傅 薔

（國網(wǎng)武漢供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，湖北 武漢 430013）

0 引言

振動檢測是一種通過激勵被測物體產(chǎn)生機械振動波，測量其振動的特征來判定質(zhì)量的技術(shù)。目前，振動檢測探傷廣泛應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)裂紋損傷識別、混凝土工程結(jié)構(gòu)檢測、桿系鋼結(jié)構(gòu)損傷識別、板架結(jié)構(gòu)損傷識別等[1-4]。

振動法檢測瓷套裂紋是基于裂紋出現(xiàn)前后瓷套的機械強度發(fā)生改變，通過檢測得到的頻譜圖（幅頻特性）對其裂紋進行大致判定。振動法具有設(shè)備簡單、檢測速度快、成本低等優(yōu)點。

瓷套的機械強度與頻率密切相關(guān)，對其加載隨機機械振動，有裂紋缺陷的瓷套會出現(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，可以評估瓷套的機械狀態(tài)，即通過評估瓷套對激勵聲波的反應(yīng)頻譜來確定支柱絕緣子或瓷套是否已經(jīng)損壞。

振動檢測法在實際運用中的檢測系統(tǒng)包括：激勵源、信號接收器、信號處理與儲存單元、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

本文選擇充油瓷套和充氣瓷套，運用有限元法對所選瓷套樣品建模，根據(jù)振動檢測施加機械振動的位置不同以及瓷套裂紋的不同等情況，進行數(shù)字仿真，得到不同情況下的頻譜圖，并進行頻譜分析。

1 樣品選擇及模型建立

本研究選取40.5～170 kV開關(guān)用支柱瓷套作為樣本如圖1和圖2所示，樣品參數(shù)如表1所示。選擇充油瓷套和充氣瓷套進行仿真計算。度 7.6×103kg/m3，楊氏模量7.3×1 010 N/m2，泊松比為0.38，波速為 3.56×103 m/s；鑄鐵密度 7.7×103 kg/m3，楊氏模量1.05×1 011 N/m2，泊松比為0.28，波速為4.35×103 m/s；絕緣油采用25號變壓器油，密度883 kg/m3，運動粘度 19.928 mm2/s。

圖1 瓷套樣品Fig.1 sample Porcelain

圖2 瓷套模型Fig.2 model Porcelain

施加荷載時，選取大小為200 N的集中荷載，作用于點。所施加的集中荷載為斜坡信號，如圖3所示。

瓷套的缺陷類型有以下4種：（1）外表面裂紋缺陷，包括沿軸向的裂紋缺陷和沿周向的裂紋缺陷；（2）內(nèi)表面裂紋缺陷，包括沿軸向的裂紋缺陷和沿周向的裂紋缺陷；（3）內(nèi)表面孔狀缺陷，這類缺陷較少，主要是運行中由于瓷套內(nèi)外電場分布不均，內(nèi)部元件長期放電造成；（4）瓷套內(nèi)部的氣隙缺陷。

表1 瓷套樣品參數(shù)表Tab.1 the parameters of sample Porcelain

圖3 荷載-時間歷程圖Fig.3 Force-Time diagram

運行中發(fā)生斷裂的支柱絕緣子和瓷套的損壞部位大都在法蘭處。在役瓷套除在法蘭部位因環(huán)形裂紋引起的斷裂外，還有沿瓷套縱向分布的裂紋，據(jù)統(tǒng)計，斷裂部位95%以上都在法蘭口內(nèi)30 mm到與瓷體相交附近區(qū)域[5]。仿真裂紋設(shè)置在距離法蘭口30 mm處。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 頂部荷載的仿真分析

在瓷套上法蘭鑄鐵部分頂部施加200 N荷載，方向為Z軸負方向，就瓷套完好、存在裂紋的情況進行仿真。裂紋長16 mm、深4 mm、寬1 mm，方向為周向。圖4、5、6示出了充氣瓷套仿真結(jié)果，圖7、8、9示出了充油瓷套仿真頻譜圖，結(jié)果見表2。

圖4 （充氣）無裂紋情況下的仿真頻譜圖Fig.4 (gas-filled porcelain)spectrogram without crack

圖5 （充氣）上法蘭一條裂紋的仿真頻譜圖Fig.5 (gas-filled porcelain)spectrogram with crack on upper flange

圖6 （充氣）下法蘭一條裂紋的仿真頻譜圖Fig.6 (gas-filled porcelain)spectrogram with crack on lower flange

圖7 （充油）無裂紋情況下的仿真頻譜圖Fig.7 (oil-filled porcelain)spectrogram without crack

圖8 （充油）上法蘭一條裂紋的仿真頻譜圖Fig.8 (oil-filled porcelain)spectrogram with crack on upper flange

圖9 （充油）下法蘭一條裂紋的仿真頻譜圖Fig.9 (oil-filled porcelain)spectrogram with crack on lower flange

表2 頂部荷載的分析結(jié)果Tab.2 Analysis of force on the upper flange

由結(jié)果得出，充氣瓷套無裂紋情況下，在施加頂部荷載后，頻譜圖中只存在4 300 Hz左右的基礎(chǔ)頻率。當瓷套上法蘭存在一條裂紋時，頻譜中會出現(xiàn)一個除基礎(chǔ)頻率以外的中心頻率，其值約為8 400 Hz。當下法蘭處存在一條裂紋時，頻譜中會出現(xiàn)另一個除基礎(chǔ)頻率以外的中心頻率，其值約為1 300 Hz。且這三個頻譜圖中顯示的基礎(chǔ)頻率基本不變，但在存在裂紋時，頻譜圖中顯示的基礎(chǔ)頻率的幅值有變化，且其幅值都低于同一頻譜圖上的中心頻率幅值。

對充油瓷套而言，具有與充氣瓷套相同的規(guī)律，不同點僅是基礎(chǔ)頻率和中心頻率的幅值不同，充氣瓷套的基礎(chǔ)頻率和中心頻率都比充油瓷套要高。

因此，從理論上講，運用振動檢測法可以有效地判斷瓷套是否存在裂紋，以及裂紋存在的大致位置。

2.2 中部荷載的仿真分析

中部荷載即在瓷套陶瓷中部施加200 N荷載，方向為Y軸正方向。 就瓷套完好、存在裂紋的情況進行仿真，裂紋仍為長16 mm、深4 mm、寬1 mm，方向為周向，仿真分析結(jié)果見表3。

表3 中部荷載的分析結(jié)果Tab.3 Analysis of force on the middle part of porcelain

由結(jié)果可以看出，在中部施加荷載和在頂部施加荷載的中心頻率與基礎(chǔ)頻率基本不變，變化的是中心頻率和基礎(chǔ)頻率的幅值大小。因此，從理論上講，振動檢測法的機械振動施加位置不同，對判斷瓷套完好與否沒有影響，仍能對瓷套的情況做出正確判斷，只是檢測靈敏度不同而已。

其次，充氣瓷套在這幾種情況下產(chǎn)生的中心頻率和基礎(chǔ)頻率都比充油瓷套要高。

將中部施加荷載與頂部施加荷載相比較可知，雖然施加機械振動的位置不同，但基礎(chǔ)頻率和中心頻率基本保持不變，只是其幅值略有降低。所以，施加機械振動的位置不同，并不會影響振動檢測法結(jié)果的正確性，但檢測靈敏度會有所降低。

2.3 不同長度深度裂紋的仿真分析

裂紋位于瓷套下法蘭，距法蘭口30 mm處，方向沿周向。施加200 N荷載于瓷套頂部，方向為Z軸負方向。

裂紋長度不變而深度變化，裂紋長度為16 mm，深度分別為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm，仿真結(jié)果見圖10。

圖10 裂紋深度-中心頻率幅值Fig.10 depth of crack-center frequency diagram

裂紋深度不變而長度變化，裂紋深度為4mm，長度分別為12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm，仿真結(jié)果見圖11。

圖11 裂紋長度-中心頻率幅值Fig.11 length of crack-center frequency diagram

由仿真結(jié)果可以看出，裂紋深度越大，中心頻率的幅值就越大。裂紋長度越長，中心頻率的幅值就越大，且伴隨著中心頻率而微小偏移。

由此可得出，裂紋不管是長度變化、還是深度變化，只要是裂紋的變化趨勢對瓷套的破壞程度越大，則其中心頻率的峰值會越高。因此，從理論上講，振動檢測法能夠反映出裂紋的嚴重程度。

就各自的裂紋仿真而言，裂紋對瓷套的破壞程度越大，其所表現(xiàn)的中心頻率幅值越大。且中心頻率幅值的增加也呈現(xiàn)一定的比例。但由于相應(yīng)的仿真每組只取了5對數(shù)據(jù)，還不能得出其呈正比或?qū)?shù)比等結(jié)論。

3 結(jié)論

通過運用有限元分析方法，對振動法檢測瓷套裂紋的過程與結(jié)果進行了仿真分析。仿真對象是充氣瓷套和充油瓷套，仿真內(nèi)容是瓷套受到頂部施加機械振動、中部施加機械振動以及瓷套在不同長度相同深度和不同深度相同長度裂紋情況下的分析。通過數(shù)字仿真，得出以下結(jié)論：

（1）在瓷套不存在裂紋時，頻譜圖中只存在基礎(chǔ)頻率。當其瓷套上法蘭存在一條裂紋時，除基礎(chǔ)頻率以外，還會產(chǎn)生一高于基礎(chǔ)頻率的中心頻率；下法蘭存在一條裂紋時，除基礎(chǔ)頻率外，會產(chǎn)生一低于基礎(chǔ)頻率的中心頻率。以上結(jié)果與振動法檢測支柱絕緣子所得結(jié)果基本類似，因此可判定該方法檢測瓷套裂紋的有效性。

（2）振動檢測法施加機械振動的位置對測量結(jié)果影響不大，即機械振動施加位置不同，不會改變瓷套頻譜圖的中心頻率或基礎(chǔ)頻率，但幅值有輕微變化。

（3）固定裂紋長度、以深度為變量或固定裂紋深度、以長度為變量時，只要裂紋對瓷套造成的破壞程度越大，所得頻譜圖中中心頻率的幅值也越高。

（4）充氣瓷套在本課題提供的幾種仿真條件下，產(chǎn)生的中心頻率和基礎(chǔ)頻率都比充油瓷套在同種情況下要高。

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