声振技术在支柱绝缘子强度检测中的应用

夏 超，吴章勤，杨晓红

（1.华北电力大学 云南电网工作站，昆明 650217；2.云南电力试验研究院（集团）有限公司电力研究院金属研究所，昆明 650217；3.华北电力大学 机械工程学院，保定 071003）

支柱绝缘子又称瓷瓶，起支撑母线和绝缘的作用，通常受到风、雨、雪等环境带来的影响，多数绝缘子的断裂是由于安装在其上的隔离开关动作产生的载荷带来的疲劳失效，据相关电力部门的文件记载，已经发生过多起高压支柱绝缘子开裂的事故，导致了人员的伤亡和巨大经济损失。以往在瓷瓶入网前，会有相关的超声探伤检测，但常年的动作载荷及环境载荷必然带来疲劳失效。由于电厂和变电站中大量使用支柱绝缘子，通常一个110kV的变电站就有带隔离刀闸开关的绝缘子200个左右，传统的超声检测需要在停电状态下进行，作业时需要登高，操作程序繁锁费时，两人配合检测时，约10min检测一支。如图1所示，因此寻求一种带电状态下可以快速检测支柱绝缘子的技术迫切需要［1－2］。

支柱绝缘子的声振检测相比于超声、射线等具有其独特的优势：① 针对于胶接的部件检测较灵敏，检测速度较快。② 由于绝缘子的整体强度与其固有频率紧密相关，可以从整体上把握绝缘子的强度。③ 设备集成后较轻便，操作方法也很简单，做成便携式设备可带电检测绝缘子，作业者只需要通过绝缘杆将探头接触法兰底部任意位置片刻即可，提高了带电作业安全性，简化了检测操作步骤，这是较其它检测方法所具有的优势。

图1 现场超声检测绝缘子

1 声振检测

1.1 原理介绍

声振检测是用声频激励被测工件产生机械振动（声波），测量被检物的振动特性，分析其振动状态，例如振幅、频率、损耗、振动形式以及与物体振动方式有关的力阻抗等来判别被测件的状况。在古代，人们就学会通过对瓷件的敲击发出的声音的清脆程度来判断有无缺陷，这是声振检测的一种比较粗放式的检测方法。现在的生活中，也经常发现人们敲西瓜和敲击火车的轮轴来判断是否有缺陷。通过相关的研究，可发现激励工件产生的音频与工件的结构、机械性能直接相关，因而可以据此判断被检物的内在质量，主要用于胶接结构与复合材料的检测。其工件的自然频率遵循如下表达式［3－4］：

式中：E为弹性模量；I为截面的惯性矩；KS为剪切刚度，ρI为旋转惯量。

这些参量引起的频率变化是近似线性的。构件局部有缺陷时，会引起EI、m、KS、ρI等变化，从而引起频率的变化。因此这种频率变化可以作为评估其整体质量的手段。

1.2 支柱绝缘子的简易模型建立

由于厂家多数不提供瓷裙的尺寸信息，因此笔者通过测绘来建立模型，图2，3是测绘电瓷XZP2－300KN型的支柱绝缘子的简图。绝缘子中大小伞裙共计27片，除外圆直径不同外，其它尺寸一样。

图2 支柱绝缘子测绘基本尺寸

图3 伞裙基本尺寸

由于支柱绝缘子分5个部分组成，从上到下的顺序是上法兰、胶接层、瓷体、胶接层和下法兰，如图4所示。

图4 CAD建立模型

1.3 导入ANSYS进行计算

将CAD建立的模型以sat的文件形式导入ANSYS，添加材料参数，如图5和表1所示。

图5 结构示意图

表1 材料参数表

逐一添加材料属性后，设置边界条件，设定底面为零位移面，如图6所示。

求解模型，选取一定的频率范围，要求模态较明晰且边界的模态间距较大，以方便测量与分析，例如表2所示。

图6 设置约束条件

表2 完好模型各阶模态信息

观察第27，28，29阶模态的频率所在的频率范围为4 100～4 300Hz，此频率范围与就近的第26阶与30阶模态的频率相差较大，因此可以选定此范围作为频率激励范围，观察此3阶模态的振动形式，如图7所示。

图7 完好模型的模态振动形式

图8 设置缺陷位置

对模型加入人工缺陷，缺陷厚度3mm，缺陷横截面积为柱体横截面积一半，如图8所示。

同样求解得到模态信息，如表3所示选取第4，5，6阶模态作为分析对象，也是因为此范围内，模态频率上下间隔较大，各阶模态在此频率范围内集中度很低，有助于测量与分析缺陷信息。观察这三阶的振动形式，如图9所示。

表3 有缺陷模型的各阶模态信息

图9 有缺陷模型的模态振动形式

对比图7所示的振动形式，发现在设置缺陷后，4 000～4 500Hz的频率范围内的模态振动形式有了明显变化，它们完全不存在如第29阶的纵向振动样式，且其他两阶振动多发生在上法兰的部位，由于实际带电检测时，检测装置的作用点是在下法兰底部，其测量对于纵向振动较敏感，在发生缺陷后，主要振动在上部，其传递给法兰底部的振动信息必然微弱，即通过在4 000～4 500Hz频率内某些振动拾取信号的缺失可以判断绝缘子有无较大缺陷。

2 结论

声振检测实际是一种模态检测，从理论分析出频率与绝缘子的整体强度紧密相关，从模态上可以分辨正常状态的绝缘子和缺陷绝缘子，利用缺陷绝缘子的频率与标准库中正常的绝缘子固有频率相比较来判断绝缘子的整体强度是否达到要求［5］。这项检测技术相比于超声与红外检测有独特的优势。它可以在带电的情况下通过对绝缘子底部进行激励来得到响应频率，因此检测过程动作简单，由于是激励发生快，响应得到也快，且得到的参数可直接进行整体强度判断，无需逐一检测工件，因此检测时间短，这无疑减少了技术人员在变电站带电检测的时间和操作动作，因此大大提高了检测效率和人员的安全性。

利用声振技术检测支柱绝缘子强度，其中主要的难点在于对有缺陷存在的绝缘子的判定范围的设置，在试验中选取合适的模态作为评定缺陷的依据将是后续工作的重点，这需要大量的试验来得出一套标准，另外各种不同的支柱绝缘子要建立起标准库还需要大量的工作。试验将主要以110kV和220kV带隔离刀闸开关的支柱绝缘子作为研究对象，随后再扩展到500kV及各种瓷套管。在此从理论上提出声振检测对于支柱绝缘子的可行性，再逐步进入具体的研究。

［1］ SINGIRESU S.Rao.Mechanical Vibration［M］.北京：清华大学出版社，2009：442－443.

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