支柱瓷绝缘子的振动声学检测研究

支柱瓷绝缘子的振动声学检测方法 华北电力科学研究院有限责任公司 王春水胡先龙刘建屏季昌国陈君平 摘要：本文介绍一种全新的绝缘子检测方法－振动声学检测，它以声波激励物体振动、通过检测物体固有频率为物理基础的新型高效率的检测方法。具有带电检测、检测效率高、检测范围广、劳动强度低等突出优点，该方法的成功应用对促进支柱瓷绝缘子的普查有极大的推进作用。 关键词：支柱瓷绝缘子振动声学检测固有频率 1前言 高压支柱瓷绝缘子作为发电厂和变电站运行的重要组成设备，其质量直接关系着电网的安全运行。支柱绝缘子是高温烧结成的电瓷产品，在长期运行中受到机械负荷、温差应力、组织应力等各种因素的影响，往往在绝缘子法兰附近发生断裂[1]。目前最常用最有效的检测方法是对绝缘子法兰口附近进行超声爬波检测，此方法对发现铸铁法兰内部裂纹非常有效[2]，如图1所示。 图1爬波检测支柱瓷绝缘子 但超声波检测必须在停电状态下进行，同时检测比较费时、费力，难以实现对变电站绝缘子的普查工作。而振动声学检测是利用以声波激励物体振动、通过检测物体固有频率为物理基础的新型高效率的检测方法，相对于其它检测方法，它主要有以下几大优点： 1、能实现带电检测。 2、检测效率高，可实现成组瓷瓶的检测。 3、检测范围广，不仅能检测法兰口附近的瓷瓶裂纹，同时还能实现法兰中部和灌胶水泥、铸铁法兰的状况。 4、检测人员的劳动强度低。 该方法已在俄罗斯、瑞典等10几个国家得到运用。据了解，利用此方法检测过的绝缘子，没有一起因漏检或错检发生过的断裂事故。 2 原理介绍 振动声学检测已广泛运用于其它领域，如我们挑选瓷器时，轻轻弹叩瓷器时听发出的声音，如声音清脆、悦耳，则说明瓷胎细致密实、无裂损，在高温烧成时瓷化完全；如声音喑哑，就可断定瓷胎有裂损，或者瓷化不完全，这类瓷器经冷热变化易开裂。这主要是利用好的瓷器和裂损瓷器的固有频 率发生变化从而发出不同的声音这一原理进行检查的。 根据理论推导，柱形装置（绝缘子）里归纳出来的各项机械应力函数和柱形装置的固有振动频率具有相同的自变量，由此可得出结论：柱形装置（绝缘子）的机械强度和它的频率特性紧密相关。 支柱绝缘子的损伤状况可以按照其机械强度即承载能力（支柱绝缘子破坏时的最小受力）来判断，而支柱绝缘子的机械强度值可以通过对绝缘子施加的一定频率激励声波，评估绝缘子随机械振动作用的反应功率频谱加以判断。 支柱绝缘子的承载能力或发生破坏极限载荷，按照以下计算： P1/P0=(ω1/ω0)2 其中：P0—未破损的绝缘子的极限载荷 P1—破损的绝缘子的极限载荷 ω0—未破损的绝缘子的振动反应频谱的中心频率 ω1—破损的绝缘子的振动反应频谱的中心频率 按照测量结果建立评估支柱绝缘子的机械强度状况准则。未破损的绝缘子在激励声波频率范围内的测量反应频谱只有一个最大值，且最大值出现在驻波频率左右（用在电压110～500Kv的瓷绝缘子上，其驻波频率在4500Hz左右），而破损的绝缘子在激励声波频率范围内测量的反应频谱则高于或低于绝缘子振动驻波频率分量。 3 装置 根据理论介绍，测定支柱式绝缘子机械状态的全套设备应该具有： 1、激励源—随机振动的激发器 2、信号接收部分—用来存储绝缘子对激励的响应的记录器 3、结果分析部分—用来分析检测结果的软件包 图2、图3分别是检测装置的结构图和实例图，图4是利用振动声学检测仪对带电绝缘子的检测现场图。 图2 检测装置结构图 4 数据分析 电脑的软件包要把记录器存储器里的信息转移（拷贝）到电脑自己的存储器里并加以处理以便得出和提供便于使用的结果。考虑到绝缘子对随机振动激发的反应的随机性，需使用处理随机过程的仪。 1－记录装置2－激励源导波杆3－接收器导波杆 图3 检测装置实例图 图4 现场检测图 图5 110Kv（11万伏）室外配电设备正常绝缘子振动功率谱密度评定图 图6 有缺陷的绝缘子功率谱密度评定图 图5是110Kv室外配电设备完好绝缘子的振动功率谱密度评定图，图中除4500Hz的固有频率分量外，无其它衍生频率，表明该绝缘子结构正常。图6是对有缺陷的绝缘子在三个部位检测得出的结果，绝缘子本身的固有频率（4500Hz）左右消失，在1000－2000Hz之间有很强的衍生频率，表明绝缘子下法兰处有缺陷，该绝缘子应予以报废。图7是该绝缘子的实际裂纹照片，裂纹非常清晰、明显。 图7 实物绝缘子下法兰处的裂纹图片 图8 超声波检测裂纹波形图 图8是利用超声波方法对该绝缘子裂纹处的检测结果，裂纹波型明显，也远远超出判废，该 绝缘子应予以报废。因此可以看出，振动声学检测的结果与超声波检测的结果一致，且都与实际情况吻合，证实了振动声学检测方法的可靠性和准确性。 5 结论 支柱绝缘子保持其机械强度的基本准则是其特征频率在时间上的不变化特质，因此可以采用本文介绍的振动声学检测方法来确定支柱绝缘子是否损坏，相对其它方法有明显优势。但目前该方法还有还多方面需要进一步研究，比如判定标准、数据分析、理论研究等，这需要通过对试样和实际运行的绝缘子进行大量的信号采集和分析，总结其规律，以便更好的满足实际检测的需要。 参考文献： [1] 姚忠森，吴光亚等.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析[J].高电压技术,2002,28(10): 57-58. [2] 王春水，胡先龙等.爬波在无损检测中的应用[J].无损检测,2009,31(3):223-224.——————————————————————————————————————————————————作者简介：王春水，工程师，华北电力科学研究院有限责任公司，100045，无损检测专业。