聲振技術在支柱絕緣子強度檢測中的應用

夏 超，吳章勤，楊曉紅

（1.華北電力大學 云南電網工作站，昆明 650217；2.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院金屬研究所，昆明 650217；3.華北電力大學 機械工程學院，保定 071003）

支柱絕緣子又稱瓷瓶，起支撐母線和絕緣的作用，通常受到風、雨、雪等環境帶來的影響，多數絕緣子的斷裂是由于安裝在其上的隔離開關動作產生的載荷帶來的疲勞失效，據相關電力部門的文件記載，已經發生過多起高壓支柱絕緣子開裂的事故，導致了人員的傷亡和巨大經濟損失。以往在瓷瓶入網前，會有相關的超聲探傷檢測，但常年的動作載荷及環境載荷必然帶來疲勞失效。由于電廠和變電站中大量使用支柱絕緣子，通常一個110kV的變電站就有帶隔離刀閘開關的絕緣子200個左右，傳統的超聲檢測需要在停電狀態下進行，作業時需要登高，操作程序繁鎖費時，兩人配合檢測時，約10min檢測一支。如圖1所示，因此尋求一種帶電狀態下可以快速檢測支柱絕緣子的技術迫切需要［1－2］。

支柱絕緣子的聲振檢測相比于超聲、射線等具有其獨特的優勢：① 針對于膠接的部件檢測較靈敏，檢測速度較快。② 由于絕緣子的整體強度與其固有頻率緊密相關，可以從整體上把握絕緣子的強度。③ 設備集成后較輕便，操作方法也很簡單，做成便攜式設備可帶電檢測絕緣子，作業者只需要通過絕緣桿將探頭接觸法蘭底部任意位置片刻即可，提高了帶電作業安全性，簡化了檢測操作步驟，這是較其它檢測方法所具有的優勢。

圖1 現場超聲檢測絕緣子

1 聲振檢測

1.1 原理介紹

聲振檢測是用聲頻激勵被測工件產生機械振動（聲波），測量被檢物的振動特性，分析其振動狀態，例如振幅、頻率、損耗、振動形式以及與物體振動方式有關的力阻抗等來判別被測件的狀況。在古代，人們就學會通過對瓷件的敲擊發出的聲音的清脆程度來判斷有無缺陷，這是聲振檢測的一種比較粗放式的檢測方法。現在的生活中，也經常發現人們敲西瓜和敲擊火車的輪軸來判斷是否有缺陷。通過相關的研究，可發現激勵工件產生的音頻與工件的結構、機械性能直接相關，因而可以據此判斷被檢物的內在質量，主要用于膠接結構與復合材料的檢測。其工件的自然頻率遵循如下表達式［3－4］：

式中：E為彈性模量；I為截面的慣性矩；KS為剪切剛度，ρI為旋轉慣量。

這些參量引起的頻率變化是近似線性的。構件局部有缺陷時，會引起EI、m、KS、ρI等變化，從而引起頻率的變化。因此這種頻率變化可以作為評估其整體質量的手段。

1.2 支柱絕緣子的簡易模型建立

由于廠家多數不提供瓷裙的尺寸信息，因此筆者通過測繪來建立模型，圖2，3是測繪電瓷XZP2－300KN型的支柱絕緣子的簡圖。絕緣子中大小傘裙共計27片，除外圓直徑不同外，其它尺寸一樣。

圖2 支柱絕緣子測繪基本尺寸

圖3 傘裙基本尺寸

由于支柱絕緣子分5個部分組成，從上到下的順序是上法蘭、膠接層、瓷體、膠接層和下法蘭，如圖4所示。

圖4 CAD建立模型

1.3 導入ANSYS進行計算

將CAD建立的模型以sat的文件形式導入ANSYS，添加材料參數，如圖5和表1所示。

圖5 結構示意圖

表1 材料參數表

逐一添加材料屬性后，設置邊界條件，設定底面為零位移面，如圖6所示。

求解模型，選取一定的頻率范圍，要求模態較明晰且邊界的模態間距較大，以方便測量與分析，例如表2所示。

圖6 設置約束條件

表2 完好模型各階模態信息

觀察第27，28，29階模態的頻率所在的頻率范圍為4 100～4 300Hz，此頻率范圍與就近的第26階與30階模態的頻率相差較大，因此可以選定此范圍作為頻率激勵范圍，觀察此3階模態的振動形式，如圖7所示。

圖7 完好模型的模態振動形式

圖8 設置缺陷位置

對模型加入人工缺陷，缺陷厚度3mm，缺陷橫截面積為柱體橫截面積一半，如圖8所示。

同樣求解得到模態信息，如表3所示選取第4，5，6階模態作為分析對象，也是因為此范圍內，模態頻率上下間隔較大，各階模態在此頻率范圍內集中度很低，有助于測量與分析缺陷信息。觀察這三階的振動形式，如圖9所示。

表3 有缺陷模型的各階模態信息

圖9 有缺陷模型的模態振動形式

對比圖7所示的振動形式，發現在設置缺陷后，4 000～4 500Hz的頻率范圍內的模態振動形式有了明顯變化，它們完全不存在如第29階的縱向振動樣式，且其他兩階振動多發生在上法蘭的部位，由于實際帶電檢測時，檢測裝置的作用點是在下法蘭底部，其測量對于縱向振動較敏感，在發生缺陷后，主要振動在上部，其傳遞給法蘭底部的振動信息必然微弱，即通過在4 000～4 500Hz頻率內某些振動拾取信號的缺失可以判斷絕緣子有無較大缺陷。

2 結論

聲振檢測實際是一種模態檢測，從理論分析出頻率與絕緣子的整體強度緊密相關，從模態上可以分辨正常狀態的絕緣子和缺陷絕緣子，利用缺陷絕緣子的頻率與標準庫中正常的絕緣子固有頻率相比較來判斷絕緣子的整體強度是否達到要求［5］。這項檢測技術相比于超聲與紅外檢測有獨特的優勢。它可以在帶電的情況下通過對絕緣子底部進行激勵來得到響應頻率，因此檢測過程動作簡單，由于是激勵發生快，響應得到也快，且得到的參數可直接進行整體強度判斷，無需逐一檢測工件，因此檢測時間短，這無疑減少了技術人員在變電站帶電檢測的時間和操作動作，因此大大提高了檢測效率和人員的安全性。

利用聲振技術檢測支柱絕緣子強度，其中主要的難點在于對有缺陷存在的絕緣子的判定范圍的設置，在試驗中選取合適的模態作為評定缺陷的依據將是后續工作的重點，這需要大量的試驗來得出一套標準，另外各種不同的支柱絕緣子要建立起標準庫還需要大量的工作。試驗將主要以110kV和220kV帶隔離刀閘開關的支柱絕緣子作為研究對象，隨后再擴展到500kV及各種瓷套管。在此從理論上提出聲振檢測對于支柱絕緣子的可行性，再逐步進入具體的研究。

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