支柱瓷絕緣子表面缺陷振動聲學法檢測的研究

張 昕，高 健，苗 興，李 軍，楊景建，李 輝，王炳慧

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050；2.國電靖遠發電有限公司，甘肅 白銀 730919)

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支柱瓷絕緣子表面缺陷振動聲學法檢測的研究

張 昕1，高 健1，苗 興1，李 軍1，楊景建1，李 輝1，王炳慧2

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050；2.國電靖遠發電有限公司，甘肅 白銀 730919)

〔摘 要〕闡述了支柱瓷絕緣子帶電和非帶電檢測方法及其原理，并就其對表面缺陷的檢測效果進行了對比分析，指出采用超聲相控陣檢測表面缺陷為目前非帶電檢測時的最佳選擇。分析了表面缺陷對支柱瓷絕緣子縱向振動模式下固有頻率的影響程度，探討了該檢測方法對支柱瓷絕緣子特定缺陷進行檢測的可行性。

〔關鍵詞〕支柱瓷絕緣子；表面缺陷；振動聲學法；檢測

0　引言

自開展高壓電力設備部件——隔離開關支柱瓷絕緣子(簡稱“絕緣子”)的檢測工作以來，檢測手段在不斷地豐富、更新。從生產階段的裝配前超聲波檢測(鑄鐵法蘭未裝配前的兩側端頭進行)、機械性能試驗和著色滲透檢測，到基建安裝和運行階段開展的常規超聲波爬波檢測、紫外電暈成像檢測、紅外熱成像檢測，以及近幾年推出的超聲相控陣檢測和振動聲學檢測，盡管各種檢測手段工作原理和檢測時機不同，但在一定程度上為保證電力設備安全運行發揮了作用。

按檢測時機，所有檢測技術可分為2大類：帶電和非帶電檢測，除紅外成像、紫外電暈成像和振動聲學法檢測為帶電檢測外，其余均為非帶電檢測。

絕緣子一般由鑄鐵法蘭、水泥和瓷體膠裝而成。據統計，國內95 %以上絕緣子斷裂發生在法蘭口內30 mm到第1傘群之間。因此，相關的檢驗檢測標準或規范均將重點檢測區域定義為上述范圍。

絕緣子受力主要來自導線、自身重量、運行操作以及各種氣象條件下的載荷(如溫差、風載、覆冰等)。從力學角度分析，所有載荷作用力最大點均在重點檢測區域的外表面。通過大量的事故分析數據得知，絕緣子事故斷裂主要由表面缺陷引起。因此，對絕緣子外表面缺陷的檢測顯得尤為重要。

1　檢測方法簡介

1.1帶電檢測

1.1.1紅外成像檢測

紅外成像檢測是通過對設備自身溫度變化引起紅外輻射能量的改變，對其進行監測來實現診斷的。絕緣子發熱主要是由于電壓致熱造成的，而電壓致熱主要與泄漏電流有關，一般受濕度、雨雪和風速等影響。電壓致熱型設備的熱像與電流致熱型設備的熱像有所不同，其發熱點溫度與正常點溫度差別較小，因此對電壓致熱型設備的檢測必須使用精確檢測。

1.1.2紫外電暈成像檢測

紫外電暈成像檢測也是一種帶電檢測方法，但受到檢測原理的限制，僅可適用于存在電暈放電的設備。然而，產生電暈放電的原因復雜，有時絕緣子存在的缺陷并不一定能夠產生電暈，有時設備產生電暈放電并不是因瓷瓶缺陷引起的，而且缺陷所處位置及氣象條件影響很大，一般無法檢出位于絕緣子下部的裂紋，這都對絕緣子自身缺陷判斷造成一定的困難。

然而，在實際檢測中，絕緣子表面缺陷只是造成溫升和電暈放電的一種原因；影響溫升和電暈放電的因素很多，除濕度、雨雪外，污穢也是一個重要影響因素，有時甚至是多種因素共同作用的。

1.1.3 振動聲學法檢測

振動聲學法檢測同樣是一種帶電檢測方法，工作原理是將絕緣子及其安裝附件視為1個單自由度的振動整體結構，采用壓電型激發器對絕緣子底部施加1個頻率為1 000-10 000 Hz的隨機振動(白噪聲)，并保證具有足夠的功率加載于絕緣子，接收單元采用壓電式加速度傳感器來接受其頻響信號。測量、數字化、識別和存儲絕緣子對1 000-10 000 Hz范圍內激發隨機振動的反應信息，由軟件對該信息進行處理，即可得出用于判斷絕緣子質量的判據。

1.2非帶電檢測

1.2.1常規超聲波爬波檢測

相控陣技術引入絕緣子檢測之前，常規超聲波爬波檢測是絕緣子表面缺陷非帶電檢測的最常用手段。當超聲波入射角接近第一臨界角時，被檢工件表面會產生沿工件表面下傳播的爬波，其傳播過程中如遇表面缺陷，會產生反射回波，通過測量回波，可實現對絕緣子表面缺陷的檢測。

超聲波爬波檢測波形始終伴隨著雜波的存在。在實際檢測過程中，超聲波束在工件內部的傳播過程中衰減極大，且雜波較多，雜波與缺陷波同步顯示在儀器屏幕上，檢測人員要不斷地區分非相關的雜波顯示和缺陷波顯示。在某些情況下，超聲波爬波檢測的雜波反射可達到缺陷波反射的一半。現場檢測時，操作人員對真正的缺陷反射波難以確定，容易漏檢，因此此方法基本無法進行聲程超過50 mm的檢測。

1.2.2超聲相控陣檢測

與常規超聲波爬波檢測相比，超聲相控陣檢測存在很大優勢。相控陣探頭晶片由多個陣元組成，各陣元按一定規律順序排列，構成超聲陣列探頭。通過分別控制單個陣元發射信號的波形、幅度和相位延遲，使各陣元發射的超聲子波束在空間疊加合成，從而達到發射的聲束聚焦和偏轉等效果。由于超聲相控陣檢測采集的信息更為豐富，可以實現被檢工件的3D仿真成像，形象反應缺陷在工件內的分布狀況。

由于超聲相控陣檢測的實時聚焦和偏轉特性，當波形顯示缺陷波與雜波反射當量差達12 dB以上且距離表面缺陷70 mm時，仍具有至少6 dB以上的反射當量差，優勢非常明顯。

2　振動聲學法檢測表面缺陷的可行性分析

2.1理論基礎

絕緣子振動聲學法檢測是基于結構振動模態頻域分析的一種無損檢測方法。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態都具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。根據俄羅斯斯涅任斯科公司生產的MИK-1振動探測儀操作手冊，得知該檢測方法中承載強度極限與其固有頻率存在如下關系：

其中：P0代表未損壞絕緣子的極限負載；

P1代表損壞絕緣子的極限負載；

I0代表未損壞絕緣子危險截面力矩；

I1代表損壞絕緣子危險截面力矩；

ω0代表未損壞絕緣子固有振動頻率；

ω1代表損壞絕緣子固有振動頻率。

式(1)是該檢測方法的理論基礎。反向推理，只有能夠引起絕緣子承載能力下降的缺陷，才是振動聲學檢測的目標。

按照MИК-1振動探傷儀廠家操作手冊進行如下實驗：選擇750 kV變電站支柱瓷絕緣子，在其重點檢測區域(下法蘭處)加工模擬表面人工缺陷(深6 mm，寬1.5 mm，長50 mm)，按照現場安裝方式，將此絕緣子分別正、倒置安裝，對其進行試驗室測試。測試結果如圖1，2所示(圖中縱坐標為相對譜強度，無量綱)。

圖1　缺陷正置(缺陷在下法蘭)

圖2　缺陷倒置(缺陷在上法蘭)

如果在瓷絕緣子下法蘭處存在裂紋，會出現低于基準駐波頻率(4 500 Hz)的附加頻譜極大值，其頻率極大值在1 000-2 000 Hz；如果在瓷絕緣子上法蘭處存在裂紋，則會出現高于基準駐波頻率(4 500 Hz)的附加頻譜極大值，但其頻率極大值在9 000-10 000 Hz。測試結果顯示：當絕緣子正置時，雖然在預定頻域1 000-2 000 Hz內出現缺陷顯示，但數據重復性不強，需要反復多次測試才會出現，因此代表性不強；當絕緣子倒置安裝時，則根本未在預定區域9 000-10 000 Hz內出現缺陷顯示。

2.2頻響功率譜密度

檢測儀器最終的評判依據是頻響功率譜密度，評價絕緣子質量是通過對功率譜密度分析來進行的。功率譜密度是從能量的角度來進行信號的頻域分析。根據文獻[4]，功率譜密度為功率在fk(被檢測結構k階諧振頻率)處的功率含量。測量信號經帶通濾波器，只有fk-Δf/2到fk+Δf/2的頻率成分可以通過，經平方、平均再除以Δf，便得到功率譜密度(Δf為諧頻之間的間距)。

連續改變中心頻率fk，便可在頻譜記錄儀上畫出功率譜密度圖。功率譜密度函數以包絡線內的瞬時振動頻率為中心頻率，其形狀類似1個尖脈沖。功率譜函數通常是對周期函數進行分析使用的，表現為離散譜；而對非周期函數和隨機函數，只能使用功率譜密度函數。

MИК-1振動探傷儀激發器對絕緣子施加1個白噪聲信號，使絕緣子及其安裝部件組成的結構產生振動。由于結構中各部件或部位對激勵的響應不同，接收端子接收整個結構對激勵的響應后，處理模塊對接收到的響應在1 000-10 000 kHz范圍內以一定的步長改變中心頻率，通過一系列運算得出功率譜密度曲線。

需要說明的是，MИК-1振動探傷儀的功率輸入分量對于每一頻率成分都是相同的，而其輸出譜則由于結構頻響函數的作用發生了變化。儀器所測得的功率譜密度曲線中包絡線內的尖脈沖(峰值)，是絕緣子及其相關部件所組成的振動結構，在1 000-10 000 kHz這個設定頻率范圍內對激勵響應的極大值。此時振動結構的作用如同一個窄帶濾波器，只有在設定的頻段內結構發生諧振才能獲得。這些峰值包括結構本身固有頻率的響應，以及存在的缺陷所引起的響應。因此，只有在缺陷存在時，功率譜密度才會產生一個明顯不同于基頻峰值的附加峰值，該檢測方法才成立。

針對這一情況，決定采用有限元分析法對振動聲學法檢測裂紋缺陷的振動模態進行分析。

2.3絕緣子縱向振動模態有限元分析

檢索發現，華北電力大學與云南電科院合作的項目做過類似研究。在分析過程中，絕緣子基本物理參數按照俄羅斯MИК-1振動聲學探傷儀操作說明設定，只設置1種缺陷(寬3 mm，面積為絕緣子橫截面積的一半)，結論認為：“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……不同的絕緣子要建立標準庫還需要大量的工作。”分析結果未對利用該方法檢測裂紋缺陷的有效性給予肯定結論。

利用固有頻率的改變來判斷零部件或結構質量的案例很多，多應用于零件分選、結構強度(剛度)分析等領域，與振動聲學法缺陷檢測相似，但并不相同。另外由于分析過程中缺陷設定過大(橫截面積的一半)，對整個結構影響過大，已不符合缺陷概念，產生了附加的彎矩和扭矩，偏離了缺陷檢測概念。在文獻[2]中，對隔離開關支柱瓷絕緣子的臨界裂紋尺寸有過詳細論述：長深比為10∶1時，對應的臨界裂紋尺寸最大值為4.2 mm； 長深比為4∶1時，對應的臨界裂紋尺寸最大值為5.0 mm。

在本次分析中，對110 kV，220 kV絕緣子分別進行了完好狀態和5種裂紋缺陷狀態下的振動固有頻率模態分析(與實際安裝狀態相同，下法蘭固定)。由于儀器是從絕緣子底部激發并測量，且根據相關資料分析，MИК-1振動探傷儀測定的主要是縱向振動的參量，故只分析縱向振動。以下介紹220 kV絕緣子的5種缺陷如表1所示，其縱向振動模態分析(見圖3)。

表1　220 kV絕緣子缺陷設定尺寸 mm

絕緣子基本物理參數均按“操作手冊”和“教材”(文獻[2])所提供2種條件設定，如表2，3所示。

圖3　220 kV絕緣子縱向振動模態分析

表2　基本物理參數(“操作手冊”)

表3　基本物理參數(“教材”)

220 kV絕緣子縱向振動模態參量見表4，不同缺陷對固有頻率的影響如圖4和5所示。

表4　220 kV絕緣子縱向振動模態參量 Hz

分析上述結果，可以得出如下結論。

(1)缺陷的存在會使絕緣子縱向振動固有頻率降低(實際上所有模式均有降低，這里只列出了與振動聲學法檢測有關的數據)，但缺陷的存在并沒有使諧振固有頻率產生突變。

(2)缺陷的存在基本沒有引起在絕緣子長度方向的振幅及分布規律產生明顯的變化，說明缺陷并沒有引起振動能量分配產生突變，繼而在功率譜密度產生缺陷顯示。

(3)絕緣子基本物理參數的改變，特別是彈性模量的改變，會使各種振動模式下的固有頻率產生突變，這個結論也符合式(1)的理論。

圖4　不同缺陷對縱向振動第1頻率影響

圖5　不同缺陷對縱向振動第2頻率影響

3　 結論

(1)在絕緣子表面缺陷檢測的2大類中：超聲相控陣檢測無論從缺陷檢出靈敏度，還是顯示的信噪比，均明顯優于傳統超聲爬波檢測，為非帶電檢測的最佳方法。

(2)紅外成像檢測能夠檢測絕緣子溫升，但溫升原因較多；紫外成像檢測由于限制于缺陷的部位，受環境因素的影響較大。因此，以上2種方法尚無法保證能夠有效檢出絕緣子的所有表面缺陷。

(3)通過絕緣子縱向振動模態有限元分析，認為絕緣子表面缺陷會導致其縱向諧振固有頻率發生改變，但由于絕緣子本身生產條件，每個絕緣子的固有諧振頻率不盡相同，缺陷導致頻率下降的幅度不足以作為缺陷存在的判定依據。

(4)絕緣子產生的缺陷如果能夠引起整個振動結構(包括絕緣子串、基座和相關聯的各部件)的強度或剛度發生改變，如“操作手冊”所述：下降50 %，則針對此類缺陷，振動聲學檢測具有更明顯的優勢。

(5)通過理論和有限元分析的手段，對振動聲學法檢測絕緣子表面缺陷的可行性進行了初步探討。必須指出，由于“操作手冊”提到該檢測法適用于110-220 kV絕緣子檢測，分析可能主要是受到激發器能量及拾振器靈敏度的制約。至于更高等級或多個絕緣子串聯的情況下是否能夠進行有效的檢測，有待于更進一步的實驗加以驗證。因此，下一步研究工作主要是對振動聲學法檢測激發能力進行強化，改進傳感器，并采用頻譜分析儀對多階諧振頻率和振幅進行測定，以期發現更為準確的缺陷判定標準；開發實時在線監測裝置，對主要的支柱瓷絕緣子承載能力實施全時段監測和網絡監控，確保其安全穩定運行。

參考文獻：

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張 昕(1965-)，男，高級工程師，主要從事電網設備狀態監測及帶電設備檢測研究，email：singzh2004@qq.com。

高 健(1980-)，男，高級工程師，主要從事電網設備帶電設備檢測研究。

苗 興(1958-)，男，高級工程師，主要從事電網設備事故分析及帶電設備檢測研究。

李 軍(1981-)，男，高級工程師，主要從事電網設備事故分析及狀態監測研究。

楊景建(1977-)，男，高級工程師，主要從事電網設備無損檢測及狀態監測研究。

李 輝(1985-)，男，助理工程師，主要從事電力設備無損檢測及失效分析。

王炳慧(1981-)，男，工程師，主要從事電力設備無損檢測及失效分析。

作者簡介：

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-10。