振動聲學法在瓷支柱絕緣子檢測中的應用

馬 崇，程 明

(天津市電力科學研究院，天津 300384)

瓷支柱絕緣子是電網和發電廠電氣設備的重要部件。由于設計、制造、安裝、維護檢修不當，以及運行中惡劣環境的影響等原因，容易造成瓷支柱絕緣子失效斷裂，危及電網的安全運行。因此，加強對電網在役瓷支柱絕緣子檢測和質量評價，對確保電網的安全可靠經濟運行至關重要。長期以來電力系統采用傳統定期試驗方法(預防性試驗)來檢測高壓設備瓷支柱絕緣子，但是該試驗需要在停電時進行，如果停電周期安排不當，會致使大量絕緣子在臨界極限狀態甚至超限狀態下運行；且定期的電網斷電，將給國民經濟造成損失。振動聲學法是一種現代化診斷方法，該方法可以在不斷電的條件下詳細檢測瓷制件內部和外部的缺陷情況。

1 振動聲學法檢測原理

瓷支柱絕緣子保持機械強度的基本判據是其特征頻率在時間上的不變化特質。通過使用ansys軟件對瓷支柱絕緣子模型進行研究可得：絕緣子的振動在大多數情況下出現在基礎頻率上，約為4 kHz；當向其底部法蘭加動態力(非運動力)載荷時，該振動包含絕緣子動態特性的完整信息；當絕緣子底部法蘭區域有缺陷(裂紋)時，導致出現低于基礎頻率的頻率分量；而在上部法蘭區域有缺陷(裂紋)時，導致出現高于基礎頻率的頻率分量。瓷支柱絕緣子的機械狀態可以按照其機械強度即承載能力(瓷支柱絕緣子破壞時的最小受力)來判斷，而瓷支柱絕緣子的機械強度值可以通過對絕緣子施加的一定頻率激勵聲波，評估絕緣子隨機械振動作用的反應功率頻譜加以判斷。瓷支柱絕緣子的承載能力或發生破壞極限載荷，按照以下公式計算：

P1/P0=(ω1/ω0)2

式中：P0為未破損絕緣子的極限載荷；P1為破損絕緣子的極限載荷；ω0為未破損絕緣子的振動反應頻譜的中心頻率； ω1為破損絕緣子的振動反應頻譜的中心頻率。

由上式可以看出，對瓷支柱絕緣子加載隨機振動，有缺陷(裂紋)的絕緣子會出現不同于基礎頻率的頻率分量，根據其頻譜的中心頻率，可以評估絕緣子的機械狀態，即通過評估支柱絕緣子對激勵聲波的反應頻譜來確定支柱絕緣子是否已經損壞。

2 振動聲學法的檢測過程及結果

2.1 檢測過程介紹

一套完整的瓷支柱絕緣子振動聲學檢測系統包括：激勵源(隨機振動的激發器)、信號接收設備(用于記錄、存儲絕緣子對激勵的響應)、結果分析系統(用來分析檢測結果的軟件包)。使用時，將帶螺桿的絕緣桿螺栓頭固定于儀器面板的螺紋孔內，然后將儀器靠近被檢測絕緣子的底部法蘭，并使探針盡量與法蘭底面垂直，用力抵住法蘭，直到儀器提示“測試結束”。使用專用數據線將檢測數據傳輸于PC機，用專用分析軟件顯示出該瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖，并進行分析。按照國家電網公司《72.5 kV及以上電壓等級支柱瓷絕緣子技術監督規定》要求,實際工作中只對110 kV及以上電壓等級變電站的瓷支柱絕緣子進行檢測，由于各種電壓等級的瓷支柱絕緣子在結構和成分上存在相似性，以下僅以110 kV變電站瓷支柱絕緣子為例進行分析。

2.2 檢測結果分析

2.2.1 機械狀況良好的瓷支柱絕緣子

通過對振動聲學物理基礎的研究，認為機械狀況良好的瓷支柱絕緣子，只要采用符合標準的生產工藝，無論是哪個廠家生產，都有在頻率4 kHz區域單峰值的振動功率譜密度評定圖。圖1為機械狀況良好的110 kV瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖，此圖在4.5 kHz左右的頻率區域內出現單峰值。

圖1 機械狀況良好瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

在實際檢測中，受檢測環境的影響，如果絕緣子的振動功率譜密度評定圖只在3～6 kHz的頻率范圍內出現波峰，一般認定其機械狀態良好。

2.2.2 底部法蘭區域有缺陷瓷支柱絕緣子

底部法蘭區域有缺陷的絕緣子，在振動功率譜密度評定圖上，除了頻率4 kHz的基本峰外，還有在1～3 kHz頻率區域的峰值。如圖2所示，此絕緣子的振動功率譜密度評定圖除在4 kHz處出現波峰外，在1.2 kHz頻率處出現了較高的波峰。

圖2 底部法蘭區域有缺陷瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

2.2.3 頂部法蘭區域有缺陷瓷支柱絕緣子

頂部法蘭區域有缺陷的絕緣子，在振動功率譜密度評定圖上，除了頻率4 kHz的基本(決定性的)峰外，還有在8～10 kHz頻率區域的峰值，甚至有時其基本峰波高很小甚至在其振動功率譜密度評定圖上無法觀察到。如圖3所示，在此絕緣子的振動功率譜密度評定圖上已無法辨識其基本峰，但在8 kHz頻率處出現了較高的波峰。

圖3 頂部法蘭區域有缺陷瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

3 振動聲學法的應用效果及檢測注意事項

3.1 應用效果

采用振動聲學法對大量的瓷支柱絕緣子進行現場試驗，試驗結果與理論研究相吻合，機械狀態良好、頂部法蘭區域有缺陷、底部法蘭區域有缺陷瓷支柱絕緣子的實測振動功率譜密度評定圖與理論研究相一致，取得了良好的應用效果。

3.2 檢測注意事項

由于實際檢測環境較復雜，檢測人員手法、周圍環境的變化均會對絕緣子的振動功率譜密度評定圖產生影響,如產生雙峰等。在對絕緣子的振動功率譜密度評定圖進行分析時，只考慮波高較高的峰，與主峰高度相差過大的峰可能是由于環境或檢驗人員的手法不當造成的，在此不做研究。所有試驗均采用在絕緣子底法蘭處加載隨機振動的方法。

3.2.1 絕緣子與周圍物體的連接狀況

在役瓷支柱絕緣子使用螺桿等連接裝置固定于塔桿等構架上，與其連接的周圍物體對其振動頻率的影響較小，其振動功率譜密度評定圖與理論研究相吻合程度較高。但是對于待驗收的瓷支柱絕緣子，通常未與塔桿等構架相連接，其放置方式對于其振動功率譜密度評定圖有一定的影響。進行如下試驗：隨機選取20根機械狀態良好的110 kV瓷支柱絕緣子，當其按照相應標準與塔桿等構架相連時，其振動功率譜密度評定圖大致如圖1所示；使20根瓷支柱絕緣子直立于地面上時，有10根瓷支柱絕緣子的振動功率譜密度評定圖出現如圖4的雙波峰狀況，考慮是大地的回波造成的雙波峰，但此種狀況不影響結果的判定；使20根瓷支柱絕緣子平躺于地面上時，有6根絕緣子的振動功率譜密度評定圖出現如圖5所示的狀況，由該圖推斷此絕緣子的機械狀況較差，但實際此絕緣子機械狀況良好，考慮是大地造成的影響。

圖4 直立狀態下的瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

圖5 平躺狀態下的瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

由此可知，在役的瓷支柱絕緣子，可以按照正常方法進行檢測；待驗收的瓷支柱絕緣子，建議將絕緣子直立進行檢測，盡量減少周圍連接物對檢測結果的影響。

3.2.2 溫度

試驗證明，機械狀態良好的瓷支柱絕緣子在任何溫度下的振動頻率組分都變化不大，溫度變化時其機械強度仍保持在原有水平上，其振動功率譜密度評定圖大致如圖1所示。

對于存在缺陷的絕緣子，溫度會影響其機械狀態，從而使同一絕緣子的振動功率譜密度評定圖在不同溫度下呈現不同的狀態。華北大部分地區年最低氣溫在-20 ℃以上，根據這一地區的溫度特點，分別在20 ℃、10 ℃、0℃、-10 ℃、-20 ℃的溫度下測試大量存在缺陷的絕緣子的機械狀態，試驗結果顯示，當溫度從20 ℃過渡到-20 ℃時，除少量絕緣子的振動功率譜密度評定圖無變化外，絕大多數的絕緣子的機械強度增加或者減小，但其強度增加量或減小量不足以影響對其機械狀態的判斷。

絕緣子機械強度的增加可能是由于絕緣子里存在著某些不能使其破損的水分，而且由于這些水分的凍結導致了絕緣子機械強度的增加；鑄鐵和陶瓷間存在某些不均勻(疏松性)縫隙，由于溫度降低時鐵和陶瓷的不同線性膨脹系數使這些縫隙密實了，也就提高了絕緣子的機械強度。存在缺陷的絕緣子在直立狀態下從20 ℃過渡到-20 ℃時機械強度增加的典型振動功率譜密度評定圖見圖6。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖6可見，當溫度由高到低變化時，其基礎頻率(4 kHz左右)波峰出現，且1～2 kHz區域波峰高度顯著減低，絕緣子的機械強度增強，但是仍然可以根據此絕緣子在各種溫度下的振動功率譜密度評定圖判定該絕緣子底部存在缺陷。 絕緣子機械強度的減小可能是由于絕緣子受冷收縮，其裂紋間隙變大，剛度減小。存在缺陷的絕緣子在直立狀態下從20 ℃過渡到-20 ℃過程中機械強度減小的典型振動功率譜密度評定圖見圖7。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖7可見，溫度從20 ℃過渡到-20 ℃時，絕緣子上部法蘭區域損傷顯著增大，在任何溫度條件下，都可以判斷該絕緣子的機械狀態較差。溫度對絕緣子機械狀態的影響無明顯規律，當絕緣子的溫度經0 ℃過渡時，其機械強度的變化情況無法確定，但其機械強度變化量不足以影響對絕緣子機械狀態的判斷。

4 結論

a. 機械狀態良好的絕緣子的振動功率譜密度評定圖只在3～6 kHz頻率范圍內出現峰值，底部法蘭處有缺陷的絕緣子會在1～2 kHz頻率范圍內出現峰值，頂部法蘭處有缺陷的絕緣子會在8～10 kHz頻率范圍內出現峰值，這一試驗結果與理論研究相吻合。對于其他頻率范圍內出現峰值，應根據實際的振動功率譜密度圖和現場實際情況進行判斷。

b. 振動聲學法既可以用來檢測在役瓷支柱絕緣子,也可以用來檢測待驗收的瓷支柱絕緣子,但檢測方法不同,在役瓷支柱絕緣子可按正常方法檢測,待驗收瓷支柱絕緣子需將絕緣子直立進行檢測。

c. 溫度對檢測結果存在影響，但溫度變化時機械強度的變化量不足以影響對絕緣子機械狀態的判斷，在任何情況下都可以將絕緣子的缺陷檢出。但是為對絕緣子的機械狀態做出充分評估，建議在條件允許的狀況下要在其溫度從負過渡到正時做出充分考查。