一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统及方法

技术领域

本发明涉及输变电设备运维技术领域，并且更具体地，涉及一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统及方法。

背景技术

在电网中存在大量串联绝缘设备，如输电线路绝缘子串、变电站支柱绝缘子、大型绝缘支架等，其共同特点是高阻绝缘件通过串联实现高电压等级绝缘。当某一个或多个绝缘件发生机械损伤或分布电压不均引起击穿后，就会失去绝缘作用，并进一步加剧整体分布电压不均匀的问题，甚至引起整体击穿放电。盘形瓷绝缘子作为高压直流架空输电线路最常用的元件，起到高压导线与杆塔之间电气绝缘、承受导线重力或拉力的作用，受到雷电、雾霾、扬尘和自然老化等诸多因素影响，其绝缘性能将不可避免的有所降低，其可靠性影响电网的安全稳定运行。盘形瓷绝缘子随着运行年限的增加，其劣化率将逐渐升高，而劣化绝缘子主要体现为绝缘电阻显著下降，甚至出现低阻情况。低阻绝缘子的主要危害是降低了绝缘子串的闪络电压，可能导致内部绝缘击穿，并引起绝缘子炸裂，进而出现掉线事故。因此，为了防止劣化绝缘子缺陷给电网安全运行带来的事故，需定期对交直流线路和变电站用绝缘子的运行状态进行检测。

目前国内外电网针对绝缘子劣化状态的常用检测方法有绝缘电阻法、电压分布法、泄漏电流法、红外热成像法以及紫外线成像法等方法，但这些方法或存在人工成本高、安全风险大，或存在受环境影响大、测试方法复杂以及准确率低等缺点。到目前为止，低阻绝缘子的劣化特征研究缺乏故障形成机理研究，现有绝缘状态的带电检测技术尚不完善，没有建立起低阻绝缘子的劣化状态和特征参量的评估方法，使得目前交直流线路和变电站低阻绝缘子的带电检测缺乏高效和高准确率的带电检测和评估方法。因此，目前我国电网运行亟需一种更为安全、可靠、高效的低阻绝缘子诊断识别方法。

目前的低阻绝缘子诊断识别方法包括红外成像法、接触式测量检测法。其中，红外成像法是根据绝缘子串上因不同电压而产生不同温度，不同的温度辐射的热信号不同，红外成像仪通过接受热辐射的信号经过处理转化，将信号变为可视的二维图像，根据热点位置与周围温度之差作为检测对象的热特征参数，一般放电越严重的地方，温度越高，与周围温差越大，效果越明显。在绝缘子发生绝缘劣化或者表面污秽严重后，会造成运行中绝缘子串的分布电压改变、泄漏电流异常，出现发热或局部发凉迹象，这是红外成像法检测劣化绝缘子的基本原理。例如发明申请CN106124949A，公开了一种基于热红外成像技术对绝缘子故障在线监测方法，钢帽部分采用矩形框选点法、绝缘子串部分采用线段选点进行坐标温度转换，由绝缘子故障检测算法得出低值绝缘子特征量、零值绝缘子特征量、绝缘子积污特征量和绝缘子破损特征量四类温度参数特征量，结合环境温度、湿度和污秽状况，选用两个三层PNN概率神经网络分别对钢帽部分和绝缘子串部分进行特征级融合，给出局部信息融合判断的结果，提交给决策级进行全局决策。但是，红外成像法在缺陷放电初期，与周围温度相差不大，红外检测不敏感，并且当检测区域内存在一个比缺陷放电更高热源时，红外成像仪就会聚焦高温者，因此难以判断缺陷位置。当劣化绝缘子的绝缘电阻在5~10MΩ之间时，温度变化不明显，难以通过红外热像加以区别，存在检测盲区。且该方法受环境影响较大，太阳和背景辐射的干扰，光谱发射率ε的选定，对焦情况、气象条件等均会对检测结果造成影响。因此，在实际应用中还受到一些限制。

利用劣化绝缘子的绝缘电阻降低，承担电压降低的特点进行检测，属于接触式测量。例如，短路叉、火花间隙放电叉或绝缘子串电压分析仪等人工登杆塔方法，通过检测绝缘子承担电压值的变化，掌握其绝缘状况。与之类似的敏感绝缘子法，当一串绝缘子全部是良好的绝缘子时，各个绝缘子的分布电压称为标准分布电压。当绝缘子串中存在劣化绝缘子时，由于劣化绝缘子自身承担的电压严重下降，引起该绝缘子串中的各个绝缘子的分布电压与标准分布电压之间产生差异，而且，劣化绝缘子在绝缘子串中的位置不同、劣化程度不同，该差异程度也不相同。对于110kV 线路和220kV线路，当绝缘子劣化到一定程度时，不管该劣化绝缘子位置如何，总存在一个或两个绝缘子，即使差异值虽然不总是最大，但都比较大，综合起来最敏感，称该绝缘子为敏感绝缘子。测量该敏感绝缘子的承受压，并与其标准分布电压进行比较，就可判断该串绝缘子中是否存在劣化绝缘子。其它位置存在劣化绝缘子时，敏感绝缘子的分布电压升高；当敏感绝缘子本身为劣化绝缘子时，其分布电压降低。根据这一特性，可完全区分开劣化绝缘子的位置。

但是，这种传统的绝缘子检测方法目前在各供电单位采用较多，但具有劳动强度大、安全性差、效率低且受电磁干扰等缺点，易造成误检或漏检。以火花间隙放电检测为例，火花叉在产生火花的瞬间相当于将所检测的绝缘子短路，有引起绝缘子串闪络的危险。而且，对于500kV、750kV线路超长绝缘子串，即使某片绝缘阻值下降，电压分布变化不大，用该方法检测较为困难。

敏感绝缘子方法的实质和电压分布法相似，但只检测敏感绝缘子的电压值，判定为存在劣化绝缘子时才逐片检测，因此比传统的电压分布法减少了工作量。该方法的缺点是：仍然需要登塔进行接触式测量，工作量相比非接触式方法较大，检测灵敏度与绝缘子的绝缘劣化程度、劣化绝缘子在整个绝缘子串中所处的位置有关，且对330kV以上电压等级的检测效果有待实证。

因此，现有的带电检测低阻绝缘子方法存在准确率不高、操作风险大、工作强度大、检测装置复杂等技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统及方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统，包括：绝缘子带电检测装置和远程操控分析平台；其中

绝缘子带电测量装置包括电场测量模块、行走模块、平衡模块和主控模块；电场测量模块用于测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；行走模块用于带动绝缘子带电测量装置在绝缘子串上移动；平衡模块用于调节绝缘子带电测量装置在移动过程中的平衡；主控模块用于接收远程操控分析平台发送的控制指令，根据控制指令控制电场测量模块、行走模块和平衡模块；

远程操控分析平台包括控制模块和数据分析模块；控制模块用于对绝缘子带电检测装置发出控制指令，远程控制绝缘子带电检测装置的移动、电场测量和数据传输；数据分析模块用于对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子。

可选地，所述电场测量模块包括电路单元和采集单元；其中电路单元用于将绝缘子串的空间电场分布参量传感至采集单元，采集单元用于将空间电场分布参量进行数字化，得到绝缘子串的空间电场分布数据后发送至远程操控分析平台。

可选地，所述电场测量模块采用抗电磁屏蔽结构设计。

可选地，所述绝缘子带电测量装置还包括第一电源模块，第一电源模块用于为绝缘子带电测量装置提供电源。

可选地，所述远程操控分析平台还包括第二电源模块，第二电源模块用于为远程操控分析平台提供电源。

可选地，所述对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子，包括：

利用滤波算法，对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，确定绝缘子串的电场分布特征，基于电场分布特征绘制绝缘子串的电场分布特性曲线；

确定绝缘子串的外部特征信息，其中外部特征信息包括大气环境参数、杆塔结构、串型、布置方式和电压等级；

基于预设的数据库、绝缘子串的电场分布特性曲线和外部特征信息，确定绝缘子串的电场畸变程度；

根据绝缘子串的电场畸变程度，确定绝缘子串中是否含有异常绝缘子；

在绝缘子串中含有异常绝缘子的情况下，判断异常绝缘子的阻值是否低于预设阈值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测方法，包括：

通过绝缘子带电测量装置测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；其中，绝缘子带电测量装置包括电场测量模块、行走模块、平衡模块和主控模块；电场测量模块用于测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；行走模块用于带动绝缘子带电测量装置在绝缘子串上移动；平衡模块用于调节绝缘子带电测量装置在移动过程中的平衡；主控模块用于接收远程操控分析平台发送的控制指令，根据控制指令控制电场测量模块、行走模块和平衡模块；

通过远程操控分析平台对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子；其中，远程操控分析平台包括控制模块和数据分析模块；控制模块用于对绝缘子带电检测装置发出控制指令，远程控制绝缘子带电检测装置的移动、电场测量和数据传输；数据分析模块用于对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子。

可选地，所述电场测量模块包括电路单元和采集单元；其中电路单元用于将绝缘子串的空间电场分布参量传感至采集单元，采集单元用于将空间电场分布参量进行数字化，得到绝缘子串的空间电场分布数据后发送至远程操控分析平台。

可选地，所述电场测量模块采用抗电磁屏蔽结构设计。

可选地，所述绝缘子带电测量装置还包括第一电源模块，第一电源模块用于为绝缘子带电测量装置提供电源。

可选地，所述远程操控分析平台还包括第二电源模块，第二电源模块用于为远程操控分析平台提供电源。

可选地，所述对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子，包括：

利用滤波算法，对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，确定绝缘子串的电场分布特征，基于电场分布特征绘制绝缘子串的电场分布特性曲线；

确定绝缘子串的外部特征信息，其中外部特征信息包括大气环境参数、杆塔结构、串型、布置方式和电压等级；

基于预设的数据库、绝缘子串的电场分布特性曲线和外部特征信息，确定绝缘子串的电场畸变程度；

根据绝缘子串的电场畸变程度，确定绝缘子串中是否含有异常绝缘子；

在绝缘子串中含有异常绝缘子的情况下，判断异常绝缘子的阻值是否低于预设阈值。

本发明通过远程操控分析平台远程操控非接触式的绝缘子带电检测装置测量绝缘子串的空间电场分布数据，并采用无线通讯将空间电场分布数据传输至远程操控分析平台进行判定，准确地给出绝缘子串中的低阻绝缘子信息。本发明可实现带电工况下绝缘子串电场分布精确测量，以及数据的分析和处理，实现绝缘子串中低阻绝缘子的精确识别。从而解决现有带电检测低阻绝缘子方法存在准确率不高的技术问题。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1是本发明一示例性实施例提供的绝缘子带电测量装置的结构示意图；

图2是本发明一示例性实施例提供的远程操控分析平台的结构示意图；

图3是本发明一示例性实施例提供的正常绝缘子串的电场分布曲线示意图；

图4是本发明一示例性实施例提供的含低阻绝缘子的绝缘子串的电场分布曲线示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。

本发明以瓷绝缘子为研究对象，提出基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统及方法，为电网中运行的绝缘子串运维诊断提供很好的方法指导。该成果在我国电网中转化应用后，将为超特高压直流输电线路、换流站低阻绝缘子检测提供安全可靠、智能高效的技术手段，有效降低运维人员检零作业风险和强度，持续产生可观的经济和社会效益，对于提升我国电网运维水平具有重要意义。

图1是本发明一示例性实施例提供的绝缘子带电测量装置的结构示意图，图2是本发明一示例性实施例提供的远程操控分析平台的结构示意图。结合图1和图2所示，基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统，包括：绝缘子带电检测装置和远程操控分析平台；其中绝缘子带电测量装置包括电场测量模块、行走模块、平衡模块和主控模块；电场测量模块用于测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；行走模块用于带动绝缘子带电测量装置在绝缘子串上移动；平衡模块用于调节绝缘子带电测量装置在移动过程中的平衡；主控模块用于接收远程操控分析平台发送的控制指令，根据控制指令控制电场测量模块、行走模块和平衡模块；远程操控分析平台包括控制模块和数据分析模块；控制模块用于对绝缘子带电检测装置发出控制指令，远程控制绝缘子带电检测装置的移动、电场测量和数据传输；数据分析模块用于对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子。

可选地，所述电场测量模块包括电路单元和采集单元；其中电路单元用于将绝缘子串的空间电场分布参量传感至采集单元，采集单元用于将空间电场分布参量进行数字化，得到绝缘子串的空间电场分布数据后发送至远程操控分析平台。

可选地，所述电场测量模块采用抗电磁屏蔽结构设计。

可选地，所述绝缘子带电测量装置还包括第一电源模块，第一电源模块用于为绝缘子带电测量装置提供电源。

可选地，所述远程操控分析平台还包括第二电源模块，第二电源模块用于为远程操控分析平台提供电源。

在本发明实施例中，本系统主要包括绝缘子带电检测装置和远程操控分析平台组成，可实现带电工况下绝缘子串电场分布精确测量，以及数据的分析和处理。

如图1所示，绝缘子带电测量装置由电场测量模块、行走模块、平衡模块、主控模块和第一电源模块组成。电场测量模块采用抗电磁屏蔽结构设计，将绝缘子串的空间电场分布参量通过电路单元进行传感，最终通过采集单元进行数字化，实现查看、显示、分析；行走模块和平衡模块是采用电机带动履带式皮带带动带电检测装置的行走，实现带电检测装置在绝缘子串表面稳定移动；行走模块的主要功能是带动绝缘子带电测量装置在绝缘子串上移动；在移动过程中由于绝缘子带电测量装置会受到多种因素影响（如风力、绝缘子串弧度等），可能会出现绝缘子带电测量装置移动中摆动过大的情况，平衡模块主要是调节绝缘子带电测量装置在移动过程中的平衡，使绝缘子带电测量装置在移动过程中稳定移动。主控模块具有接收信号、无线传输信号和控制行走模块的功能，实现带电装置的信号接收、传输和控制行走模块在绝缘子串表面移动的功能；第一电源模块是给带电检测装置提供动力。

如图2所示，远程操控及分析平台由控制模块、数据分析模块和第二电源模块组成。控制模块可远程对绝缘子带电检测装置发出控制指令，远程控制绝缘子带电检测装置的移动、电场测量、数据传输，实现带电检测装置在绝缘子串上的移动、电场精确测量和测量数据的无线传输功能；数据分析模块对带电检测装置测量的电场数据进行分析，利用滤波算法，分析电场分布特征，绘制电场分布特征曲线，并判断出低阻绝缘子。第二电源模块则给远程操控分析平台提供电力支持。

可选地，所述对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子，包括：利用滤波算法，对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，确定绝缘子串的电场分布特征，基于电场分布特征绘制绝缘子串的电场分布特性曲线；确定绝缘子串的外部特征信息，其中外部特征信息包括大气环境参数、杆塔结构、串型、布置方式和电压等级；基于预设的数据库、绝缘子串的电场分布特性曲线和外部特征信息，确定绝缘子串的电场畸变程度；根据绝缘子串的电场畸变程度，确定绝缘子串中是否含有异常绝缘子；在绝缘子串中含有异常绝缘子的情况下，判断异常绝缘子的阻值是否低于预设阈值。

在本发明实施例中，阻值低于500M欧或300M欧的绝缘子属于低阻绝缘子（不同电压等级略有不同，500kV以上电阻低于500M欧属于低阻，330kV以下电阻低于300M欧属于低阻）。本系统通过对绝缘子串的空间电场进行测量，步骤分为原始数据采集、数据处理、算法分析、判定结果。原始数据采集为带电检测装置采集单个绝缘子周边的感应信号以及运行绝缘子串现场的大气环境如温度、湿度等信息；数据处理则是将采集到的信号进行滤波处理，即将干扰信号排除，保留有效的信号，并将有效的信号绘制成电场分布特性曲线；算法分析则是依据前期建立的数据库，将测量得到的电场分布特性曲线结合大气环境参数、杆塔结构、串型、布置方式、电压等级等信息与数据库内的特性曲线进行比对、分析，分析出其电场畸变程度，比较得出异常绝缘子；判定结果则是依据算法分析，得出异常绝缘子点，判断出其是否为低阻绝缘子。

其中，图3是本发明一示例性实施例提供的正常绝缘子串的电场分布曲线示意图，图4是本发明一示例性实施例提供的含低阻绝缘子的绝缘子串的电场分布曲线示意图。

此外，本发明中的抗电磁屏蔽结构是由多层屏蔽材料组成的，从内向外依次是AL5083铝镁合金、坡莫合金和硅钢，三者之间有绝缘纸隔离，所有的拼接处用铜箔贴附。其中，屏蔽体盒盖是抗电磁屏蔽结构的一部分，是AL5083铝镁合金、坡莫合金和硅钢组成的，三者之间同样有绝缘纸隔离，螺钉必须是金属螺钉，螺钉孔间距不宜超过40mm，盒盖组装后，四周用铜箔贴附，覆盖住螺钉。屏蔽体进线处，为了屏蔽效果，线束不能直接进入到屏蔽主体中去，会造成屏蔽泄露，此处使用带屏蔽功能的连接器进行转接。

本发明还提供了一种基于空间电场传感技术的绝缘子检测方法，包括：通过绝缘子带电测量装置测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；其中，绝缘子带电测量装置包括电场测量模块、行走模块、平衡模块和主控模块；电场测量模块用于测量绝缘子串的空间电场分布数据并发送至远程操控分析平台；行走模块用于带动绝缘子带电测量装置在绝缘子串上移动；平衡模块用于调节绝缘子带电测量装置在移动过程中的平衡；主控模块用于接收远程操控分析平台发送的控制指令，根据控制指令控制电场测量模块、行走模块和平衡模块；通过远程操控分析平台对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子；其中，远程操控分析平台包括控制模块和数据分析模块；控制模块用于对绝缘子带电检测装置发出控制指令，远程控制绝缘子带电检测装置的移动、电场测量和数据传输；数据分析模块用于对绝缘子带电测量装置测量的空间电场分布数据进行分析，并根据分析的结果判断绝缘子串中是否含有阻值低于预设阈值的异常绝缘子。

本发明的基于空间电场传感技术的绝缘子检测方法与基于空间电场传感技术的绝缘子检测系统相对应，在此不再赘述。

本发明绝缘子带电测量装置采用可靠的抗电磁场屏蔽结构设计，实现了带电检测装置在强电磁场下绝缘子串的电场分布精确测量。绝缘子带电测量装置基于行走模块、平衡模块和主控模块实现防坠落结构，使得绝缘子带电测量装置在绝缘子串上爬行时，可以平稳的在绝缘子串上移动，在外界干扰下不会坠落，实现在绝缘子串上的稳定爬行。本发明的远程操控分析平台采用无线通讯方式与绝缘子带电测量装置进行信号传输，实现远距离无线控制，无繁琐接线，方便快捷。本发明的远程操控分析平台基于大量的试验和仿真建立低阻绝缘子空间电场分布特征以及低阻绝缘子的判定算法，实现绝缘子串中低阻绝缘子的精确识别。

需要特别说明的是，本发明主要针对绝缘子串的带电测量，并依据测量结果判定出瓷绝缘子串中的低阻绝缘子，同样可以对复合绝缘子的劣化状态进行分析。本发明采用非接触式的绝缘子串电场分布测量方法为光电式传感，同样可以在电容平板的电场传感器测量中使用，高精度空间电场测量方法在本方案保护范围内。

综上所述，本发明通过远程操控分析平台远程操控非接触式的绝缘子带电检测装置测量绝缘子串的空间电场分布数据，并采用无线通讯将空间电场分布数据传输至远程操控分析平台进行判定，准确地给出绝缘子串中的低阻绝缘子信息。本发明可实现带电工况下绝缘子串电场分布精确测量，以及数据的分析和处理，实现绝缘子串中低阻绝缘子的精确识别。从而解决现有带电检测低阻绝缘子方法存在准确率不高的技术问题。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。