運用振動聲學原理實時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

（1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，合肥 230601；2.天津市科遠系統工程有限公司，天津 300384）

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

支柱絕緣子在運行和操作中受損傷是產生缺陷并斷裂的主要原因，產品質量不高是絕緣子斷裂的內在原因［2］。預防絕緣子斷裂的關鍵是在絕緣子運行過程中，提前檢出它們外部和內部各種裂紋及機械強度降低引起的缺陷，并根據具體情況采取相應的補救措施，從而避免事故的發生。為了有效檢測出瓷支柱絕緣子裂紋，國內外開展了不少無損研究工作。目前國內廣泛使用的是振動聲學探傷方法［3－6］，其通過檢測瓷支柱絕緣子固有頻率，根據物體固有頻率不變的特性，來判斷該瓷支柱絕緣子的機械狀況是否發生變化，該方法相對于時有誤判的超聲波探傷法有著極大的優勢［7－10］，目前已廣泛應用于多個領域［11－15］。但該方法也有弊端，利用該方法檢測所得結果只能反映支柱絕緣子在某一時刻的性能狀態，如果在兩個檢測周期之間絕緣子發生損傷，將迅速發展成為斷裂，而如果大大縮短檢測周期，對絕緣子高頻次檢測，將耗費大量的人力物力。此外，環境溫度的變化往往導致絕緣子缺陷的不可見，并且只在某一溫度下測量，所得結果并不能代表絕緣子真實的狀態。利用振動聲學探傷結合無線網絡技術，進行在線實時檢測，是解決此問題的有效途徑。無線網絡技術還可以實現同時對整個變電站瓷支柱絕緣子進行在線監測，既節約人力物力，還避免了環境變化造成的誤判以及手動操作帶來的誤差。當絕緣子出現異常時后臺軟件能及時報警，從而避免事故的發生。

1 振動聲學方法實時在線檢測

1.1 振動聲學探傷機理

瓷支柱絕緣子的機械強度和它的頻率特性緊密相關。像任何其他材料一樣，瓷材料有個應力極限，超過這個極限會導致結構破壞（極限強度）。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斷面的慣性靜力矩；I1為損壞絕緣子危險斷面的慣性靜力矩；ωi0為未損壞絕緣子自有振動頻率；ωi1為損壞絕緣子自有振動頻率；i為絕緣子振動的固有形狀（i＝1，2，…）。

分析關系式可知，在絕緣子的任何一種振動形式中均可以發現損傷。當向絕緣子底部加動態力（非運動力）載荷時，該振動包含絕緣子動態特性的完整信息，與此同時，絕緣子底部法蘭有缺陷（裂紋）時，導致絕緣子振動峰值低于固有頻率，而上部法蘭區域的缺陷引起的振動峰值高于固有頻率。

用振動聲學方法檢測支柱絕緣子自由振蕩頻率或絕緣子振動的諧振頻率，按絕緣子振動頻譜評價其性能，進而評價瓷支柱絕緣子承載力是否符合要求，實現絕緣子剛性性能（機械力學）檢測。通過對支柱瓷絕緣子的固有頻率進行采集，再經過數據處理后進行匹配分析，能夠全面快捷高效地得出準確測試結果，可直觀地判斷支柱絕緣子是否存在缺陷損傷。

1.2 無線傳輸系統的組成

圖1為瓷支柱絕緣子機械狀態在線監測系統組成示意，根據瓷支柱絕緣子的機械強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，安裝一個采集模塊對瓷支柱絕緣子的固有頻率進行監測。然后，利用無線通訊技術將數據發到遠端計算機，通過計算機上的軟件對采集的數據進行分析及控制，最后將危險的瓷支柱絕緣子篩選出來，實現對整個變電站的瓷支柱絕緣子的在線監測，從而保證電網的安全運行。

圖1 瓷支柱絕緣子在線監測系統組成

該系統由無線激振采集模塊、中繼模塊、無線信號接收中心站及后臺分析軟件平臺組成。每個中心站可以與若干個中繼通訊，每個中繼可與若干個采集模塊通訊，每個采集模塊可以采集振動信號參數。

（1）無線激振采集模塊

每個模塊有其唯一的編碼地址作為瓷支柱絕緣子的標識，將裝有強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部的微處理芯片產生振動脈沖，經功率放大器進行信號放大處理后，驅動力激發器產生振動信號，此振動信號施加到被測瓷支柱瓷絕緣子上，使被測瓷絕緣子發生縱向振動，同時接收該瓷支柱絕緣子的振動回波信號，采集信號后將其轉換為數字信號，最后利用無線技術將此數據連同該模塊編碼地址一同發送出去。

（2）中繼模塊

負責接收無線激振采集模塊的數據和編碼地址，并將數據和編碼地址遠傳（轉發）給中心站。

（3）中心接收站

接收分組內的中繼數據并通過串口輸出至PC機。

（4）后臺分析軟件

負責將接收的瓷支柱絕緣子數據進行分析與處理，當數據超過警戒值時控制報警系統通知工作人員。采集的數據存入后臺數據庫，工作人員可以隨時進行數據采集、查閱歷史數據、同時可進行數據對比，分析瓷支柱絕緣子的機械性能發展曲線。

1.3 激振采集工作方式

將由激發器和采集器組成的換能器組通過強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點連接。無線激振采集節點內部的微處理芯片產生1～10KHz白噪脈沖，經功率放大器放大處理后，驅動力激發器會產生振動信號，此振動信號施加到被測瓷支柱瓷絕緣子上，使被測瓷絕緣子發生縱向振動。

2 實時監測與狀態分析

系統基于無線網絡并根據設定的時間節點自動對瓷支柱絕緣子進行數據采集（也可實時手動進行數據采集），并對采集的測試數據進行分析與處理，當判斷絕緣子狀態超過警戒值時通知工作人員進行處理，同時將檢測數據進行分類存儲，以便系統進行發展狀態分析。

由于每次數據采集的位置一致，在瓷支柱絕緣子運行狀態不變的情況下，其采集數據的分析圖譜基本一致；而在瓷支柱絕緣子的運行狀態發生變化后，瓷支柱絕緣子的分析圖譜主峰會發生偏移，而缺陷峰值也會變大。因此在對瓷支柱絕緣子運行狀態進行分析時，可根據分析圖譜的主峰偏移與缺陷峰的峰值變化來展現瓷支柱絕緣子的機械性能變化情況。因此對每只瓷支柱絕緣子一段時間內檢測數據進行分析，便可得出瓷支柱絕緣子在這段時間內的機械性能發展變化曲線，通過發展變化曲線便可直觀地得出瓷支柱絕緣子的運行狀態。

2.1 監測曲線圖

2.1.1 曲線圖譜

實時分析上傳的檢測數據，并對分析結果進行存儲，以便在狀態分析中，對每個瓷支柱絕緣子的運行狀態發展進行分析對比。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 發展曲線圖譜

利用軟件對檢測得到的數據尋找峰值，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為0～1，對于波峰出現在2K 以下或8K 以上的檢測圖譜，性能指數為－1～0，具體數值由峰值偏離的程度決定。圖3展示了兩個瓷支柱絕緣子的性能指數隨時間的發展曲線，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周左右的時間內狀態的變化情況（每8h采集1次數據）。從圖3可以看出，在線監測可以連續評估支柱絕緣子的性能狀態，無論是對于正常絕緣子或者存在缺陷的絕緣子，不同時間采集的數據具有較高的一致性。如果受監測支柱絕緣子萌生了損傷，監測系統可及時發現并作出警示，規避了單獨檢測時，兩個檢測周期之間發生斷裂的不可觀測性。

圖2 有無缺陷的絕緣子檢測數據圖譜

圖3 有無缺陷的絕緣子發展圖譜

2.2 在線監測與SCT－I探傷儀的單獨檢測圖譜比較

在線監測能夠實時顯示檢測數據分析圖譜，并且具有檢測位置一致性、發送振動信號一致性的特點，排除了數據采集時的人為干擾，減少了檢測數據的干擾因素，保證了檢測數據的準確性與可靠性。

圖4 SCT－I探傷儀在不同時間點檢測數據圖譜，和在線監測中同一絕緣子在不同時間點檢測數據圖譜

圖4（a），（b）為SCT－I探傷儀在不同時間點檢測的數據圖譜，從圖中可看出分析圖譜在絕緣子性能穩定的情況下，分析結果一致，但曲線圖譜會有細微的差別，這是由于人為操作檢測及檢測位置的細微變化造成的影響。圖4（c），（d）為在線監測中同一絕緣子在不同時間點檢測數據圖譜，從圖中可看出，在絕緣子性能穩定的情況下，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功率譜密度圖，當每晝夜平均溫度從正過渡到負時，在底部法蘭區域出現了顯著的損傷，該絕緣子的承載能力減少9倍。造成以上現象的原因是：絕緣子或者存在疏松的加強縫隙，在每晝夜平均溫度經過零度時，吸收了水分，裂紋中存在著不致使絕緣子被破壞的水分，氣溫達到－8 ℃時水分結晶，形成孔隙，剛度改變，這個現象被絕緣子振動功率譜密度圖所跟蹤觀察。

這種現象表明，對絕緣子要做出決定性的評判時，需要在不同溫度下充分考察。因此，相對于SCT－I探傷儀的單獨檢測圖譜，利用實時在線檢測結合氣象數據，可以更加準確而全面地判定支柱絕緣子的狀態。

圖5 某110kV 瓷支柱絕緣子在不同溫度下的振動功率譜密度評定。

3 結論

利用振動聲學原理實時在線檢測支柱絕緣子缺陷，由于前端采集裝置采用定點安裝的形式，所以在數據采集時排除了人為干擾以及環境溫度變化的因素，保證了每次數據的準確性和全面性；通過對每次采集的數據進行分析對比，可真實得出被測瓷支柱絕緣子的運行狀態變化情況，當瓷支柱絕緣子運行狀態發生變化時，能夠及時被系統捕捉，并報警通知工作人員，從而避免事故的發生。

［1］關志成.絕緣子及輸變電設備外絕緣［M］.北京：清華大學出版社，2006.

［2］吳光亞，姚忠森.高壓支柱瓷絕緣子運行事故分析［J］.電瓷避雷器，2002（5）：22－24.

［3］王維東，劉勇.支柱絕緣子及瓷套超聲波探傷工藝方法研究［J］.無損檢測，2006，28（9）：460－462.

［4］蔣云，王維東.電網在役支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測技術［J］.華東電力，2010，38（10）：1566－1569.

［5］PWRSSON L，JONSSON A.Ultrasonic inspection of line pin post insulators and solid core insulators in switch gear stations ［J］.NDT ＆ E International，1993，26（3）：115－117.

［6］OLIVEIRA H R P M，BTISTA E L，LEFORT C，et al.Inspection of pin insulators in distribution medium voltage lines ＆outage reductions［C］／／［S.l.］：IEEE，2008：524－529.

［7］劉長福，郝曉軍，牛曉光，等.基于BP神經網絡的瓷絕緣子振動聲學檢測結果分類［J］.無損檢測，2014，36（1）：1－40.

［8］鄔冠華，林俊明，任吉林，等.聲振檢測方法的發展［J］.無損檢測，2011，33（2）：35－41.

［9］夏超，吳章勤，楊曉紅.聲振技術在支柱絕緣子強度檢測中的應用［J］.無損檢測，2013，35（12）：16－23.

［10］王俊波，洪海程，苗銀銀.聲波法在支柱瓷絕緣子帶電探傷中的應用［J］.無損檢測，2013，35（11）：79－80，82.

［11］張建民.機械振動［M］.北京：科學出版社，1995.

［12］LEE S K，WHITE P R.Higher－order time－frequency analysis and its application to fault detection in rotating machinery［J］.IEEE Transaction on Ultrasonic，1997，10（1）：637－650.

［13］ALVANDI A，CREMONA C.Assessment of vibration based damage identification techniques［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，292（1－2）：179－202.

［14］WU J R，LI Q S.Finite element model updating for a high－rise structure based on ambient vibration measurements［J］.Engineering Structures，2004，26（7）：979－990.

［15］QIN Q，LI H B，QIAN L Z，et al.Modal identification of Tsing Ma Bridge by using improved eigensystem realization algorithm ［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，247（2）：325－341.

［16］李巖，楊浩，吳國忠，等.支柱絕緣子的帶電檢測方法［J］.無損檢測，2013，35（2）：32－34.