瓷支柱絕緣子振動聲學檢測位置研究

趙飛亞，萬書亭，李娜，楊萌

瓷支柱絕緣子振動聲學檢測位置研究

趙飛亞1，萬書亭1，李娜1，楊萌2

（1.河北省電力機械裝備健康維護與失效預(yù)防重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司 管理培訓中心，北京 102401）

分析了瓷支柱絕緣子振動聲學檢測方法的原理，并針對在利用振動聲學檢測支柱絕緣子缺陷時，檢測位置的影響進行討論。利用ANSYS Workbench對瓷支柱絕緣子模型進行瞬態(tài)分析，驗證了檢測位置的不同會影響檢測結(jié)果的準確性。通過搭建110 kV瓷支柱絕緣子實驗臺，對無缺陷絕緣子和存在上、下法蘭故障絕緣子進行振動聲學檢測。實驗結(jié)果表明：利用振動聲學檢測法對瓷支柱絕緣子進行故障診斷時，檢測位置不同，檢測結(jié)果也不同，甚至導致檢測結(jié)果的性質(zhì)發(fā)生改變。

瓷支柱絕緣子；ANSYS；檢測位置；振動聲學檢測；故障診斷

0 引言

瓷支柱絕緣子是輸電線路中一種重要的絕緣設(shè)備，具有支撐導線和防止電流回地的作用[1]。而實際運行中，如果絕緣子出現(xiàn)故障不能及時更換，會造成巨大的損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，瓷支柱絕緣子發(fā)生故障的位置有95%以上出現(xiàn)在下法蘭到下端第一傘裙之間，其余在上法蘭至上端第一傘裙之間，極少有故障發(fā)生在傘裙中部[2-3]。為確保瓷支柱絕緣子的安全運行，需要及時檢測出瓷支柱絕緣子中的裂紋、氣孔等缺陷，并進行更換。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷的材料會引起聲、磁、光、電、熱場等反應(yīng)的變化，因此可以通過研究這些變化來探測工件內(nèi)部和表面的缺陷。目前，常規(guī)的瓷支柱絕緣子檢測方法有：紅外測溫法、紫外線檢測法、超聲波探傷等[4-6]。但這些檢測方法對微裂紋缺陷的檢測能力不強，并且檢測時干擾因素多，無法對絕緣子進行有效地在線檢測和診斷。振動聲學檢測技術(shù)，通過外力激勵構(gòu)件振動并提取振動響應(yīng)，分析構(gòu)件的簡諧頻率變化從而確定其強度及剛度是否滿足安全運行要求[7]。文獻[8]通過理論與實驗的分析，驗證了振動聲學檢測法的可行性。文獻[9]利用有限元軟件模擬故障瓷支柱絕緣子，并施加不同激勵研究振動頻率的變化，掌握了瓷支柱絕緣子在有無缺陷條件下的振動規(guī)律。文獻[10]提出了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對檢測結(jié)果進行分類的方法，便于對利用振動聲學法檢測瓷絕緣子的數(shù)據(jù)進行判斷評估。文獻[11]對云南省某220 kV變電站預(yù)實驗計劃性檢查，論證了采用振動聲學檢測方法的可行性。

現(xiàn)有利用振動聲學方法對110 kV和220 kV電壓等級瓷支柱絕緣子進行狀態(tài)檢測的設(shè)備是俄羅斯生產(chǎn)的SCT檢測儀。SCT檢測儀通過激勵絕緣子進而接收到加速度信號，再利用加速度表征振動信息處理實現(xiàn)檢測分析。在對構(gòu)件固有頻率進行推導時，認為構(gòu)件是剛性體，因此可以利用重心位置振動情況計算固有頻率。但是實際中，絕緣子并不是完全剛性的，利用SCT進行檢測時，下法蘭的約束情況以及檢測位置的選擇對檢測結(jié)果影響很大。國內(nèi)學者大多關(guān)注瓷支柱絕緣子振動聲學檢測的理論以及實際應(yīng)用的可行性研究[12]，對檢測位置的選擇以及約束情況的影響研究缺少。

本文針對在利用振動聲學法檢測支柱絕緣子缺陷時的檢測位置優(yōu)化選擇進行研究。首先利用有限元軟件，模擬絕緣子常見故障形式，然后基于白噪聲激勵，獲取絕緣子不同故障類型下，不同檢測位置的振動結(jié)果并導入MATLAB中進行分析。根據(jù)實際工況搭建實驗臺，利用自制改進版振動聲學檢測儀，對瓷支柱絕緣子不同位置進行檢測，得出位置因素影響的變化規(guī)律。

1 瓷支柱絕緣子振動聲學檢測的基本原理

根據(jù)瓷支柱絕緣子的工作情況，可以將絕緣子簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，以便于理論分析[13]。裂紋的存在會導致構(gòu)件截面彎曲剛度減小，隨著裂紋擴展最終導致絕緣子的斷裂，并且這一過程時間難以預(yù)測。而構(gòu)件的彎曲剛度決定了構(gòu)件能承受的極限載荷，因此可以取絕緣子的承載能力作為評價支柱絕緣子損壞程度的標準。

1.1 絕緣子極限載荷推導

在瓷支柱絕緣子工作狀態(tài)下，下法蘭通過螺栓固定在支撐柱上，上端承載輸電線。將輸電線對絕緣子的作用簡化為一彎矩載荷，則極限載荷：

式中：max為極限應(yīng)力；為危險截面慣性矩；為絕緣子的總長?？紤]同一材料的極限應(yīng)力不變，因此正常機械狀態(tài)支柱絕緣子最大載荷max0與故障支柱絕緣子的最大載荷max1之比為：

式中：max0、max1分別為正常和缺陷絕緣子極限載荷；0、1分別為正常和缺陷絕緣子危險截面慣性矩。

對于絕緣子的固有頻率，有：

式中：為絕緣子的各階固有頻率；k為對應(yīng)的克雷洛夫方程式的根；為長度；為彎曲剛度；為單位質(zhì)量。

對比公式（2）和（3），可以得到極限載荷比與固有頻率的關(guān)系：

式中：0、1為正常和缺陷絕緣子各階固有頻率。

由公式（4）可以得出：裂紋的存在會導致構(gòu)件截面彎曲剛度減小，進而改變絕緣子的固有頻率和所能承受的極限載荷。因此，可以通過檢測絕緣子的振動特性，提取各階振動模態(tài)下的固有頻率，并與完好絕緣子對應(yīng)振動模態(tài)下的固有頻率進行對比，從而判斷該絕緣子極限承載能力是否下降，即可判定該絕緣子是否存在裂紋等缺陷。

1.2 振動聲學檢測儀器原理

振動聲學檢測法利用被測物體在振動時的阻尼、振動頻率、幅度等相關(guān)模態(tài)參數(shù)的變化來判斷被測物體的機械狀況。SCT檢測儀是一種便攜式的振動檢測儀，其工作原理是：壓電陶瓷產(chǎn)生一個寬屏的白噪聲信號并通過激勵桿傳送到絕緣子，再利用一個連接著壓電式加速度傳感器的接收桿接收振動信號。工作時，將絕緣桿與SCT檢測儀連接，并將檢測儀頂在110 kV絕緣子下法蘭處，檢測過程大概為6 s。檢測完成后，將記錄的數(shù)據(jù)導入相關(guān)軟件中進行處理計算，可以得到絕緣子的振動功率譜，通過功率譜峰值的分布區(qū)間可以判斷絕緣子是否發(fā)生故障以及故障所在大致位置。取一組云南電科院在西衙門變電站現(xiàn)場檢測結(jié)果制作本文的評定圖，包括正常、下法蘭故障以及上法蘭故障絕緣子。

首先將3組檢測結(jié)果進行頻譜分析，如圖1所示。

圖1 檢測結(jié)果頻譜圖

由于SCT檢測儀的激勵源采用白噪聲激勵，檢測結(jié)果包含了在儀器檢測范圍（1 Hz～10 kHz）內(nèi)該方向的所有振動信息，其傳感器采集的振動信號含有大量的偽隨機振動信號，所以可以發(fā)現(xiàn)圖中3種機械狀態(tài)絕緣子的頻響函數(shù)存在大量的干擾信息。

絕緣子的振動聲學檢測屬于隨機振動分析，而連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)只能通過功率譜密度來描述，即出現(xiàn)在某一頻率下振動的概率。同時利用自相關(guān)求功率譜可以消除偽隨機振動信號帶來的干擾，達到降噪的效果，因此利用功率譜密度來處理檢測結(jié)果效果更好。3種機械狀態(tài)絕緣子功率譜評定圖如圖2所示。

圖2 3種機械狀態(tài)絕緣子功率譜評定圖

由圖2可知：正常機械狀態(tài)的絕緣子，其檢測結(jié)果功率譜圖的主要頻率分量分布在4 Hz～5 kHz；當下法蘭存在故障時，主要頻率分量向低頻區(qū)間偏移，但原頻率帶并非完全消失，而是繼續(xù)存在，新的振動頻率峰值出現(xiàn)在2 kHz附近；當上法蘭存在故障時，主要頻率分量向高頻區(qū)間偏移，新激發(fā)的振動頻率帶出現(xiàn)在9 kHz附近，同時在1 Hz～10 kHz區(qū)間范圍內(nèi)存在許多微小振動帶。

由圖可以看出，在白噪聲激勵下，3種機械狀態(tài)的絕緣子在豎直方向上主要的振動頻率區(qū)分度很明顯：正常機械狀態(tài)的絕緣子主要的振動頻率分布在4 Hz～5 kHz，下法蘭故障的絕緣子主要的振動頻率分布在2 kHz附近的低頻區(qū)域，上法蘭故障的絕緣子主要的振動頻率分布在9 kHz附近的高頻區(qū)域。

2 檢測位置對檢測影響的仿真研究

2.1 支柱絕緣子建模

用Solidworks建立110 kV瓷支柱絕緣子1:1模型，并導入ANSYS Workbench中進行仿真，采用瞬態(tài)動力學方法分析。模型下法蘭的4個螺栓孔采取全約束。由于輸電線對絕緣子的作用力相對較小，可以忽略不計，因此上端視為自由端，忽略螺栓預(yù)緊力的影響。仿真模型主要包含上下法蘭盤、上下膠合劑以及瓷體，如圖3所示。

圖3 110 kV瓷支柱絕緣子1:1模型爆炸視圖

絕緣子故障設(shè)置，分別在下法蘭至下端第一傘裙之間以及上法蘭至上端第一傘裙之間設(shè)置缺陷，厚度為1 mm，缺陷截面積為柱體截面積的一半，距離上、下法蘭上表面10 mm。仿真模型故障設(shè)置如圖4所示。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 模型故障設(shè)置

表1 材料明細表

2.2 模態(tài)分析

振動聲學檢測過程是連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)過程。為減小計算量，采用間接瞬態(tài)分析。首先對3種模型分別進行模態(tài)分析，設(shè)置分析階數(shù)為100階，得出的最高模態(tài)頻率未達到5 kHz。由于SCT的檢測范圍為0～10 kHz，故增大分析階數(shù)，最終定為350階。將3種機械狀態(tài)絕緣子的模態(tài)分析結(jié)果合并顯示，結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種模型各階固有頻率對比

由圖5可以看出，3種機械狀態(tài)絕緣子的各階固有頻率差距不大，僅根據(jù)固有頻率不能區(qū)分不同機械情況的瓷支柱絕緣子故障，因此繼續(xù)對模型進行瞬態(tài)分析來模擬振動聲學檢測過程。

2.3 不同接收位置瓷支柱絕緣子振動分析

在不同位置缺陷模擬，如圖6所示：在下法蘭外沿位置1處施加偽隨機信號，加速度信號接收點選擇在位置2和位置3處兩處。

圖6 仿真示意圖

通過查看加速度信號的功率譜圖，研究偽隨機信號激勵的不同機械結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同接收位置絕緣子、振動頻率的變化。在ANSYS Workbench中模擬這一過程，白噪聲的頻率范圍覆蓋SCT檢測要求的頻率范圍（1～10 kHz），利用MATLAB產(chǎn)生3 000個0～11 000的隨機數(shù)，以這些隨機數(shù)為頻率生成正弦信號并疊加，最后生成0～0.04 s內(nèi)的時間—振幅序列（時間間隔為2.5e–4s），以力的形式添加在下法蘭邊緣處作為激勵源。分析機的步長設(shè)置為2.5e–4s，分析時間取0.04 s。提取加速度分析結(jié)果并導入MATLAB中進行功率譜密度計算，信號的采樣頻率與時間分辨率相對應(yīng)，為時間分辨率的倒數(shù)40 kHz。3種仿真模型兩處接收位置采集的加速度功率譜圖如圖7和圖8所示。

由圖7可以得出，當接收點在位置2時，3種模型的仿真結(jié)果均與實驗得到的結(jié)果大致吻合：正常絕緣子的功率譜包含4個的頻率分量，主要的振動分量分布在5 Hz～6 kHz之間；下法蘭故障絕緣子的功率譜包含5個頻率分量，主要的振動分量分布在3 kHz附近；上法蘭故障絕緣子的功率譜包含2個頻率分量，主要的振動分量分布在8 kHz附近。

圖7 3種機械狀態(tài)絕緣子位置2仿真結(jié)果

圖8 3種機械狀態(tài)絕緣子位置3仿真結(jié)果

由圖8可以得出，當接收點在位置3時，正常絕緣子與下法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖無明顯區(qū)別，并且呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動信息；而上法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動信息。

當接收點在位置2時，接收到的反饋振動能量既包含了激勵源發(fā)出的一部分，同時也包含了從絕緣子頂端反射回來的能量，振動信息較完整。而當接收位置位于位置3時，接收到的振動能量主要源自激勵源能量的橫向傳遞，從絕緣子頂端反射的能量很小，因此高頻振動成分偏多。因此，可以得出接收位置的不同，會導致檢測結(jié)果性質(zhì)的改變。

2.4 不同激勵位置瓷支柱絕緣子振動分析

改變激勵位置，將激勵點選為位置2、接收點取位置3，并與激勵點為位置1、接收點為位置3的結(jié)果進行對比。為與圖8進行區(qū)分，激勵點為位置2時的仿真結(jié)果記為位置3￠的功率譜，如圖9所示。

圖9 3種機械狀態(tài)絕緣子位置3￠仿真結(jié)果

對比圖8和圖9，對于正常絕緣子，當激勵位置在位置1時，加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動信息；而當激勵位置為位置2時，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動信息，包含4個頻率分量，主要的振動分量分布在5 Hz～6 kHz之間。

對于下法蘭故障絕緣子，當激勵位置在位置1時，下法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動信息；而當激勵位置為位置2時，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是下法蘭故障絕緣子的振動信息，包含3個的頻率分量，主要的振動分量分布在3 kHz附近。

對于上法蘭故障絕緣子，當激勵位置在位置1時，上法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動信息；而當激勵位置為位置2時，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動信息，包含3個的頻率分量，主要的振動分量分布在5 Hz～6 kHz之間。

當激勵位置位于位置2時，正常和下法蘭故障絕緣子提取的故障信息與評定圖一致，而激勵位置位于位置1時，兩者都顯示的是上法蘭故障絕緣子的振動信息；但上法蘭故障絕緣子的結(jié)果與激勵位置位于位置1時是一樣的，振動的峰值頻率分布在6 kHz附近區(qū)域。分析原因檢測位置3太靠近螺栓的約束位置，彈性變形受到一定抑制。因此，可以得出：激勵位置的不同也會導致檢測結(jié)果性質(zhì)的改變。

3 檢測位置對檢測影響的實驗研究

3.1 實驗平臺搭建

本文研究對象為變電站110 kV電壓等級瓷支柱絕緣子。試制上法蘭端故障和下法蘭端故障絕緣子。取兩只機械狀態(tài)良好的絕緣子，將加熱帶分別纏繞在下法蘭和上法蘭處進行加熱，如圖10所示。當絕緣子法蘭溫度上升至200 ℃左右時，內(nèi)部膠合劑由于膨脹會產(chǎn)生氣孔，此時斷電停止升溫，用冷水使其降溫并同時用力錘輕輕敲擊法蘭。重復上述過程多次后在法蘭與傘裙的連接處會產(chǎn)生如圖11所示的微裂紋。

圖10 瓷支柱絕緣子故障試制

圖11 微裂紋

搭建瓷支柱絕緣子實驗臺：圖12（a）為絕緣子實驗臺；圖12（b）為絕緣子與基座的固定方式。采用4個螺栓固定，與實際約束條件完全吻合。

圖12 絕緣子實驗臺

3.2 不同檢測位置時瓷支柱絕緣子振動分析

實際安裝時，將絕緣子通過下法蘭與支撐柱相連接；利用振動聲學檢測儀進行檢測時，可供檢測的位置只有下法蘭的邊緣處?？紤]到振動聲學檢測儀激勵桿與接收桿的形狀與大小，忽略徑向檢測位置不同的影響，僅考慮距離螺栓約束距離的影響。

將一完好的絕緣子固定在絕緣子實驗臺上，先進行錘擊實驗，利用加速度傳感器接收信號，并將結(jié)果導入MATLAB中進行頻譜分析，得出的加速度功率譜如圖13所示。

圖13 正常絕緣子錘擊實驗

由圖13可以看出，該絕緣子的振動信息主要分布在6 kHz附近，表明該絕緣子確實為完好絕緣子。

利用振動聲學檢測儀對絕緣子進行檢測，實驗示意圖如圖14所示。

圖14 振動聲學檢測實驗示意圖

首先將檢測位置選為下法蘭邊緣中間，接收位置為位置a，激勵位置為位置b；接著改變檢測位置，以接收桿位置為基準，將接收桿移動至位置a￠；重復第二步，以激勵桿位置為基準，將激勵桿移動至位置b￠。每一處位置均檢測3次，確保檢測結(jié)果不會因為操作問題出現(xiàn)偏差。檢測結(jié)果如圖15所示。

圖15 實驗結(jié)果

由圖15可得，當檢測位置大致位于下法蘭邊緣的中間位置時，振動聲學檢測結(jié)果表明該絕緣子為完好的絕緣子，振動信息主要分布在5 Hz～6 kHz之間。

當接收桿靠近約束位置時，1 Hz～2 kHz的振動分量得到增強；并且在測試的3組數(shù)據(jù)中，有一組甚至超過了5 Hz～6 kHz位置處的頻率峰值。

當激勵端靠近約束位置時，測試結(jié)果完全變?yōu)橄路ㄌm故障的振動信息，5 Hz～6 kHz區(qū)域的振動分量很小，振動信息主要分布在低頻區(qū)域。

在位置a～a￠以及b～b￠之間區(qū)域各選取3處位置進行實驗，實驗結(jié)果顯示，無論是接收桿還是激勵桿，越靠近約束位置低頻信號峰值越高。

挑選故障絕緣子和上法蘭故障絕緣子，分別重復上述實驗，也都出現(xiàn)了振動峰值的偏移現(xiàn)象。由此可以看出，當利用振動聲學檢測儀對瓷支柱絕緣子進行故障檢測時，隨著檢測位置的改變，檢測結(jié)果也會發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為：當檢測位置大致位于下法蘭邊緣的中間區(qū)域時，檢測結(jié)果較為準確；當激勵桿靠近約束處時，檢測結(jié)果的峰值會向低頻偏移并最終超過主要的頻率分量，呈現(xiàn)出錯誤的檢測結(jié)果。

3.3 檢測位置優(yōu)化設(shè)計

檢測位置的不同會直接影響檢測結(jié)果的準確性，并且不同工作環(huán)境下，絕緣子的連接方式也有很大差異，因此，檢測位置的選擇是確保振動檢測有效性的關(guān)鍵因素。

由上述實驗可以得出，激勵桿的位置尤為重要。檢測完好絕緣子時，當激勵桿靠近約束處時，激勵能量有很大一部分會傳遞給下端支撐架，因此接收到的反饋振動信息包含支撐架的振動信息，導致檢測結(jié)果呈現(xiàn)出下法蘭故障的振動信息。

檢測下法蘭故障絕緣子時，由于下法蘭故障絕緣子的振動功率譜峰值原本就分布在1 Hz～2 kHz區(qū)域，因此檢測位置對結(jié)果的影響不大。

利用振動聲學檢測法檢測上法蘭故障絕緣子，由于儀器本身對高頻故障檢測不靈敏，再加上檢測位置的影響，所以很難測到高頻信號。實驗中發(fā)現(xiàn)，除了檢測位置位于下法蘭邊緣中間區(qū)域及附近，其余位置都無法測出正確結(jié)果。

實際檢測時，無法得知測試絕緣子的完好情況，因此檢測位置盡量靠近下法蘭邊緣的中間區(qū)域。若無法滿足上述檢測條件，則激勵桿應(yīng)盡量遠離約束位置。

4 結(jié)論

研究了瓷支柱絕緣子振動聲學檢測位置選擇的問題。為了確保檢測的準確性以及高效率，在現(xiàn)有的振動聲學檢測方法經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，完善了檢測位置優(yōu)化的設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）在利用振動聲學檢測法對瓷支柱絕緣子進行故障檢測時，檢測位置不同，檢測結(jié)果也不同，甚至會導致檢測結(jié)果的性質(zhì)發(fā)生改變。

（2）檢測位置位于下法蘭邊緣的中間區(qū)域時，檢測效果最佳。相反，無論是接收桿還是激勵桿，越靠近約束位置，低頻信號峰值越高。

（3）振動聲學檢測儀激勵桿的位置選取更重要，應(yīng)盡量遠離約束區(qū)域。

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Study on Vibration Acoustic Position of Pillar Porcelain Insulator

ZHAO Feiya1, WAN Shuting1, LI Na1, YANG Meng2

(1. Hebei Key Laboratory of Electric Machinery Health Maintenance & Failure Prevention, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Management Training Center of State Grid Hebei Electric Power Co., Ltd., Beijing 102401, China)

This paper analyzes the principle of the vibration acoustic detection method for pillar porcelain insulators, and discusses the influence of the detection position when the vibration acoustic detection is used for the defects of pillar porcelain post insulators. The transient analysis of the pillar porcelain post insulators model was carried out by ANSYS Workbench, and it was verified that different detection positions would affect the accuracy of detection results. By building 110 kV pillar porcelain post insulators test-bed, vibration acoustic detection was carried out for insulators without defects and insulators with faults of upper and lower flanges. The experimental results show that when vibration acoustic detection is used for fault diagnosis of pillar porcelain post insulators, the detection results will be different with different detection positions, and even the properties of the detection results will be changed.

pillar porcelain post insulators; ANSYS; detection position; vibration acoustic detection; fault diagnosis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.007

TM73

A

1672-0792(2021)08-0051-09

2021-04-19

國家自然科學基金（51777075）；南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目（YNKJXM20180729）

趙飛亞（1997—），男，碩士研究生，主要從事輸電線路工程方向研究；

萬書亭（1970—），男，教授，主要從事大型電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)動力學研究；

李 娜（1973—），女，副教授，主要從事輸電線路工程方向研究；

楊 萌（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。

萬書亭