馬 崇，程 明

(天津市電力科學(xué)研究院，天津 300384)

瓷支柱絕緣子是電網(wǎng)和發(fā)電廠電氣設(shè)備的重要部件。由于設(shè)計、制造、安裝、維護(hù)檢修不當(dāng)，以及運(yùn)行中惡劣環(huán)境的影響等原因，容易造成瓷支柱絕緣子失效斷裂，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，加強(qiáng)對電網(wǎng)在役瓷支柱絕緣子檢測和質(zhì)量評價，對確保電網(wǎng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。長期以來電力系統(tǒng)采用傳統(tǒng)定期試驗(yàn)方法(預(yù)防性試驗(yàn))來檢測高壓設(shè)備瓷支柱絕緣子，但是該試驗(yàn)需要在停電時進(jìn)行，如果停電周期安排不當(dāng)，會致使大量絕緣子在臨界極限狀態(tài)甚至超限狀態(tài)下運(yùn)行；且定期的電網(wǎng)斷電，將給國民經(jīng)濟(jì)造成損失。振動聲學(xué)法是一種現(xiàn)代化診斷方法，該方法可以在不斷電的條件下詳細(xì)檢測瓷制件內(nèi)部和外部的缺陷情況。

1 振動聲學(xué)法檢測原理

瓷支柱絕緣子保持機(jī)械強(qiáng)度的基本判據(jù)是其特征頻率在時間上的不變化特質(zhì)。通過使用ansys軟件對瓷支柱絕緣子模型進(jìn)行研究可得：絕緣子的振動在大多數(shù)情況下出現(xiàn)在基礎(chǔ)頻率上，約為4 kHz；當(dāng)向其底部法蘭加動態(tài)力(非運(yùn)動力)載荷時，該振動包含絕緣子動態(tài)特性的完整信息；當(dāng)絕緣子底部法蘭區(qū)域有缺陷(裂紋)時，導(dǎo)致出現(xiàn)低于基礎(chǔ)頻率的頻率分量；而在上部法蘭區(qū)域有缺陷(裂紋)時，導(dǎo)致出現(xiàn)高于基礎(chǔ)頻率的頻率分量。瓷支柱絕緣子的機(jī)械狀態(tài)可以按照其機(jī)械強(qiáng)度即承載能力(瓷支柱絕緣子破壞時的最小受力)來判斷，而瓷支柱絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度值可以通過對絕緣子施加的一定頻率激勵聲波，評估絕緣子隨機(jī)械振動作用的反應(yīng)功率頻譜加以判斷。瓷支柱絕緣子的承載能力或發(fā)生破壞極限載荷，按照以下公式計算：

P1/P0=(ω1/ω0)2

式中：P0為未破損絕緣子的極限載荷；P1為破損絕緣子的極限載荷；ω0為未破損絕緣子的振動反應(yīng)頻譜的中心頻率； ω1為破損絕緣子的振動反應(yīng)頻譜的中心頻率。

由上式可以看出，對瓷支柱絕緣子加載隨機(jī)振動，有缺陷(裂紋)的絕緣子會出現(xiàn)不同于基礎(chǔ)頻率的頻率分量，根據(jù)其頻譜的中心頻率，可以評估絕緣子的機(jī)械狀態(tài)，即通過評估支柱絕緣子對激勵聲波的反應(yīng)頻譜來確定支柱絕緣子是否已經(jīng)損壞。

2 振動聲學(xué)法的檢測過程及結(jié)果

2.1 檢測過程介紹

一套完整的瓷支柱絕緣子振動聲學(xué)檢測系統(tǒng)包括：激勵源(隨機(jī)振動的激發(fā)器)、信號接收設(shè)備(用于記錄、存儲絕緣子對激勵的響應(yīng))、結(jié)果分析系統(tǒng)(用來分析檢測結(jié)果的軟件包)。使用時，將帶螺桿的絕緣桿螺栓頭固定于儀器面板的螺紋孔內(nèi)，然后將儀器靠近被檢測絕緣子的底部法蘭，并使探針盡量與法蘭底面垂直，用力抵住法蘭，直到儀器提示“測試結(jié)束”。使用專用數(shù)據(jù)線將檢測數(shù)據(jù)傳輸于PC機(jī)，用專用分析軟件顯示出該瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖，并進(jìn)行分析。按照國家電網(wǎng)公司《72.5 kV及以上電壓等級支柱瓷絕緣子技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》要求,實(shí)際工作中只對110 kV及以上電壓等級變電站的瓷支柱絕緣子進(jìn)行檢測，由于各種電壓等級的瓷支柱絕緣子在結(jié)構(gòu)和成分上存在相似性，以下僅以110 kV變電站瓷支柱絕緣子為例進(jìn)行分析。

2.2 檢測結(jié)果分析

2.2.1 機(jī)械狀況良好的瓷支柱絕緣子

通過對振動聲學(xué)物理基礎(chǔ)的研究，認(rèn)為機(jī)械狀況良好的瓷支柱絕緣子，只要采用符合標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)工藝，無論是哪個廠家生產(chǎn)，都有在頻率4 kHz區(qū)域單峰值的振動功率譜密度評定圖。圖1為機(jī)械狀況良好的110 kV瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖，此圖在4.5 kHz左右的頻率區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)單峰值。

圖1 機(jī)械狀況良好瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

在實(shí)際檢測中，受檢測環(huán)境的影響，如果絕緣子的振動功率譜密度評定圖只在3～6 kHz的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)波峰，一般認(rèn)定其機(jī)械狀態(tài)良好。

2.2.2 底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子

底部法蘭區(qū)域有缺陷的絕緣子，在振動功率譜密度評定圖上，除了頻率4 kHz的基本峰外，還有在1～3 kHz頻率區(qū)域的峰值。如圖2所示，此絕緣子的振動功率譜密度評定圖除在4 kHz處出現(xiàn)波峰外，在1.2 kHz頻率處出現(xiàn)了較高的波峰。

圖2 底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

2.2.3 頂部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子

頂部法蘭區(qū)域有缺陷的絕緣子，在振動功率譜密度評定圖上，除了頻率4 kHz的基本(決定性的)峰外，還有在8～10 kHz頻率區(qū)域的峰值，甚至有時其基本峰波高很小甚至在其振動功率譜密度評定圖上無法觀察到。如圖3所示，在此絕緣子的振動功率譜密度評定圖上已無法辨識其基本峰，但在8 kHz頻率處出現(xiàn)了較高的波峰。

圖3 頂部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

3 振動聲學(xué)法的應(yīng)用效果及檢測注意事項(xiàng)

3.1 應(yīng)用效果

采用振動聲學(xué)法對大量的瓷支柱絕緣子進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論研究相吻合，機(jī)械狀態(tài)良好、頂部法蘭區(qū)域有缺陷、底部法蘭區(qū)域有缺陷瓷支柱絕緣子的實(shí)測振動功率譜密度評定圖與理論研究相一致，取得了良好的應(yīng)用效果。

3.2 檢測注意事項(xiàng)

由于實(shí)際檢測環(huán)境較復(fù)雜，檢測人員手法、周圍環(huán)境的變化均會對絕緣子的振動功率譜密度評定圖產(chǎn)生影響,如產(chǎn)生雙峰等。在對絕緣子的振動功率譜密度評定圖進(jìn)行分析時，只考慮波高較高的峰，與主峰高度相差過大的峰可能是由于環(huán)境或檢驗(yàn)人員的手法不當(dāng)造成的，在此不做研究。所有試驗(yàn)均采用在絕緣子底法蘭處加載隨機(jī)振動的方法。

3.2.1 絕緣子與周圍物體的連接狀況

在役瓷支柱絕緣子使用螺桿等連接裝置固定于塔桿等構(gòu)架上，與其連接的周圍物體對其振動頻率的影響較小，其振動功率譜密度評定圖與理論研究相吻合程度較高。但是對于待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子，通常未與塔桿等構(gòu)架相連接，其放置方式對于其振動功率譜密度評定圖有一定的影響。進(jìn)行如下試驗(yàn)：隨機(jī)選取20根機(jī)械狀態(tài)良好的110 kV瓷支柱絕緣子，當(dāng)其按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與塔桿等構(gòu)架相連時，其振動功率譜密度評定圖大致如圖1所示；使20根瓷支柱絕緣子直立于地面上時，有10根瓷支柱絕緣子的振動功率譜密度評定圖出現(xiàn)如圖4的雙波峰狀況，考慮是大地的回波造成的雙波峰，但此種狀況不影響結(jié)果的判定；使20根瓷支柱絕緣子平躺于地面上時，有6根絕緣子的振動功率譜密度評定圖出現(xiàn)如圖5所示的狀況，由該圖推斷此絕緣子的機(jī)械狀況較差，但實(shí)際此絕緣子機(jī)械狀況良好，考慮是大地造成的影響。

圖4 直立狀態(tài)下的瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

圖5 平躺狀態(tài)下的瓷支柱絕緣子振動功率譜密度評定圖

由此可知，在役的瓷支柱絕緣子，可以按照正常方法進(jìn)行檢測；待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子，建議將絕緣子直立進(jìn)行檢測，盡量減少周圍連接物對檢測結(jié)果的影響。

3.2.2 溫度

試驗(yàn)證明，機(jī)械狀態(tài)良好的瓷支柱絕緣子在任何溫度下的振動頻率組分都變化不大，溫度變化時其機(jī)械強(qiáng)度仍保持在原有水平上，其振動功率譜密度評定圖大致如圖1所示。

對于存在缺陷的絕緣子，溫度會影響其機(jī)械狀態(tài)，從而使同一絕緣子的振動功率譜密度評定圖在不同溫度下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。華北大部分地區(qū)年最低氣溫在-20 ℃以上，根據(jù)這一地區(qū)的溫度特點(diǎn)，分別在20 ℃、10 ℃、0℃、-10 ℃、-20 ℃的溫度下測試大量存在缺陷的絕緣子的機(jī)械狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從20 ℃過渡到-20 ℃時，除少量絕緣子的振動功率譜密度評定圖無變化外，絕大多數(shù)的絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度增加或者減小，但其強(qiáng)度增加量或減小量不足以影響對其機(jī)械狀態(tài)的判斷。

絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的增加可能是由于絕緣子里存在著某些不能使其破損的水分，而且由于這些水分的凍結(jié)導(dǎo)致了絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的增加；鑄鐵和陶瓷間存在某些不均勻(疏松性)縫隙，由于溫度降低時鐵和陶瓷的不同線性膨脹系數(shù)使這些縫隙密實(shí)了，也就提高了絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度。存在缺陷的絕緣子在直立狀態(tài)下從20 ℃過渡到-20 ℃時機(jī)械強(qiáng)度增加的典型振動功率譜密度評定圖見圖6。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖6可見，當(dāng)溫度由高到低變化時，其基礎(chǔ)頻率(4 kHz左右)波峰出現(xiàn)，且1～2 kHz區(qū)域波峰高度顯著減低，絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，但是仍然可以根據(jù)此絕緣子在各種溫度下的振動功率譜密度評定圖判定該絕緣子底部存在缺陷。 絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的減小可能是由于絕緣子受冷收縮，其裂紋間隙變大，剛度減小。存在缺陷的絕緣子在直立狀態(tài)下從20 ℃過渡到-20 ℃過程中機(jī)械強(qiáng)度減小的典型振動功率譜密度評定圖見圖7。

(a) 20 ℃

(b) 10 ℃

(c) 0 ℃

(d) -10 ℃

(e) -20 ℃

由圖7可見，溫度從20 ℃過渡到-20 ℃時，絕緣子上部法蘭區(qū)域損傷顯著增大，在任何溫度條件下，都可以判斷該絕緣子的機(jī)械狀態(tài)較差。溫度對絕緣子機(jī)械狀態(tài)的影響無明顯規(guī)律，當(dāng)絕緣子的溫度經(jīng)0 ℃過渡時，其機(jī)械強(qiáng)度的變化情況無法確定，但其機(jī)械強(qiáng)度變化量不足以影響對絕緣子機(jī)械狀態(tài)的判斷。

4 結(jié)論

a. 機(jī)械狀態(tài)良好的絕緣子的振動功率譜密度評定圖只在3～6 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，底部法蘭處有缺陷的絕緣子會在1～2 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，頂部法蘭處有缺陷的絕緣子會在8～10 kHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，這一試驗(yàn)結(jié)果與理論研究相吻合。對于其他頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的振動功率譜密度圖和現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行判斷。

b. 振動聲學(xué)法既可以用來檢測在役瓷支柱絕緣子,也可以用來檢測待驗(yàn)收的瓷支柱絕緣子,但檢測方法不同,在役瓷支柱絕緣子可按正常方法檢測,待驗(yàn)收瓷支柱絕緣子需將絕緣子直立進(jìn)行檢測。

c. 溫度對檢測結(jié)果存在影響，但溫度變化時機(jī)械強(qiáng)度的變化量不足以影響對絕緣子機(jī)械狀態(tài)的判斷，在任何情況下都可以將絕緣子的缺陷檢出。但是為對絕緣子的機(jī)械狀態(tài)做出充分評估，建議在條件允許的狀況下要在其溫度從負(fù)過渡到正時做出充分考查。