射頻電磁弛豫信號的復合絕緣子分析及管理系統設計

張錦云+朱道俊+肖鵬飛+朱孝平

摘 要：復合絕緣子在電力系統中應用廣泛，其絕緣性能的老化程度決定了電力設備是否能夠穩定運行。但目前，電力系統尚無對復合絕緣子的老化程度進行定量評估的方法，因此，本文從核磁共振原理出發，分析了這種技術手段被應用到復合絕緣子老化檢測的原因，并對復合絕緣子電磁弛豫特性算法進行了分析，在此基礎上對整個管理系統的功能進行了設計，為復合絕緣子的抽樣送檢及更換檢修提供依據，避免復合絕緣子因絕緣性能下降造成輸電線路故障。

關鍵詞：復合絕緣子；核磁共振；系統設計

中圖分類號：TM215 文獻標識碼：A

1.復合絕緣子老化檢測的核磁共振原理

1.1 總體結構設計

由于復合絕緣子傘裙是片狀的結構，相鄰傘裙間的距離不大，因此要設計能夠對復合絕緣子老化狀態進行在線檢測的傳感器，該傳感器的結構必須具有體積小、重量輕等特點。

復合絕緣子典型結構如圖1所示，主要由芯棒、傘裙護套和端部金屬部分構成，本文的檢測對象就是傘裙護套老化狀態，因此需要針對這種片狀結構設計特定的傳感器。由于傘裙間距50mm左右，傘裙片半徑65mm左右，因此整個傳感器的三維尺寸必須小于上述尺寸。

1.2 復合絕緣子電磁弛豫特性算法分析

電力電纜外絕緣絕緣及復合絕緣橡膠材料在老化過程中，伴隨著其化學結構的變化。當化學結構發生變化時，其中的含H基團與主鍵的結合狀態改變，其宏觀表現就是絕緣材料的交聯密度改變。交聯密度的變化將造成弛豫時間發生改變。本研究擬采用CMPG射頻脈沖序列激勵被測樣品，從回波信號峰值的包絡線中提取橫向弛豫時間的信息，使用逆拉普拉斯變換反演得到橫向弛豫時間T2的一維譜分布，根據T2一維譜中的波峰位置和波峰強度來反映材料的老化狀態。具體方案說明如下：

從絕緣材料的化學分子式可知，絕緣材料中的H質子主要以CH3和CH2基團的形式存在，當老化發生時，還會有CHnO基團出現，同時還會有其他形式的基團出現。每一種基團對應的回波峰值包絡線衰減趨勢都不同，最終的疊加結果是：測得的總回波信號包絡線以一種復雜的指數衰減趨勢存在：

其中T2不是單一值，而是在可能的取值范圍[a，b]內的連續分布（理論上說應該是不定積分，實際的計算機反演，必須是有限區間定積分，上下限a和b的值可以根據假設是單一基團的情況下得到的T2值進行設置）。上式實際上是拉普拉斯變換，其中，F（t）和t分別是測量信號的波形及采樣時間序列，f（T2）是T2的一維函數，表示每一種可能存在的含H基團的相對貢獻，該函數就是待求函數，稱為T2譜。求T2譜需要進行逆拉普拉斯變換?？紤]到逆拉氏變換的病態性，本研究在使用反演算法的同時，擬引入正則化因子，來平滑反演結果中的波形突變。反演算法擬考慮使用非負最小二乘法和以奇異值分解為基礎的算法，比較后選擇一種合適的算法；正則化平滑因子擬考慮先使用Tikhonov正則化因子，若出現譜線中的波峰距離較近的情況，擬使用變差正則化因子，在平滑處理的同時，盡可能突出邊緣，加強譜的分辨率。最終的T2譜分布f（T2）如圖2所示。

不同的波峰代表不同含H基團的貢獻。波峰出現的位置能反映絕緣材料化學結構的變化，波峰的大小反映了各含H基團的相對多少。這樣就實現了絕緣材料老化狀態的表征。

2.系統功能設計

2.1 用戶管理

用戶管理是對系統中用戶進行管理的功能模塊?？蛇M行添加用戶、修改用戶資料、刪除用戶信息、禁用用戶、查看個人資料。用戶管理還應該包含用戶登錄的驗證，密碼修改功能。用戶與角色、權限管理，在登錄時進行身份驗證，并且動態生成不同的界面或者菜單，實現界面或者菜單的顯示、隱藏，防止不具備操作權限的用戶非法操作系統數據。

2.2 角色管理

角色管理是系統中具備一定操作權限的用戶組，通常分為兩類角色：系統角色和業務角色。系統角色的權限用于控制客戶管理、系統設置、工作中心模塊的權限，系統預置了超級管理，管理員兩個角色，超級管理員可以進行角色的指定，角色分配，新建管理員用戶等高于其他角色的操作權限；而業務角色一般是由管理員自己定義的在實際業務中使用的角色。

2.3 權限管理

權限管理一般指根據系統設置的安全規則或者安全策略，用戶可以訪問而且只能訪問自己被授權的資源從控制力度上分，可以功能級權限管理和數據級權限管理，由于功能級權限相對數據級權限管理較為簡單，且已符合當前軟件系統的需求，因此本系統實現采取功能級權限管理來實現權限管理。功能權限管理技術，一般就使用基于角色訪問控制技術RBAC（Role Based Access Control）。該技術被廣泛運用于各個系統。

2.4 桿塔臺賬管理

桿塔臺賬管理用于管理桿塔的臺賬信息，包括桿塔名稱，型號，位置信息。結合Web GIS可以為桿塔臺賬管理提供簡單直觀的管理界面。桿塔臺賬管理功能包括新建、修改、刪除、查詢等功能。

2.5 線路臺賬管理

線路臺賬管理用于管理線路的臺賬信息，包括線路名稱，所在線路，位置信息等，結合Web GIS可以為線路臺賬管理提供簡單直觀的管理界面。線路臺賬管理功能包括新建、修改、刪除、查詢等功能。

2.6 絕緣子臺賬管理

絕緣子臺賬管理主要的工作是將分散的，單獨的絕緣子信息統一管理，方便管理人員對檢索、編輯、錄入、管理絕緣子信息。絕緣子臺賬錄入方式包括手工錄入、數據導入兩種方式。

2.7 絕緣子統計分析

絕緣子統計分析主要的工作按照污穢區、年限、型號、廠家多種統計指標對絕緣子臺賬進行統計，并且生成相應的報表。

2.8 設備管理

設備管理主要用于管理復合絕緣材料核磁共振測量儀，包括儀器的登記，儀器分配，儀器歸還等業務流程。

2.9 絕緣子檢測管理

（1）檢測周期管理。復合絕緣子具有標準的檢測周期，但是由于實際情況中，復合絕緣子所處的位置，污穢區等客觀因素存在偏差，因此我們可以自定義不大于標準檢測周期的自定義檢測周期。

（2）檢測任務指派。復合絕緣子檢測的任務，由管理員指派到對應的檢測員。

結語

本文通過對核磁共振原理的分析以及對復合絕緣子的結構設計，在完成對復合絕緣子電磁弛豫特性算法分析之后，進行了系統功能的設計。結果體現出了該系統的可操作性以及靈活性，能夠實現嚴格的系統運行控制等系統監控功能。

參考文獻

[1]徐征，程江艷，吳嘉敏，等.用于復合絕緣子傘裙老化無損檢測的單邊核磁共振方法[J].中國電機工程學報，2014（36）：6545-6553.

[2]趙書杰.復合絕緣子傘裙老化評估的核磁共振分析方法及傳感器研究[D].重慶大學，2014.