瓷套裂纹振动检测的仿真研究

傅 蔷

（国网武汉供电公司经济技术研究所，湖北 武汉 430013）

0 引言

振动检测是一种通过激励被测物体产生机械振动波，测量其振动的特征来判定质量的技术。目前，振动检测探伤广泛应用于机械结构裂纹损伤识别、混凝土工程结构检测、杆系钢结构损伤识别、板架结构损伤识别等[1-4]。

振动法检测瓷套裂纹是基于裂纹出现前后瓷套的机械强度发生改变，通过检测得到的频谱图（幅频特性）对其裂纹进行大致判定。振动法具有设备简单、检测速度快、成本低等优点。

瓷套的机械强度与频率密切相关，对其加载随机机械振动，有裂纹缺陷的瓷套会出现不同于基础频率的频率分量，根据其频谱的中心频率，可以评估瓷套的机械状态，即通过评估瓷套对激励声波的反应频谱来确定支柱绝缘子或瓷套是否已经损坏。

振动检测法在实际运用中的检测系统包括：激励源、信号接收器、信号处理与储存单元、数据分析系统。

本文选择充油瓷套和充气瓷套，运用有限元法对所选瓷套样品建模，根据振动检测施加机械振动的位置不同以及瓷套裂纹的不同等情况，进行数字仿真，得到不同情况下的频谱图，并进行频谱分析。

1 样品选择及模型建立

本研究选取40.5～170 kV开关用支柱瓷套作为样本如图1和图2所示，样品参数如表1所示。选择充油瓷套和充气瓷套进行仿真计算。度 7.6×103kg/m3，杨氏模量7.3×1 010 N/m2，泊松比为0.38，波速为 3.56×103 m/s；铸铁密度 7.7×103 kg/m3，杨氏模量1.05×1 011 N/m2，泊松比为0.28，波速为4.35×103 m/s；绝缘油采用25号变压器油，密度883 kg/m3，运动粘度 19.928 mm2/s。

图1 瓷套样品Fig.1 sample Porcelain

图2 瓷套模型Fig.2 model Porcelain

施加荷载时，选取大小为200 N的集中荷载，作用于点。所施加的集中荷载为斜坡信号，如图3所示。

瓷套的缺陷类型有以下4种：（1）外表面裂纹缺陷，包括沿轴向的裂纹缺陷和沿周向的裂纹缺陷；（2）内表面裂纹缺陷，包括沿轴向的裂纹缺陷和沿周向的裂纹缺陷；（3）内表面孔状缺陷，这类缺陷较少，主要是运行中由于瓷套内外电场分布不均，内部元件长期放电造成；（4）瓷套内部的气隙缺陷。

表1 瓷套样品参数表Tab.1 the parameters of sample Porcelain

图3 荷载-时间历程图Fig.3 Force-Time diagram

运行中发生断裂的支柱绝缘子和瓷套的损坏部位大都在法兰处。在役瓷套除在法兰部位因环形裂纹引起的断裂外，还有沿瓷套纵向分布的裂纹，据统计，断裂部位95%以上都在法兰口内30 mm到与瓷体相交附近区域[5]。仿真裂纹设置在距离法兰口30 mm处。

2 仿真结果与分析

2.1 顶部荷载的仿真分析

在瓷套上法兰铸铁部分顶部施加200 N荷载，方向为Z轴负方向，就瓷套完好、存在裂纹的情况进行仿真。裂纹长16 mm、深4 mm、宽1 mm，方向为周向。图4、5、6示出了充气瓷套仿真结果，图7、8、9示出了充油瓷套仿真频谱图，结果见表2。

图4 （充气）无裂纹情况下的仿真频谱图Fig.4 (gas-filled porcelain)spectrogram without crack

图5 （充气）上法兰一条裂纹的仿真频谱图Fig.5 (gas-filled porcelain)spectrogram with crack on upper flange

图6 （充气）下法兰一条裂纹的仿真频谱图Fig.6 (gas-filled porcelain)spectrogram with crack on lower flange

图7 （充油）无裂纹情况下的仿真频谱图Fig.7 (oil-filled porcelain)spectrogram without crack

图8 （充油）上法兰一条裂纹的仿真频谱图Fig.8 (oil-filled porcelain)spectrogram with crack on upper flange

图9 （充油）下法兰一条裂纹的仿真频谱图Fig.9 (oil-filled porcelain)spectrogram with crack on lower flange

表2 顶部荷载的分析结果Tab.2 Analysis of force on the upper flange

由结果得出，充气瓷套无裂纹情况下，在施加顶部荷载后，频谱图中只存在4 300 Hz左右的基础频率。当瓷套上法兰存在一条裂纹时，频谱中会出现一个除基础频率以外的中心频率，其值约为8 400 Hz。当下法兰处存在一条裂纹时，频谱中会出现另一个除基础频率以外的中心频率，其值约为1 300 Hz。且这三个频谱图中显示的基础频率基本不变，但在存在裂纹时，频谱图中显示的基础频率的幅值有变化，且其幅值都低于同一频谱图上的中心频率幅值。

对充油瓷套而言，具有与充气瓷套相同的规律，不同点仅是基础频率和中心频率的幅值不同，充气瓷套的基础频率和中心频率都比充油瓷套要高。

因此，从理论上讲，运用振动检测法可以有效地判断瓷套是否存在裂纹，以及裂纹存在的大致位置。

2.2 中部荷载的仿真分析

中部荷载即在瓷套陶瓷中部施加200 N荷载，方向为Y轴正方向。 就瓷套完好、存在裂纹的情况进行仿真，裂纹仍为长16 mm、深4 mm、宽1 mm，方向为周向，仿真分析结果见表3。

表3 中部荷载的分析结果Tab.3 Analysis of force on the middle part of porcelain

由结果可以看出，在中部施加荷载和在顶部施加荷载的中心频率与基础频率基本不变，变化的是中心频率和基础频率的幅值大小。因此，从理论上讲，振动检测法的机械振动施加位置不同，对判断瓷套完好与否没有影响，仍能对瓷套的情况做出正确判断，只是检测灵敏度不同而已。

其次，充气瓷套在这几种情况下产生的中心频率和基础频率都比充油瓷套要高。

将中部施加荷载与顶部施加荷载相比较可知，虽然施加机械振动的位置不同，但基础频率和中心频率基本保持不变，只是其幅值略有降低。所以，施加机械振动的位置不同，并不会影响振动检测法结果的正确性，但检测灵敏度会有所降低。

2.3 不同长度深度裂纹的仿真分析

裂纹位于瓷套下法兰，距法兰口30 mm处，方向沿周向。施加200 N荷载于瓷套顶部，方向为Z轴负方向。

裂纹长度不变而深度变化，裂纹长度为16 mm，深度分别为4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm，仿真结果见图10。

图10 裂纹深度-中心频率幅值Fig.10 depth of crack-center frequency diagram

裂纹深度不变而长度变化，裂纹深度为4mm，长度分别为12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，仿真结果见图11。

图11 裂纹长度-中心频率幅值Fig.11 length of crack-center frequency diagram

由仿真结果可以看出，裂纹深度越大，中心频率的幅值就越大。裂纹长度越长，中心频率的幅值就越大，且伴随着中心频率而微小偏移。

由此可得出，裂纹不管是长度变化、还是深度变化，只要是裂纹的变化趋势对瓷套的破坏程度越大，则其中心频率的峰值会越高。因此，从理论上讲，振动检测法能够反映出裂纹的严重程度。

就各自的裂纹仿真而言，裂纹对瓷套的破坏程度越大，其所表现的中心频率幅值越大。且中心频率幅值的增加也呈现一定的比例。但由于相应的仿真每组只取了5对数据，还不能得出其呈正比或对数比等结论。

3 结论

通过运用有限元分析方法，对振动法检测瓷套裂纹的过程与结果进行了仿真分析。仿真对象是充气瓷套和充油瓷套，仿真内容是瓷套受到顶部施加机械振动、中部施加机械振动以及瓷套在不同长度相同深度和不同深度相同长度裂纹情况下的分析。通过数字仿真，得出以下结论：

（1）在瓷套不存在裂纹时，频谱图中只存在基础频率。当其瓷套上法兰存在一条裂纹时，除基础频率以外，还会产生一高于基础频率的中心频率；下法兰存在一条裂纹时，除基础频率外，会产生一低于基础频率的中心频率。以上结果与振动法检测支柱绝缘子所得结果基本类似，因此可判定该方法检测瓷套裂纹的有效性。

（2）振动检测法施加机械振动的位置对测量结果影响不大，即机械振动施加位置不同，不会改变瓷套频谱图的中心频率或基础频率，但幅值有轻微变化。

（3）固定裂纹长度、以深度为变量或固定裂纹深度、以长度为变量时，只要裂纹对瓷套造成的破坏程度越大，所得频谱图中中心频率的幅值也越高。

（4）充气瓷套在本课题提供的几种仿真条件下，产生的中心频率和基础频率都比充油瓷套在同种情况下要高。

（References）

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