支柱瓷绝缘子地震受损分析及缺陷检测方法

韩晓言，蔡 炜，邓鹤鸣，曹永兴，吴 驰，范少君

（1.国网四川省电力有限公司，成都610041；2.南瑞集团有限公司，南京211000；3.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430074；4.国网四川省电力有限公司电力科学研究院，成都610041；5.国网四川省电力有限公司凉山供电公司，四川西昌615000）

0 引言

支柱瓷绝缘子是厂站的支撑设备，起着支撑和绝缘作用[1]。突发大地震会导致支柱瓷绝缘子遭受机械破坏，震后支柱瓷绝缘子未及时检测，这直接影响震后救援工作。

电力设备的抗震性能一直得到了研究者的关注，同济大学的谢强课题组长期从事地震后变电设备的机理分析以及故障性能评估[2-4]，中国电力科学研究院程永峰课题组着重于电瓷型电气设备，对避雷器瓷套、支柱绝缘子互连体系展开了研究[5-6]，这些为地震救援工作提供了技术支撑。长期运行的瓷绝缘子受到了环境的风力、腐蚀和振动的影响，以及连接部件的张力和电动力等系列外力的作用，一直得到了研究者的重视。彭苏华模拟了棒形支柱瓷绝缘子的应力分布，分析了这种支柱绝缘子的破坏机理，认为缺陷类型、位置和分布等对支柱瓷绝缘子产生了重大影响[7]；邱志斌等关注支柱绝缘子在多种荷载的应变分布情况，并进行了机械力学试验，认为选择支柱瓷绝缘子，重点考虑临近绝缘子的抗扭强度[8]；曹枚根等提出了多阶模态拟合识别方法来识别瓷绝缘子的损伤程度，并进行定位[9]，风力方面的影响没有相关的标准，仅见邓鹤鸣等关于风力对电力构件影响的报道[10-11]。在运行维护方面，王少华等认为制造工艺、运行维护等因素导致了支柱瓷绝缘子故障[12]，臧春艳等论证了支柱绝缘子缺陷的振动法检测方法[13]。这些对地震后支柱绝缘子的检测提供了参考。

笔者分析了地震后支柱绝缘子的缺陷特征，指出这些故障的关键部位，提出了有针对性的检测方法，并对多个变电站内的支柱瓷绝缘子进行现场检测，得到了地震位置与时间变化对缺陷影响的规律。

1 地震受损分析

地震波能量由地震经过介质内的传播动能和介质变形的势能组成，该能量以波动形式在介质中传播，并在不同介质的分界面，部分透射继续向外传播，部分随着反射波返回[14-18]。典型的地震波如图1所示，设备的震害影响因素主要包括地震波频谱、峰值和持续时间等。对于支柱瓷绝缘子来说，这种振动引发了系列破损，地震会引发变电站的不均匀沉降，这种不均匀沉降也会引发系列缺陷，这些故障分为显性缺陷和隐形缺陷。

1.1 隐性缺陷

支柱瓷绝缘子主要由瓷体、法兰和胶装水泥等材料组成。绝缘子的隐形故障主要出现在支柱瓷绝缘子的瓷体部分，该部分为非均质多相材料，由结晶相、玻璃相以及气相组成。A.Giffith认为陶瓷、玻璃等脆性材料的断裂因素，包括了这些材料晶相等显微结构，以及微裂纹、微气孔等微缺陷，给出的断裂强度σc为[7]

式中：E为弹性模量；γ为断裂材料的表面能；α为脆性材料的微裂纹尺寸。地震波会引发瓷体中的微裂纹，这些微裂纹难以观测，需要长时间的跟踪，如果忽略了这种微裂纹，随着时间的推移，这种微裂纹将逐步扩展，直接引发较大的断裂，从而造成二次事故。

图1 典型地震波时程曲线[14]Fig.1 Typical earthquake wave time-history curve[14]

1.2 显性缺陷

地震波的振动引发的显性缺陷发生在瓷套根部区域，以裂纹为主，如图2为支柱绝缘子法兰附近的裂纹。制造工艺、环境因素等会引起一些微小的变化，地震过程加剧了裂纹的产生和扩张。按裂纹存在的位置来分这些裂纹，可以分为表面裂纹、穿透裂纹以及深埋裂纹这三种主要裂纹。

图2 法兰附近的裂纹Fig.2 The crack nearby the flange

表面裂纹和穿透裂纹肉眼可见，两种裂纹均在表面表现出来，容易发现，绝缘性能有所破坏，但略有区别，表面裂纹在支柱绝缘子表面，属于浅表裂纹，较难引起二次机械故障，但是穿透裂纹基本贯穿了瓷体，难以承受二次地震破坏；深埋裂纹隐藏在瓷体内部，难以发觉，必须借助检测设备，外绝缘性能虽然未破坏，但是这种裂纹破坏了内部结构，机械性能极差。

2 地震现场测量与结果分析

支柱瓷绝缘子通常采用超声检测法来检测缺陷，采用表面爬波、小角度纵波等方式，通过对支柱绝缘子连接部位径向环绕检测，可以发现绝缘子夹层、夹渣和气孔等产品缺陷，以及环境外力造成的裂纹，本文采用爬波法的方式，检测角度和检测目标一般如图3所示，法兰和瓷体的连接部位为检测重点位置。检测要求和方法与DL/T 303[19]类似。地震现场检测要求快速准确、现场判断、方法简单和设备携带方便，超声检测法满足这些要求。

图3 支柱绝缘子检测示意图[19]Fig.3 A schematic diagram for detection of post insulator[19]

2.1 现场检测

2008年汶川地震发生后，迅速对地震区域附近多个变电站的支柱绝缘子进行全面带电无损检测，针对存在疑似缺陷的支柱绝缘子，停电后进行了超声波复查；2017年九寨沟地震后，开展了超声检测工作。

获取后的检测波形进行处理，处理方法采用文献[19]提及的方法，利用Duabechies函数族，采用Pe⁃nalized硬阀值规则对采集后的波形进行去噪。对检测波形的噪声比SNR（Signal to Noise Ratio，SNR），采用下面方程式进行评价[20]：

式中：S为检测波形的噪声比；f（t）为原始波形信号；Ns为原始波形信号长度；f1（t）为去噪后的波形信号；Nn为去噪后的波形信号长度。

2.2 数据分析

2.2.1 空间分布特征

采集了2008年汶川地震区域及周边的变电站资料，对地震后的进行长期跟踪，每年定期进行检测，对缺陷数据进行统计后，绘制了支柱绝缘子跟震中距离的关系，如图4所示。从图中可以看出，随着与震中距离的增加，支柱绝缘子的缺陷数目急剧下降，略呈现下降的趋势。根据肖亮等的报道，我国西部地区地震烈度衰减跟断层破裂尺度有一定关系，等烈度线一般呈椭圆分布，地震烈度衰减的方向差别随着距离增加，逐渐趋于圆形分布[21]。大体上地震烈度衰减随着距离而逐渐衰减，地震对支柱绝缘子造成的缺陷也随着震中距离增加呈现下降的趋势。

对比了2008年汶川地震（里氏震级达8.0Ms）和2017年九寨沟地震（里氏震级达7.0Ms）震后首次检测的支柱绝缘子缺陷，如图5所示。两次地震引发的故障比较可以得出，两次地震对支柱绝缘子造成的缺陷随着震中距离增加均呈现下降的趋势，但是地震的强度引发的支柱绝缘子缺陷数目相对较多。

图4 缺陷空间分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of defects

图5 两次地震缺陷空间分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of of two earthquake defects

2.2.2 时间分布特征

2008年汶川地震后，检测了茂县某220 kV变电站的支柱绝缘子，其中A相8号支柱绝缘子的下部法兰附近存在微缺陷的可能性，检测波形截图如图6所示。

图6 疑似微缺陷波形图Fig.6 Waveform diagram of suspected microdefect detection

从2008年开始，跟踪了检测了该支柱绝缘子，测量位置固定。整理了2008年、2010年、2012年和2014年的波形数据，采用Penalized硬阀值规则进行了波形的去噪，如图7所示。从图中可以看出，2008年—2014年观测到该裂纹不断扩大，到了2014年，对比DAC（distance amplitude curve，DAC）曲线可知，已经存在显性缺陷裂纹，由此可以判断该微裂纹会随着时间的推移，逐步扩大，形成显性裂纹。这个变化过程首先受到了地震的影响，形成了微裂纹，但是检测的结果有可能有些不确定性，但后期环境的破坏，会将扩大微裂纹，最终形成显性缺陷裂纹，这暗示着地震导致支柱绝缘子瓷体损伤，形成了微裂纹，但是通过超声观测的数据，难以判断出来，需要长时间的跟踪。

图7 超声探伤波形变化图Fig.7 Waveform variation of ultrasonic detection

3 结论

1）地震引发的显性故障缺陷以裂纹为主，发生瓷套根部区域，引发瓷体中的微裂纹难以观测，需要长时间的跟踪。

2）随着与震中距离的增加，支柱绝缘子缺陷数目呈现下降趋势。

3）瓷体中的微裂纹会随着时间的推移，逐步扩大，形成显性裂纹。

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