射频电磁弛豫信号的复合绝缘子分析及管理系统设计

张锦云+朱道俊+肖鹏飞+朱孝平

摘 要：复合绝缘子在电力系统中应用广泛，其绝缘性能的老化程度决定了电力设备是否能够稳定运行。但目前，电力系统尚无对复合绝缘子的老化程度进行定量评估的方法，因此，本文从核磁共振原理出发，分析了这种技术手段被应用到复合绝缘子老化检测的原因，并对复合绝缘子电磁弛豫特性算法进行了分析，在此基础上对整个管理系统的功能进行了设计，为复合绝缘子的抽样送检及更换检修提供依据，避免复合绝缘子因绝缘性能下降造成输电线路故障。

关键词：复合绝缘子；核磁共振；系统设计

中图分类号：TM215 文献标识码：A

1.复合绝缘子老化检测的核磁共振原理

1.1 总体结构设计

由于复合绝缘子伞裙是片状的结构，相邻伞裙间的距离不大，因此要设计能够对复合绝缘子老化状态进行在线检测的传感器，该传感器的结构必须具有体积小、重量轻等特点。

复合绝缘子典型结构如图1所示，主要由芯棒、伞裙护套和端部金属部分构成，本文的检测对象就是伞裙护套老化状态，因此需要针对这种片状结构设计特定的传感器。由于伞裙间距50mm左右，伞裙片半径65mm左右，因此整个传感器的三维尺寸必须小于上述尺寸。

1.2 复合绝缘子电磁弛豫特性算法分析

电力电缆外绝缘绝缘及复合绝缘橡胶材料在老化过程中，伴随着其化学结构的变化。当化学结构发生变化时，其中的含H基团与主键的结合状态改变，其宏观表现就是绝缘材料的交联密度改变。交联密度的变化将造成弛豫时间发生改变。本研究拟采用CMPG射频脉冲序列激励被测样品，从回波信号峰值的包络线中提取横向弛豫时间的信息，使用逆拉普拉斯变换反演得到横向弛豫时间T2的一维谱分布，根据T2一维谱中的波峰位置和波峰强度来反映材料的老化状态。具体方案说明如下：

从绝缘材料的化学分子式可知，绝缘材料中的H质子主要以CH3和CH2基团的形式存在，当老化发生时，还会有CHnO基团出现，同时还会有其他形式的基团出现。每一种基团对应的回波峰值包络线衰减趋势都不同，最终的叠加结果是：测得的总回波信号包络线以一种复杂的指数衰减趋势存在：

其中T2不是单一值，而是在可能的取值范围[a，b]内的连续分布（理论上说应该是不定积分，实际的计算机反演，必须是有限区间定积分，上下限a和b的值可以根据假设是单一基团的情况下得到的T2值进行设置）。上式实际上是拉普拉斯变换，其中，F（t）和t分别是测量信号的波形及采样时间序列，f（T2）是T2的一维函数，表示每一种可能存在的含H基团的相对贡献，该函数就是待求函数，称为T2谱。求T2谱需要进行逆拉普拉斯变换。考虑到逆拉氏变换的病态性，本研究在使用反演算法的同时，拟引入正则化因子，来平滑反演结果中的波形突变。反演算法拟考虑使用非负最小二乘法和以奇异值分解为基础的算法，比较后选择一种合适的算法；正则化平滑因子拟考虑先使用Tikhonov正则化因子，若出现谱线中的波峰距离较近的情况，拟使用变差正则化因子，在平滑处理的同时，尽可能突出边缘，加强谱的分辨率。最终的T2谱分布f（T2）如图2所示。

不同的波峰代表不同含H基团的贡献。波峰出现的位置能反映绝缘材料化学结构的变化，波峰的大小反映了各含H基团的相对多少。这样就实现了绝缘材料老化状态的表征。

2.系统功能设计

2.1 用户管理

用户管理是对系统中用户进行管理的功能模块。可进行添加用户、修改用户资料、删除用户信息、禁用用户、查看个人资料。用户管理还应该包含用户登录的验证，密码修改功能。用户与角色、权限管理，在登录时进行身份验证，并且动态生成不同的界面或者菜单，实现界面或者菜单的显示、隐藏，防止不具备操作权限的用户非法操作系统数据。

2.2 角色管理

角色管理是系统中具备一定操作权限的用户组，通常分为两类角色：系统角色和业务角色。系统角色的权限用于控制客户管理、系统设置、工作中心模块的权限，系统预置了超级管理，管理员两个角色，超级管理员可以进行角色的指定，角色分配，新建管理员用户等高于其他角色的操作权限；而业务角色一般是由管理员自己定义的在实际业务中使用的角色。

2.3 权限管理

权限管理一般指根据系统设置的安全规则或者安全策略，用户可以访问而且只能访问自己被授权的资源从控制力度上分，可以功能级权限管理和数据级权限管理，由于功能级权限相对数据级权限管理较为简单，且已符合当前软件系统的需求，因此本系统实现采取功能级权限管理来实现权限管理。功能权限管理技术，一般就使用基于角色访问控制技术RBAC（Role Based Access Control）。该技术被广泛运用于各个系统。

2.4 杆塔台账管理

杆塔台账管理用于管理杆塔的台账信息，包括杆塔名称，型号，位置信息。结合Web GIS可以为杆塔台账管理提供简单直观的管理界面。杆塔台账管理功能包括新建、修改、删除、查询等功能。

2.5 线路台账管理

线路台账管理用于管理线路的台账信息，包括线路名称，所在线路，位置信息等，结合Web GIS可以为线路台账管理提供简单直观的管理界面。线路台账管理功能包括新建、修改、删除、查询等功能。

2.6 絕缘子台账管理

绝缘子台账管理主要的工作是将分散的，单独的绝缘子信息统一管理，方便管理人员对检索、编辑、录入、管理绝缘子信息。绝缘子台账录入方式包括手工录入、数据导入两种方式。

2.7 绝缘子统计分析

绝缘子统计分析主要的工作按照污秽区、年限、型号、厂家多种统计指标对绝缘子台账进行统计，并且生成相应的报表。

2.8 设备管理

设备管理主要用于管理复合绝缘材料核磁共振测量仪，包括仪器的登记，仪器分配，仪器归还等业务流程。

2.9 绝缘子检测管理

（1）检测周期管理。复合绝缘子具有标准的检测周期，但是由于实际情况中，复合绝缘子所处的位置，污秽区等客观因素存在偏差，因此我们可以自定义不大于标准检测周期的自定义检测周期。

（2）检测任务指派。复合绝缘子检测的任务，由管理员指派到对应的检测员。

结语

本文通过对核磁共振原理的分析以及对复合绝缘子的结构设计，在完成对复合绝缘子电磁弛豫特性算法分析之后，进行了系统功能的设计。结果体现出了该系统的可操作性以及灵活性，能够实现严格的系统运行控制等系统监控功能。

参考文献

[1]徐征，程江艳，吴嘉敏，等.用于复合绝缘子伞裙老化无损检测的单边核磁共振方法[J].中国电机工程学报，2014（36）：6545-6553.

[2]赵书杰.复合绝缘子伞裙老化评估的核磁共振分析方法及传感器研究[D].重庆大学，2014.