一种基于PIIF的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法及系统

本发明涉及故障预测，具体为一种基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法及系统。

背景技术：

1、随着电力系统的持续发展，电力输送和配电网络的可靠性和安全性变得愈发重要。作为电力设备中关键的绝缘组件，瓷绝缘子广泛应用于高压输电线路和变电站中，其主要功能是提供电气绝缘和机械支撑。然而，瓷绝缘子在长期运行过程中，经常会受到复杂的外部环境和电力负载的影响，例如频繁的雷电冲击、污染物积累、机械应力和温度应力的反复作用等。这些因素可能导致绝缘子的结构退化，尤其是产生裂缝，严重时甚至会引发绝缘子的电击穿和机械失效，进而导致电力系统的故障。为此，传统的瓷绝缘子监测技术主要依赖于定期的人工巡检和电气测试。然而，这些方法通常存在实时性差、无法准确定位裂缝、对潜在的隐蔽性损伤无法有效检测等不足。近年来，随着光纤光栅传感技术的发展，越来越多的研究开始探索利用光纤传感器进行瓷绝缘子的健康监测和故障预测，这些技术为实现高精度、实时、在线监测提供了可能。

2、尽管如此，现有的基于光纤传感技术的瓷绝缘子监测方案仍然存在一些不足之处。首先，现有技术多侧重于应力或温度的单一因素监测，未能综合考虑多物理场耦合效应，导致对裂缝扩展的预测不够精确。其次，传统的裂缝监测方法大多基于静态或准静态数据分析，难以准确捕捉电弧放电过程中应力集中带来的裂缝快速扩展问题。此外，现有方法在裂缝产生后的残余应力分析方面缺乏深入研究，难以对裂缝的发展趋势和可能的永久性故障风险进行有效预测。这些不足不仅限制了故障预测的准确性，也增加了电力系统的不确定性和维护成本。因此，如何结合实时数据、热力学和力学模型，对裂缝的动态扩展进行准确预测，成为当前技术发展的一个重要方向。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有技术中对瓷绝缘子裂缝扩展的动态监测不够精准、无法准确预测电弧放电过程中裂缝的扩展路径和速度，以及在裂缝产生后难以评估残余应力对瓷绝缘子长期结构稳定性和故障风险的影响的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法，包括：

4、piif为受雨水影响，裂缝瓷绝缘子会发生具有自清除特性的放电过程，称为瓷绝缘子早期故障；

5、在针式瓷绝缘子表面和裂缝周围布置多个光纤光栅传感器，采集并分析光纤光栅传感器的实时数据；

6、基于分析后的实时数据，结合热传导模型和机械应力模型，计算电弧放电过程中的热应力分布，并预测裂缝的扩展路径和速度；

7、在电弧熄灭后，利用光纤光栅传感器监测的残余应力变化，预测裂缝针式瓷绝缘子是否发生永久性故障。

8、所述计算电弧放电过程中的热应力分布包括，利用分析后的实时数据并且结合了热传导、机械应力应变关系，并通过空间积分考虑了瓷绝缘子的整体效应，针式瓷绝缘子热应力分布的公式表示为：

9、，

10、其中，表示在位置和时间上的综合热应力分布，表示瓷绝缘子的体积积分域，表示位置处的导热系数，表示在位置和时间上的温度分布，表示梯度算子，表示位置和时间上的应变张量，表示四阶弹性模量张量，表示杨氏模量，表示材料的热膨胀系数，表示张量中的对角，表示体积，表示时间，表示空间位置矢量； 和表示热应力的分量方向； 和表示应变张量的分量方向；表示温度随空间的变化率，表示计算热通量的散度；

11、的值域为负无穷到正无穷，其中正值表示拉应力区域，通常在裂缝扩展的可能方向上出现；

12、负值表示压应力区域，可能抑制裂缝扩展；

13、值的大小反映了热应力集中程度，极大值和极小值表明结构潜在的失效点；

14、通过有限元软件，将计算得到的热应力数据映射到针式瓷绝缘子的三维几何模型的三维表面，生成热应力分布图，红色代表高应力区，蓝色代表低应力区；

15、通过对实时应力应变数据进行频域分析，并结合所述热应力分布图，动态计算出裂缝扩展的路径；

16、结合傅里叶变换分析和实时数据处理，计算裂缝扩展的速度，并通过应变变化量和临界频率判断裂缝是否正在扩展；

17、实时监测残余应力、热应力分布以及裂缝扩展速率，利用故障判断模型来判断瓷绝缘子是否会发生永久性故障；当残余应力超过临界值或裂缝扩展速率达到临界速率时，预测到瓷绝缘子的结构即将失效，并发出故障预警。

18、作为本发明所述的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法的一种优选方案，其中：所述在针式瓷绝缘子表面和裂缝周围布置多个光纤光栅传感器包括，根据针式瓷绝缘子的结构特点，通过历史故障数据并利用有限元分析在piif过程中可能出现的应力集中区域和热效应区域；

19、在针式瓷绝缘子裂缝的起始点布置3个光纤光栅传感器，并且在针式瓷绝缘子裂缝扩展路径及其周围布置3个光纤光栅传感器，形成环形布局；

20、在每个针式瓷绝缘子与金属电极接触的地方布置4个传感器，呈方形布局；

21、在每个针式瓷绝缘子的几何形状发生突变的地方，布置三个光纤光栅传感器，呈三角布局；

22、从针式瓷绝缘子裂缝中心向外，每10mm布置一个光纤光栅传感器，形成梯度监测；

23、采集并分析光纤光栅传感器的实时数据包括，将光纤光栅传感器在不同位置采集到的温度和应力应变数据进行噪声过滤、信号平滑和数据矫正；

24、将实时采集到的温度和应力应变数据映射到瓷绝缘子的三维模型中，根据光纤光栅传感器的安装位置和测量数据，生成应变和温度的空间分布图，使用有限元软件生成温度分布图和应力应变数据分布图；

25、分析所述温度分布图，识别温度升高最快、峰值最高的区域；

26、分析所述应力应变数据分布图，识别应力集中的区域；

27、通过时间序列分析，观察温度和应变随时间的变化，识别出电弧放电过程中的关键时间点。

28、作为本发明所述的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法的一种优选方案，其中：所述对热应力分布进行动态分析包括，通过对温度和应力应变数据进行傅里叶变换分析，识别出裂缝扩展过程中应变剧烈变化的频率成分；

29、所述预测裂缝的扩展路径和速度包括，设定应力变化的临界频率和应变变化量的阈值；

30、当实时的频域分析结果显示应变在临界频率附近出现显著的峰值，并且应变变化量超过阈值时，则裂缝正在迅速扩展；

31、结合所述热应力分布图，通过计算当前时刻的热应力集中区域，动态预测裂缝的扩展路径。

32、作为本发明所述的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法的一种优选方案，其中：预测裂缝的扩展速度包括，通过时间序列分析，观察应力、应变随时间的变化，识别出裂缝扩展的关键时间点并估算其扩展速度；

33、通过傅里叶变换和实时数据分析计算裂缝扩展速度的公式表示为：

34、，

35、其中，表示实时计算得到的裂缝扩展速度，表示时间间隔，表示傅里叶变换得到的频域应变分量，表示第个频率分量，表示海维赛函数，表示裂缝扩展的临界速率，表示第个频率分量对应的应变变化量，表示裂缝扩展变化量的临界应力，表示当前的频率分量的索引，表示总的频率分量的数量；

36、的值域为0到正无穷，表示裂缝扩展的速度；

37、表示裂缝没有扩展；

38、表示裂缝正在扩展。

39、作为本发明所述的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法的一种优选方案，其中：所述预测裂缝针式瓷绝缘子是否发生永久性故障包括，在电弧熄灭后，继续使用光纤光栅传感器实时监测针式瓷绝缘子表面和内部的残余应力变化，并采集残余应力数据；

40、所述残余应力包括，在电弧放电结束后，仍然保留在材料内部的应力；

41、基于所述残余应力数据，结合热应力分布和历史裂缝扩展数据，建立预测裂缝针式瓷绝缘子是否发生永久性故障的故障判断模型；

42、故障判断模型的公式表示为：

43、，

44、其中，表示位置在时间时裂缝发生永久性故障的概率，表示体积函数，表示残余应力，表示热应力分布函数，表示海维赛函数，表示裂缝扩展速率，表示裂缝扩展的临界速率，表示裂缝扩展的临界应力，表示用于控制公式中应力影响的调节参数，表示空间位置矢量，表示时间；

45、的值域为0到1。

46、作为本发明所述的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法的一种优选方案，其中：所述预测裂缝针式瓷绝缘子是否发生永久性故障还包括：

47、当时，裂缝扩展的风险较低，针式瓷绝缘子的结构稳定；

48、当时，裂缝扩展的风险增加，针式瓷绝缘子的结构稳定；

49、当时，裂缝扩展的风险较高，针式瓷绝缘子结构不稳定，但仍能使用，密切监测；

50、当时，裂缝扩展的风险非常高，针式瓷绝缘子结构失效，立即更换。

51、一种基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测系统，其中：

52、传感器布置模块，在针式瓷绝缘子表面和裂缝周围布置多个光纤光栅传感器，确保这些传感器能够精准地采集应力和温度数据；

53、数据采集与处理模块，实时采集光纤光栅传感器的数据，包括温度、应力和应变信息；

54、热应力计算模块，基于实时采集的数据，结合热传导模型和机械应力模型，计算电弧放电过程中的热应力分布；

55、裂缝扩展预测模块，根据热应力分布和历史裂缝扩展数据，预测裂缝的扩展路径和速度；

56、残余应力评估模块，在电弧熄灭后，监测并分析残余应力的变化，通过对残余应力的评估，判断裂缝是否会导致瓷绝缘子的永久性故障；

57、故障预测与预警模块，基于裂缝扩展速度和残余应力评估结果，预测瓷绝缘子的故障风险，并发出预警信号，提示需要进行检修或更换。

58、本发明的有益效果：本发明提供的基于piif的瓷绝缘子裂缝的故障预测方法通过精准布置光纤光栅传感器，实现了对瓷绝缘子裂缝的实时动态监测和热应力的精确计算，有效提升了对裂缝扩展路径和速度的预测精度。此外，通过对电弧放电后残余应力的持续监测，能够准确评估瓷绝缘子的长期结构稳定性，及时预警潜在的永久性故障，从而提高电力系统的可靠性和安全性，减少意外停电和维护成本。