瓷绝缘子振动声学检测技术及应用

张广兴，王永强，霍 娜

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.华北电力大学，河北 保定 071000；3.北京国电电科检测科技有限公司，北京 102209）

瓷绝缘子是电网系统非常重要的组成设备，常规检测瓷绝缘子的方法（如超声波检测等方法）存在对微裂纹缺陷检测差、干扰因素多、不能在线检测等不足，难以满足对瓷绝缘子进行快速有效的检测及诊断的需求。因此，研究采用可靠性高、现场适应性强的在线无损检测方法展开对瓷绝缘子的性能诊断成为一种迫切要求，具有十分重大的意义。

1 瓷绝缘子检测方法介绍

为了有效检测出瓷支柱绝缘子裂纹，国内外一直针对瓷绝缘子开展无损伤研究工作，目前国内在对绝缘子的无损检测方面常用的设备有“超声波”和“紫外成像仪”。常用的检测方法有超声波检测，紫外成像检测，红外检测，但这3 种瓷绝缘子无损检测方法都存在较严重的局限，不能确保对电力系统瓷绝缘子安全状况进行在线、可靠、快速评估的需要。

1.1 超声波检测

超声波有一定的检出能力，但操作复杂，需专业人员操作，其探测准确性受多重因素影响而导致大量漏检和误检，比如仪器及探头的性能、支柱的形状和几何尺寸以及缺陷的种类、位置、深度、表面粗糙度等会对超声波的检测结果产生较大的影响。最大的问题是超声波探伤必须在停电状态下进行而不能随时带电在线检测。

1.2 紫外成像检测

该方法仅对瓷支柱绝缘子高压端裂纹有效，距高压端1／3以外区域由于电场较弱不能达到起晕电压，因此即使有裂纹也无法产生电晕放电，为紫外电子光学探伤仪检测盲区，而由于应力的作用瓷支柱绝缘子绝大部分缺陷会出现在底部法兰处，同时，高压端支柱铁瓷结合部的胶接水泥干裂以及瓷表面附有异物都会引起放电发光现象，其观测现象与裂纹完全一致，极大的影响了观测的准确性，因此紫外的检出率较低。

1.3 红外检测

红外检测方法检测结果受到如绝缘子表面发射率、绝缘子负荷等级、检测距离、大气吸收、天气和红外检测仪器等多因素的综合影响，难以确认结果的准确性，绝缘子受损程度与其表面发热量的量化关系也未建立，大大影响了该方法的应用。

2 瓷绝缘子振动声学检测系统

2.1 瓷绝缘子振动声学检测原理

把瓷绝缘子看成柱装置，柱装置一端固定（封堵）且另一端为自由状态，通过理论分析绝缘子的机械强度和它的频率特性紧密相关，其本身自有振动频率由表达式（1）［1］确定：

式中：ω为柱装置（绝缘子）本身自有振动频率；K为克雷洛夫方程式根；L为柱装置长度；E为材质弹性模量；I为柱装置危险断面的惯性静力矩；μ为柱装置的单位长度质量。

把损坏的和未损坏的绝缘子作比较，取极限载荷（承载能力）作为出发点，则绝缘子的损坏程度可表示为损坏绝缘子极限载荷和未损坏绝缘子极限载荷之比的形式。无需复杂的转换就能得出下列关系式：

式中：P0为未损坏绝缘子极限载荷，该载荷与完好支柱横截面积S0成正比；P1为损坏绝缘子极限载荷，该载荷与损坏支柱横截面积S1成正比；I0为未损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；I1为损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；ω0为未损坏绝缘子自有振动频率；ω1为损坏绝缘子自有振动频率。

该关系式同样适用于纵向（竖）和扭曲的载荷也是正确的。因此，采用振动声学方法，通过观察瓷绝缘子的固有频率的状态就可以判断其机械强度及损伤。

当向瓷绝缘子底部法兰施加载荷使绝缘子振动时，该振动包含绝缘子动态特性的完整信息，与此同时，绝缘子底部法兰有缺陷（裂纹）时，会导致出现低于基本振动音调的频率，而在上部法兰区域时，会出现高于基本音调的频率。支柱式瓷绝缘子保持机械强度的基本判据乃是它振幅－频率特性的不变性。高于和低于绝缘子振动驻波频率泛音（副振动）的存在表明在上部或下部法兰存在缺陷，见图1。

图1 不同状态绝缘子的功率谱密度

2.2 系统结构

检测系统由振动激励装置、振动接收及记录装置、频谱分析软件组成。2个功能探针实现对整个瓷支柱绝缘子的测试，一个探针作为发射探针，发射一串特殊的振动波激励瓷瓶产生纵向振动，另一个探针接收振动反馈波采集瓷绝缘子共振时的泛波频率，该反馈波包含瓷绝缘子的全部信息，利用专用频谱分析软件进行分析、并以频谱的形式显示出来，通过观察即可判断绝缘子是否有裂纹、裂纹大概部位、机械强度是否降低或丧失，以及绝缘子是否老化等［2］。图2为检测装置示意图，图3为检测操作示意图。

3 瓷绝缘子振动声学检测系统的应用

3.1 应用情况

图2 瓷绝缘子振动声学检测装置示意

图3 瓷绝缘子振动声学检测装置示意［3］

采用该技术的系统对河北省南部电网多个电厂升压站及电网变电站瓷绝缘子进行现场检测应用，共检测数百只瓷绝缘子，发现其中数支存在较严重缺陷。对上述存在缺陷的瓷绝缘子采用其他方法进行了复核，发现缺陷确实存在。随后及时更换了存在缺陷的瓷绝缘子，确保了整个电力系统的安全稳定运行。图4至图7是发现较严重缺陷的瓷绝缘子振动频谱图。

图4 220kV 支柱绝缘子缺陷图谱

图5 110kV 瓷支柱绝缘子缺陷图谱

图4为220kV（2节）支柱绝缘子下部绝缘子底部法兰有（内部看不到裂纹）缺陷时该支柱式绝缘子振动功率谱密度评定图（出现1 000～2 000 Hz谐振频率）。

图5为110kV 瓷支柱绝缘子，底部有裂纹的绝缘子，裂纹出现在底法兰上部缺陷时该支柱式绝缘子振动功率谱密度评定图（出现1 000～2 000Hz谐振频率）。

图6 220kV（2节）支柱瓷绝缘子缺陷图谱

图6为220kV（2节）支柱瓷绝缘子（断电时上端绝缘子破碎了），断裂出在底法兰上（出现1 000～2 000Hz和8 000～10 000Hz谐振频率）

图7 110kV（1节）瓷支柱绝缘子缺陷图谱

｀图7为110kV（1节）瓷支柱绝缘子，缺陷出在底部法兰区域（出现1 000～2 000Hz振频率）。

3.2 应用效果

通过对河北省南部电网厂、网上百只瓷绝缘子检测，用振动声学方法检测具有以下特点。

a.检侧部位：常规超声波检测只能检测顶部及底部裂纹，紫外成像检测只能检测高压侧裂纹，振动声学方法可检测整个瓷绝缘子内部的全部缺陷，对绝缘子健康状态进行总体评价。

b.检出率：超声波检测缺陷检出率约30%，紫外成像检测缺陷检出率约20%，振动声学检测的缺陷检出率为95%以上。

c.带电检测：常规超声波检测不能实现带电检测，而紫外成像检测只能带电检测，振动声学检测可以做到带电与停电都能检测。

d.检测时间：常规超声波完成一次测试需要大约30min，对辅助设施要求高，现场条件难以具备检测条件，紫外成像检测需要约10min，振动声学检测只需1min左右即可完成。

e.操作难易度：常规超声波检测操作相当繁琐，仪器调试及缺陷分析复杂，紫外成像检测则相对简单，但也需反复调焦观察才能看清，而振动声学检测则非常简单，只需一压即可完成测试。

f.对测试人员要求：常规超声波检测需要经过专门培训的专业人员才能操作，紫外成像检测也要有丰富经验的人员才能进行判断，而振动声学检测由普通技工即可完成测试，后期分析由专用软件完成，检验人员的影响大大降低。

4 结束语

基于振动声学原理的瓷绝缘子检测技术与其他检测方法具有检测范围广，可以检测整支绝缘子中的全部缺陷；检测效率高，可以实现对绝缘子大面积普查；能实现带电检测，不影响电力系统运行；原理简单，缺陷判定明确等优点，因此该方法在电力系统瓷绝缘子无损检测领域具有广泛的推广应用前景。

［1］郭 臣.瓷支柱绝缘子振动声学检测机理的研究［J］.贵州电力技术，2014，17（6）：44－46.

［2］马 崇.振动声学法在瓷支柱绝缘子检测中的应用［J］.河北电力技术，2012，31（1）：30－33.

［3］张 欣.振动声学探伤方法对瓷支柱绝缘子进行检测的验证方法研究［J］.华东电力，2013，41（9）：1965－1967.