本發(fā)明涉及故障預測，具體為一種基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、隨著電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，電力輸送和配電網絡的可靠性和安全性變得愈發(fā)重要。作為電力設備中關鍵的絕緣組件，瓷絕緣子廣泛應用于高壓輸電線路和變電站中，其主要功能是提供電氣絕緣和機械支撐。然而，瓷絕緣子在長期運行過程中，經常會受到復雜的外部環(huán)境和電力負載的影響，例如頻繁的雷電沖擊、污染物積累、機械應力和溫度應力的反復作用等。這些因素可能導致絕緣子的結構退化，尤其是產生裂縫，嚴重時甚至會引發(fā)絕緣子的電擊穿和機械失效，進而導致電力系統(tǒng)的故障。為此，傳統(tǒng)的瓷絕緣子監(jiān)測技術主要依賴于定期的人工巡檢和電氣測試。然而，這些方法通常存在實時性差、無法準確定位裂縫、對潛在的隱蔽性損傷無法有效檢測等不足。近年來，隨著光纖光柵傳感技術的發(fā)展，越來越多的研究開始探索利用光纖傳感器進行瓷絕緣子的健康監(jiān)測和故障預測，這些技術為實現(xiàn)高精度、實時、在線監(jiān)測提供了可能。

2、盡管如此，現(xiàn)有的基于光纖傳感技術的瓷絕緣子監(jiān)測方案仍然存在一些不足之處。首先，現(xiàn)有技術多側重于應力或溫度的單一因素監(jiān)測，未能綜合考慮多物理場耦合效應，導致對裂縫擴展的預測不夠精確。其次，傳統(tǒng)的裂縫監(jiān)測方法大多基于靜態(tài)或準靜態(tài)數據分析，難以準確捕捉電弧放電過程中應力集中帶來的裂縫快速擴展問題。此外，現(xiàn)有方法在裂縫產生后的殘余應力分析方面缺乏深入研究，難以對裂縫的發(fā)展趨勢和可能的永久性故障風險進行有效預測。這些不足不僅限制了故障預測的準確性，也增加了電力系統(tǒng)的不確定性和維護成本。因此，如何結合實時數據、熱力學和力學模型，對裂縫的動態(tài)擴展進行準確預測，成為當前技術發(fā)展的一個重要方向。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明解決的技術問題是：現(xiàn)有技術中對瓷絕緣子裂縫擴展的動態(tài)監(jiān)測不夠精準、無法準確預測電弧放電過程中裂縫的擴展路徑和速度，以及在裂縫產生后難以評估殘余應力對瓷絕緣子長期結構穩(wěn)定性和故障風險的影響的問題。

3、為解決上述技術問題，本發(fā)明提供如下技術方案：一種基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法，包括：

4、piif為受雨水影響，裂縫瓷絕緣子會發(fā)生具有自清除特性的放電過程，稱為瓷絕緣子早期故障；

5、在針式瓷絕緣子表面和裂縫周圍布置多個光纖光柵傳感器，采集并分析光纖光柵傳感器的實時數據；

6、基于分析后的實時數據，結合熱傳導模型和機械應力模型，計算電弧放電過程中的熱應力分布，并預測裂縫的擴展路徑和速度；

7、在電弧熄滅后，利用光纖光柵傳感器監(jiān)測的殘余應力變化，預測裂縫針式瓷絕緣子是否發(fā)生永久性故障。

8、所述計算電弧放電過程中的熱應力分布包括，利用分析后的實時數據并且結合了熱傳導、機械應力應變關系，并通過空間積分考慮了瓷絕緣子的整體效應，針式瓷絕緣子熱應力分布的公式表示為：

9、，

10、其中，表示在位置和時間上的綜合熱應力分布，表示瓷絕緣子的體積積分域，表示位置處的導熱系數，表示在位置和時間上的溫度分布，表示梯度算子，表示位置和時間上的應變張量，表示四階彈性模量張量，表示楊氏模量，表示材料的熱膨脹系數，表示張量中的對角，表示體積，表示時間，表示空間位置矢量；?和表示熱應力的分量方向；?和表示應變張量的分量方向；表示溫度隨空間的變化率，表示計算熱通量的散度；

11、的值域為負無窮到正無窮，其中正值表示拉應力區(qū)域，通常在裂縫擴展的可能方向上出現(xiàn)；

12、負值表示壓應力區(qū)域，可能抑制裂縫擴展；

13、值的大小反映了熱應力集中程度，極大值和極小值表明結構潛在的失效點；

14、通過有限元軟件，將計算得到的熱應力數據映射到針式瓷絕緣子的三維幾何模型的三維表面，生成熱應力分布圖，紅色代表高應力區(qū)，藍色代表低應力區(qū)；

15、通過對實時應力應變數據進行頻域分析，并結合所述熱應力分布圖，動態(tài)計算出裂縫擴展的路徑；

16、結合傅里葉變換分析和實時數據處理，計算裂縫擴展的速度，并通過應變變化量和臨界頻率判斷裂縫是否正在擴展；

17、實時監(jiān)測殘余應力、熱應力分布以及裂縫擴展速率，利用故障判斷模型來判斷瓷絕緣子是否會發(fā)生永久性故障；當殘余應力超過臨界值或裂縫擴展速率達到臨界速率時，預測到瓷絕緣子的結構即將失效，并發(fā)出故障預警。

18、作為本發(fā)明所述的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述在針式瓷絕緣子表面和裂縫周圍布置多個光纖光柵傳感器包括，根據針式瓷絕緣子的結構特點，通過歷史故障數據并利用有限元分析在piif過程中可能出現(xiàn)的應力集中區(qū)域和熱效應區(qū)域；

19、在針式瓷絕緣子裂縫的起始點布置3個光纖光柵傳感器，并且在針式瓷絕緣子裂縫擴展路徑及其周圍布置3個光纖光柵傳感器，形成環(huán)形布局；

20、在每個針式瓷絕緣子與金屬電極接觸的地方布置4個傳感器，呈方形布局；

21、在每個針式瓷絕緣子的幾何形狀發(fā)生突變的地方，布置三個光纖光柵傳感器，呈三角布局；

22、從針式瓷絕緣子裂縫中心向外，每10mm布置一個光纖光柵傳感器，形成梯度監(jiān)測；

23、采集并分析光纖光柵傳感器的實時數據包括，將光纖光柵傳感器在不同位置采集到的溫度和應力應變數據進行噪聲過濾、信號平滑和數據矯正；

24、將實時采集到的溫度和應力應變數據映射到瓷絕緣子的三維模型中，根據光纖光柵傳感器的安裝位置和測量數據，生成應變和溫度的空間分布圖，使用有限元軟件生成溫度分布圖和應力應變數據分布圖；

25、分析所述溫度分布圖，識別溫度升高最快、峰值最高的區(qū)域；

26、分析所述應力應變數據分布圖，識別應力集中的區(qū)域；

27、通過時間序列分析，觀察溫度和應變隨時間的變化，識別出電弧放電過程中的關鍵時間點。

28、作為本發(fā)明所述的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述對熱應力分布進行動態(tài)分析包括，通過對溫度和應力應變數據進行傅里葉變換分析，識別出裂縫擴展過程中應變劇烈變化的頻率成分；

29、所述預測裂縫的擴展路徑和速度包括，設定應力變化的臨界頻率和應變變化量的閾值；

30、當實時的頻域分析結果顯示應變在臨界頻率附近出現(xiàn)顯著的峰值，并且應變變化量超過閾值時，則裂縫正在迅速擴展；

31、結合所述熱應力分布圖，通過計算當前時刻的熱應力集中區(qū)域，動態(tài)預測裂縫的擴展路徑。

32、作為本發(fā)明所述的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法的一種優(yōu)選方案，其中：預測裂縫的擴展速度包括，通過時間序列分析，觀察應力、應變隨時間的變化，識別出裂縫擴展的關鍵時間點并估算其擴展速度；

33、通過傅里葉變換和實時數據分析計算裂縫擴展速度的公式表示為：

34、，

35、其中，表示實時計算得到的裂縫擴展速度，表示時間間隔，表示傅里葉變換得到的頻域應變分量，表示第個頻率分量，表示海維賽函數，表示裂縫擴展的臨界速率，表示第個頻率分量對應的應變變化量，表示裂縫擴展變化量的臨界應力，表示當前的頻率分量的索引，表示總的頻率分量的數量；

36、的值域為0到正無窮，表示裂縫擴展的速度；

37、表示裂縫沒有擴展；

38、表示裂縫正在擴展。

39、作為本發(fā)明所述的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述預測裂縫針式瓷絕緣子是否發(fā)生永久性故障包括，在電弧熄滅后，繼續(xù)使用光纖光柵傳感器實時監(jiān)測針式瓷絕緣子表面和內部的殘余應力變化，并采集殘余應力數據；

40、所述殘余應力包括，在電弧放電結束后，仍然保留在材料內部的應力；

41、基于所述殘余應力數據，結合熱應力分布和歷史裂縫擴展數據，建立預測裂縫針式瓷絕緣子是否發(fā)生永久性故障的故障判斷模型；

42、故障判斷模型的公式表示為：

43、，

44、其中，表示位置在時間時裂縫發(fā)生永久性故障的概率，表示體積函數，表示殘余應力，表示熱應力分布函數，表示海維賽函數，表示裂縫擴展速率，表示裂縫擴展的臨界速率，表示裂縫擴展的臨界應力，表示用于控制公式中應力影響的調節(jié)參數，表示空間位置矢量，表示時間；

45、的值域為0到1。

46、作為本發(fā)明所述的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述預測裂縫針式瓷絕緣子是否發(fā)生永久性故障還包括：

47、當時，裂縫擴展的風險較低，針式瓷絕緣子的結構穩(wěn)定；

48、當時，裂縫擴展的風險增加，針式瓷絕緣子的結構穩(wěn)定；

49、當時，裂縫擴展的風險較高，針式瓷絕緣子結構不穩(wěn)定，但仍能使用，密切監(jiān)測；

50、當時，裂縫擴展的風險非常高，針式瓷絕緣子結構失效，立即更換。

51、一種基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測系統(tǒng)，其中：

52、傳感器布置模塊，在針式瓷絕緣子表面和裂縫周圍布置多個光纖光柵傳感器，確保這些傳感器能夠精準地采集應力和溫度數據；

53、數據采集與處理模塊，實時采集光纖光柵傳感器的數據，包括溫度、應力和應變信息；

54、熱應力計算模塊，基于實時采集的數據，結合熱傳導模型和機械應力模型，計算電弧放電過程中的熱應力分布；

55、裂縫擴展預測模塊，根據熱應力分布和歷史裂縫擴展數據，預測裂縫的擴展路徑和速度；

56、殘余應力評估模塊，在電弧熄滅后，監(jiān)測并分析殘余應力的變化，通過對殘余應力的評估，判斷裂縫是否會導致瓷絕緣子的永久性故障；

57、故障預測與預警模塊，基于裂縫擴展速度和殘余應力評估結果，預測瓷絕緣子的故障風險，并發(fā)出預警信號，提示需要進行檢修或更換。

58、本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的基于piif的瓷絕緣子裂縫的故障預測方法通過精準布置光纖光柵傳感器，實現(xiàn)了對瓷絕緣子裂縫的實時動態(tài)監(jiān)測和熱應力的精確計算，有效提升了對裂縫擴展路徑和速度的預測精度。此外，通過對電弧放電后殘余應力的持續(xù)監(jiān)測，能夠準確評估瓷絕緣子的長期結構穩(wěn)定性，及時預警潛在的永久性故障，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，減少意外停電和維護成本。