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CN109358271A - 一种基于mems光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法 - Google Patents

一种基于mems光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法 Download PDF

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CN109358271A CN201811306632.5A CN201811306632A CN109358271A CN 109358271 A CN109358271 A CN 109358271A CN 201811306632 A CN201811306632 A CN 201811306632A CN 109358271 A CN109358271 A CN 109358271A
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靳鹏飞
裴蕴智
俞杰
唐凌云
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Abstract

本发明公开了一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其采用MEMS光纤微电流传感器构建污秽劣化绝缘子检测系统，通过检测绝缘子串微电流特征判断绝缘子运行状态信息；具体判断方法为：当检测的绝缘子串中通过的微电流基本不发生变化，即绝缘子交流阻抗很大且基本不发生变化，则判断当前绝缘子良好没有产生污秽及劣化；当检测的绝缘子串中微电流增大，则判断当前绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在劣化绝缘子。本发明实现了绝缘子串无接触式测量，大幅提高绝缘子运维检修的安全性和检测效率。

Description

一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测 方法
技术领域
本发明涉及绝缘子检测技术领域，如特高压直流输电线路绝缘子检测、特高压交流输电线路绝缘子检测，具体涉及一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法。
背景技术
随着我国经济社会的快速发展，电力需求不断增加。高压输电线路上的绝缘子使用量也越来越大，同时随着特高压输电线路工程建设速度的加快，绝缘子的安全运行问题也日益突出，如何及时发现劣化及污秽绝缘子是当前的重要课题。
在架空线路中运行的绝缘子，因长期经受机电负荷、日晒雨林、冷热变化等作用，会使绝缘子的绝缘性能或机械性能下降，从而产生劣化或污秽绝缘子。在高压输电线路上，绝缘子的劣化及污秽直接威胁着电力系统的安全运行。因此，对绝缘子故障的快速准确检测、定位，使得维修人员可以快速对故障绝缘子进行清理、更换，可降高压输电线路运维的费用。
在绝缘子的劣化及污秽检测过程中，一大关键技术是绝缘子劣化及污秽程度的准确、快速、安全检测。当前主要是以分布电压检测法、绝缘电阻法及脉冲电流法等为典型的电量测量法和以超声波检测法、激光多普勒振动法以及红外热像仪法等为代表的非电量测量法。上述各种检测方法的工作原理是利用了接收绝缘子在损坏过程中出现的电、声、光、热等信号，而在电信号的检测方法中基本都需要传感器与绝缘子进行接触连接，存在一定的安全隐患。同时上述检测方法还存在一些问题有待解决，例如检测工作强度较大、工作环境不理想(有些方法需要登塔)及受天气条件影响较大，除此外还有测量精度差、检测工效低等。因此，绝缘子迫切需要一种准确、快速、安全的诊断方法，及时发现隐患，提高运维效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：采用MEMS光纤微电流传感器构建污秽劣化绝缘子检测系统，通过检测绝缘子串微电流特征判断绝缘子运行状态信息；具体判断方法为：当检测的绝缘子串中通过的微电流基本不发生变化，即绝缘子交流阻抗很大且基本不发生变化，则判断当前绝缘子良好没有产生污秽及劣化；当检测的绝缘子串中微电流增大，则判断当前绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在劣化绝缘子。
进一步的，根据绝缘子串电流-磁场理论模型，得出绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系，故利用MEMS光纤微电流传感器直接检测绝缘子串周围磁场的变化，间接得到绝缘子串中通过的微电流的大小和变化特征，从而实现无接触式诊断绝缘子串中的绝缘子污秽及劣化程度。
其中，所述绝缘子串电流-磁场理论模型建立如下：
当绝缘子串中的电流向上时，磁场方向垂直纸面向里；绝缘子串轴线上端延长线和上端点与测磁点连线的夹角为θ1；绝缘子串轴线和下端点与测磁点连线的夹角为θ2；测磁点到绝缘子串轴线的距离为r；然后应用安培环路定理和毕奥-萨伐尔定律求解其周围磁场，对于无限长直载流导体适用于安培环路定理：对于描述电流元在空间任意点处所激发的磁场，有毕奥-萨伐尔定律：
上述两式中L为任一闭合曲线；I为通过所围曲面的总电流；μ0为真空中磁导率；
结合毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理，可以得到有限长度绝缘子串周围某点处的磁感应强度为：由该式可以得出，绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系。
进一步的，通过对微电流值大小的检测，对绝缘子串的绝缘状况进行准确的判断：在测量绝缘子串微电流的同时加入影响测量判断准确性的外界因素，采用现有己知的有关外界因素如污秽、潮湿、温度、冰雪覆盖等对绝缘子串微电流值影响的数学模型，通过分别赋予不同外界干扰因素以不同隶属度的思想，利用模糊集合理论综合考虑绝缘子的运行情况以最终确定绝缘子的绝缘状况。
进一步的，所述检测系统利用光纤传感器组网，实现绝缘子劣化及污秽定位和在线监测。
进一步的，所述检测系统将绝缘子串等效为串并联电路，其中一个绝缘子等效为相互并联的电阻和电容。
进一步的，通过分析研究绝缘子单纯发生劣化或污秽及绝缘子劣化、污秽同时存在时不同情况下的微电流变化特征，建立绝缘子状态分析计算模型，实现对绝缘子状态过程及劣化形式的准确检测。其中，良好绝缘子随污秽程度的增加，绝缘子串中的微电流也随之增大，且具有一定的线性度；同时，绝缘子串中微电流与空气的湿度具有一定的关系，湿度增大其微电流也会增加；同样的，绝缘子单独发生劣化时，绝缘子等效阻抗也随之减少，微电流增加。
本发明的有益效果为：
1.采用MEMS光纤微电流传感技术实现绝缘子劣化及污秽检测，利用绝缘子串微电流特征判断绝缘子运行状态信息；
2.实现绝缘子串无接触式测量，大幅提高绝缘子运维检修的安全性，提高检测效率；
3.数据测量精度更高，引入微电流变量测量判据，监测手段可靠，光纤传输信号，传感器可靠性更高；
4.可进行光纤传感器组网，实现对输电线路绝缘子全覆盖式状态实时监测、定位，降低设备系统建设和检测成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是带电绝缘子串等效电路图。
图2是良好绝缘子不同污秽情况下的泄漏电流。
图3是绝缘子串中一片污秽劣化绝缘子不同位置处的泄漏电流。。
图4是绝缘子串磁场理论模型。
图5是污秽劣化绝缘子检测系统原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
(1)首先研究通电情况下绝缘子串的等效电路特征，建立分析模型。
高压输电路绝缘子一般都采用结构简单、机械强度高、老化率低、串接成串后可在任意电压等级的输电线上使用的盘形悬式绝缘子组合而成,其等效电路可用串并联电路表示，如图1所示。大量的实验结果表明，正常绝缘子与劣质绝缘子、干燥洁净的绝缘子和污秽湿润的绝缘子的阻抗特性有很大的区别，正常绝缘子的交流阻抗值很大，通常为 60MΩ～90MΩ之间，最大可超过100MΩ，可是劣质绝缘子或者表面受污且潮湿的绝缘子由于其绝缘介质内部结构已经受到损坏或者表面电阻系数的改变，其交流阻抗特性与正常绝缘子相比小得多，表现在其等效电路图中的元件可认为劣质或者受污绝缘子的等效电阻值减小，而等效电容值增大，宏观的表象即为微电流的增加。
(2)分析绝缘子劣化或污秽不同阶段绝缘子串中微电流的变化特征，建立微电流分析模型。
绝缘子发生劣化或污秽时，直接共同的特征是绝缘子的阻值(阻抗)会发生改变，而绝缘子阻值(阻抗)变化影响的最直接特征量是绝缘子串中的微电流。所以无论绝缘子发生何种形式的劣化，其统一的表现是微电流的改变，通过分析研究绝缘子单纯发生劣化或污秽及绝缘子劣化、污秽同时存在时不同情况下的微电流变化特征，建立起绝缘子状态分析计算模型，实现对绝缘子状态过程及劣化形式的准确检测。在实际情况下，良好绝缘子在不同污秽及不同湿度情况下的微电流变化特征，所对应的绝缘子串微电流如图2所示。从图2可以看出，良好绝缘子随污秽程度的增加，绝缘子串中的微电流也随之增大，且具有一定的线性度；同时，绝缘子串中微电流与空气的湿度具有一定的关系，湿度增大其微电流也会增加。同样的，绝缘子单独发生劣化时，绝缘子等效阻抗会随之减少，其微电流的增加与绝缘子的劣化程度有一定的关系。当绝缘子串中有一个劣化绝缘子且在污秽情况下时，劣化绝缘子在绝缘子串中不同位置处的微电流的变化特征如下图3所示。可以看出，在一定的环境条件下，绝缘子串中有劣化及污秽的绝缘子时，其微电流会增大，并且劣化及污秽绝缘子在不同位置处绝缘子串中微电流的变化特征也有所不同。当然在实际情况下有很多其他环境因素的影响，如:温度、气压、冰雪覆盖、静电场等等。考虑各种不同的实际应用环境，通过设计合理的分析模型，找到适合的绝缘子劣化及污秽程度与绝缘子串微电流变化关系。
(3)研究绝缘子串周围弱磁场特征。
绝缘子串周围的磁场分析计算需要利用安培环路定理，该定理使用于稳恒的电流和磁场。绝缘子大多应用在交变电压的输电线路上，所以理想情况下绝缘子串中通过的微电流属于简谐的交变电流，有麦克斯韦方程：简谐电场和磁场可以表示为：将这两式带入上述麦克斯韦方程，得出公式两边对空间闭合曲线L进行积分可以得到：由该式可以看出B∝I，即单频的简谐电流与其产生的磁场具有一定的线性关系，故可将其绝缘子串中通过的单频交变电流看作是静电，即稳恒电流。
(4)建立绝缘子串微电流-磁场数学关系函数。绝缘子串相当于一个有限长直电流导体,绝缘子串磁场理论模型如图4所示。当绝缘子串中的电流向上时，磁场方向垂直纸面向里；绝缘子串轴线上端延长线和上端点与测磁点连线的夹角为θ1；绝缘子串轴线和下端点与测磁点连线的夹角为θ1；测磁点到绝缘子串轴线的距离为r1。
根据上面绝缘子串电流-磁场理论模型，应用安培环路定理和毕奥-萨伐尔定律求解其周围磁场，对于无限长直载流导体适用于安培环路定理：对于描述电流元在空间任意点处所激发的磁场，有毕奥-萨伐尔定律：上述两式中L 为任一闭合曲线；I为通过所围曲面的总电流；μ0为真空中磁导率。结合毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理，可以得到有限长度绝缘子串周围某点处的磁感应强度为：由该式可以看出，绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系，故利用弱磁传感器检测绝缘子附近特定点处的磁感应强度的大小和变化，即可得到绝缘子串中微电流的变化特征，进而对绝缘子的劣化情况进行监测。
(5)研究利用MEMS光纤微电流传感系统对绝缘子串中微电流物理量进行测量的技术，开发绝缘子劣化及污秽检测系统。
技术原理：当绝缘子良好没有产生污秽及劣化时，其交流阻抗很大且基本不发生变化，即绝缘子串中通过的微电流基本不发生变化；当绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在劣化绝缘子时，微电流(泄漏电流)将增大。不良绝缘子阻值降低使正常绝缘子上分得的电压变大，电晕脉冲电流增大。同时，当长串绝缘子中绝缘子劣化及污秽到一定程度时，在一定的外界环境下就可能造成绝缘子的闪络，通过测量微电流(泄露电流)的变化特征来对绝缘子的状态进行检测。
根据安培环路定律，绝缘子串中流过的微电流会在绝缘子串周围产生磁感应强度B。绝缘子发生劣化时由于其流过的微电流I增大，故其周围的磁感应强度B也会随之增大。基于MEMS光纤微电流传感器的原理就是通过直接检测绝缘子串周围磁场的变化，间接得到绝缘子串中通过的微电流的大小和变化特征，从而可以实现无接触式诊断绝缘子串中的绝缘子污秽及劣化程度。绝缘子检测系统原理如图5所示。通过对微电流值大小的检测，也可以对绝缘子串的绝缘状况进行准确的判断：在测量绝缘子串微电流的同时加入一些影响测量判断准确性的外界因素，采用现有己知的有关外界因素如污秽、潮湿、温度、冰雪覆盖等对绝缘子串微电流值影响的数学模型，通过分别赋予不同外界干扰因素以不同隶属度的思想，利用模糊集合理论综合考虑绝缘子的运行情况以最终确定绝缘子的绝缘状况。另外，该系统可以利用光纤传感器组网，数据传输快速、可靠，且有望实现绝缘子劣化及污秽定位和在线监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：采用MEMS光纤微电流传感器构建污秽劣化绝缘子检测系统，通过检测绝缘子串微电流特征判断绝缘子运行状态信息；具体判断方法如下：
当检测的绝缘子串中通过的微电流基本不发生变化，即绝缘子交流阻抗很大且基本不发生变化，则判断当前绝缘子良好没有产生污秽及劣化；
当检测的绝缘子串中微电流增大，则判断当前绝缘子表面积累了污秽物或绝缘子串中存在劣化绝缘子。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：根据绝缘子串电流-磁场理论模型，得出绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系，故利用MEMS光纤微电流传感器直接检测绝缘子串周围磁场的变化，间接得到绝缘子串中通过的微电流的大小和变化特征，从而实现无接触式诊断绝缘子串中的绝缘子污秽及劣化程度。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：所述绝缘子串电流-磁场理论模型建立如下：
当绝缘子串中的电流向上时，磁场方向垂直纸面向里；绝缘子串轴线上端延长线和上端点与测磁点连线的夹角为θ1；绝缘子串轴线和下端点与测磁点连线的夹角为θ2；测磁点到绝缘子串轴线的距离为r；然后应用安培环路定理和毕奥-萨伐尔定律求解其周围磁场，对于无限长直载流导体适用于安培环路定理：对于描述电流元在空间任意点处所激发的磁场，有毕奥-萨伐尔定律：
上述两式中L为任一闭合曲线；I为通过所围曲面的总电流；μ0为真空中磁导率；
结合毕奥-萨伐尔定律和安培环路定理，可以得到有限长度绝缘子串周围某点处的磁感应强度为：由该式可以得出，绝缘子串中流过的微电流与其附近某点处的磁感应强度成正比关系。
4.根据权利要求1所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：通过对微电流值大小的检测，对绝缘子串的绝缘状况进行准确的判断：在测量绝缘子串微电流的同时加入影响测量判断准确性的外界因素，采用现有己知的有关外界因素对绝缘子串微电流值影响的数学模型，通过分别赋予不同外界干扰因素以不同隶属度的思想，利用模糊集合理论综合考虑绝缘子的运行情况以最终确定绝缘子的绝缘状况。
5.根据权利要求4所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：所述外界干扰因素包括污秽、潮湿、温度、冰雪覆盖。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：所述检测系统利用光纤传感器组网，实现绝缘子劣化及污秽定位和在线监测。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：所述检测系统将绝缘子串等效为串并联电路，其中一个绝缘子等效为相互并联的电阻和电容。
8.根据权利要求1所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：通过分析研究绝缘子单纯发生劣化或污秽及绝缘子劣化、污秽同时存在时不同情况下的微电流变化特征，建立绝缘子状态分析计算模型，实现对绝缘子状态过程及劣化形式的准确检测。
9.根据权利要求8所述的基于MEMS光纤微电流传感技术的绝缘子劣化及污秽检测方法，其特征在于：良好绝缘子随污秽程度的增加，绝缘子串中的微电流也随之增大，且具有一定的线性度；同时，绝缘子串中微电流与空气的湿度具有一定的关系，湿度增大其微电流也会增加；同样的，绝缘子单独发生劣化时，绝缘子等效阻抗也随之减少，微电流增加。
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