運(yùn)用振動(dòng)聲學(xué)原理實(shí)時(shí)在線檢測瓷支柱絕緣子缺陷

繆春輝，王若民，陳國宏，施 鵬，陳東風(fēng)

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2.天津市科遠(yuǎn)系統(tǒng)工程有限公司，天津 300384）

支柱絕緣子是發(fā)電廠和變電站運(yùn)行設(shè)備的重要組成部分，大量使用在電力系統(tǒng)中的瓷支柱絕緣子起著支撐導(dǎo)線、斷路器和高壓開關(guān)的作用，一旦斷裂會(huì)引發(fā)大面積短路、接地事故，甚至造成附近工作人員的傷亡［1］。

支柱絕緣子在運(yùn)行和操作中受損傷是產(chǎn)生缺陷并斷裂的主要原因，產(chǎn)品質(zhì)量不高是絕緣子斷裂的內(nèi)在原因［2］。預(yù)防絕緣子斷裂的關(guān)鍵是在絕緣子運(yùn)行過程中，提前檢出它們外部和內(nèi)部各種裂紋及機(jī)械強(qiáng)度降低引起的缺陷，并根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，從而避免事故的發(fā)生。為了有效檢測出瓷支柱絕緣子裂紋，國內(nèi)外開展了不少無損研究工作。目前國內(nèi)廣泛使用的是振動(dòng)聲學(xué)探傷方法［3－6］，其通過檢測瓷支柱絕緣子固有頻率，根據(jù)物體固有頻率不變的特性，來判斷該瓷支柱絕緣子的機(jī)械狀況是否發(fā)生變化，該方法相對于時(shí)有誤判的超聲波探傷法有著極大的優(yōu)勢［7－10］，目前已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域［11－15］。但該方法也有弊端，利用該方法檢測所得結(jié)果只能反映支柱絕緣子在某一時(shí)刻的性能狀態(tài)，如果在兩個(gè)檢測周期之間絕緣子發(fā)生損傷，將迅速發(fā)展成為斷裂，而如果大大縮短檢測周期，對絕緣子高頻次檢測，將耗費(fèi)大量的人力物力。此外，環(huán)境溫度的變化往往導(dǎo)致絕緣子缺陷的不可見，并且只在某一溫度下測量，所得結(jié)果并不能代表絕緣子真實(shí)的狀態(tài)。利用振動(dòng)聲學(xué)探傷結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測，是解決此問題的有效途徑。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對整個(gè)變電站瓷支柱絕緣子進(jìn)行在線監(jiān)測，既節(jié)約人力物力，還避免了環(huán)境變化造成的誤判以及手動(dòng)操作帶來的誤差。當(dāng)絕緣子出現(xiàn)異常時(shí)后臺(tái)軟件能及時(shí)報(bào)警，從而避免事故的發(fā)生。

1 振動(dòng)聲學(xué)方法實(shí)時(shí)在線檢測

1.1 振動(dòng)聲學(xué)探傷機(jī)理

瓷支柱絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度和它的頻率特性緊密相關(guān)。像任何其他材料一樣，瓷材料有個(gè)應(yīng)力極限，超過這個(gè)極限會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞（極限強(qiáng)度）。絕緣子的損壞程度可表示為損壞絕緣子極限載荷和未損壞絕緣子極限載荷之比的形式，關(guān)系式如下［16］：

式中：P0為未損壞絕緣子極限載荷；P1為損壞絕緣子極限載荷；I0為未損壞絕緣子危險(xiǎn)斷面的慣性靜力矩；I1為損壞絕緣子危險(xiǎn)斷面的慣性靜力矩；ωi0為未損壞絕緣子自有振動(dòng)頻率；ωi1為損壞絕緣子自有振動(dòng)頻率；i為絕緣子振動(dòng)的固有形狀（i＝1，2，…）。

分析關(guān)系式可知，在絕緣子的任何一種振動(dòng)形式中均可以發(fā)現(xiàn)損傷。當(dāng)向絕緣子底部加動(dòng)態(tài)力（非運(yùn)動(dòng)力）載荷時(shí)，該振動(dòng)包含絕緣子動(dòng)態(tài)特性的完整信息，與此同時(shí)，絕緣子底部法蘭有缺陷（裂紋）時(shí)，導(dǎo)致絕緣子振動(dòng)峰值低于固有頻率，而上部法蘭區(qū)域的缺陷引起的振動(dòng)峰值高于固有頻率。

用振動(dòng)聲學(xué)方法檢測支柱絕緣子自由振蕩頻率或絕緣子振動(dòng)的諧振頻率，按絕緣子振動(dòng)頻譜評(píng)價(jià)其性能，進(jìn)而評(píng)價(jià)瓷支柱絕緣子承載力是否符合要求，實(shí)現(xiàn)絕緣子剛性性能（機(jī)械力學(xué)）檢測。通過對支柱瓷絕緣子的固有頻率進(jìn)行采集，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行匹配分析，能夠全面快捷高效地得出準(zhǔn)確測試結(jié)果，可直觀地判斷支柱絕緣子是否存在缺陷損傷。

1.2 無線傳輸系統(tǒng)的組成

圖1為瓷支柱絕緣子機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)組成示意，根據(jù)瓷支柱絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度與固有頻率的不變特性，在每支需要檢測的絕緣子底法蘭上，安裝一個(gè)采集模塊對瓷支柱絕緣子的固有頻率進(jìn)行監(jiān)測。然后，利用無線通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)上的軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及控制，最后將危險(xiǎn)的瓷支柱絕緣子篩選出來，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)變電站的瓷支柱絕緣子的在線監(jiān)測，從而保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

圖1 瓷支柱絕緣子在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由無線激振采集模塊、中繼模塊、無線信號(hào)接收中心站及后臺(tái)分析軟件平臺(tái)組成。每個(gè)中心站可以與若干個(gè)中繼通訊，每個(gè)中繼可與若干個(gè)采集模塊通訊，每個(gè)采集模塊可以采集振動(dòng)信號(hào)參數(shù)。

（1）無線激振采集模塊

每個(gè)模塊有其唯一的編碼地址作為瓷支柱絕緣子的標(biāo)識(shí)，將裝有強(qiáng)磁鐵的無線激振采集模塊吸附在瓷支柱絕緣子底法蘭上，該無線激振采集模塊內(nèi)部的微處理芯片產(chǎn)生振動(dòng)脈沖，經(jīng)功率放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理后，驅(qū)動(dòng)力激發(fā)器產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，此振動(dòng)信號(hào)施加到被測瓷支柱瓷絕緣子上，使被測瓷絕緣子發(fā)生縱向振動(dòng)，同時(shí)接收該瓷支柱絕緣子的振動(dòng)回波信號(hào)，采集信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后利用無線技術(shù)將此數(shù)據(jù)連同該模塊編碼地址一同發(fā)送出去。

（2）中繼模塊

負(fù)責(zé)接收無線激振采集模塊的數(shù)據(jù)和編碼地址，并將數(shù)據(jù)和編碼地址遠(yuǎn)傳（轉(zhuǎn)發(fā)）給中心站。

（3）中心接收站

接收分組內(nèi)的中繼數(shù)據(jù)并通過串口輸出至PC機(jī)。

（4）后臺(tái)分析軟件

負(fù)責(zé)將接收的瓷支柱絕緣子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，當(dāng)數(shù)據(jù)超過警戒值時(shí)控制報(bào)警系統(tǒng)通知工作人員。采集的數(shù)據(jù)存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，工作人員可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、查閱歷史數(shù)據(jù)、同時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，分析瓷支柱絕緣子的機(jī)械性能發(fā)展曲線。

1.3 激振采集工作方式

將由激發(fā)器和采集器組成的換能器組通過強(qiáng)磁鐵吸附在瓷支柱絕緣子底法蘭上，并將線束與激振采集節(jié)點(diǎn)連接。無線激振采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的微處理芯片產(chǎn)生1～10KHz白噪脈沖，經(jīng)功率放大器放大處理后，驅(qū)動(dòng)力激發(fā)器會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，此振動(dòng)信號(hào)施加到被測瓷支柱瓷絕緣子上，使被測瓷絕緣子發(fā)生縱向振動(dòng)。

2 實(shí)時(shí)監(jiān)測與狀態(tài)分析

系統(tǒng)基于無線網(wǎng)絡(luò)并根據(jù)設(shè)定的時(shí)間節(jié)點(diǎn)自動(dòng)對瓷支柱絕緣子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（也可實(shí)時(shí)手動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集），并對采集的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，當(dāng)判斷絕緣子狀態(tài)超過警戒值時(shí)通知工作人員進(jìn)行處理，同時(shí)將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以便系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展?fàn)顟B(tài)分析。

由于每次數(shù)據(jù)采集的位置一致，在瓷支柱絕緣子運(yùn)行狀態(tài)不變的情況下，其采集數(shù)據(jù)的分析圖譜基本一致；而在瓷支柱絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化后，瓷支柱絕緣子的分析圖譜主峰會(huì)發(fā)生偏移，而缺陷峰值也會(huì)變大。因此在對瓷支柱絕緣子運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析時(shí)，可根據(jù)分析圖譜的主峰偏移與缺陷峰的峰值變化來展現(xiàn)瓷支柱絕緣子的機(jī)械性能變化情況。因此對每只瓷支柱絕緣子一段時(shí)間內(nèi)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，便可得出瓷支柱絕緣子在這段時(shí)間內(nèi)的機(jī)械性能發(fā)展變化曲線，通過發(fā)展變化曲線便可直觀地得出瓷支柱絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 監(jiān)測曲線圖

2.1.1 曲線圖譜

實(shí)時(shí)分析上傳的檢測數(shù)據(jù)，并對分析結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，以便在狀態(tài)分析中，對每個(gè)瓷支柱絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)展進(jìn)行分析對比。波幅在2.5～6KHz之間的波峰屬于正常波形，如圖2（a）所示；波幅在2KHz以下，8KHz以上出現(xiàn)明顯波峰，那么被測瓷支柱絕緣子存在缺陷，如圖2（b）所示。

2.1.2 發(fā)展曲線圖譜

利用軟件對檢測得到的數(shù)據(jù)尋找峰值，對于僅在2.5～6K 有波峰的檢測圖譜，定義其代表的性能指數(shù)為0～1，對于波峰出現(xiàn)在2K 以下或8K 以上的檢測圖譜，性能指數(shù)為－1～0，具體數(shù)值由峰值偏離的程度決定。圖3展示了兩個(gè)瓷支柱絕緣子的性能指數(shù)隨時(shí)間的發(fā)展曲線，圖3（a），（b）分別代表了正常絕緣子和存在缺陷的絕緣子在6周左右的時(shí)間內(nèi)狀態(tài)的變化情況（每8h采集1次數(shù)據(jù)）。從圖3可以看出，在線監(jiān)測可以連續(xù)評(píng)估支柱絕緣子的性能狀態(tài)，無論是對于正常絕緣子或者存在缺陷的絕緣子，不同時(shí)間采集的數(shù)據(jù)具有較高的一致性。如果受監(jiān)測支柱絕緣子萌生了損傷，監(jiān)測系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并作出警示，規(guī)避了單獨(dú)檢測時(shí)，兩個(gè)檢測周期之間發(fā)生斷裂的不可觀測性。

圖2 有無缺陷的絕緣子檢測數(shù)據(jù)圖譜

圖3 有無缺陷的絕緣子發(fā)展圖譜

2.2 在線監(jiān)測與SCT－I探傷儀的單獨(dú)檢測圖譜比較

在線監(jiān)測能夠?qū)崟r(shí)顯示檢測數(shù)據(jù)分析圖譜，并且具有檢測位置一致性、發(fā)送振動(dòng)信號(hào)一致性的特點(diǎn)，排除了數(shù)據(jù)采集時(shí)的人為干擾，減少了檢測數(shù)據(jù)的干擾因素，保證了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖4 SCT－I探傷儀在不同時(shí)間點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)圖譜，和在線監(jiān)測中同一絕緣子在不同時(shí)間點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)圖譜

圖4（a），（b）為SCT－I探傷儀在不同時(shí)間點(diǎn)檢測的數(shù)據(jù)圖譜，從圖中可看出分析圖譜在絕緣子性能穩(wěn)定的情況下，分析結(jié)果一致，但曲線圖譜會(huì)有細(xì)微的差別，這是由于人為操作檢測及檢測位置的細(xì)微變化造成的影響。圖4（c），（d）為在線監(jiān)測中同一絕緣子在不同時(shí)間點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)圖譜，從圖中可看出，在絕緣子性能穩(wěn)定的情況下，曲線圖譜基本保持一致。

2.3 溫度對絕緣子頻譜圖的影響

圖5給出了某絕緣子的振動(dòng)功率譜密度圖，當(dāng)每晝夜平均溫度從正過渡到負(fù)時(shí)，在底部法蘭區(qū)域出現(xiàn)了顯著的損傷，該絕緣子的承載能力減少9倍。造成以上現(xiàn)象的原因是：絕緣子或者存在疏松的加強(qiáng)縫隙，在每晝夜平均溫度經(jīng)過零度時(shí)，吸收了水分，裂紋中存在著不致使絕緣子被破壞的水分，氣溫達(dá)到－8 ℃時(shí)水分結(jié)晶，形成孔隙，剛度改變，這個(gè)現(xiàn)象被絕緣子振動(dòng)功率譜密度圖所跟蹤觀察。

這種現(xiàn)象表明，對絕緣子要做出決定性的評(píng)判時(shí)，需要在不同溫度下充分考察。因此，相對于SCT－I探傷儀的單獨(dú)檢測圖譜，利用實(shí)時(shí)在線檢測結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，可以更加準(zhǔn)確而全面地判定支柱絕緣子的狀態(tài)。

圖5 某110kV 瓷支柱絕緣子在不同溫度下的振動(dòng)功率譜密度評(píng)定。

3 結(jié)論

利用振動(dòng)聲學(xué)原理實(shí)時(shí)在線檢測支柱絕緣子缺陷，由于前端采集裝置采用定點(diǎn)安裝的形式，所以在數(shù)據(jù)采集時(shí)排除了人為干擾以及環(huán)境溫度變化的因素，保證了每次數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和全面性；通過對每次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，可真實(shí)得出被測瓷支柱絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)變化情況，當(dāng)瓷支柱絕緣子運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，能夠及時(shí)被系統(tǒng)捕捉，并報(bào)警通知工作人員，從而避免事故的發(fā)生。

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