聲振技術(shù)在支柱絕緣子強(qiáng)度檢測(cè)中的應(yīng)用

夏 超，吳章勤，楊曉紅

（1.華北電力大學(xué) 云南電網(wǎng)工作站，昆明 650217；2.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司電力研究院金屬研究所，昆明 650217；3.華北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003）

支柱絕緣子又稱瓷瓶，起支撐母線和絕緣的作用，通常受到風(fēng)、雨、雪等環(huán)境帶來的影響，多數(shù)絕緣子的斷裂是由于安裝在其上的隔離開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的載荷帶來的疲勞失效，據(jù)相關(guān)電力部門的文件記載，已經(jīng)發(fā)生過多起高壓支柱絕緣子開裂的事故，導(dǎo)致了人員的傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失。以往在瓷瓶入網(wǎng)前，會(huì)有相關(guān)的超聲探傷檢測(cè)，但常年的動(dòng)作載荷及環(huán)境載荷必然帶來疲勞失效。由于電廠和變電站中大量使用支柱絕緣子，通常一個(gè)110kV的變電站就有帶隔離刀閘開關(guān)的絕緣子200個(gè)左右，傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)需要在停電狀態(tài)下進(jìn)行，作業(yè)時(shí)需要登高，操作程序繁鎖費(fèi)時(shí)，兩人配合檢測(cè)時(shí)，約10min檢測(cè)一支。如圖1所示，因此尋求一種帶電狀態(tài)下可以快速檢測(cè)支柱絕緣子的技術(shù)迫切需要［1－2］。

支柱絕緣子的聲振檢測(cè)相比于超聲、射線等具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：① 針對(duì)于膠接的部件檢測(cè)較靈敏，檢測(cè)速度較快。② 由于絕緣子的整體強(qiáng)度與其固有頻率緊密相關(guān)，可以從整體上把握絕緣子的強(qiáng)度。③ 設(shè)備集成后較輕便，操作方法也很簡(jiǎn)單，做成便攜式設(shè)備可帶電檢測(cè)絕緣子，作業(yè)者只需要通過絕緣桿將探頭接觸法蘭底部任意位置片刻即可，提高了帶電作業(yè)安全性，簡(jiǎn)化了檢測(cè)操作步驟，這是較其它檢測(cè)方法所具有的優(yōu)勢(shì)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)絕緣子

1 聲振檢測(cè)

1.1 原理介紹

聲振檢測(cè)是用聲頻激勵(lì)被測(cè)工件產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)（聲波），測(cè)量被檢物的振動(dòng)特性，分析其振動(dòng)狀態(tài)，例如振幅、頻率、損耗、振動(dòng)形式以及與物體振動(dòng)方式有關(guān)的力阻抗等來判別被測(cè)件的狀況。在古代，人們就學(xué)會(huì)通過對(duì)瓷件的敲擊發(fā)出的聲音的清脆程度來判斷有無缺陷，這是聲振檢測(cè)的一種比較粗放式的檢測(cè)方法?，F(xiàn)在的生活中，也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)人們敲西瓜和敲擊火車的輪軸來判斷是否有缺陷。通過相關(guān)的研究，可發(fā)現(xiàn)激勵(lì)工件產(chǎn)生的音頻與工件的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能直接相關(guān)，因而可以據(jù)此判斷被檢物的內(nèi)在質(zhì)量，主要用于膠接結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的檢測(cè)。其工件的自然頻率遵循如下表達(dá)式［3－4］：

式中：E為彈性模量；I為截面的慣性矩；KS為剪切剛度，ρI為旋轉(zhuǎn)慣量。

這些參量引起的頻率變化是近似線性的。構(gòu)件局部有缺陷時(shí)，會(huì)引起EI、m、KS、ρI等變化，從而引起頻率的變化。因此這種頻率變化可以作為評(píng)估其整體質(zhì)量的手段。

1.2 支柱絕緣子的簡(jiǎn)易模型建立

由于廠家多數(shù)不提供瓷裙的尺寸信息，因此筆者通過測(cè)繪來建立模型，圖2，3是測(cè)繪電瓷XZP2－300KN型的支柱絕緣子的簡(jiǎn)圖。絕緣子中大小傘裙共計(jì)27片，除外圓直徑不同外，其它尺寸一樣。

圖2 支柱絕緣子測(cè)繪基本尺寸

圖3 傘裙基本尺寸

由于支柱絕緣子分5個(gè)部分組成，從上到下的順序是上法蘭、膠接層、瓷體、膠接層和下法蘭，如圖4所示。

圖4 CAD建立模型

1.3 導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行計(jì)算

將CAD建立的模型以sat的文件形式導(dǎo)入ANSYS，添加材料參數(shù)，如圖5和表1所示。

圖5 結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料參數(shù)表

逐一添加材料屬性后，設(shè)置邊界條件，設(shè)定底面為零位移面，如圖6所示。

求解模型，選取一定的頻率范圍，要求模態(tài)較明晰且邊界的模態(tài)間距較大，以方便測(cè)量與分析，例如表2所示。

圖6 設(shè)置約束條件

表2 完好模型各階模態(tài)信息

觀察第27，28，29階模態(tài)的頻率所在的頻率范圍為4 100～4 300Hz，此頻率范圍與就近的第26階與30階模態(tài)的頻率相差較大，因此可以選定此范圍作為頻率激勵(lì)范圍，觀察此3階模態(tài)的振動(dòng)形式，如圖7所示。

圖7 完好模型的模態(tài)振動(dòng)形式

圖8 設(shè)置缺陷位置

對(duì)模型加入人工缺陷，缺陷厚度3mm，缺陷橫截面積為柱體橫截面積一半，如圖8所示。

同樣求解得到模態(tài)信息，如表3所示選取第4，5，6階模態(tài)作為分析對(duì)象，也是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)，模態(tài)頻率上下間隔較大，各階模態(tài)在此頻率范圍內(nèi)集中度很低，有助于測(cè)量與分析缺陷信息。觀察這三階的振動(dòng)形式，如圖9所示。

表3 有缺陷模型的各階模態(tài)信息

圖9 有缺陷模型的模態(tài)振動(dòng)形式

對(duì)比圖7所示的振動(dòng)形式，發(fā)現(xiàn)在設(shè)置缺陷后，4 000～4 500Hz的頻率范圍內(nèi)的模態(tài)振動(dòng)形式有了明顯變化，它們完全不存在如第29階的縱向振動(dòng)樣式，且其他兩階振動(dòng)多發(fā)生在上法蘭的部位，由于實(shí)際帶電檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)裝置的作用點(diǎn)是在下法蘭底部，其測(cè)量對(duì)于縱向振動(dòng)較敏感，在發(fā)生缺陷后，主要振動(dòng)在上部，其傳遞給法蘭底部的振動(dòng)信息必然微弱，即通過在4 000～4 500Hz頻率內(nèi)某些振動(dòng)拾取信號(hào)的缺失可以判斷絕緣子有無較大缺陷。

2 結(jié)論

聲振檢測(cè)實(shí)際是一種模態(tài)檢測(cè)，從理論分析出頻率與絕緣子的整體強(qiáng)度緊密相關(guān)，從模態(tài)上可以分辨正常狀態(tài)的絕緣子和缺陷絕緣子，利用缺陷絕緣子的頻率與標(biāo)準(zhǔn)庫中正常的絕緣子固有頻率相比較來判斷絕緣子的整體強(qiáng)度是否達(dá)到要求［5］。這項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)相比于超聲與紅外檢測(cè)有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可以在帶電的情況下通過對(duì)絕緣子底部進(jìn)行激勵(lì)來得到響應(yīng)頻率，因此檢測(cè)過程動(dòng)作簡(jiǎn)單，由于是激勵(lì)發(fā)生快，響應(yīng)得到也快，且得到的參數(shù)可直接進(jìn)行整體強(qiáng)度判斷，無需逐一檢測(cè)工件，因此檢測(cè)時(shí)間短，這無疑減少了技術(shù)人員在變電站帶電檢測(cè)的時(shí)間和操作動(dòng)作，因此大大提高了檢測(cè)效率和人員的安全性。

利用聲振技術(shù)檢測(cè)支柱絕緣子強(qiáng)度，其中主要的難點(diǎn)在于對(duì)有缺陷存在的絕緣子的判定范圍的設(shè)置，在試驗(yàn)中選取合適的模態(tài)作為評(píng)定缺陷的依據(jù)將是后續(xù)工作的重點(diǎn)，這需要大量的試驗(yàn)來得出一套標(biāo)準(zhǔn)，另外各種不同的支柱絕緣子要建立起標(biāo)準(zhǔn)庫還需要大量的工作。試驗(yàn)將主要以110kV和220kV帶隔離刀閘開關(guān)的支柱絕緣子作為研究對(duì)象，隨后再擴(kuò)展到500kV及各種瓷套管。在此從理論上提出聲振檢測(cè)對(duì)于支柱絕緣子的可行性，再逐步進(jìn)入具體的研究。

［1］ SINGIRESU S.Rao.Mechanical Vibration［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009：442－443.

［2］ 竇振宇.高壓支柱瓷絕緣子運(yùn)行事故分析［J］.Ceramic Research ＆ Vocational Education，2006，4（4）：42－44.

［3］ 李曉紅，丁杰，陳漢明，等.電網(wǎng)絕緣子的無損檢測(cè)技術(shù)［J］.無損檢測(cè)，2004，26（3）：129－131.

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

［6］ 王樂，劉鈍，楊智春，等.白噪聲激勵(lì)下的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的內(nèi)積向量法［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，28（4）：127－131.