瓷絕緣子振動聲學檢測技術及應用

張廣興，王永強，霍 娜

（1.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.華北電力大學，河北 保定 071000；3.北京國電電科檢測科技有限公司，北京 102209）

瓷絕緣子是電網系統非常重要的組成設備，常規檢測瓷絕緣子的方法（如超聲波檢測等方法）存在對微裂紋缺陷檢測差、干擾因素多、不能在線檢測等不足，難以滿足對瓷絕緣子進行快速有效的檢測及診斷的需求。因此，研究采用可靠性高、現場適應性強的在線無損檢測方法展開對瓷絕緣子的性能診斷成為一種迫切要求，具有十分重大的意義。

1 瓷絕緣子檢測方法介紹

為了有效檢測出瓷支柱絕緣子裂紋，國內外一直針對瓷絕緣子開展無損傷研究工作，目前國內在對絕緣子的無損檢測方面常用的設備有“超聲波”和“紫外成像儀”。常用的檢測方法有超聲波檢測，紫外成像檢測，紅外檢測，但這3 種瓷絕緣子無損檢測方法都存在較嚴重的局限，不能確保對電力系統瓷絕緣子安全狀況進行在線、可靠、快速評估的需要。

1.1 超聲波檢測

超聲波有一定的檢出能力，但操作復雜，需專業人員操作，其探測準確性受多重因素影響而導致大量漏檢和誤檢，比如儀器及探頭的性能、支柱的形狀和幾何尺寸以及缺陷的種類、位置、深度、表面粗糙度等會對超聲波的檢測結果產生較大的影響。最大的問題是超聲波探傷必須在停電狀態下進行而不能隨時帶電在線檢測。

1.2 紫外成像檢測

該方法僅對瓷支柱絕緣子高壓端裂紋有效，距高壓端1／3以外區域由于電場較弱不能達到起暈電壓，因此即使有裂紋也無法產生電暈放電，為紫外電子光學探傷儀檢測盲區，而由于應力的作用瓷支柱絕緣子絕大部分缺陷會出現在底部法蘭處，同時，高壓端支柱鐵瓷結合部的膠接水泥干裂以及瓷表面附有異物都會引起放電發光現象，其觀測現象與裂紋完全一致，極大的影響了觀測的準確性，因此紫外的檢出率較低。

1.3 紅外檢測

紅外檢測方法檢測結果受到如絕緣子表面發射率、絕緣子負荷等級、檢測距離、大氣吸收、天氣和紅外檢測儀器等多因素的綜合影響，難以確認結果的準確性，絕緣子受損程度與其表面發熱量的量化關系也未建立，大大影響了該方法的應用。

2 瓷絕緣子振動聲學檢測系統

2.1 瓷絕緣子振動聲學檢測原理

把瓷絕緣子看成柱裝置，柱裝置一端固定（封堵）且另一端為自由狀態，通過理論分析絕緣子的機械強度和它的頻率特性緊密相關，其本身自有振動頻率由表達式（1）［1］確定：

式中：ω為柱裝置（絕緣子）本身自有振動頻率；K為克雷洛夫方程式根；L為柱裝置長度；E為材質彈性模量；I為柱裝置危險斷面的慣性靜力矩；μ為柱裝置的單位長度質量。

把損壞的和未損壞的絕緣子作比較，取極限載荷（承載能力）作為出發點，則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。無需復雜的轉換就能得出下列關系式：

式中：P0為未損壞絕緣子極限載荷，該載荷與完好支柱橫截面積S0成正比；P1為損壞絕緣子極限載荷，該載荷與損壞支柱橫截面積S1成正比；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；ω0為未損壞絕緣子自有振動頻率；ω1為損壞絕緣子自有振動頻率。

該關系式同樣適用于縱向（豎）和扭曲的載荷也是正確的。因此，采用振動聲學方法，通過觀察瓷絕緣子的固有頻率的狀態就可以判斷其機械強度及損傷。

當向瓷絕緣子底部法蘭施加載荷使絕緣子振動時，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，會導致出現低于基本振動音調的頻率，而在上部法蘭區域時，會出現高于基本音調的頻率。支柱式瓷絕緣子保持機械強度的基本判據乃是它振幅－頻率特性的不變性。高于和低于絕緣子振動駐波頻率泛音（副振動）的存在表明在上部或下部法蘭存在缺陷，見圖1。

圖1 不同狀態絕緣子的功率譜密度

2.2 系統結構

檢測系統由振動激勵裝置、振動接收及記錄裝置、頻譜分析軟件組成。2個功能探針實現對整個瓷支柱絕緣子的測試，一個探針作為發射探針，發射一串特殊的振動波激勵瓷瓶產生縱向振動，另一個探針接收振動反饋波采集瓷絕緣子共振時的泛波頻率，該反饋波包含瓷絕緣子的全部信息，利用專用頻譜分析軟件進行分析、并以頻譜的形式顯示出來，通過觀察即可判斷絕緣子是否有裂紋、裂紋大概部位、機械強度是否降低或喪失，以及絕緣子是否老化等［2］。圖2為檢測裝置示意圖，圖3為檢測操作示意圖。

3 瓷絕緣子振動聲學檢測系統的應用

3.1 應用情況

圖2 瓷絕緣子振動聲學檢測裝置示意

圖3 瓷絕緣子振動聲學檢測裝置示意［3］

采用該技術的系統對河北省南部電網多個電廠升壓站及電網變電站瓷絕緣子進行現場檢測應用，共檢測數百只瓷絕緣子，發現其中數支存在較嚴重缺陷。對上述存在缺陷的瓷絕緣子采用其他方法進行了復核，發現缺陷確實存在。隨后及時更換了存在缺陷的瓷絕緣子，確保了整個電力系統的安全穩定運行。圖4至圖7是發現較嚴重缺陷的瓷絕緣子振動頻譜圖。

圖4 220kV 支柱絕緣子缺陷圖譜

圖5 110kV 瓷支柱絕緣子缺陷圖譜

圖4為220kV（2節）支柱絕緣子下部絕緣子底部法蘭有（內部看不到裂紋）缺陷時該支柱式絕緣子振動功率譜密度評定圖（出現1 000～2 000 Hz諧振頻率）。

圖5為110kV 瓷支柱絕緣子，底部有裂紋的絕緣子，裂紋出現在底法蘭上部缺陷時該支柱式絕緣子振動功率譜密度評定圖（出現1 000～2 000Hz諧振頻率）。

圖6 220kV（2節）支柱瓷絕緣子缺陷圖譜

圖6為220kV（2節）支柱瓷絕緣子（斷電時上端絕緣子破碎了），斷裂出在底法蘭上（出現1 000～2 000Hz和8 000～10 000Hz諧振頻率）

圖7 110kV（1節）瓷支柱絕緣子缺陷圖譜

｀圖7為110kV（1節）瓷支柱絕緣子，缺陷出在底部法蘭區域（出現1 000～2 000Hz振頻率）。

3.2 應用效果

通過對河北省南部電網廠、網上百只瓷絕緣子檢測，用振動聲學方法檢測具有以下特點。

a.檢側部位：常規超聲波檢測只能檢測頂部及底部裂紋，紫外成像檢測只能檢測高壓側裂紋，振動聲學方法可檢測整個瓷絕緣子內部的全部缺陷，對絕緣子健康狀態進行總體評價。

b.檢出率：超聲波檢測缺陷檢出率約30%，紫外成像檢測缺陷檢出率約20%，振動聲學檢測的缺陷檢出率為95%以上。

c.帶電檢測：常規超聲波檢測不能實現帶電檢測，而紫外成像檢測只能帶電檢測，振動聲學檢測可以做到帶電與停電都能檢測。

d.檢測時間：常規超聲波完成一次測試需要大約30min，對輔助設施要求高，現場條件難以具備檢測條件，紫外成像檢測需要約10min，振動聲學檢測只需1min左右即可完成。

e.操作難易度：常規超聲波檢測操作相當繁瑣，儀器調試及缺陷分析復雜，紫外成像檢測則相對簡單，但也需反復調焦觀察才能看清，而振動聲學檢測則非常簡單，只需一壓即可完成測試。

f.對測試人員要求：常規超聲波檢測需要經過專門培訓的專業人員才能操作，紫外成像檢測也要有豐富經驗的人員才能進行判斷，而振動聲學檢測由普通技工即可完成測試，后期分析由專用軟件完成，檢驗人員的影響大大降低。

4 結束語

基于振動聲學原理的瓷絕緣子檢測技術與其他檢測方法具有檢測范圍廣，可以檢測整支絕緣子中的全部缺陷；檢測效率高，可以實現對絕緣子大面積普查；能實現帶電檢測，不影響電力系統運行；原理簡單，缺陷判定明確等優點，因此該方法在電力系統瓷絕緣子無損檢測領域具有廣泛的推廣應用前景。

［1］郭 臣.瓷支柱絕緣子振動聲學檢測機理的研究［J］.貴州電力技術，2014，17（6）：44－46.

［2］馬 崇.振動聲學法在瓷支柱絕緣子檢測中的應用［J］.河北電力技術，2012，31（1）：30－33.

［3］張 欣.振動聲學探傷方法對瓷支柱絕緣子進行檢測的驗證方法研究［J］.華東電力，2013，41（9）：1965－1967.