基于共振聲學的瓷支柱絕緣子帶電檢測研究

鄧科 趙海濤 羅浪 田丁

摘 要：瓷支柱絕緣子對帶電部件起絕緣和支持的作用，是發電廠和變電站的重要組成設備，一旦發生事故會對電網造成嚴重的影響。本文主要研究了一種安全和易操作的基于共振聲學的瓷支柱絕緣子帶電檢測技術。通過SolidWorks建立典型瓷支柱絕緣子的模型并將其導入ANSYS進行模態和功率譜分析，研究了瓷支柱絕緣子有無缺陷及缺陷所在位置與其共振頻率之間的關系。結果表明，通過反饋信號某些振動頻率的特征可以很好的判斷支柱絕緣子有無缺陷和缺陷位置。

關鍵詞：共振；ANSYS；帶電檢測；模態；功率譜分析

0引言

國內外通常利用無損檢測診斷技術來判斷瓷支柱絕緣子是否完好。目前，用于檢測高壓瓷支柱絕緣子斷裂的無損檢測診斷技術有：紫外線檢測、紅外熱波、超聲波檢測、共振聲學檢測。前三種方法普遍存在安全性能低、測量工作復雜、測量成本高、測量不精細及抗干擾能力差等缺點。而共振聲學檢測法具有可帶電檢測、檢測效率高、操作簡便等優點。通過向絕緣子底部發射特殊激勵振動波，同時接收其振動反饋波，經專用軟件分析該反饋波形的頻譜，即可判斷該絕緣子是否有裂紋、裂紋大概部位，機械強度是否降低或喪失。因此為保證帶電檢測絕緣子的準確性、安全性和易操作性，本文提出了一種基于共振聲學的高壓瓷支柱絕緣子帶電檢測技術。通過SolidWorks建立典型瓷支柱絕緣子的模型并將其導入ANSYS進行模態和功率譜分析，研究了瓷支柱絕緣子有無缺陷及缺陷所在位置與其共振頻率之間的關系。

1檢測原理

模態是機械結構的固有振動特性，每個模態擁有其特定的固有頻率。這些模態參數可以由計算或試驗得到，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析，這個過程可以由ANSYS軟件取得。模態分析是結構設計及設備故障診斷的主要方法。

將支柱絕緣子響應看作承受著隨時間快速變化的動態載荷，包括彎曲、縱向和扭轉振動，三種振動方式的固有頻率方程如下：

彎曲振動： （ 由頻率方程得到）；

縱向振動： （ ，E為彈性模量有關）；

扭轉振動： （ ，這里G為剪切彈性模量）。

從三種振動的固有頻率公式不難發現，固有頻率與材料的特有屬性和待檢部件的形狀和安裝形式是緊密相關的。如果有缺陷存在的話，勢必會使得某些參數的變化，最終導致固有頻率改變。由于同一電壓等級絕緣子規格和安裝總體基本一致，即所謂的容差較小，只需要對比完好與有缺陷支柱絕緣子的固有頻率信息即可對整體的剛度做出判斷。利用頻率的改變能夠在絕緣子的任何一種振動形式中發現損傷。

2基于共振聲學的支柱絕緣子頻率偏移檢測模型

2.1瓷支柱絕緣子的SolidWorks模型

如表1所示為南京瓷瓶廠的一款典型110kV瓷支柱絕緣子尺寸，根據該尺寸在SolidWorks中建立其三維模型。表2是完好狀態的典型110kV瓷支柱絕緣子SolidWorks模型圖。

2.2缺陷的設置

支柱絕緣子的主要缺陷機理分為兩種：1.帶刀閘開關的絕緣子在運行的過程中受到一定開關動作產生的應力，產生疲勞損壞；2.在溫差變化較大的地區，絕緣子由于制作工藝的原因，材料的膨脹系數不同帶來的法蘭盤與瓷體的脫粘而產生缺陷。

本文主要研究支柱絕緣子中裂紋缺陷的探測，缺陷為在支柱絕緣子的不同位置設定了裂紋。本文設置的仿真缺陷如下：

1、下端瓷體缺陷：設置在下法蘭上邊沿與下端第一瓷裙之間，距離下法蘭上邊沿30mm位置。寬10mm，深度為5mm的整圓周裂紋；

2、上端瓷體缺陷：設置在上法蘭下邊沿與上段第一瓷裙中間，距離上法蘭下邊沿30mm位置。寬10mm，深度為5mm的整圓周裂紋；

3、上端法蘭缺陷：設置為距離上法蘭下邊沿20mm位置的局部不規則穿透；

4、下端法蘭缺陷：設置為距離下法蘭上邊沿20mm位置的局部不規則穿透。

接收反饋信號的位置在距支柱絕緣子底面0.10m處下法蘭的位置。

2.3模型導入ANSYS

將solidworks建立的模型導入ANSYS，添加材料參數。逐個添加材料屬性，完成邊界條件設置，對地面進行約束后劃分網格。考慮實際工程中支柱絕緣子的聯結狀態，底端通過法蘭固定在支撐立柱上，頂端用于支承帶電部件。因此，支柱絕緣子的仿真模型中邊界條件設置為：底端4個安裝孔對應區域與地面位移保持為零，絕緣子頂端面設置為自由狀態。

在做支柱絕緣子功率譜響應分析前，需先進行絕緣子振動模態分析，以了解絕緣子主要振動模態的頻率范圍，以設置合適的隨機振動頻率。

3仿真結果分析

3.1模態分析

求解模型，考慮到后期實驗室實物狀態下的模態數，設置模態階數為40，選取起始頻率設為1Hz，上截止頻率設置為3000Hz，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。完好與上、下瓷體缺陷三種狀態瓷支柱絕緣子的前40階振動模態，

對正常絕緣子及兩種瓷體缺陷的支柱絕緣子進行仿真模態分析，比較固有頻率的變化。為更清楚的觀察正常和缺陷支柱絕緣子的頻率差異，單獨繪制了12-17階次的振動模態，對比發現其波形范圍有明顯的差異，各階頻率隨著階次呈增加趨勢，相互階層的頻率差距較大。制造了缺陷之后的振動模態會發生一定的變化，相差最大的頻率可以達到100-150Hz，根據此頻率差異可以作為缺陷評判的手段。

3.2功率譜分析

由上述仿真結果可知，存在缺陷的支柱絕緣子振動模態發生了改變，但同階的變化較小。為了更清楚分辨出正常與缺陷支柱絕緣子瓷柱，本文又采用了仿真模擬輸入加速度的標準譜求解得到響應譜的方法，來觀察不同情況下絕緣子反饋信號的變化情況。仿真頻率從1Hz到10KHz。

為了方便的觀察變化，將4種缺陷與正常狀態絕緣子的功率譜響應進行對比，不難發現，缺陷設置離底部法蘭越近，所造成的響應差異越顯著。下方的瓷體及法蘭缺陷對支柱絕緣子的響應譜產生的影響非常顯著，上方的瓷體及法蘭缺陷對支柱絕緣子響應譜的影響較小。缺陷本身并不影響固有頻率峰值的分布，影響主要體現在幅值上面較大變化。當缺陷發生在遠離下法蘭的一側時，其傳遞給下法蘭接收裝置的振動信息必然較弱。根據某些頻率振動信號的特征可以較好的判定支柱絕緣子有沒有缺陷和缺陷的位置。

4結語

本文通過對完好和設置不同缺陷的支柱絕緣子進行模態和功率譜分析得知，下方瓷體及法蘭缺陷對支柱絕緣子的響應譜造成顯著差異，上方的瓷體及法蘭缺陷對支柱絕緣子響應譜影響較小。缺陷設置距底部法蘭越近，所造成響應差異越大。該檢測方法操作簡單、方便，最大限度地排除了人為誤差，保證了檢測人員的人身安全，可以快速準確地測量出缺陷位置，減少誤判。

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