電場(chǎng)法在支柱絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用探討

國(guó)偉輝 閆帥 荊林遠(yuǎn) 吳義方 閆忠凱

【摘 要】本文以瓷支柱絕緣子為研究對(duì)象，首先分析了瓷支柱絕緣子的常見(jiàn)缺陷，然后對(duì)比了超聲波、紫外成像法、共振聲學(xué)等目前常見(jiàn)的支柱絕緣子缺陷檢測(cè)方法的優(yōu)劣性。最后通過(guò)有限元仿真分析了電場(chǎng)檢測(cè)法用于瓷支柱絕緣子缺陷檢測(cè)的可行性，并基于電場(chǎng)檢測(cè)原理提出了適用于瓷支柱絕緣子缺陷檢測(cè)的應(yīng)用方案。

【關(guān)鍵詞】支柱瓷絕緣子；電場(chǎng)法；缺陷檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)： TM216.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）28-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.012

【Abstract】In this paper， the post porcelain insulators are taken as the research object， the common defects of porcelain post porcelain insulators are analyzed firstly. Then the advantages and disadvantages of the common porcelain post porcelain defect detection methods such as ultrasonic， ultraviolet imaging and resonance acoustics are compared. Finally， the feasibility of electric field detection method for defect detection of porcelain post insulators is analyzed by finite element simulation， an application scheme for defect detection of porcelain post insulators is proposed based on electric field detection.

【Key words】Post Porcelain Insulators； Electric field method； Defect detection

1 支柱絕緣子的特性

1.1 支柱絕緣子

瓷絕緣子是電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，起著支撐導(dǎo)線(xiàn)、斷路器和高壓開(kāi)關(guān)作用。絕緣子在運(yùn)行中受著電、熱和機(jī)械應(yīng)力及實(shí)際工作環(huán)境的影響，性能會(huì)逐漸下降、劣化。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子各種裂紋及機(jī)械強(qiáng)度降低等缺陷，可能導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)生故障引發(fā)突發(fā)性的電力事故。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子在運(yùn)行中出現(xiàn)的缺陷是避免事故發(fā)生的關(guān)鍵。瓷支柱絕緣子主要是由分布在玻璃狀基體里的剛玉、莫來(lái)石、石英和長(zhǎng)石等組成，基體與石英粒子線(xiàn)膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致瓷件內(nèi)部容易出現(xiàn)微裂紋缺陷。由于陶瓷材料是典型的脆性材料，裂紋非常容易擴(kuò)展從而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

1.2 支柱絕緣子的常見(jiàn)缺陷

支柱瓷絕緣子在運(yùn)行中承受電、熱和機(jī)械應(yīng)力以及惡劣的工作環(huán)境，其性能會(huì)逐漸下降、劣化，裂紋是導(dǎo)致瓷絕緣子機(jī)械性能下降而失效的最主要、最危險(xiǎn)的缺陷。大量研究表明，支柱瓷絕緣子在運(yùn)行和操作中受傷、制造工藝落后、產(chǎn)品質(zhì)量不高均是導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生原因。瓷支柱絕緣子的結(jié)晶成分越高則絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度就越強(qiáng)，結(jié)晶粒子在絕緣子的制造過(guò)程中會(huì)承受拉伸應(yīng)力的作用，在瓷制品煅燒后的冷卻情況時(shí)，應(yīng)力作用可能導(dǎo)致結(jié)晶粒子、玻璃狀基體和邊界上出現(xiàn)微裂紋[1-2]。另外，瓷絕緣子在燒結(jié)過(guò)程中也可能出現(xiàn)氣孔等制造缺陷，使得在絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋。同時(shí)根據(jù)支柱瓷絕緣子開(kāi)裂事故統(tǒng)計(jì)，損壞發(fā)生在瓷柱下部情況占總數(shù)的60%以上，且多發(fā)生在下法蘭和第一瓷沿之間[3]。這主要是由于絕緣子使用過(guò)程中，環(huán)境溫差可能會(huì)使絕緣子承受巨大的內(nèi)應(yīng)力，且端部是機(jī)械力比較集中的部位，因此導(dǎo)致該部位更容易出現(xiàn)裂紋缺陷。

通過(guò)對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)瓷絕緣子裂紋具有如下特性。

（1）裂紋尺寸很小就可能導(dǎo)致絕緣子損壞，例如，絕緣子底部法蘭面上裂紋達(dá)到0.1 mm深時(shí)即可損壞絕緣子；

（2）裂紋出現(xiàn)至瓷制件破損的時(shí)間難以預(yù)測(cè)，可從一秒鐘到好幾年；

（3）瓷件內(nèi)部裂紋無(wú)法用肉眼觀察到，即使表面裂紋也難以直接觀測(cè)；

（4）絕緣子在外力作用下會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得新的結(jié)晶粒子受到損傷，導(dǎo)致微裂紋倍增。

2 支柱絕緣子的缺陷檢測(cè)方法

2.1 超聲波法

超聲波在從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)在兩介質(zhì)的交界面會(huì)發(fā)生反射、折射，利用超聲波的指向性和傳播規(guī)律可以探查設(shè)備中的缺陷情況。因此，通過(guò)在瓷支柱絕緣子表面發(fā)射始脈沖，當(dāng)絕緣子內(nèi)部存在缺陷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，根據(jù)反射波的幅值和位置可實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子缺陷情況的判別[4]。絕緣子超聲波探傷主要分為縱波探傷和爬波探傷，縱波探傷法能檢測(cè)出絕緣子內(nèi)部點(diǎn)狀缺陷和對(duì)稱(chēng)側(cè)裂紋，但檢測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)；爬波探傷法對(duì)絕緣子表面下裂紋較敏感，檢測(cè)速度較快，但檢測(cè)深度有限。

超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性受多重因素影響，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(lèi)、位置、深度、表面粗糙度等，并且操作比較復(fù)雜，需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作。最突出的問(wèn)題是超聲波探傷不能用于帶電檢測(cè)，必須在停電狀態(tài)下進(jìn)行。而實(shí)際運(yùn)行中瓷支柱絕緣子很有可能由于缺陷無(wú)法及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，未到停電檢修時(shí)間已經(jīng)發(fā)生斷裂事故。

2.2 紫外成像法

由于裂紋（氣隙）在高電壓的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的畸變電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)可以產(chǎn)生放電發(fā)光現(xiàn)象，因此通過(guò)紫外光學(xué)探傷儀觀測(cè)因裂紋而產(chǎn)生的放電發(fā)光，可以對(duì)絕緣子裂紋缺陷進(jìn)行識(shí)別。該方法可以帶電檢測(cè)，但僅對(duì)瓷支柱絕緣子高壓端裂紋有效，電場(chǎng)較弱達(dá)不到起暈電壓的區(qū)域由于無(wú)法產(chǎn)生電暈放電而成為紫外探傷的盲區(qū)[5]。而在瓷支柱絕緣子的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，底部法蘭處由于應(yīng)力作用時(shí)容易形成缺陷，但紫外成像法對(duì)此區(qū)域的缺陷已失去了判別能力。另外，高壓端支柱鐵瓷結(jié)合部位的膠接水泥干裂及表面異物都可能會(huì)引起放電發(fā)光現(xiàn)象，而其觀測(cè)現(xiàn)象與裂紋的觀測(cè)結(jié)果沒(méi)有差別，對(duì)紫外觀測(cè)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了極大的影響。因此，紫外成像法用于瓷支柱絕緣子的檢出率極低，不是非常理想的探傷設(shè)備。

2.3 共振聲學(xué)法

振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法是利用激發(fā)裝置對(duì)檢測(cè)對(duì)象施加振動(dòng)激勵(lì)，通過(guò)接收器對(duì)其聲學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行分析來(lái)判斷是否存在缺陷。因此，通過(guò)向支柱絕緣子底部發(fā)射特殊激勵(lì)振動(dòng)波，根據(jù)接收到的振動(dòng)反饋波分析反饋波形的頻譜，可以判斷該絕緣子內(nèi)外是否有裂紋、裂紋出現(xiàn)的大概部位、機(jī)械強(qiáng)度是否降低、絕緣子是否老化等缺陷[6]。該方法操作簡(jiǎn)單，并且可以實(shí)現(xiàn)帶電檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外均對(duì)振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并在耐火材料、建材、碳素制品、鐵路機(jī)車(chē)部件等狀態(tài)檢測(cè)中進(jìn)行了一定的應(yīng)用。但是由于該方法需要積累大量瓷絕緣子的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，獲取不同類(lèi)型及缺陷瓷支柱絕緣子振動(dòng)功率譜密度評(píng)定圖，以提高瓷支柱絕緣子缺陷分類(lèi)的準(zhǔn)確度，因此該方法還有待于逐步完善。

綜述所述，現(xiàn)有的各類(lèi)瓷支柱絕緣子檢測(cè)方法均存在一些不足之處，難以完全滿(mǎn)足對(duì)瓷支柱絕緣子進(jìn)行有效檢測(cè)及診斷的需求。因此，研究一種可靠性高、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)的帶電檢測(cè)方法對(duì)瓷支柱絕緣子的性能進(jìn)行評(píng)估是當(dāng)前的迫切要求，具有十分重大的安全及經(jīng)濟(jì)效益。

3 支柱絕緣子電場(chǎng)法檢測(cè)技術(shù)

3.1 檢測(cè)原理

絕緣子的劣化必然伴隨著絕緣子內(nèi)、外的電場(chǎng)的重新分布，如果能尋找到各種絕緣子的絕緣劣化和其周?chē)臻g中電場(chǎng)重新分布的關(guān)系，并且準(zhǔn)確測(cè)量到空間中的電場(chǎng)分布變化情況，就能通過(guò)電場(chǎng)測(cè)量的手段來(lái)表征絕緣子的劣化情況[7]。目前，開(kāi)展了大量電場(chǎng)測(cè)量法應(yīng)用于輸電線(xiàn)路絕緣子缺陷檢測(cè)的研究，也取得比較大的進(jìn)展。但將電場(chǎng)法在瓷支柱絕緣子表面缺陷檢測(cè)的應(yīng)用研究卻很少，這主要是由于當(dāng)瓷柱表面裂紋尺寸小于致使支柱瓷絕緣子斷裂的臨界尺寸時(shí)（約為5 mm），沿著絕緣支柱軸向的整體電場(chǎng)分布與正常絕緣子表面的電場(chǎng)分布沒(méi)有非常明顯差異，難以通過(guò)目前應(yīng)用與輸電線(xiàn)路的檢測(cè)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)支柱絕緣子裂紋缺陷的檢測(cè)。但是根據(jù)斷裂事故的多發(fā)部位的局部電場(chǎng)分析得到，與正常情況下的電場(chǎng)相比，裂紋處電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有明顯的增大，如圖2～3所示。根據(jù)計(jì)算，一個(gè)深度為5 mm、寬度為 1 mm的裂紋對(duì)局部電場(chǎng)的畸變影響程度為100%～200%，這種影響可以通過(guò)技術(shù)手段測(cè)量得到。

由于裂紋會(huì)導(dǎo)致支柱絕緣子局部電場(chǎng)發(fā)生比較明顯的畸變，因此可以通過(guò)局部電場(chǎng)測(cè)量分析來(lái)判斷支柱絕緣子是否存在缺陷。但是由于裂紋的尺寸非常小，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)局部電場(chǎng)的準(zhǔn)確檢測(cè)是將方法應(yīng)用與實(shí)際檢測(cè)的關(guān)鍵。根據(jù)電場(chǎng)法應(yīng)用于支柱瓷絕緣子表面裂紋的檢測(cè)的靈敏度分析，裂紋越深對(duì)電場(chǎng)分布的影響越大，也越容易檢測(cè)出裂紋缺陷，當(dāng)裂紋寬度為1 mm，深度在1～5mm時(shí)，裂紋處電場(chǎng)的畸變率（畸變率=（缺陷情況下的電場(chǎng)畸變最大值—良好情況下的電場(chǎng)值）/良好情況下的電場(chǎng)值，計(jì)算時(shí)均采用電場(chǎng)強(qiáng)度的軸向分量）分別為75～190%；裂紋寬度越小對(duì)電場(chǎng)分布的影響越大，也越容易檢測(cè)出裂紋缺陷，當(dāng)裂紋深度為1mm，寬度在0.2～0.8mm時(shí)，裂紋處電場(chǎng)的畸變率分別為75～150%。根據(jù)近表面缺陷對(duì)支柱絕緣子電場(chǎng)畸變的影響分析，缺陷距離絕緣子表面越近對(duì)電場(chǎng)分布的影響越大，而且僅對(duì)非常靠近支柱表面的孔隙型缺陷具有相對(duì)較高的靈敏度。

3.2 電場(chǎng)法檢測(cè)的應(yīng)用方式

根據(jù)分析可知，電場(chǎng)檢測(cè)方法對(duì)支柱瓷絕緣子表面的微小裂紋具有很高的靈敏度和抗干擾能力，對(duì)進(jìn)表面的孔隙缺陷可測(cè)，但靈敏度較低。因此，為了能夠在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，必須選擇合適的傳感器和適當(dāng)?shù)牟僮鞣椒ā榱四懿蹲降浇^緣子表面的微小裂紋局部電場(chǎng)，提取空間毫米級(jí)尺度范圍內(nèi)的軸向測(cè)量信號(hào)，本文采用MEMS電場(chǎng)敏感芯片，通過(guò)設(shè)計(jì)電場(chǎng)敏感芯片的封裝方案和滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性的傳感器的整體結(jié)構(gòu)，研制了一種微型空間電場(chǎng)傳感器，如圖4所示。通過(guò)將傳感器探頭、芯片驅(qū)動(dòng)電路、模擬解調(diào)電路、數(shù)據(jù)處理模塊、預(yù)警模塊、WiFi發(fā)射模塊、電源模塊和上位機(jī)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓷支柱絕緣表面軸向電場(chǎng)的高精度測(cè)量。

為了能捕捉到絕緣子表面的微小裂紋，必須對(duì)絕緣子表面電場(chǎng)進(jìn)行全面的掃描檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)的瓷支柱絕緣子的電場(chǎng)檢測(cè)裝置由絕緣升降裝置、電場(chǎng)檢測(cè)裝置、控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖5所示。操作人員通過(guò)控制絕緣升降裝置使得電場(chǎng)檢測(cè)裝置能夠沿著支柱絕緣子軸向移動(dòng)并精確定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)瓷柱絕緣子軸向的層級(jí)化電場(chǎng)掃描。電場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)電場(chǎng)檢測(cè)裝置定位于每一層時(shí)，電場(chǎng)檢測(cè)裝置的探頭可以圍繞瓷柱進(jìn)行周向式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)周向式的掃描任務(wù)，最終通過(guò)配合完成對(duì)瓷支柱絕緣子表面電場(chǎng)的全面掃描。

本文通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓷支柱絕緣表面電場(chǎng)的全面掃描和分析，為發(fā)現(xiàn)表面裂紋缺陷和近表面裂紋缺陷提供了一種新型可靠的帶電檢測(cè)解決方案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]竇振宇.超聲波探傷在高壓支柱瓷絕緣子內(nèi)部缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電瓷避雷器，2011，01：15-18.

[2]張廼龍，陳大兵，方浩銘，等.支柱瓷絕緣子的振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)機(jī)理研究[J].紅水河，2016，01：33-37.

[3]國(guó)家電力公司發(fā)輸電運(yùn)營(yíng)部高壓支柱瓷絕緣子事故調(diào)查工作小組.高壓支柱瓷絕緣子事故調(diào)查分析及預(yù)防措施[J].電力設(shè)備， 2002，3（4）： 32-37.

[4]李曉紅，王敏，吳敏，等.支柱瓷絕緣子的超聲檢測(cè)有效性[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（9）： 159-16.

[5]雷紅才，臧春艷，蔣正龍，等.紫外成像法檢測(cè)支柱絕緣子的破損缺陷[J]. 高壓電器，2009，45（5）：87-91.

[6]李曉紅，郭慧英，劉云，等. 基于振動(dòng)法檢測(cè)的瓷絕緣子損傷探討[J]. 高壓電器，2009，45（1）：101-103.

[7]關(guān)志成，劉瑛巖，周遠(yuǎn)翔，等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.