一种绝缘子爬电距离测量工具及方法与流程

1.本发明属于绝缘子爬电距离测量技术领域，具体涉及一种绝缘子爬电距离测量工具及方法。


背景技术：

2.绝缘子是安装在不同电位的导体之间或导体与地电位构件之间的器件，是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起到重要作用。早年间绝缘子多用于电线杆，慢慢发展为高型高压电线连接塔的一端挂很多盘状的绝缘体，其目的是为了增加爬电距离，通常由玻璃或陶瓷制成，故称为绝缘子。它起耐受电压和机械应力的作用，是接触网中广泛应用的重要部件之一。我国电网正处于快速、健康、持续发展的新时期，所以对绝缘子的需求很大，相对的，对其质量的监测也越来越重要。
3.绝缘子的主要功能是实现电气绝缘和机械固定，为此规定有各种电气和机械性能的要求。如在规定的运行电压、雷电过电压及内部过电压作用下，不发生击穿或沿表面闪络；在规定的机、电负荷和各种环境条件下长期运行以后，不产生明显的劣化。
4.为防止浮尘等污秽在绝缘子表面附着,形成通路被绝缘子两端电压击穿,故绝缘子需要满足要求的爬电距离；尤其是在高压电路，其绝缘子必须有符合要求的爬电距离；
5.绝缘子不该因环境和电负荷条件发生变化而导致各种机电应力的失效，否则绝缘子的作用会急剧锐减，会损害整条输电线路的安全运行，降低输电线路的运行寿命。
6.绝缘子需要有良好的结构强度和电气绝缘性，因此绝缘子的爬电距离是评估其质量的重要参数之一。绝缘子的爬电距离指的是绝缘子在正常工作时施加电压的部位之间沿绝缘子表面的最短距离。
7.目前，绝缘子的爬电距离检测主要依靠人工进行，主要有以下三种方法：
8.1、间接法
9.用软带、毛线等相似物件，从绝缘子一端带电位置，沿固定线路走到另一端带电部位，再用钢卷尺或满足要求的钢直尺，测得软带、毛线行程距离，从而测得绝缘子爬电距离的方法。
10.2、直接法
11.用软尺从绝缘子一段行至另一端，测得爬电距离的方法。
12.3、计算法
13.部分绝缘子伞距很小，无法用间接法与直接法测量，此时便须通过游标卡尺等测量仪器，测得每个伞的直径，与相邻伞间距，通过累加法，计算的绝缘子爬电距离。
14.无论是采用间接法、直接法还是计算法，都无法简单有效的完成测量，需要通过数次测量，计算结果相互印证，以确认测量数据的可靠性。然而由于其测量方式本身存在的缺陷，无法对偏差较小的不合格物资，提供有力的证据，用于不合格品复检。因此，如何准确、简单、有效的爬电距离测量是需要解决的难题。


技术实现要素：

15.本发明为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
16.第一方面，本发明提供了一种绝缘子爬电距离测量工具，包括：测量模块，所述测量模块包括线路板、滚轮和容栅传感器；滚轮上敷设容栅传感器的定栅，滚轮固定装置装设与滚轮相贴合的容栅传感器的动栅，容栅传感器的动栅和定栅与线路板连接形成电容的等效电路；滚轮从绝缘子一侧沿设定线路行至另一端，通过获取容栅传感器的输出电压、相位比和相位移获得相对位移量，相对位移量即为绝缘子爬电距离。
17.进一步的，所述容栅传感器的鉴相型测量电路包括，依次布设的双信号容栅传感器、前置放大电路、乘法器、加法器、带通滤波器、整形电路、模数转换电路和计数显示器；双信号容栅传感器接收正弦信号源，并分出sinθ栅和cosθ栅两路信号至两个前置放大电路，两个前置放大电路输出的信号通过两个对应的乘法器获得两个信号，两个信号进入加法器相加，得到的信号经过滤波、整形和模数转换后进行计数显示。
18.进一步的，所述容栅传感器及电路部分的基本结构还设有时钟电路，时钟电路的时钟信号经过分频和滤波后分设两路时钟信号，一路时钟信号移相90
°
进入sinθ栅对应的前置放大器，另一路时钟信号不需要移相进入cosθ栅对应的前置放大器。
19.进一步的，所述滚轮表面制成磨砂状或刻画出纹路。
20.进一步的，所述绝缘子爬电距离测量工具还包括电源模块，电源模块包括电池和开关，电池用于供电，开关用于控制工作状态。
21.进一步的，所述绝缘子爬电距离测量工具还包括显示模块，显示模块包括显示器，将测量模块所得数据以直观的形式显示出来。
22.进一步的，所述绝缘子爬电距离测量工具还包括集成外壳，集成外壳内安装有测量模块、电源模块和显示模块，集成外壳的外表面设有开机和归零按钮。
23.进一步的，所述相位移与相对位移的计算公式为：进一步的，所述相位移与相对位移的计算公式为：其中，x为相对位移量，w为小发射极宽度，φ(x)为相位移。
24.进一步的，所述容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值近似看作一常数，相位比v1超前了π/4 φ(x)；相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移x。
25.第二方面，本发明提供了一种绝缘子爬电距离测量工具的工作方法，包括：
26.按开机、归零按钮，然后使测量系统滚轮从绝缘子一侧沿固定线路行至另一端；
27.通过获取容栅传感器的输出电压、相位比和相位移获得相对位移量，相对位移量即为绝缘子爬电距离；
28.容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值在很小范围内变化，可近似看作一常数，而相位比v1超前了π/4 φ(x)；相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移量x。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
30.1、本发明提供了一种绝缘子爬电距离测量工具，利用测量模块的滚轮上敷设容栅传感器的定栅，滚轮固定装置装设与滚轮相贴合的容栅传感器的动栅，容栅传感器的动栅和定栅与线路板连接形成电容的等效电路；滚轮从绝缘子一侧沿设定线路行至另一端，通
过获取容栅传感器的输出电压、相位比和相位移获得相对位移量，相对位移量即为绝缘子爬电距离，能够准确、简单、有效的对绝缘子的爬电距离进行测量。
31.2、本发明采用的容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值在很小范围内变化，可近似看作一常数，而相位比v1超前了π/4 φ(x)，相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移x，容栅传感器是一种相位跟踪型的位移传感器，这种传感器对输入信号的幅值变化不敏感，故具有较好的抗干扰能力。
32.3、本发明为避免测量时发生滑移，造成测量误差，将测量滚轮表面制成磨砂状或刻画出纹路，增加其摩擦系数，增大摩擦阻力，能够提高测量精度。
33.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
35.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
36.图1为实施例一的绝缘子爬电距离测量工具的结构示意图；
37.图2为实施例一的绝缘子爬电距离测量工具的设计流程示意图；
38.图3为实施例一的线路连接示意图；
39.图4为实施例一的容栅传感器及电路部分的基本结构和工作原理图；
40.图5为实施例一的容栅传感器输出函数u0(x,t)特征,传感器的等效电路图；
41.图6为实施例一的容栅传感器动栅、定栅各极板之间形成的电容的等效电路图；
42.图7为实施例一的滚轮的结构示意图；
43.图8为现有技术中的间接法的结构示意图；
44.其中：1、集成外壳；2、线路板；3、显示器；4、开关；5、归零按钮；6、滚轮；7、定栅；8、动栅。
具体实施方式：
45.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
46.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
47.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
48.实施例一：
49.如图1所示，本实施例提供了一种绝缘子爬电距离测量工具，包括：测量模块、显示模块、电源模块和集成外壳；
50.测量模块包括线路板、滚轮、定栅和动栅，在滚轮上敷设容栅传感器的定栅，在滚轮固定装置装设与滚轮相贴合的容栅传感器动栅，传感器动栅、定栅各极板之间形成电容的等效电路。
51.测量时，按开机、归零按钮，然后使测量系统滚轮从绝缘子一侧沿固定线路行至另一端；容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值在很小范围内变化，可近似看作一常数，而相位比v1超前了π/4 φ(x)；相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移x。
52.显示模块，包括显示器，将测量模块所得数据以直观的形式显示出来。
53.电源模块，包括电池和开关，电池用于供电，开关用于控制工作状态。
54.如果把随时间变化的周期信号，通过电子电路的控制，在同一瞬间以不同的相位分布，分别加载于顺序排列的栅状电容器各个栅极上，则在另一公共极板上，任一瞬间产生的感应信号将与该瞬间加载的激励信号具有相同的相位分布。
55.为保证测量时发生滑移，造成测量误差，将测量滚轮表面制成磨砂状或刻画出纹路，增加其摩擦系数，增大摩擦阻力，提高测量精度。
56.其中ui为激励信号源(i＝1，2，
…
，n)，zi为容栅阻抗，z
l
为信号处理电路的输入阻抗。
57.为了便于分析，假定信号源内阻为零，且z
l
》》zi,并设ui对u0的贡献为u
0i
。根据电路叠加定理得：
[0058][0059]
得输出函数：
[0060][0061]
又因容删阻抗主要由容抗分量组成，故zi≈1/wci；
[0062]
令c
i’为并联电容量，因c
i’远大于单一电容量，故可认为c
i’为一常数，所以，
[0063][0064]
式中k＝1/c
i’为信号传输比例系数。故输出函数为：
[0065][0066]
设c1(x)，c2(x)，c3(x)
……
c8(x)为动栅上48块极板与定栅上相应极板所构成的电容量，它是位移x的函数，假设小发射极板与反射极板完全覆盖时两者之间的电容为c0，每一块小发射极板的宽度为w，当0≤x≤w时，c8(x)＝c0(x)/w，c1(x)＝c2(x)＝c3(x)＝c0，c4(x)＝c0(1-x/w)，c5(x)＝c6(x)＝c7(x)＝0。由此可以得出整个量程中两极板之间的电容量随位移x的变化规律。
[0067]
在x为任何值时，动栅上的48块极板中总有一部分与“地”(屏蔽板)形成电容，相应的输入信号源直接接入“地”，对传感器的输出信号不产生影响，可是为了导出φ(x)(φ(x)
为传感器的输出信号相对于某一驱动信号的相位移)随位移量x连续变化的统一公式，在推导中不考虑这些极板对“地”形成电容，而仍把它们看作对定栅板形成电容，只不过此时它们的电容量为零而已。由于这些电容量为零，则其阻抗为无穷大。相应的信号源全部落在这些电容上，同样，对传感器的输出信号无影响。
[0068]
如果给容栅传感器每组发射极板上所加的发射电压v1～v8为8路频率、幅值相同而相邻小极板间相位相差为π/4的正弦交变电压，则在发射极上有电压vf，在接收极上有电压vr。应用交流电路理论及基尔霍夫电流定律，解读图6的等效电路：
[0069]
如果用vo表示各发射极电压的幅值，并取8路信号中的第1路信号的相位为参考值，则有：
[0070][0071]
其中，x为位移量，w为小发射极宽度。当位移发生一个w宽度变化时，接收极产生360
°
/n的相差。
[0072]
可见，容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值在很小范围内变化，可近似看作一常数，而相位比v1超前了π/4 φ(x)。相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移x，可见容栅传感器是一种相位跟踪型的位移传感器，这种传感器对输入信号的幅值变化不敏感，故具有较好的抗干扰能力。
[0073]
容栅传感器的鉴相型测量电路包括，依次布设的双信号容栅传感器、前置放大电路、乘法器、加法器、带通滤波器、整形电路、模数转换电路和计数显示器，双信号容栅传感器接收正弦信号源，并分出sinθ栅和cosθ栅两路信号至两个前置放大电路，两个前置放大电路输出的信号通过两个对应的乘法器获得两个信号，两个信号进入加法器相加，得到的信号经过滤波、整形和模数转换后进行计数显示。还设有时钟电路，时钟信号经过分频和滤波后分设两路时钟信号，一路时钟信号移相90
°
进入sinθ栅对应的前置放大器，另一路时钟信号不需要移相进入cosθ栅对应的前置放大器。
[0074]
实施例二：
[0075]
本实施例提供了一种绝缘子爬电距离测量工具的工作方法，包括：
[0076]
按开机、归零按钮，然后使测量系统滚轮从绝缘子一侧沿固定线路行至另一端；
[0077]
容栅传感器的输出电压是一频率与发射电压相同的正弦电压，其幅值在很小范围内变化，可近似看作一常数，而相位比v1超前了π/4 φ(x)；相位移φ(x)可采用鉴相型测量电路测出，即可得到相对位移x。
[0078]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。