检测出瓷支柱绝缘子的裂纹，国内外一直针对瓷支柱绝缘子开展无损伤研究工作，目前国内在对绝缘子的无损探伤方面常用的设备有超声波探伤仪、紫外电子光学探伤仪、振动声学探伤仪等，三者均采用离线式检测方式，离线式监测方式存在以下缺陷:由于必须采用人工离线检测，容易导致人为操作失误、错检、漏检造成的错误判断；占用人力资源，工作效率低；无法做到实时监测，在绝缘子出现异常时，无法及时报警，无法及时避免事故的发生。
【发明内容】
[0004]本发明的首要目的在于提供一种能够在线实时监测瓷支柱绝缘子的机械状态、无需人工操作、提高检测的可靠性的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，包括吸附在绝缘子底部法兰上的激发器和信号采集器，无线激振采集模块的输出端与激发器的输入端相连，信号采集器的输出端与无线激振采集模块的输入端相连，无线激振采集模块与无线中继模块无线通讯，无线中继模块与中心接收站无线通讯，中心接收站通过串口与后台计算机相连。
[0006]所述激发器采用带有磁力座的激励振子，激励振子通过其磁力座吸附在绝缘子底部法兰上；所述信号采集器采用带有磁力座的加速度传感器，加速度传感器通过其磁力座吸附在绝缘子底部法兰上；所述激励振子通过屏蔽信号线与无线激振采集模块的输出端相连，所述加速度传感器通过屏蔽信号线与无线激振采集模块的输入端相连。
[0007]所述无线激振采集模块包括外接电源电路和太阳能电源电路，其输出端分别与电源选择电路的输入端相连，电源选择电路的输出端与第一主控MCU的输入端相连,第一主控MCU的输入输出端分别与第一无线通讯模块、RS485通信模块的输入输出端相连,第一主控MCU的输入端通过采集电路与信号采集器的输出端相连，第一主控MCU的输出端通过激发电路与激发器的输入端相连。
[0008]所述无线中继模块包括第二无线通讯模块，第二无线通讯模块的输出端与信号输入电路的输入端相连，信号输入电路的输出端与电荷电压变换电路的输入端相连，电荷电压变换电路的输出端与数字滤波电路的输入端相连，数字滤波电路的输出端与自动增益电路的输入端相连，自动增益电路的输出端与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路的输出端与第二主控MCU的输入端相连，第二主控MCU的输出端分别与数字滤波电路、自动增益电路、低频433M无线模块的输入端相连。
[0009]所述太阳能电源电路包括太阳能板，其输出端依次通过防雷电路、充电电路向电池供电，电池、外接电源电路均与电源选择电路的输入端相连，外接电源电路接市电；所述第一主控MCU的输入端分别与FLASH存储器、外部触发电路相连，所述第一无线通讯模块为WIFI模块。
[0010]所述第二无线通讯模块为WIFI模块。
[0011]本发明的另一目的在于提供一种瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统的监测方法，该方法包括下列顺序的步骤:
(1)无线激振采集模块产生振动脉冲,驱动激发器产生振动信号,此振动信号施加到被测瓷支柱绝缘子上，使被测瓷支柱绝缘子发生纵向振动；
(2)信号采集器接收被测瓷支柱绝缘子的振动回波信号，并送至无线激振采集模块进行采集，无线激振采集模块对信号进行处理后通过第一无线通讯模块将数据发送至无线中继模块；
(3)无线中继模块接收无线激振采集模块发送的数据，并将数据转发至中心接收站；
(4)中心接收站接收分组内的无线中继模块发送的数据，并将数据通过串口输出至后台计算机；
(5)后台计算机将接收的瓷支柱绝缘子的数据存入后台数据库，并进行分析与处理，当数据超过警戒值时控制报警系统报警，并通知工作人员。
[0012]每个所述无线中继模块负责管理32个无线激振采集模块，无线中继模块的发送距离大于1200米。
[0013]所述第一无线通讯模块通讯距离大于100米。
[0014]所述中心接收站的接收距离大于1200米。
[0015]由上述技术方案可知，本发明通过无线激振采集模块产生振动脉冲来驱动激发器产生振动信号，对瓷支柱绝缘子的机械参数进行采集，并对采集的数据进行分析及控制，不仅能做到实时监测，同时可观察每只瓷支柱绝缘子的机械性能发展曲线，当绝缘子出现损伤或机械强度下降到预警值以下时，能够及时被本系统捕捉，及时报警通知工作人员，从而避免事故的发生。本发明将彻底避免人为操作失误、错检、漏检造成的错误判断，提高电网的安全运行程度；并且采用无线网络技术避免了现场布线所带来的安全隐患，无需占用人力资源，大大提高了工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的系统原理方框图。
[0017]图2为本发明的安装结构示意图。
[0018]图3为图1中无线激振采集模块图。
[0019]图4为图1中无线中继模块的电路框图。
[0020]图中序号为:激励振子1、加速度传感器2、无线激振采集模块3、无线中继模块4、中心接收站5、后台计算机6、屏蔽信号线7、瓷支柱绝缘子8。
【具体实施方式】
[0021]瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，包括吸附在瓷支柱绝缘子8底部法兰上的激发器和信号采集器，无线激振采集模块3的输出端与激发器的输入端相连，信号采集器的输出端与无线激振采集模块3的输入端相连，无线激振采集模块3与无线中继模块4无线通讯，无线中继模块4与中心接收站5无线通讯，中心接收站5通过串口与后台计算机6相连，如图1所示。无线激振采集模块3采用太阳能供电和市电供电模式，无线激振采集模块3实时工作，根据需要进行采集，每个无线激振采集模块3有其唯一的编码地址作为瓷支柱绝缘子8的标识。
[0022]如图2所示，所述激发器采用带有磁力座的激励振子1，激励振子I通过其磁力座吸附在瓷支柱绝缘子8底部法兰上；所述信号采集器采用带有磁力座的加速度传感器2，加速度传感器2通过其磁力座吸附在瓷支柱绝缘子8底部法兰上；所述激励振子I通过屏蔽信号线7与无线激振采集模块3的输出端相连，所述加速度传感器2通过屏蔽信号线7与无线激振采集模块3的输入端相连。所述无线激振采集模块3安装在瓷支柱绝缘子8所在架构上且位于瓷支柱绝缘子8的下方，所述无线中继模块4安装在瓷支柱绝缘子8所在架构上且位于无线激振采集模块3的下方。由于无线激振采集模块3的无线通讯覆盖范围在100米左右，所以无线中继模块4固定在离无线激振采集模块3相距100米以内的范围内，无线中继模块4的无线通讯覆盖范围在1200米左右，可覆盖整个变电站。中心接收站5通过无线中继模块4接收无线激振采集模块3的数据，将其安装在户外的适合位置，并通过485接口连接到后台计算机6上，后台计算机6上便能收到无线激振采集模块3的数据，通过操作后台计算机6实现数据的无线接收与控制。无线中继模块4固定在瓷支柱绝缘子8架构上，负责接收无线激振采集模块3的数据和编码地址，并将数据和编码地址远传给中心接收站5。为了有效的传输数据，减少数据碰撞，每个无线中继模块4负责管理32个无线激振采集模块3，无线中继模块4的发送距离大于1200米；所述中心接收站5的接收距离大于1200米；所述第一无线通讯模块通讯距离大于100米。
[0023]如图3所示，所述无线激振采集模块3包括外接电源电路和太阳能电源电路，其输出端分别与电源选择电路的输入端相连，电源选择电路的输出端与第一主控MCU的输入端相连，第一主控MCU的输入输出端分别与第一无线通讯模块、RS485通信模块的输入输出端相连，第一主控MCU的输入端通过米集电路与信号米集器的输出端相连,第一主控MCU的输出端通过激发电路与激发器的输入端相连。所述太阳能电源电路包括太阳能板，其输出端依次通过防雷电路、充电电路向电池供电，电池、外接电源电路均与电源选择电路的输入端相连，外接电源电路接市电；所述第一主控MCU的输入端分别与FLASH存储器、外部触发电路相连，所述第一无线通讯模块为WIFI模块。电荷电压变换电路:将传感器的信号转换成电压信号并进行放大为后级处理提供准备。本发明采用双电源供电，在天气条件较差、太阳能电源电路无法满足供电条件时，可由外接电源电路直接接市电进行供电。
[0024]如图4所示，所述无线中继模块4包括第二无线通讯模块，第二无线通讯模块的输出端与信号输入电路的输入端相连，信号输入电路的输出端与电荷电压变换电路的输入端相连，电荷电压变换电路的输出端与数字滤波电路的输入端相连，数字滤波电路的输出端与自动增益电路的输入端相连，自动增益电路的输出端与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路的输出端与第二主控MCU的输入端相连，第二主控MCU的输出端分别与数字滤波电路、自动增益电路、低频433M无线模块的输入端相连，所述第二无线通讯模块为WIFI模块。数字滤波电路由高通、低通、带通滤波器组成，目的在于滤除干扰信号；自动增益电路通过计算调整自动增益，保证输出信号维持在2V，不受输入信号的强弱控制。
[0025]在工作时，首先，无线激振采集模块3产生振动脉冲，经功率放大器进行信号放大处理后，驱动激发器产生振动信号，此振动信号施加到被测瓷支柱绝缘子8上，使被测瓷支柱绝缘子8发生纵向振动；其次，信号采集器接收被测瓷支柱绝缘子8的振动回波信号，并送至无线激振采集模块3进行采集，无线激振采集模块3对信号进行处理后将其转换为数字信号并通过第一无线通讯模块将数据发送至无线中继模块4 ;再次，无线中继模块4接收无线激振采集模块3发送的数据，并将数据转发至中心接收站5 ;接着，中心接收站5接收分组内的无线中继模块4发送的数据，并将数据通过串口输出至后台计算机6 ;最后，后台计算机6将接收的瓷支柱绝缘子8的数据存入后台数据库，并通过其上装载的有限元专业分析软件进行分析与处理，当数据超过警戒值时控制报警系统报警，并通知工作人员，通过功能菜单可以随时进行数据采集、查阅历史数据、同时可进行数据对比，分析瓷支柱绝缘子8的机械性能发展曲线，并可通过后台计算机6任意实现前端的采集控制。有限元专业分析软件可以模拟110KV瓷支柱绝缘子8的振动模态，通过研究诸多振动形式的振动频率和瓷支柱绝缘子8振动的幅频特性，以确定瓷支柱绝缘子8的机械振动频率特性与范围；根据得到的振动频率与振幅值，与拉力机和扭力机所进行的实际试验数据进行对比，最终推导出绝缘子机械振动幅频特性曲线和绝缘子机械强度的对应关系。
[0026]综上所述，本发明通过无线激振采集模块3产生振动脉冲来驱动激发器产生振动信号，对瓷支柱绝缘子8的机械参数进行采集，并对采集的数据进行分析及控制，不仅能做到实时监测，同时可观察每只瓷支柱绝缘子8的机械性能发展曲线，当瓷支柱绝缘子8出现损伤或机械强度下降到预警值以下时，能够及时被本系统捕捉，及时报警通知工作人员，从而避免事故的发生。本发明将彻底避免人为操作失误、错检、漏检造成的错误判断，提高电网的安全运行程度；并且采用无线网络技术避免了现场布线所带来的安全隐患，无需占用人力资源，大大提高了工作效率；通过振动声学原理，可时时监测瓷支柱绝缘子的机械状态及其发展趋势，几乎所有优劣瓷支柱绝缘子的特性都能通过本系统的有限元专业分析软件反映出来，从而可以明显的进行区分判断，可检出瓷绝缘子本体全部内外裂纹、机械性能降低或丧失等缺陷，检出率接近100%。
【权利要求】
1.瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:包括吸附在绝缘子底部法兰上的激发器和信号采集器，无线激振采集模块的输出端与激发器的输入端相连，信号采集器的输出端与无线激振采集模块的输入端相连，无线激振采集模块与无线中继模块无线通讯，无线中继模块与中心接收站无线通讯，中心接收站通过串口与后台计算机相连。
2.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:所述激发器采用带有磁力座的激励振子，激励振子通过其磁力座吸附在绝缘子底部法兰上；所述信号采集器采用带有磁力座的加速度传感器，加速度传感器通过其磁力座吸附在绝缘子底部法兰上；所述激励振子通过屏蔽信号线与无线激振采集模块的输出端相连，所述加速度传感器通过屏蔽信号线与无线激振采集模块的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:所述无线激振采集模块包括外接电源电路和太阳能电源电路，其输出端分别与电源选择电路的输入端相连，电源选择电路的输出端与第一主控MCU的输入端相连,第一主控MCU的输入输出端分别与第一无线通讯模块、RS485通信模块的输入输出端相连，第一主控MCU的输入端通过采集电路与信号采集器的输出端相连，第一主控MCU的输出端通过激发电路与激发器的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:所述无线中继模块包括第二无线通讯 模块，第二无线通讯模块的输出端与信号输入电路的输入端相连，信号输入电路的输出端与电荷电压变换电路的输入端相连，电荷电压变换电路的输出端与数字滤波电路的输入端相连，数字滤波电路的输出端与自动增益电路的输入端相连，自动增益电路的输出端与A/D转换电路的输入端相连，A/D转换电路的输出端与第二主控MCU的输入端相连，第二主控MCU的输出端分别与数字滤波电路、自动增益电路、低频433M无线模块的输入端相连。
5.根据权利要求3所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:所述太阳能电源电路包括太阳能板，其输出端依次通过防雷电路、充电电路向电池供电，电池、外接电源电路均与电源选择电路的输入端相连，外接电源电路接市电；所述第一主控MCU的输入端分别与FLASH存储器、外部触发电路相连，所述第一无线通讯模块为WIFI模块。
6.根据权利要求4所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统，其特征在于:所述第二无线通讯模块为WIFI模块。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统的监测方法，其特征在于该方法包括下列顺序的步骤: (1)无线激振采集模块产生振动脉冲,驱动激发器产生振动信号,此振动信号施加到被测瓷支柱绝缘子上，使被测瓷支柱绝缘子发生纵向振动； (2)信号采集器接收被测瓷支柱绝缘子的振动回波信号，并送至无线激振采集模块进行采集，无线激振采集模块对信号进行处理后通过第一无线通讯模块将数据发送至无线中继模块； (3 )无线中继模块接收无线激振采集模块发送的数据，并将数据转发至中心接收站； (4)中心接收站接收分组内的无线中继模块发送的数据，并将数据通过串口输出至后台计算机； (5)后台计算机将接收的瓷支柱绝缘子的数据存入后台数据库，并进行分析与处理，当数据超过警戒值时控制报警系统报警，并通知工作人员。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于:每个所述无线中继模块负责管理32个无线激振采集模块，无线中继模块的发送距离大于1200米。
9.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于:所述第一无线通讯模块通讯距离大于100米。
10.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于:所述中心接收站的接收距离大于1200 米。
【文档编号】G01N29/04GK103954686SQ201410110351
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月24日 优先权日:2014年3月24日
【发明者】陈国宏, 王家庆, 陈东风, 晏嘉陵, 陈安生, 王若民 申请人:国家电网公司, 国网安徽省电力公司电力科学研究院, 天津市科远系统工程有限公司