支柱瓷绝缘子表面缺陷振动声学法检测的研究

张 昕，高 健，苗 兴，李 军，杨景建，李 辉，王炳慧

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.国电靖远发电有限公司，甘肃 白银 730919)



支柱瓷绝缘子表面缺陷振动声学法检测的研究

张 昕1，高 健1，苗 兴1，李 军1，杨景建1，李 辉1，王炳慧2

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730050；2.国电靖远发电有限公司，甘肃 白银 730919)

〔摘 要〕阐述了支柱瓷绝缘子带电和非带电检测方法及其原理，并就其对表面缺陷的检测效果进行了对比分析，指出采用超声相控阵检测表面缺陷为目前非带电检测时的最佳选择。分析了表面缺陷对支柱瓷绝缘子纵向振动模式下固有频率的影响程度，探讨了该检测方法对支柱瓷绝缘子特定缺陷进行检测的可行性。

〔关键词〕支柱瓷绝缘子；表面缺陷；振动声学法；检测

0　引言

自开展高压电力设备部件——隔离开关支柱瓷绝缘子(简称“绝缘子”)的检测工作以来，检测手段在不断地丰富、更新。从生产阶段的装配前超声波检测(铸铁法兰未装配前的两侧端头进行)、机械性能试验和着色渗透检测，到基建安装和运行阶段开展的常规超声波爬波检测、紫外电晕成像检测、红外热成像检测，以及近几年推出的超声相控阵检测和振动声学检测，尽管各种检测手段工作原理和检测时机不同，但在一定程度上为保证电力设备安全运行发挥了作用。

按检测时机，所有检测技术可分为2大类：带电和非带电检测，除红外成像、紫外电晕成像和振动声学法检测为带电检测外，其余均为非带电检测。

绝缘子一般由铸铁法兰、水泥和瓷体胶装而成。据统计，国内95 %以上绝缘子断裂发生在法兰口内30 mm到第1伞群之间。因此，相关的检验检测标准或规范均将重点检测区域定义为上述范围。

绝缘子受力主要来自导线、自身重量、运行操作以及各种气象条件下的载荷(如温差、风载、覆冰等)。从力学角度分析，所有载荷作用力最大点均在重点检测区域的外表面。通过大量的事故分析数据得知，绝缘子事故断裂主要由表面缺陷引起。因此，对绝缘子外表面缺陷的检测显得尤为重要。

1　检测方法简介

1.1带电检测

1.1.1红外成像检测

红外成像检测是通过对设备自身温度变化引起红外辐射能量的改变，对其进行监测来实现诊断的。绝缘子发热主要是由于电压致热造成的，而电压致热主要与泄漏电流有关，一般受湿度、雨雪和风速等影响。电压致热型设备的热像与电流致热型设备的热像有所不同，其发热点温度与正常点温度差别较小，因此对电压致热型设备的检测必须使用精确检测。

1.1.2紫外电晕成像检测

紫外电晕成像检测也是一种带电检测方法，但受到检测原理的限制，仅可适用于存在电晕放电的设备。然而，产生电晕放电的原因复杂，有时绝缘子存在的缺陷并不一定能够产生电晕，有时设备产生电晕放电并不是因瓷瓶缺陷引起的，而且缺陷所处位置及气象条件影响很大，一般无法检出位于绝缘子下部的裂纹，这都对绝缘子自身缺陷判断造成一定的困难。

然而，在实际检测中，绝缘子表面缺陷只是造成温升和电晕放电的一种原因；影响温升和电晕放电的因素很多，除湿度、雨雪外，污秽也是一个重要影响因素，有时甚至是多种因素共同作用的。

1.1.3 振动声学法检测

振动声学法检测同样是一种带电检测方法，工作原理是将绝缘子及其安装附件视为1个单自由度的振动整体结构，采用压电型激发器对绝缘子底部施加1个频率为1 000-10 000 Hz的随机振动(白噪声)，并保证具有足够的功率加载于绝缘子，接收单元采用压电式加速度传感器来接受其频响信号。测量、数字化、识别和存储绝缘子对1 000-10 000 Hz范围内激发随机振动的反应信息，由软件对该信息进行处理，即可得出用于判断绝缘子质量的判据。

1.2非带电检测

1.2.1常规超声波爬波检测

相控阵技术引入绝缘子检测之前，常规超声波爬波检测是绝缘子表面缺陷非带电检测的最常用手段。当超声波入射角接近第一临界角时，被检工件表面会产生沿工件表面下传播的爬波，其传播过程中如遇表面缺陷，会产生反射回波，通过测量回波，可实现对绝缘子表面缺陷的检测。

超声波爬波检测波形始终伴随着杂波的存在。在实际检测过程中，超声波束在工件内部的传播过程中衰减极大，且杂波较多，杂波与缺陷波同步显示在仪器屏幕上，检测人员要不断地区分非相关的杂波显示和缺陷波显示。在某些情况下，超声波爬波检测的杂波反射可达到缺陷波反射的一半。现场检测时，操作人员对真正的缺陷反射波难以确定，容易漏检，因此此方法基本无法进行声程超过50 mm的检测。

1.2.2超声相控阵检测

与常规超声波爬波检测相比，超声相控阵检测存在很大优势。相控阵探头晶片由多个阵元组成，各阵元按一定规律顺序排列，构成超声阵列探头。通过分别控制单个阵元发射信号的波形、幅度和相位延迟，使各阵元发射的超声子波束在空间叠加合成，从而达到发射的声束聚焦和偏转等效果。由于超声相控阵检测采集的信息更为丰富，可以实现被检工件的3D仿真成像，形象反应缺陷在工件内的分布状况。

由于超声相控阵检测的实时聚焦和偏转特性，当波形显示缺陷波与杂波反射当量差达12 dB以上且距离表面缺陷70 mm时，仍具有至少6 dB以上的反射当量差，优势非常明显。

2　振动声学法检测表面缺陷的可行性分析

2.1理论基础

绝缘子振动声学法检测是基于结构振动模态频域分析的一种无损检测方法。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态都具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。根据俄罗斯斯涅任斯科公司生产的MИK-1振动探测仪操作手册，得知该检测方法中承载强度极限与其固有频率存在如下关系：

其中：P0代表未损坏绝缘子的极限负载；

P1代表损坏绝缘子的极限负载；

I0代表未损坏绝缘子危险截面力矩；

I1代表损坏绝缘子危险截面力矩；

ω0代表未损坏绝缘子固有振动频率；

ω1代表损坏绝缘子固有振动频率。

式(1)是该检测方法的理论基础。反向推理，只有能够引起绝缘子承载能力下降的缺陷，才是振动声学检测的目标。

按照MИК-1振动探伤仪厂家操作手册进行如下实验：选择750 kV变电站支柱瓷绝缘子，在其重点检测区域(下法兰处)加工模拟表面人工缺陷(深6 mm，宽1.5 mm，长50 mm)，按照现场安装方式，将此绝缘子分别正、倒置安装，对其进行试验室测试。测试结果如图1，2所示(图中纵坐标为相对谱强度，无量纲)。

图1　缺陷正置(缺陷在下法兰)

图2　缺陷倒置(缺陷在上法兰)

如果在瓷绝缘子下法兰处存在裂纹，会出现低于基准驻波频率(4 500 Hz)的附加频谱极大值，其频率极大值在1 000-2 000 Hz；如果在瓷绝缘子上法兰处存在裂纹，则会出现高于基准驻波频率(4 500 Hz)的附加频谱极大值，但其频率极大值在9 000-10 000 Hz。测试结果显示：当绝缘子正置时，虽然在预定频域1 000-2 000 Hz内出现缺陷显示，但数据重复性不强，需要反复多次测试才会出现，因此代表性不强；当绝缘子倒置安装时，则根本未在预定区域9 000-10 000 Hz内出现缺陷显示。

2.2频响功率谱密度

检测仪器最终的评判依据是频响功率谱密度，评价绝缘子质量是通过对功率谱密度分析来进行的。功率谱密度是从能量的角度来进行信号的频域分析。根据文献[4]，功率谱密度为功率在fk(被检测结构k阶谐振频率)处的功率含量。测量信号经带通滤波器，只有fk-Δf/2到fk+Δf/2的频率成分可以通过，经平方、平均再除以Δf，便得到功率谱密度(Δf为谐频之间的间距)。

连续改变中心频率fk，便可在频谱记录仪上画出功率谱密度图。功率谱密度函数以包络线内的瞬时振动频率为中心频率，其形状类似1个尖脉冲。功率谱函数通常是对周期函数进行分析使用的，表现为离散谱；而对非周期函数和随机函数，只能使用功率谱密度函数。

MИК-1振动探伤仪激发器对绝缘子施加1个白噪声信号，使绝缘子及其安装部件组成的结构产生振动。由于结构中各部件或部位对激励的响应不同，接收端子接收整个结构对激励的响应后，处理模块对接收到的响应在1 000-10 000 kHz范围内以一定的步长改变中心频率，通过一系列运算得出功率谱密度曲线。

需要说明的是，MИК-1振动探伤仪的功率输入分量对于每一频率成分都是相同的，而其输出谱则由于结构频响函数的作用发生了变化。仪器所测得的功率谱密度曲线中包络线内的尖脉冲(峰值)，是绝缘子及其相关部件所组成的振动结构，在1 000-10 000 kHz这个设定频率范围内对激励响应的极大值。此时振动结构的作用如同一个窄带滤波器，只有在设定的频段内结构发生谐振才能获得。这些峰值包括结构本身固有频率的响应，以及存在的缺陷所引起的响应。因此，只有在缺陷存在时，功率谱密度才会产生一个明显不同于基频峰值的附加峰值，该检测方法才成立。

针对这一情况，决定采用有限元分析法对振动声学法检测裂纹缺陷的振动模态进行分析。

2.3绝缘子纵向振动模态有限元分析

检索发现，华北电力大学与云南电科院合作的项目做过类似研究。在分析过程中，绝缘子基本物理参数按照俄罗斯MИК-1振动声学探伤仪操作说明设定，只设置1种缺陷(宽3 mm，面积为绝缘子横截面积的一半)，结论认为：“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……不同的绝缘子要建立标准库还需要大量的工作。”分析结果未对利用该方法检测裂纹缺陷的有效性给予肯定结论。

利用固有频率的改变来判断零部件或结构质量的案例很多，多应用于零件分选、结构强度(刚度)分析等领域，与振动声学法缺陷检测相似，但并不相同。另外由于分析过程中缺陷设定过大(横截面积的一半)，对整个结构影响过大，已不符合缺陷概念，产生了附加的弯矩和扭矩，偏离了缺陷检测概念。在文献[2]中，对隔离开关支柱瓷绝缘子的临界裂纹尺寸有过详细论述：长深比为10∶1时，对应的临界裂纹尺寸最大值为4.2 mm； 长深比为4∶1时，对应的临界裂纹尺寸最大值为5.0 mm。

在本次分析中，对110 kV，220 kV绝缘子分别进行了完好状态和5种裂纹缺陷状态下的振动固有频率模态分析(与实际安装状态相同，下法兰固定)。由于仪器是从绝缘子底部激发并测量，且根据相关资料分析，MИК-1振动探伤仪测定的主要是纵向振动的参量，故只分析纵向振动。以下介绍220 kV绝缘子的5种缺陷如表1所示，其纵向振动模态分析(见图3)。

表1　220 kV绝缘子缺陷设定尺寸 mm

绝缘子基本物理参数均按“操作手册”和“教材”(文献[2])所提供2种条件设定，如表2，3所示。

图3　220 kV绝缘子纵向振动模态分析

表2　基本物理参数(“操作手册”)

表3　基本物理参数(“教材”)

220 kV绝缘子纵向振动模态参量见表4，不同缺陷对固有频率的影响如图4和5所示。

表4　220 kV绝缘子纵向振动模态参量 Hz

分析上述结果，可以得出如下结论。

(1)缺陷的存在会使绝缘子纵向振动固有频率降低(实际上所有模式均有降低，这里只列出了与振动声学法检测有关的数据)，但缺陷的存在并没有使谐振固有频率产生突变。

(2)缺陷的存在基本没有引起在绝缘子长度方向的振幅及分布规律产生明显的变化，说明缺陷并没有引起振动能量分配产生突变，继而在功率谱密度产生缺陷显示。

(3)绝缘子基本物理参数的改变，特别是弹性模量的改变，会使各种振动模式下的固有频率产生突变，这个结论也符合式(1)的理论。

图4　不同缺陷对纵向振动第1频率影响

图5　不同缺陷对纵向振动第2频率影响

3　 结论

(1)在绝缘子表面缺陷检测的2大类中：超声相控阵检测无论从缺陷检出灵敏度，还是显示的信噪比，均明显优于传统超声爬波检测，为非带电检测的最佳方法。

(2)红外成像检测能够检测绝缘子温升，但温升原因较多；紫外成像检测由于限制于缺陷的部位，受环境因素的影响较大。因此，以上2种方法尚无法保证能够有效检出绝缘子的所有表面缺陷。

(3)通过绝缘子纵向振动模态有限元分析，认为绝缘子表面缺陷会导致其纵向谐振固有频率发生改变，但由于绝缘子本身生产条件，每个绝缘子的固有谐振频率不尽相同，缺陷导致频率下降的幅度不足以作为缺陷存在的判定依据。

(4)绝缘子产生的缺陷如果能够引起整个振动结构(包括绝缘子串、基座和相关联的各部件)的强度或刚度发生改变，如“操作手册”所述：下降50 %，则针对此类缺陷，振动声学检测具有更明显的优势。

(5)通过理论和有限元分析的手段，对振动声学法检测绝缘子表面缺陷的可行性进行了初步探讨。必须指出，由于“操作手册”提到该检测法适用于110-220 kV绝缘子检测，分析可能主要是受到激发器能量及拾振器灵敏度的制约。至于更高等级或多个绝缘子串联的情况下是否能够进行有效的检测，有待于更进一步的实验加以验证。因此，下一步研究工作主要是对振动声学法检测激发能力进行强化，改进传感器，并采用频谱分析仪对多阶谐振频率和振幅进行测定，以期发现更为准确的缺陷判定标准；开发实时在线监测装置，对主要的支柱瓷绝缘子承载能力实施全时段监测和网络监控，确保其安全稳定运行。

参考文献：

1 田新民，曾庆立.瓷瓶断裂原因及防护措施[J].东北电力技术，2002，23(4)：21-23.

2 蒋 云，王维东，蔡红生.支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测[M].北京：中国电力出版社，2010.

3 夏 超.支柱瓷绝缘子振动声学检测方法研究[D].保定：华北电力大学，2013.

4 李德葆，陆秋海.工程振动试验分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

张 昕(1965-)，男，高级工程师，主要从事电网设备状态监测及带电设备检测研究，email：singzh2004@qq.com。

高 健(1980-)，男，高级工程师，主要从事电网设备带电设备检测研究。

苗 兴(1958-)，男，高级工程师，主要从事电网设备事故分析及带电设备检测研究。

李 军(1981-)，男，高级工程师，主要从事电网设备事故分析及状态监测研究。

杨景建(1977-)，男，高级工程师，主要从事电网设备无损检测及状态监测研究。

李 辉(1985-)，男，助理工程师，主要从事电力设备无损检测及失效分析。

王炳慧(1981-)，男，工程师，主要从事电力设备无损检测及失效分析。

作者简介：

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-10。