基于声谱分析的便携式支柱绝缘子检测设备研究

基于声谱分析的便携式支柱绝缘子检测设备研究

孟春旅

摘要：

输电线路支柱绝缘子故障检测一直是电力领域的重要研究方向，当前绝缘子故障诊断设备仍存在着操作复杂、成本高昂、效果不佳等问题。本文针对瓷支柱绝缘子劣化检测原理，设计了一种基于声谱学技术的便携式绝缘子故障监测设备，阐述了其制造原理和主要结构，并对其现场应用效果进行了分析，为绝缘子探测设备的创新发展提供了新的思路。

关键词：瓷支柱绝缘子；声谱分析；检测设备；

1.研究背景

瓷支柱绝缘子是输电线路的重要构成部分，发挥着支撑断路器、导线以及高压开关等作用[1]。据调查，国内大部分绝缘子在使用中承受着电、热和机械应力以及恶劣工作环境的危害，导致其性能下降甚至完全丧失。绝缘子老化是一个渐变的过程，如若未能及时发现，极有可能造成电力设备严重故障，从而引发突发性的电力事故，致使附近工作人员的伤亡和巨大的经济损失[2]，因此及时诊断的对绝缘子劣化故障进行诊断分析显得尤为重要。目前，国内外对于绝缘子的常规检测方法主要有红外测温法、紫外线检测法、红外热波法、超声波探伤法和振动法等[3]，然而这些检测方法和设备存在微裂纹缺陷检测效果差、干扰因素多、无法在线检测等缺点。因此，研究设计一套具有高可靠性、强适应性的绝缘子在线检测设备是当前的迫切需求。对于瓷支柱绝缘子的故障检测，振动谐振技术具有测量精度高、操作简单等特点，因此具有广阔应用前景，本文借助声谱学原理研究设计了基于振动声学的便携式瓷支柱绝缘子检测设备。

2.设计原理及检测方法

振动声学绝缘子检测设备的主要原理是对被试品发出激励信号，接收绝缘子反馈回的机械振动波，并对采集到的数据进行频谱分析，通过对比被试品与正常设备的信号图谱，研判被试品的结构状态。本文研究的设备如下，其中在前端安装了两个独立的激振器，激振器内部安装了信号接收器。中央控制模块在中间，内部置有控制单片机和Wi-Fi通信模块，用于控制设备的反馈数据。同时设备中间配备了显示屏，便于直观体现测量数据，表征工作状态。下部是一个可拆卸的支撑杆，方便设备的携带和收纳。

本文研制设备的电路采用STM32F4 系列微控制器作为主控，同时采用高性能DAC 数模芯片产生任意波形振动激励信号，采用高性能的 ADC 模数转换模块对绝缘子振动信号采集，采样频率 50KHz。本电路采用模块化设计思路，根据设计需求将电路分为电源模块、DAC 数模转换模块、ADC 模数转换模块、功能模块、微控制器模块 5 个部分。使用时，将前激振器压在绝缘子法兰上，压下设备让前弹簧压缩，从而触发内倾开关来启动设备。在单片机控制下，设备开始采集收据。通过Wi-Fi交互或USB借口进行数据传输分析，对比实测数据和标准数据之间的差异，判断待测设备的机械结构状态，对不合格的设备进行及时维修或更换。

图2 控制电路模块及设备检测原理

设备前端探针内部安装有拨码开关，使用时只需直接将产品前端的激振器接触到被检测绝缘子的下法兰部位，前段含有拨码开关的探针直接接触到绝缘子，当操作人员向上推动设备后拨码开关将打开， 集成电路模块通电开始采集数据；数据收集完毕后，设备会发出提示音提醒操作人员。将待检测的设备对应的数据进行分析后，所获得的频谱图与标准未损坏的绝缘子对应的频谱图进行分析比较并对待测设备的受损情况进行分析判断。健康状态的绝缘子检测图像仅在 3k-5k 频率范围内存在一个峰值， 但出现损坏的绝缘子会出现两个或多个峰值，甚至会在其他频谱范围内出现不同的峰值，以此为主要判断依据，分析绝缘子的受损情况。

3.结论及展望

本文针对绝缘子劣化检测这一问题设计了一套基于声学检测法的绝缘子故障检测设备，设备拥有发出并收集信号的硬件设备，融合针对检测数据处理工作的需求自主设计开发的数据处理软件，主要包括数据采集端和数据传送端；软件系统配套信号检测设备，其功能定位是通过对采集到的数据进行分析获得频谱图、对峰值频率的偏移进行分析，进而分析出设备是否存在裂纹等故障。未来，可以进一步融合人工智能控制策略，提升数据的处理和分析效率，通过深度学习算法实现绝缘子运行状态及故障类型的高速分类和精准研判，第一时间给出运维检修方案，大幅提升工作效率。此外，在应用过程中进一步考虑基于无人机搭载的检测方式，以此减少人工作业量，在提升运维效率的同时有效减小相关工作的难度和风险系数，为输电线路安全稳定运行提供有效保障。

4.参考文献

[1]张海杰,陈仁刚,菅有为,刘况.支柱瓷绝缘子超声波检测分析与应用[J].山东电力技术,2014,41(06): 47- 48+59.

[2]振动声学专家不仅仅是测量[J].振动.测试与诊断,2020,40(06):1262-1263.

[3]张廼龙,陈大兵,方浩铭,张研.支柱瓷绝缘子的振动声学检测机理研究[J].红水河,2016,35(01):33-37.

[4]郭臣,蒋欣,张仁奇.瓷支柱绝缘子振动声学检测的应用研究[J].贵州电力技术,2015,18(03):42-44.

[5]冯庆国,权博.基于振动声学原理的瓷柱探伤检测的研究[J].高压电器,2015,51(05):112-117.

[6]董言敏.振动传感器在智能设备诊断中的应用[J].内燃机与配件,2021(02):123-124.