基于物联网的瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统

基于物联网的瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统

冯井普，蔡笃佳，王家重，邢福东，沈博淮，夏岩，陈琦

（海南电网有限责任公司乐东供电局，海南 乐东 572500）

摘要：在现代社会建设发展中，面对持续提高的电力系统运行要求，如何有效解决电力设备绝缘老化问题，避免电力技术设备出现安全故障，是我国电力领域革新探索的核心问题。整合研究近年来电力系统运行现状可知，电力设备的绝缘老化作为一种循序渐进的演变过程，如果没有及时发现潜藏的安全问题，那么很可能造成巨大的经济财产损失，直接威胁社会居民的人身健康。因此，本文在了解物联网技术概念和独特优势的基础上，根据瓷支柱绝缘子的振动声学原理，提出了以物联网技术为核心的瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统，并从实践角度入手提出了有效的应用措施。

关键词：物联网；瓷支柱；绝缘子；振动声学；在线监测

0引言：振动声学理论在技术设备探伤检测中的应用非常广泛，主要是利用振动声波在检测材料中传播波形图变化来了解材料内部的基本特征和主要结构。从本质上讲，振动作为一种状态改变过程，是现实生活中非常常见的物理现象，由此形成的波形会沿着直线传播，具有一定的时间规律和空间规律。根据这一原理检测分析电力系统中的瓷支柱绝缘子，不仅可以快速适应比较复杂的工作环境，还能及时发现特殊绝缘控件中潜藏的安全问题，比如说裂纹、腐蚀等，是避免电力系统运行期间出现安全事故的有效举措。因此，目前我国电力领域为了从基础上保障电力系统可以平稳运行，开始整合运用物联网技术构建了瓷支柱绝缘子振动声学的在线监测系统，其能为后期探伤检测研究提供技术支撑。

一、物联网的基本概念和独特优势

（一）基本概念

从本质上讲，物联网是指利用各类装置和先进技术实时采集所有需要监测互动的物体或过程，不仅会收集声光热电等参数信息，还可以通过各种可能实现的网络接入方式，让物与物、物与人之间有效连接，最终完成物品或过程的智能化感知识别和有效管理[1]。常见的装置技术有红外感应器、射频识别技术、信息传感器、全球定位系统等内容。

（二）独特优势

在信息化时代背景下，电力行业发展需要利用信息技术转型升级，只有这样才能更快适应竞争越发激烈的市场环境，提高实践发展的综合竞争能力，因此在电力行业中应用物联网技术理论具有以下优势：首先，有助于提高现场工作人员的管理效率，利用智能监控设备系统及时发现高风险问题；其次，有助于提高现场施工管理质量，收集更多设备材料的参数信息；最后，有助于提高电力行业的服务质量水平，真正实现数据全面共享应用。

二、瓷支柱绝缘子的振动声学原理

瓷支柱绝缘子作为电网建设和变电站电力设备的基础组成部分，在设计制造和安装维护期间很容易因为失效断裂引发严峻的安全事故，严重的还可能导致现场工作人员伤亡，直接威胁城市电网运行安全，因此有学者提出利用振动声学检测瓷支柱绝缘子[2]。以往应用的振动波探伤技术不仅要在停电状态下操作，而且无法保障实践操作效率，同时因为探头制作质量较差，法兰结合部分的沙砾存在大量干扰信号，所以要求工作人员具备丰富的实践经验，但依旧很容易造成漏检或误判等问题。从实践操作角度来看，振动声学能直接在不断电的情况下检测应用，主要是掌握具有不同缺陷的瓷支柱绝缘子的动力特征。通常来讲，绝缘子的损坏程度可以看作是损坏绝缘子极限载荷和没有损坏绝缘子极限载荷之间的比值，只要掌握这两项数值就能明确电力设备中瓷支柱绝缘子的受损情况。处在正常工作状态下的瓷支柱绝缘子的中心频率会控制在3kHz到6kHz之间，但若是法兰底部受到损害，那么振动频谱图不仅包含中心频率，还涉及到以下2kHz频率的峰值；但若是法兰的顶部出现问题，那么频谱图将会呈现出典型频率和9kHz左右的峰值，这就证明按照频谱图中的频率数值分布情况也可以确定瓷支柱绝缘子的工作状态。

三、基于物联网的瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统分析

（一）系统结构

本文研究在掌握物联网技术概念和振动声学的应用原理后，要构建包含互联网云服务器和多个瓷支柱绝缘子振动声学监测仪在内的在线监测系统，其中瓷支柱绝缘子振动声学监测仪器中包含了压电式加速度传感器和控制器、压电式激振器、磁支柱绝缘子等内容。从系统设计应用角度来看，基于物联网构建瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统，不仅要保障内部结构操作简单，还要实时监测变电站的磁支柱绝缘子的振动信号，动态识别其所表现出的机械性能变化，快速掌握其中存在的安全故障。

因此，瓷支柱绝缘子包含了上下固定连接的绝缘子瓷瓶和绝缘子下法兰；压电式继电器和压电式加速度传感器会安装在绝缘子下法兰的下端；控制器会安装在压电式的激振器、加速度传感器的下端；控制器要和压电式的激振器、加速度传感器有效连接；控制器要和无线通信模块有效连接；控制器要通过无线通信模块和物联网云服务器通信连接；而物联网云服务器要和用户终端通信连接。将32单片机看作是主控CPU，整合振动激励模块、振动采集模块、信息降噪滤波模块等构成下位机，选用One NET物联网平台作为云服务器，系统用户可以直接在智能手机、平板电脑PC端中操作分析

[3]。

（二）诊断方法

由于导致瓷支柱绝缘子发生安全故障的因素有很多，不管是内部结构还是外部因素都会产生较多影响，所以在利用以物联网技术为核心的瓷支柱绝缘子振动声学在线监测系统时，要实时监测变电站内部磁支柱绝缘子的振动信号，通过动态识别分析其中机械性能的变化过程，快速掌握潜藏的故障信息。同时，有研究学者将高斯混合模型中的权重系数和标准差看作是分类的有效特征数值，直接输入到相关研究模型中进行分类识别，最终可以得到以下结论：首先，整合运用以概率统计为核心的高速混合模型和信号频率方法，能快速掌握瓷支柱绝缘子在不同状态下的特征数值；其次，在安全故障分类期间利用粒子群优化的极限学习机模型，能提高故障诊断识别的准确率和稳定性；最后，物联网技术在我国电力行业机械设备检测中取得了良好的诊断应用效果，为解决瓷支柱绝缘子问题提供了基础保障。

结语

综上所述，面对越发复杂的电力设备应用环境，整合运用物联网技术构建在线监测系统，不仅能快速发挥瓷支柱绝缘子振动声学的检测原理，还可以掌握更多有价值的参数信息，真正满足电力行业机械性能实时诊断的发展要求。

参考文献

[1] 郭晓炜， 王萧博. 共享技术和仪器 搭建"助企"的桥梁[J]. 今日科技， 2022(10):54-55.

[2] 石长华. 基于物联网技术的非接触式陶瓷炉高温工业炉监测系统设计[J]. 电子元器件与信息技术, 2021(010):005.

[3] 罗宏建, 张杰, 赵洲峰,等. 基于变分模态算法的支柱瓷绝缘子损伤识别方法[J]. 浙江电力, 2022(005):041.课题：基于振动谐振技术的新型支柱绝缘子带电检测设备研制（编号：716002022030302SC00001）。