运用振动声学原理实时在线检测瓷支柱绝缘子缺陷

缪春辉，王若民，陈国宏，施 鹏，陈东风

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，合肥 230601；2.天津市科远系统工程有限公司，天津 300384）

支柱绝缘子是发电厂和变电站运行设备的重要组成部分，大量使用在电力系统中的瓷支柱绝缘子起着支撑导线、断路器和高压开关的作用，一旦断裂会引发大面积短路、接地事故，甚至造成附近工作人员的伤亡［1］。

支柱绝缘子在运行和操作中受损伤是产生缺陷并断裂的主要原因，产品质量不高是绝缘子断裂的内在原因［2］。预防绝缘子断裂的关键是在绝缘子运行过程中，提前检出它们外部和内部各种裂纹及机械强度降低引起的缺陷，并根据具体情况采取相应的补救措施，从而避免事故的发生。为了有效检测出瓷支柱绝缘子裂纹，国内外开展了不少无损研究工作。目前国内广泛使用的是振动声学探伤方法［3－6］，其通过检测瓷支柱绝缘子固有频率，根据物体固有频率不变的特性，来判断该瓷支柱绝缘子的机械状况是否发生变化，该方法相对于时有误判的超声波探伤法有着极大的优势［7－10］，目前已广泛应用于多个领域［11－15］。但该方法也有弊端，利用该方法检测所得结果只能反映支柱绝缘子在某一时刻的性能状态，如果在两个检测周期之间绝缘子发生损伤，将迅速发展成为断裂，而如果大大缩短检测周期，对绝缘子高频次检测，将耗费大量的人力物力。此外，环境温度的变化往往导致绝缘子缺陷的不可见，并且只在某一温度下测量，所得结果并不能代表绝缘子真实的状态。利用振动声学探伤结合无线网络技术，进行在线实时检测，是解决此问题的有效途径。无线网络技术还可以实现同时对整个变电站瓷支柱绝缘子进行在线监测，既节约人力物力，还避免了环境变化造成的误判以及手动操作带来的误差。当绝缘子出现异常时后台软件能及时报警，从而避免事故的发生。

1 振动声学方法实时在线检测

1.1 振动声学探伤机理

瓷支柱绝缘子的机械强度和它的频率特性紧密相关。像任何其他材料一样，瓷材料有个应力极限，超过这个极限会导致结构破坏（极限强度）。绝缘子的损坏程度可表示为损坏绝缘子极限载荷和未损坏绝缘子极限载荷之比的形式，关系式如下［16］：

式中：P0为未损坏绝缘子极限载荷；P1为损坏绝缘子极限载荷；I0为未损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；I1为损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；ωi0为未损坏绝缘子自有振动频率；ωi1为损坏绝缘子自有振动频率；i为绝缘子振动的固有形状（i＝1，2，…）。

分析关系式可知，在绝缘子的任何一种振动形式中均可以发现损伤。当向绝缘子底部加动态力（非运动力）载荷时，该振动包含绝缘子动态特性的完整信息，与此同时，绝缘子底部法兰有缺陷（裂纹）时，导致绝缘子振动峰值低于固有频率，而上部法兰区域的缺陷引起的振动峰值高于固有频率。

用振动声学方法检测支柱绝缘子自由振荡频率或绝缘子振动的谐振频率，按绝缘子振动频谱评价其性能，进而评价瓷支柱绝缘子承载力是否符合要求，实现绝缘子刚性性能（机械力学）检测。通过对支柱瓷绝缘子的固有频率进行采集，再经过数据处理后进行匹配分析，能够全面快捷高效地得出准确测试结果，可直观地判断支柱绝缘子是否存在缺陷损伤。

1.2 无线传输系统的组成

图1为瓷支柱绝缘子机械状态在线监测系统组成示意，根据瓷支柱绝缘子的机械强度与固有频率的不变特性，在每支需要检测的绝缘子底法兰上，安装一个采集模块对瓷支柱绝缘子的固有频率进行监测。然后，利用无线通讯技术将数据发到远端计算机，通过计算机上的软件对采集的数据进行分析及控制，最后将危险的瓷支柱绝缘子筛选出来，实现对整个变电站的瓷支柱绝缘子的在线监测，从而保证电网的安全运行。

图1 瓷支柱绝缘子在线监测系统组成

该系统由无线激振采集模块、中继模块、无线信号接收中心站及后台分析软件平台组成。每个中心站可以与若干个中继通讯，每个中继可与若干个采集模块通讯，每个采集模块可以采集振动信号参数。

（1）无线激振采集模块

每个模块有其唯一的编码地址作为瓷支柱绝缘子的标识，将装有强磁铁的无线激振采集模块吸附在瓷支柱绝缘子底法兰上，该无线激振采集模块内部的微处理芯片产生振动脉冲，经功率放大器进行信号放大处理后，驱动力激发器产生振动信号，此振动信号施加到被测瓷支柱瓷绝缘子上，使被测瓷绝缘子发生纵向振动，同时接收该瓷支柱绝缘子的振动回波信号，采集信号后将其转换为数字信号，最后利用无线技术将此数据连同该模块编码地址一同发送出去。

（2）中继模块

负责接收无线激振采集模块的数据和编码地址，并将数据和编码地址远传（转发）给中心站。

（3）中心接收站

接收分组内的中继数据并通过串口输出至PC机。

（4）后台分析软件

负责将接收的瓷支柱绝缘子数据进行分析与处理，当数据超过警戒值时控制报警系统通知工作人员。采集的数据存入后台数据库，工作人员可以随时进行数据采集、查阅历史数据、同时可进行数据对比，分析瓷支柱绝缘子的机械性能发展曲线。

1.3 激振采集工作方式

将由激发器和采集器组成的换能器组通过强磁铁吸附在瓷支柱绝缘子底法兰上，并将线束与激振采集节点连接。无线激振采集节点内部的微处理芯片产生1～10KHz白噪脉冲，经功率放大器放大处理后，驱动力激发器会产生振动信号，此振动信号施加到被测瓷支柱瓷绝缘子上，使被测瓷绝缘子发生纵向振动。

2 实时监测与状态分析

系统基于无线网络并根据设定的时间节点自动对瓷支柱绝缘子进行数据采集（也可实时手动进行数据采集），并对采集的测试数据进行分析与处理，当判断绝缘子状态超过警戒值时通知工作人员进行处理，同时将检测数据进行分类存储，以便系统进行发展状态分析。

由于每次数据采集的位置一致，在瓷支柱绝缘子运行状态不变的情况下，其采集数据的分析图谱基本一致；而在瓷支柱绝缘子的运行状态发生变化后，瓷支柱绝缘子的分析图谱主峰会发生偏移，而缺陷峰值也会变大。因此在对瓷支柱绝缘子运行状态进行分析时，可根据分析图谱的主峰偏移与缺陷峰的峰值变化来展现瓷支柱绝缘子的机械性能变化情况。因此对每只瓷支柱绝缘子一段时间内检测数据进行分析，便可得出瓷支柱绝缘子在这段时间内的机械性能发展变化曲线，通过发展变化曲线便可直观地得出瓷支柱绝缘子的运行状态。

2.1 监测曲线图

2.1.1 曲线图谱

实时分析上传的检测数据，并对分析结果进行存储，以便在状态分析中，对每个瓷支柱绝缘子的运行状态发展进行分析对比。波幅在2.5～6KHz之间的波峰属于正常波形，如图2（a）所示；波幅在2KHz以下，8KHz以上出现明显波峰，那么被测瓷支柱绝缘子存在缺陷，如图2（b）所示。

2.1.2 发展曲线图谱

利用软件对检测得到的数据寻找峰值，对于仅在2.5～6K 有波峰的检测图谱，定义其代表的性能指数为0～1，对于波峰出现在2K 以下或8K 以上的检测图谱，性能指数为－1～0，具体数值由峰值偏离的程度决定。图3展示了两个瓷支柱绝缘子的性能指数随时间的发展曲线，图3（a），（b）分别代表了正常绝缘子和存在缺陷的绝缘子在6周左右的时间内状态的变化情况（每8h采集1次数据）。从图3可以看出，在线监测可以连续评估支柱绝缘子的性能状态，无论是对于正常绝缘子或者存在缺陷的绝缘子，不同时间采集的数据具有较高的一致性。如果受监测支柱绝缘子萌生了损伤，监测系统可及时发现并作出警示，规避了单独检测时，两个检测周期之间发生断裂的不可观测性。

图2 有无缺陷的绝缘子检测数据图谱

图3 有无缺陷的绝缘子发展图谱

2.2 在线监测与SCT－I探伤仪的单独检测图谱比较

在线监测能够实时显示检测数据分析图谱，并且具有检测位置一致性、发送振动信号一致性的特点，排除了数据采集时的人为干扰，减少了检测数据的干扰因素，保证了检测数据的准确性与可靠性。

图4 SCT－I探伤仪在不同时间点检测数据图谱，和在线监测中同一绝缘子在不同时间点检测数据图谱

图4（a），（b）为SCT－I探伤仪在不同时间点检测的数据图谱，从图中可看出分析图谱在绝缘子性能稳定的情况下，分析结果一致，但曲线图谱会有细微的差别，这是由于人为操作检测及检测位置的细微变化造成的影响。图4（c），（d）为在线监测中同一绝缘子在不同时间点检测数据图谱，从图中可看出，在绝缘子性能稳定的情况下，曲线图谱基本保持一致。

2.3 温度对绝缘子频谱图的影响

图5给出了某绝缘子的振动功率谱密度图，当每昼夜平均温度从正过渡到负时，在底部法兰区域出现了显著的损伤，该绝缘子的承载能力减少9倍。造成以上现象的原因是：绝缘子或者存在疏松的加强缝隙，在每昼夜平均温度经过零度时，吸收了水分，裂纹中存在着不致使绝缘子被破坏的水分，气温达到－8 ℃时水分结晶，形成孔隙，刚度改变，这个现象被绝缘子振动功率谱密度图所跟踪观察。

这种现象表明，对绝缘子要做出决定性的评判时，需要在不同温度下充分考察。因此，相对于SCT－I探伤仪的单独检测图谱，利用实时在线检测结合气象数据，可以更加准确而全面地判定支柱绝缘子的状态。

图5 某110kV 瓷支柱绝缘子在不同温度下的振动功率谱密度评定。

3 结论

利用振动声学原理实时在线检测支柱绝缘子缺陷，由于前端采集装置采用定点安装的形式，所以在数据采集时排除了人为干扰以及环境温度变化的因素，保证了每次数据的准确性和全面性；通过对每次采集的数据进行分析对比，可真实得出被测瓷支柱绝缘子的运行状态变化情况，当瓷支柱绝缘子运行状态发生变化时，能够及时被系统捕捉，并报警通知工作人员，从而避免事故的发生。

［1］关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［2］吴光亚，姚忠森.高压支柱瓷绝缘子运行事故分析［J］.电瓷避雷器，2002（5）：22－24.

［3］王维东，刘勇.支柱绝缘子及瓷套超声波探伤工艺方法研究［J］.无损检测，2006，28（9）：460－462.

［4］蒋云，王维东.电网在役支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测技术［J］.华东电力，2010，38（10）：1566－1569.

［5］PWRSSON L，JONSSON A.Ultrasonic inspection of line pin post insulators and solid core insulators in switch gear stations ［J］.NDT ＆ E International，1993，26（3）：115－117.

［6］OLIVEIRA H R P M，BTISTA E L，LEFORT C，et al.Inspection of pin insulators in distribution medium voltage lines ＆outage reductions［C］／／［S.l.］：IEEE，2008：524－529.

［7］刘长福，郝晓军，牛晓光，等.基于BP神经网络的瓷绝缘子振动声学检测结果分类［J］.无损检测，2014，36（1）：1－40.

［8］邬冠华，林俊明，任吉林，等.声振检测方法的发展［J］.无损检测，2011，33（2）：35－41.

［9］夏超，吴章勤，杨晓红.声振技术在支柱绝缘子强度检测中的应用［J］.无损检测，2013，35（12）：16－23.

［10］王俊波，洪海程，苗银银.声波法在支柱瓷绝缘子带电探伤中的应用［J］.无损检测，2013，35（11）：79－80，82.

［11］张建民.机械振动［M］.北京：科学出版社，1995.

［12］LEE S K，WHITE P R.Higher－order time－frequency analysis and its application to fault detection in rotating machinery［J］.IEEE Transaction on Ultrasonic，1997，10（1）：637－650.

［13］ALVANDI A，CREMONA C.Assessment of vibration based damage identification techniques［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，292（1－2）：179－202.

［14］WU J R，LI Q S.Finite element model updating for a high－rise structure based on ambient vibration measurements［J］.Engineering Structures，2004，26（7）：979－990.

［15］QIN Q，LI H B，QIAN L Z，et al.Modal identification of Tsing Ma Bridge by using improved eigensystem realization algorithm ［J］.Journal of Sound and Vibration，2001，247（2）：325－341.

［16］李岩，杨浩，吴国忠，等.支柱绝缘子的带电检测方法［J］.无损检测，2013，35（2）：32－34.