一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置，包括拉力傳感器、信號調理電路、A/D轉換模塊、處理器、輸入輸出模塊和預警模塊；拉力傳感器采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并處理成微電壓信號，該信號在信號調理電路中得到幅值和頻率的調制，且通過A/D轉換模塊轉換得到拉力值，并在處理器中與輸入的拉力角度參數(shù)，通過預設的應力分布與力載荷的對應關系，得到應力分布情況及應力最大值；當應力最大值大于預設的閾值，則通過預警模塊進行報警；否則在輸入輸出模塊顯示應力分布情況。實施本發(fā)明實施例，能夠實現(xiàn)瓷柱絕緣子應力狀態(tài)的在線檢測，其簡單易操作，安全性、可靠性和準確率高，從而可以預防瓷柱絕緣子斷裂事故的發(fā)生。
【專利說明】一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)檢測【技術領域】，尤其涉及一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置 及方法。
【背景技術】
[0002] 瓷絕緣子按用途可分為線路瓷絕緣子和電站瓷絕緣子。其中，電站瓷絕緣子主要 為瓷柱絕緣子，可用于變電站中的隔離開關、母線、接地開關以及阻波器等電器設備，起著 絕緣和機械固定的作用。因此，瓷柱絕緣子能否可靠穩(wěn)定運行，則關系著電網(wǎng)的安全，而快 速及安全的瓷柱絕緣子在線檢測方法，則可以避免因瓷柱絕緣子瓷瓶斷裂而引發(fā)導致隔離 開關損壞或導致變電站母線短路與電力系統(tǒng)解列危害安全運行的電力事故。
[0003] 目前，瓷柱絕緣子在線檢測方法主要有兩種，分別為非接觸式檢測法和接觸式檢 測法。
[0004] 非接觸式檢測法包括：一、借助超聲波查缺陷功能的超聲波檢測法，其缺點在于： 不成熟，受限于多種外在因素；二、借助激光測頻的多普勒振動法，其針對已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的 絕緣子進行檢測且效果明顯，缺點在于：對未開裂的瓷柱絕緣子檢測無效，且檢測設備造價 高、體積大、操作難、維修復雜，不適于在野外作業(yè)。
[0005] 接觸式檢測法包括：一、電壓分布法，其缺點在于：需事先測量正常瓷柱絕緣子上 的電壓分布，但現(xiàn)場測量工作比較復雜；二、電流檢測法，其缺點在于：現(xiàn)場測量時需具備 一定的工作條件，尤其對于危險性比較高且結構比較復雜的設備上的瓷柱絕緣子需逐個測 量。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置 及方法，能夠實現(xiàn)瓷柱絕緣子應力狀態(tài)的在線檢測，其簡單易操作，安全性、可靠性和準確 率高，從而可以預防瓷柱絕緣子斷裂事故的發(fā)生。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供了一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝 置，所述裝置包括依次相連的拉力傳感器、信號調理電路、A/D轉換模塊、處理器、輸入輸出 模塊，以及連接在所述處理器上的預警模塊；其中，
[0008] 所述拉力傳感器與瓷柱絕緣子相配合，用于采集所述瓷柱絕緣子母線牽引線拉力 并得到非電信號，將所述得到的非電信號經(jīng)轉化為微位移信號后處理成微電壓信號；
[0009] 所述信號調理電路用于獲取所述微電壓信號，并調制所述微電壓信號的幅值和頻 率；
[0010] 所述A/D轉換模塊用于獲取所述調制后的微電壓信號，并將所述調制后的微電壓 信號進行模數(shù)轉換得到瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值；
[0011] 所述處理器用于獲取所述瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值及所述輸入輸出模塊輸 入的母線牽引線拉力角度參數(shù)，并根據(jù)預設的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系， 得到瓷柱絕緣子的應力分布情況及其對應的應力最大值；
[0012] 所述輸入輸出模塊，用于響應用戶對所述母線牽引線拉力角度參數(shù)的輸入操作， 并執(zhí)行輸入所述母線牽引線拉力角度參數(shù)的操作，以及顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布情 況；
[0013]預警模塊，用于在所述處理器判別到所述得到的應力最大值大于預設的閾值時， 進行報警處理。
[0014] 其中，所述信號調理電路包括電橋放大電路和二階低通濾波電路；其中，
[0015]所述電橋放大電路包括第一放大運算器、第一電壓負反饋電路和帶通濾波電路； 其中，所述第一放大運算器的正輸入端與所述拉力傳感器的另一端相連，負輸入端與所述 第一電壓負反饋電路的一端及所述帶通濾波電路的一端相連，輸出端與所述第一電壓負反 饋電路的另一端、所述帶通濾波電路的另一端及所述二階低通濾波電路的輸入端相連；
[0016]所述二階低通濾波電路包括第一低通濾波電路、第二低通濾波電路、第二電壓負 反饋電路和第二放大運算器；其中，所述第一低通濾波電路的一端與所述電橋放大電路的 第一放大運算器的輸出端相連，另一端與所述第二低通濾波電路的一端、第二放大運算器 的輸出端、第二電壓負反饋電路的一端及A/D轉換模塊相連；所述第二低通濾波電路的另 一端與所述第二放大運算器的正輸入端相連；所述第二放大運算器的負輸入端與所述第二 電壓負反饋電路的另一端相連。
[0017] 其中，所述拉力傳感器為旁壓式傳感器。
[0018] 其中，所述輸入輸出模塊以圖形方式和/或圖表方式顯示所述瓷柱絕緣子的應力 分布情況。
[0019]相應地，本發(fā)明實施例的另一方面，還提供一種瓷柱絕緣子應力檢測報警方法，其 在前述的裝置中實現(xiàn)，所述方法包括：
[0020] 采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并得到非電信號，將所述得到的非電信號經(jīng)轉化 為微位移信號后處理成微電壓信號；
[0021] 調制所述微電壓信號的幅值和頻率，并將所述調制后的微電壓信號進行模數(shù)轉換 得到瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值；
[0022] 響應用戶對母線牽引線拉力角度參數(shù)的輸入操作，并執(zhí)行輸入所述母線牽引線拉 力角度參數(shù)的操作，且將所述母線牽引線拉力角度參數(shù)和所述瓷柱絕緣子母線牽引線拉力 值，通過預設的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系計算得到瓷柱絕緣子的應力分布 情況及其對應的應力最大值；
[0023]判別所述得到的應力最大值是否大于預設的閾值；
[0024] 如果是，則輸出預警信號并顯示報警信息；如果否，則顯示所述瓷柱絕緣子的應力 分布情況。
[0025] 其中，在所述采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并得到非電信號，將所述得到的非 電信號經(jīng)轉化為微位移信號后處理成微電壓信號的步驟之前，所述方法進一步包括步驟：
[0026] 建立瓷柱絕緣子有限元模型；
[0027] 對瓷柱絕緣子有限元模型進行離散處理，獲得離散單元及每一離散單元對應的多 個離散節(jié)點；
[0028]對所述離散單元加載不同大小和方向的力載荷，進行仿真分析，得到各離散單元 的應力分析結果，并將所述得到的各離散單元應力分析結果通過各離散單元共用離散節(jié)點 間的聯(lián)系形成矩陣方程；
[0029] 根據(jù)所述形成的矩陣方程，擬合獲得瓷柱絕緣子應力與力載荷方向和大小的關系 曲線圖，并根據(jù)所述獲得的瓷柱絕緣子應力與力載荷方向和大小的關系曲線圖，得到所述 預設的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系。
[0030] 其中，所述建立瓷柱絕緣子有限元模型的步驟具體包括：
[0031] 選擇所述瓷柱絕緣子的一個或多個物理參數(shù)，建立瓷柱絕緣子有限元模型；其中， 所述物理參數(shù)包括厚度和橫截面面積；
[0032] 設置所述瓷柱絕緣子的材料屬性及其對應的參數(shù)值，并在所述瓷柱絕緣子上選擇 一定尺寸面積，且根據(jù)預定的比例將所選的面積劃分出多個網(wǎng)格單元，得到每一網(wǎng)格單元 的參數(shù)值；其中，所述材料屬性包括彈性模量、泊松比和質量密度；
[0033] 設置包括應力邊界條件和位移邊界條件的邊界條件；
[0034] 根據(jù)所述設置的材料屬性對應的參數(shù)值、每一網(wǎng)格單元參數(shù)值及邊界條件，通過 所述建立的瓷柱絕緣子有限元模型計算得到其對應的相關數(shù)據(jù)。
[0035] 其中，所述對所述得到的各離散點分別對應的離散單元加載不同大小和方向的力 載荷，進行仿真分析，得到各離散單元的應力分析結果，并將所述得到的各離散單元應力分 析結果通過各離散單元共用離散節(jié)點間的聯(lián)系形成矩陣方程的步驟具體為：
[0036] 將所述各離散點分別對應的離散單元均進行近似插值處理，進一步根據(jù)預設的公 式得到各離散單元中各離散節(jié)點分別對應的位移量、應變量和應力量，并將所述得到的各 離散單元中各離散節(jié)點分別對應的位移量、應變量和應力量通過各離散單元共用離散節(jié)點 間的聯(lián)系形成矩陣方程。
[0037] 其中，所述方法進一步包括：
[0038] 在采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力時，根據(jù)所述瓷柱絕緣子接線掌處母線牽引線 直徑，調節(jié)所述裝置中拉力傳感器的參數(shù)設置，得到所述非電信號。
[0039] 其中，所述方法進一步包括：
[0040] 以圖形方式和/或圖表方式顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布情況。
[0041] 實施本發(fā)明實施例，具有如下有益效果：
[0042] 1、在本發(fā)明實施例中，由于通過裝置的拉力傳感器實時測量瓷柱絕緣子母線牽引 線拉力值，并根據(jù)母線牽引線拉力值及輸入的母線牽引線拉力角度參數(shù)，獲得瓷柱絕緣子 傘裙結構應力分布情況，實現(xiàn)瓷柱絕緣子應力狀態(tài)的在線檢測，因此該裝置簡單易操作；
[0043] 2、在本發(fā)明實施例中，由于通過裝置在獲得的應力最大值超過預設的閾值時，則 及時發(fā)出報警信息，因此其可靠性和準確率高，并能夠有效的預防瓷柱絕緣子斷裂事故的 發(fā)生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖仍屬于本發(fā)明的范疇。
[0045] 圖1為本發(fā)明實施例提供的瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置的結構示意圖；
[0046] 圖2為圖1中信號調理電路的結構示意圖；
[0047] 圖3為圖2中信號調理電路應用場景的電路連接示意圖；
[0048] 圖4為本發(fā)明實施例提供的瓷柱絕緣子應力檢測預警方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0049] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一 步地詳細描述。
[0050] 發(fā)明人根據(jù)瓷柱絕緣子斷裂事故的統(tǒng)計結果，獲知瓷柱絕緣子斷裂部位集中在傘 根。由于瓷柱絕緣子傘根處構成材料是陶瓷材料，根據(jù)陶瓷材料的顯微組織結構顯示，主要 由離子鍵和共價鍵組成，這兩種化學鍵的特點是方向性強和結合強度高，導致材料組織結 構很難發(fā)生顯著的位錯運動，使得絕緣子在宏觀上表現(xiàn)出強脆性、弱塑性的特征。因此基本 上可以認為陶瓷材料的斷裂過程是一個完全處于彈性形變狀態(tài)的脆性斷裂過程。因此，引 入最大拉應力理論來解釋陶瓷、鑄鐵等脆性材料在軸向拉伸和扭轉時的破壞情況。
[0051] 最大拉應力理論認為當材料構件處在外界應力作用下時，材料自身內部也會產(chǎn)生 應力分布，其中應力值較大的點（區(qū)域）稱之為危險點（區(qū)域）。在外應力不斷增大的過程 中，危險點（區(qū)域）的應力值也會相應地增大，直至增大到臨界最大拉應力，此時材料就會 沿著最大拉應力所在的截面發(fā)生脆性斷裂。因此最大拉應力理論認為材料之所以發(fā)生脆斷 的原因是材料內部產(chǎn)生的拉應力達到或超過了材料拉應力極限值。相應地關系表示為：
[0052] Omax=σ^σ〇, 〇1>〇 (1)
[0053] 式（1)中：外應力作用下材料內部產(chǎn)生的拉應力值；〇。為材料拉應力極限 值。
[0054] 因此，在材料的單向拉伸中，橫截面上的拉應力就是單向應力狀態(tài)下的最大拉應 力，可以利用最大拉應力理論建立材料的強度計算準則。在復雜外力狀態(tài)下，當單元體內的 最大拉應力（omax= 〇1)增大到同樣的〇(|時，材料同樣會發(fā)生脆性斷裂，即可以將斷裂 準則歸納為
[0055] O1=O0 (2)
[0056] 另外，脆性材料在軸向拉伸至脆斷位置時，存在
[0057] O0=Ob (3)
[0058] 式（3)中，〇b表示軸向拉伸時的極限應力值。
[0059] 同時，要考慮到一定的安全儲備，因此根據(jù)最大拉應力理論建立的強度條件為：
[0060]
【權利要求】
1. 一種瓷柱絕緣子應力檢測報警裝置，其特征在于，所述裝置包括依次相連的拉力傳 感器、信號調理電路、A/D轉換模塊、處理器、輸入輸出模塊，以及連接在所述處理器上的預 警模塊；其中， 所述拉力傳感器，用于采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并得到非電信號，將所述得到 的非電信號經(jīng)轉化為微位移信號后處理成微電壓信號； 所述信號調理電路用于獲取所述微電壓信號，并調制所述微電壓信號的幅值和頻率； 所述A/D轉換模塊用于獲取所述調制后的微電壓信號，并將所述調制后的微電壓信號 進行模數(shù)轉換得到瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值； 所述處理器用于獲取所述瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值及所述輸入輸出模塊輸入的 母線牽引線拉力角度參數(shù)，并根據(jù)預設的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系，得到 瓷柱絕緣子的應力分布情況及其對應的應力最大值； 所述輸入輸出模塊，用于響應用戶對所述母線牽引線拉力角度參數(shù)的輸入操作，并執(zhí) 行輸入所述母線牽引線拉力角度參數(shù)的操作，以及顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布情況； 預警模塊，用于在所述處理器判別到所述應力最大值大于預設的閾值時，進行報警處 理。
2. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述信號調理電路包括電橋放大電路和二 階低通濾波電路；其中， 所述電橋放大電路包括第一放大運算器、第一電壓負反饋電路和帶通濾波電路；其中， 所述第一放大運算器的正輸入端與所述拉力傳感器的另一端相連，負輸入端與所述第一電 壓負反饋電路的一端及所述帶通濾波電路的一端相連，輸出端與所述第一電壓負反饋電路 的另一端、所述帶通濾波電路的另一端及所述二階低通濾波電路的輸入端相連； 所述二階低通濾波電路包括第一低通濾波電路、第二低通濾波電路、第二電壓負反饋 電路和第二放大運算器；其中，所述第一低通濾波電路的一端與所述電橋放大電路的第一 放大運算器的輸出端相連，另一端與所述第二低通濾波電路的一端、第二放大運算器的輸 出端、第二電壓負反饋電路的一端及A/D轉換模塊相連；所述第二低通濾波電路的另一端 與所述第二放大運算器的正輸入端相連；所述第二放大運算器的負輸入端與所述第二電壓 負反饋電路的另一端相連。
3. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述拉力傳感器為旁壓式傳感器。
4. 如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述輸入輸出模塊以圖形方式和/或圖表方 式顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布情況。
5. -種瓷柱絕緣子應力檢測報警方法，其特征在于，其在如權利要求1至4中任一項所 述的裝置中實現(xiàn)，所述方法包括： 采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并得到非電信號，將所述得到的非電信號經(jīng)轉化為微 位移信號后處理成微電壓信號； 調制所述微電壓信號的幅值和頻率，并將所述調制后的微電壓信號進行模數(shù)轉換得到 瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值； 響應用戶對母線牽引線拉力角度參數(shù)的輸入操作，并執(zhí)行輸入所述母線牽引線拉力角 度參數(shù)的操作，且將所述母線牽引線拉力角度參數(shù)和所述瓷柱絕緣子母線牽引線拉力值， 通過預設的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系計算得到瓷柱絕緣子的應力分布情 況及其對應的應力最大值； 判別所述得到的應力最大值是否大于預設的閾值； 如果是，則輸出預警信號并顯示報警信息；如果否，則顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布 情況。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，在所述采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力并 得到非電信號，將所述得到的非電信號經(jīng)轉化為微位移信號后處理成微電壓信號的步驟之 前，所述方法進一步包括步驟： 建立瓷柱絕緣子有限元模型； 對瓷柱絕緣子有限元模型進行離散處理，獲得離散單元及每一離散單元對應的多個離 散節(jié)點； 對所述離散單元加載不同大小和方向的力載荷，進行仿真分析，得到各離散單元的應 力分析結果，并將所述得到的各離散單元應力分析結果通過各離散單元共用離散節(jié)點間的 聯(lián)系形成矩陣方程； 根據(jù)所述形成的矩陣方程，擬合獲得瓷柱絕緣子應力與力載荷方向和大小的關系曲線 圖，并根據(jù)所述獲得的瓷柱絕緣子應力與力載荷方向和大小的關系曲線圖，得到所述預設 的瓷柱絕緣子應力分布與力載荷的對應關系。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述建立瓷柱絕緣子有限元模型的步驟具 體包括： 選擇所述瓷柱絕緣子的一個或多個物理參數(shù)，建立瓷柱絕緣子有限元模型；其中，所述 物理參數(shù)包括厚度和橫截面面積； 設置所述瓷柱絕緣子的材料屬性及其對應的參數(shù)值，并在所述瓷柱絕緣子上選擇一定 尺寸面積，且根據(jù)預定的比例將所選的面積劃分出多個網(wǎng)格單元，得到每一網(wǎng)格單元的參 數(shù)值；其中，所述材料屬性包括彈性模量、泊松比和質量密度； 設置包括應力邊界條件和位移邊界條件的邊界條件； 根據(jù)所述設置的材料屬性對應的參數(shù)值、每一網(wǎng)格單元參數(shù)值及邊界條件，通過所述 建立的瓷柱絕緣子有限元模型計算得到其對應的相關數(shù)據(jù)。
8. 如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述對所述得到的各離散點分別對應的離 散單元加載不同大小和方向的力載荷，進行仿真分析，得到各離散單元的應力分析結果，并 將所述得到的各離散單元應力分析結果通過各離散單元共用離散節(jié)點間的聯(lián)系形成矩陣 方程的步驟具體為： 將所述各離散點分別對應的離散單元均進行近似插值處理，進一步根據(jù)預設的公式得 到各離散單元中各離散節(jié)點分別對應的位移量、應變量和應力量，并將所述得到的各離散 單元中各離散節(jié)點分別對應的位移量、應變量和應力量通過各離散單元共用離散節(jié)點間的 聯(lián)系形成矩陣方程。
9. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括： 在采集瓷柱絕緣子母線牽引線拉力時，根據(jù)所述瓷柱絕緣子接線掌處母線牽引線直 徑，調節(jié)所述裝置中拉力傳感器的參數(shù)設置，得到所述非電信號。
10. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括： 以圖形方式和/或圖表方式顯示所述瓷柱絕緣子的應力分布情況。
【文檔編號】G01L1/00GK104483044SQ201410803056
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權日:2014年12月19日
【發(fā)明者】廖偉興, 汪鵬, 李健偉, 楊振洪, 張雁軍 申請人:深圳供電局有限公司