一种基于无人机的绝缘子电场测量装置及方法与流程

1.本发明属于输电线路绝缘子电场测量技术领域，具体涉及一种基于无人机的绝缘子电场测量装置及方法，尤其涉及一种基于无人机的能够对绝缘子空间电场分布进行测量的测量装置及方法。


背景技术：

2.绝缘子是输电线路中起到机械支撑及电气连接的重要部件，一旦发生本体劣化，可能导致断串、绝缘失效等严重故障。带电运行绝缘子周围分布有空间电场，当发生劣化后，其周围空间电场相对正常状态会发生局部畸变，因此对比分析劣化前后的电场分布特性，可以诊断出绝缘子的运行状态。因此，定期对输电线路运行绝缘子开展空间电场带电检测，及时辨别及更换劣化绝缘子串具有十分重要意义。
3.现有的架空输电线路劣化绝缘子检测方法分为传统的接触式检测方法及新兴的非接触式检测方法。传统检测方法包括观察法、火花叉法等需要人工登塔，操作繁琐且有一定的危险性。非接触式检测方法中，红外测温法及紫外成像法易受外部环境的影响，从而对检测灵敏度产生较大影响，而电场分布检测法受环境的影响有限，检测灵敏度较高，较其他方法有较为广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提出一种基于无人机的绝缘子电场测量装置及方法，能够对架空线路绝缘子串实现非接触式带电检测，得到绝缘子串的空间电场分布，有利于输电线路运维人员及时发现故障，避免故障对电网造成较大危害。
5.为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种基于无人机的绝缘子电场测量装置，包括无人机本体、机载端和地面端；
7.所述机载端设于在所述无人机本体上，其包括光学电场传感器、激光测距仪、机载电场测量模块、第一无线通讯模块和机载端处理器；所述光学电场传感器与机载电场测量模块之间通过光纤相连，接收机载电场测量模块发送的第一偏振光信号，将所述第一偏振光信号转换为与外界电场相关的第二偏振光信号后发送给机载电场测量模块；所述机载端处理器的数据传输端分别与所述激光测距仪、机载电场测量模块和第一无线通讯模块电连接；
8.所述地面端包括第二无线通讯模块和地面端处理器；所述第二无线通讯模块与第一无线通讯模块通信相连，所述地面端处理器从第二无线通讯模块获取由机载端采集到的数据，并进行处理与展示。
9.可选地，所述机载电场测量模块包括光源、起偏分束器、保偏光纤和光电转换器；
10.所述光源与起偏分束器共同作用发出固定波长的线偏振光，所述线偏振光经过所述保偏光纤后变成第一偏振光信号；
11.所述第一偏振光信号进入所述光学电场传感器后，在外界电场作用下变成第二偏振光信号从所述光学电场传感器出射，所述第二偏振光信号经过单模光纤传入光电转换器，所述光电转换器将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号；所述第一偏振光信号与第二偏振光信号的光功率不同。
12.可选地，所述机载电场测量模块发送第一偏振光信号至光学电场传感器，所述光学电场传感器将所述第一偏振光信号分为两条光路信号，一条光路信号经过有屏蔽电极覆盖的光路后出射，另一条光路信号经过无屏蔽电极覆盖的光路受外界电场作用后出射，得到第二偏振光信号，所述第二偏振光信号反射回机载电场测量模块，由机载电场测量模块将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号。
13.可选地，所述无人机本体上设有挂载安装支架，所述挂载安装支架上设置有玻璃纤维伸缩杆；所述光学电场传感器设于玻璃纤维伸缩杆上远离挂载安装支架的端部，用于探测绝缘子串周围空间电场信息。
14.可选地，所述无人机本体上设有挂载安装支架，所述激光测距仪设于所述挂载安装支架上，用于测量用于测量目标绝缘子串距所述无人机本体的距离。
15.可选地，所述挂载安装支架由碳纤维板构成，且设有旋转弹簧插销和碳板插槽；所述激光测距仪和玻璃纤维伸缩杆与所述旋转弹簧插销或碳板插槽插拔相连。
16.可选地，所述机载端通过连接线连接有osdk插头，用于所述激光测距仪、机载电场测量模块和第一无线通讯模块与所述无人机本体进行电气连接。
17.可选地，所述无人机本体包括机身和机臂；所述机身前部安装有前视模块，所述前视模块包括前视红外感知单元及前视视觉单元；所述机身顶部安装有rtk模块和gprs模块，内部安装有控制主板，下部安装有云台；所述机臂上安装有电机和螺旋桨，所述螺旋桨固定于所述电机的输出轴上，所述电机通过电子调速器与所述控制主板相连接。
18.第二方面，本发明提供了一种基于第一方面中任一项所述的绝缘子电场测量装置的测量方法，包括：
19.利用激光测距仪测量目标绝缘子串距所述无人机本体的距离，确保该距离在预设的范围内；
20.利用机载电场测量模块产生第一偏振光信号，并将所述第一偏振光信号发射至光学电场传感器，在外界电场作用下变成第二偏振光信号从所述光学电场传感器出射；
21.将所述第二偏振光信号利用单模光纤传入机载电场测量模块，所述机载电场测量模块将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号；所述第一偏振光信号与第二偏振光信号的光功率不同；
22.利用机载端处理器存储所述电压信号；
23.利用第一无线通讯模块和第二无线通讯模块之间的通信，将所述电压信号发送至地面端处理器，由地面端处理器进行处理与展示。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果：
25.本发明能够快速检测输电线路绝缘子串的电场分布，免去人工登塔操作，提高了检测效率。
26.本发明采用基于泡克尔斯效应的光学电场传感器对电场进行采集，相较传统电容式传感器提高了检测准确度，机载端与地面端通过无线信号进行数据传输，使得其适用于
绝大多数现场环境。
27.本发明对测量装置进行小型化设计，减小了体积及重量，减轻了了无人机的负载压力，延长了无人机的续航时间，便于连续检测。
附图说明
28.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
29.图1为本发明一种实施例的无人机的绝缘子电场测量装置的结构示意图；
30.图2为本发明一种实施例的无人机的绝缘子电场测量装置的原理示意图；
31.图3为本发明一种实施例的机载端的结构示意图；
32.其中；
33.1-挂载安装支架，2-机载端处理器，3-激光测距仪，4-光学电场传感器。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
35.下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
36.由于现有的架空输电线路劣化绝缘子检测方法分为传统的接触式检测方法及新兴的非接触式检测方法。传统检测方法包括观察法、火花叉法等需要人工登塔，操作繁琐且有一定的危险性。非接触式检测方法中，红外测温法及紫外成像法易受外部环境的影响，从而对检测灵敏度产生较大影响。为此，本发明中提出了一种基于无人机的绝缘子电场测量装置及方法，能够快速检测输电线路绝缘子串的电场分布，免去人工登塔操作，提高了检测效率。且电场分布受环境因素的干扰小，不存在上述两个检测手段的弊端。
37.实施例1
38.本发明实施例中提供了一种基于无人机的绝缘子电场测量装置，如图1所示，包括无人机本体、机载端和地面端；所述无人机本体用于起搭载平台的作用，搭载机载端完成数据采集工作；所述地面端对机载端采集到的数据进行处理与展示，地面端与机载端之间通过无线通讯的方式传递数据；具体地：
39.所述机载端设于在所述无人机本体上，其包括光学电场传感器4、激光测距仪3、机载电场测量模块、第一无线通讯模块和机载端处理器2；所述光学电场传感器4与机载电场测量模块之间通过光纤相连，接收机载电场测量模块发送的第一偏振光信号，将所述第一偏振光信号转换为与外界电场相关的第二偏振光信号后发送给机载电场测量模块；所述机载端处理器2的数据传输端分别与所述激光测距仪3、机载电场测量模块和第一无线通讯模块电连接；所述激光测距仪3用于保持无人机本体与绝缘子之间存在有效距离，确保可以检测到有效电场信息；
40.所述地面端包括第二无线通讯模块和地面端处理器；所述第二无线通讯模块与第一无线通讯模块通信相连，所述地面端处理器从第二无线通讯模块获取由机载端采集到的数据，并进行处理与展示。在具体实施过程中，所述地面端处理器上还连接有高清显示器，
用于进行绝缘子串空间电场波形显示。
41.可见，本发明实施例中的绝缘子电场测量装置，能够快速检测输电线路绝缘子串的电场分布，免去人工登塔操作(利用无线传输的方式将机载端采集到的数据传输至地面端)，提高了测量效率。
42.在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述无人机本体包括机身和机臂；所述机身前部安装有前视模块，所述前视模块包括前视红外感知单元及前视视觉单元；所述机身顶部安装有rtk模块和gprs模块，内部安装有控制主板，下部安装有云台，用于保证无人机飞行的稳定性，实现自动避障，保证检测任务的安全性；所述机臂上安装有电机和螺旋桨，所述螺旋桨固定于所述电机的输出轴上，所述电机通过电子调速器与所述控制主板相连接。
43.在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图3所示，所述无人机本体上设有挂载安装支架1，所述挂载安装支架1上设置有玻璃纤维伸缩杆，能够减轻无人机的负荷，增加了无人机与绝缘子串之间的距离，实现对绝缘子串空间场强的安全检测；所述光学电场传感器4设于玻璃纤维伸缩杆上远离挂载安装支架1的端部(即前端)，用于探测绝缘子串周围空间电场信息。所述激光测距仪3设于所述挂载安装支架1上，用于测量用于测量目标绝缘子串距所述无人机本体的距离。在具体实施过程中，所述机载端上设有与所述挂载安装支架1配合的卡口，机载端与挂载安装支架1之间为卡合连接，便于拆卸。
44.在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述光学电场传感器4利用铌酸锂晶体的泡克尔斯原理探测绝缘子串周围空间电场强度，并形成偏振光信号，输出至所述机载电场测量模块；所述机载电场测量模块将接收到的偏振光信号转换为与输入的偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号。即所述机载电场测量模块发送第一偏振光信号至光学电场传感器4，所述光学电场传感器4将所述第一偏振光信号分为两条光路信号，一条光路信号经过有屏蔽电极覆盖的光路后出射，另一条光路信号经过无屏蔽电极覆盖的光路受外界电场作用后出射，得到第二偏振光信号，所述第二偏振光信号反射回机载电场测量模块，由机载电场测量模块将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号。具体原理如下：
45.在x切铌酸锂晶体的半导体衬底上，刻有y分叉的两条光波导，其上方光波导敷设金属屏蔽电极。当光学电场传感器4周围存在外加电场时，x切铌酸锂晶体折射率将由于z方向电场的作用发生改变，对于未加金属屏蔽结构的下方光波导，其对于沿光信号的z轴折射率将变为：
[0046][0047]
式中，ne为电光晶体的固有折射率可近似表达为：
[0048][0049]
式中，r
33
为晶体z轴的电光转化系数。则由上式可知，光波导光信号折射率与外界电场成正比；而对于上分支光波导，由于金属电极的屏蔽作用，使得作用于上分支光波导的z方向电场被大大削弱。因此，光信号通过输入y分叉后，分入两条光波导的光信号由于折射率的不同形成相位差，实际上形成了m-z干涉仪结构，根据m-z干涉仪的基本原理，两条光波
导中的光信号在外界电场作用下形成的相位差为：
[0050][0051]
式中，ne为电光晶体的固有折射率，l为屏蔽电极的长度，为输入光信号的波长，为电光重叠积分系数，其值与电极形状，光波导制备条件有关，不同条件下k值相差较大。
[0052]
两条光波导中相位不同的光信号在y分支输出端发生干涉，输出光功率为：
[0053][0054]
式中，pi为电场传感器输入光功率，为两条光波导中所传输光信号的固有相位差，其值与两条光波导长度差有关，
[0055]
当固有相位差时，求得输出光功率与输入光功率及外界场强的关系为：
[0056][0057]
由此可知，当输入光功率一定时，输出光功率为外加电场的正弦函数，则输出光功率可近似认为为外界场强的线性函数。这样，通过检测电场传感器的光功率，可以确定外界电场的大小。
[0058]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述挂载安装支架1由碳纤维板构成，且设有旋转弹簧插销和碳板插槽，总重约为80g，轻盈可靠；所述激光测距仪3和玻璃纤维伸缩杆与所述旋转弹簧插销或碳板插槽插拔相连，用于实现负载的快速拆装，提升工作效率。
[0059]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述机载电场测量模块与第二无线通讯模块集成为一体装置，尽可能地减少负载的体积。
[0060]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述机载端通过连接线连接有osdk插头，用于所述激光测距仪3、机载电场测量模块和第一无线通讯模块与所述无人机本体进行电气连接，用于实现所述激光测距仪3、机载电场测量模块及无线通讯装置均由无人机本体的osdk接口供电。
[0061]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述机载电场测量模块包括电源适配器、光源、起偏分束器、保偏光纤和光电转换器；
[0062]
所述电源适配器配合无人机平台上的12v直流电池给装置进行供电；
[0063]
所述光源与起偏分束器共同作用发出固定波长的线偏振光，所述线偏振光经过所述保偏光纤后变成第一偏振光信号；
[0064]
所述第一偏振光信号进入所述光学电场传感器4后，在外界电场作用下变成第二偏振光信号从所述光学电场传感器4出射，所述第二偏振光信号经过单模光纤传入光电转换器，所述光电转换器将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号；所述第一偏振光信号与第二偏振光信号的光功率不同。
[0065]
在本发明实施例的一种具体实施方式中，如图2所示，地面端包括第二无线通讯模块、地面端处理器和高清显示屏，所述第二无线通讯模块在接收到所述机载端的第一无线通讯模块发送来的绝缘子串空间电场信息后，通过内置滤波放大电路对绝缘子串空间电场
信息进行处理，滤除干扰后，地面终端的处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理，并将检测结果及处理过后的绝缘子串空间电场波形输出至高清显示屏上；所述第二无线通讯模块和滤波放大电路共同组成电场数据接收模块。
[0066]
下面结合图2对本发明提供的基于无人机的绝缘子电场测量装置的工作过程进行详细说明。
[0067]
地面端通过第二无线传输装置将测量指令发送至机载端处理器2，机载端进而开展电场数据的检测存储工作。
[0068]
机载端处理器2控制光学电场传感器4检测得到能表征绝缘子串电场分布的第二偏振光信号，将检测得到的第二偏振光信号经过机载电场测量模块转换为电压信号后传输至机载端处理器2，机载端处理器2将测得的距离数据及电压信号进行初步软硬件滤波处理后，利用lora无线通讯技术通过第一无线传输模块传输给地面端的电场数据接收模块，电场数据接收模块在接收到所述机载端的第一无线通讯模块发送来的距离数据和电压信号，通过内置滤波放大电路对电压信号进行处理，滤除干扰后，地面终端处理器对得到的模拟电压信号进行进一步分析处理，地面终端处理器的型号为ads8689，16bit分辨率，其配置为
±
2.56v测量范围，可以计算得到1bit的电压值对应78.125uv，计算公式为：
[0069][0070]
接收到的原始测量数据，经过计算可得到实际电压值，公式为：
[0071]
u＝data
×
78.125
×
10-6-2.56
[0072]
将计算得到的电压值换算为电场值，公式为：
[0073]
e＝k
×
u＝k1×
k2×u[0074]
其中，k为换算系数，k1为设置的数据处理模块的放大倍数，k2为光学电场传感器4自身的响应系数。将换算后的电场值写入波形显示框架，进而输出至高清显示屏上得到绝缘子串的电场分布波形。
[0075]
根据本发明提供的具体实施例，对某线路耐张串进行了实测，经试验得到，该系统能够10分钟内完成一相绝缘子串的检测，能够对绝缘子串的电场信息进行快速采集，提高了检测效率，采用基于泡克尔斯效应的光学电场传感器4对电场进行准确采集，提高了检测准确度，机载端与地面端通过无线信号进行数据传输，使得其适用于绝大多数现场环境，提高适用性，对机载电场测量模块及无线传输装置进行小型化设计，适用于无人机机型，尽可能降低无人机能源消耗，延长了检测时间。根据得到的绝缘子电场曲线与模型得到的未劣化的绝缘子分布电场强度变化波形进行对比，若存在畸变点，则判断绝缘子串中存在劣化绝缘子，能够及时发现劣化绝缘子，便于及时有效的处理，保证了输电线路的安全性。
[0076]
实施例2
[0077]
本发明提供了一种基于实施例1中所述的绝缘子电场测量装置的测量方法，包括：
[0078]
利用激光测距仪3测量目标绝缘子串距所述无人机本体的距离，确保该距离在预设的范围内；
[0079]
利用机载电场测量模块产生第一偏振光信号，并将所述第一偏振光信号发射至光学电场传感器4，在外界电场作用下变成第二偏振光信号从所述光学电场传感器4出射；
[0080]
将所述第二偏振光信号利用单模光纤传入机载电场测量模块，所述机载电场测量
模块将第二偏振光信号转化为与第一偏振光信号的光功率幅值成正比的电压信号；所述第一偏振光信号与第二偏振光信号的光功率不同；
[0081]
利用机载端处理器2存储所述电压信号；
[0082]
利用第一无线通讯模块和第二无线通讯模块之间的通信，将所述电压信号发送至地面端处理器，由地面端处理器进行处理与展示。
[0083]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。