瓷支柱绝缘子检测技术研究

赵朝友，张素慧，林 铬，杨佩旭，蒋 菲

（1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070，2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070）

1 常见支柱绝缘子检测方法

据了解，目前瓷支柱绝缘子检测方法有绝缘电阻值测量法、振动声学检测法、超声波检测法、局部放电检测法、紫外成像检测法、红外检测法以及目视检查方法等。本文通过对某站110kV 设备区324根瓷支柱绝缘子利用紫外成像检测法、振动声学检测法、超声波检测法3 种方法进行比对检测，目的在于对带电、停电状态下瓷支柱绝缘子开展检测技术研究，探讨确定瓷支柱绝缘子振动声学探伤与紫外成像检测、超声波检测结果之间的对应关系。

1.1 超声波检测法

超声波是频率高于20KHZ的机械波。超声波探伤是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的又称爬行纵波、滑行纵波、表面下纵波等[1]。爬波探伤是由超声纵波以第一临界角附近的入射角以第一介质入射到第二介质中时，在第二介质中表面附近产生的一种非均匀波，对近表面9mm 内有较高的检测灵敏度。由于爬波法对支柱绝缘子的内部无法检测，因此就出现了入射角为5～8 度的纵波斜探头入射法，当超声波纵波以很小的入射角从第一介质入射到第二介质界面时，在第二介质中产生折射纵波，如果瓷件中出现裂纹、夹渣等缺陷时，超声波反射回来被元件接收并反馈在显示屏上，以便于工作人员进行分析，从而达到检测的目的[2]。

1.2 振动声学检测法

理论研究表明，制造绝缘子的陶瓷材料具有一定的极限强度，对应的载荷称作极限载荷。当绝缘子材料承受的载荷超过其极限载荷时，会导致绝缘子破坏。而绝缘子的机械强度和它的频率特性紧密相关，即机械强度不同的绝缘子其固有振动频率亦会不同[3]。例如，日常生活中咱们用敲击砂锅听声音的方式来判断砂锅是否完好，正是这个原理，破损的砂锅声音比较沉闷，完好的声音比较尖锐。振动声学带电检测技术正是利用这个原理，通过向绝缘子底部发射特殊激励振动波，同时接收其振动反馈波，经专用软件自动分析该反馈波形的频谱是否正常，即可判断该绝缘子机械强度是否降低或丧失，以及绝缘子是否老化。当我们加上一个激发的动力（非运动力）到绝缘子的底法兰面上，并且记录下绝缘子对此激发的反应，我们就能得到有关绝缘子动态性能全部且完整的信息。

1.3 紫外成像检测法

高压电气设备在运行过程中由于受到电、热、机械应力及环境影响，性能会逐渐发生改变，绝缘状态也会出现劣化，这种变化可能通过异常放电的方式表现出来，这种异常放电称之为电晕放电[4]。放电过程中，会辐射出光波、臭氧、紫外线、电磁辐射和微硝酸等。紫外成像仪技术采用独到的滤光技术、探测技术和图像处理技术，对紫外波段进行高灵敏度探测和成像，从而有效的监测、定位和记录电晕产生的放电[5]。

2 设备背景

所检变电站所处地理位置周围厂矿企业较多，厂矿企业排出的粉尘、酸性气体飘至设备区，附着在设备表面，造成部分设备氧化、腐蚀较严重。运行管理单位持续跟踪测温，发现110kV 系统大部分刀闸存在发热缺陷，经现场检查及查看红外测温图谱，发现刀闸普遍存在安装工艺不良、三相不同期、三相动静触头插入深度不一致、动静触头导电臂不在同一平面、螺栓松动及锈蚀等问题，同时在操作过程中发现部分刀闸存在机械卡涩及分、合闸不到位的问题，这批设备运行时间已超过10 年。针对这一情况，制订了以下试验检测计划：

（1）对110kV 设备区全部隔离开关瓷支柱绝缘子开展振动声学检测；

（2）对110kV 设备区全部隔离开关瓷支柱绝缘子进行紫外成像带电检测，以及对超声波检测发现问题的绝缘子开展紫外成像带电检测；

（3）对振动声学检测、紫外成像带电检测发现异常的支柱瓷绝缘子进行超声波检测。

3 过程与分析

在带电状态下对某变电站110kV 设备区324根瓷支柱绝缘子开展紫外成像带电检测。本次检测试验利用了全日盲、半日盲两种国外进口紫外成像仪进行比对，结果显示，部分带电部位和连接金具出现异常放电，绝缘子瓷件均未检测到异常放电，如图1a、图1b 所示。金具异常放电往往是无法避免的，可能是镀锌层在制造、安装、运行过程中起皮、脱落导致的尖端放电，也可能是运行过程中天气、环境造成的污秽放电。

图1 瓷支柱绝缘子全日盲、半日盲两种国外进口紫外成像仪对比

参考《高压电气设备紫外检测技术导则》的设备放电缺陷判定方法，采用同类对比法和图谱分析法对上述设备检测图谱进行了分析，检查中发现的具有代表性的设备放电点情况汇总如下：

如图1（a、b）所示，支柱绝缘子上部金属法兰放电，上部金属法兰与瓷绝缘连接部位金属法兰螺母结合边缘，是由于法兰螺母结合部位过渡不好尖锐的棱角引起的尖端放电；图2a、图2b 为连接金具的放电，考虑到部分金具设计时存在局部外形曲率过大及存在尖锐的棱角；金具表面局部损伤、表面污秽、覆冰、异物搭接；由于长期运行而产生的设备缺陷，如连接松动，金具断裂、破损，导线断股、散股等引起的放电。综上所述，放电位置多集中在支柱绝缘子法兰和金具处，放电位置多发生在较为尖锐部位。

图2 瓷支柱绝缘子连接金具的放电

振动声学带电检测中，对检测设备名称及生产厂家、环境温度、天气状况、检测时间、测量方位、数据编号、信号强度等均进行了详细记录。经检测发现：所测324 根瓷支柱绝缘子中，32 根在低频区（1000Hz-3000Hz）出现可测振幅的附加频率。

典型图谱如图3（a、b、c）所示，振动频率在3000～6000Hz 范围内，绝缘子固有振动频率相对较低，而在1000～3000Hz 范围内，频率振动“波形”非常尖锐，且“波幅”较高。

图3 瓷支柱绝缘子的振动声学带电检测典型图谱

对发现异常振动频率的32 根瓷支柱绝缘子进行超声波复测，表面均无肉眼可见损伤，经检测发现其中3 根绝缘子整圈存在只有缺陷波而无底波的回波显示，缺陷波显示深度分别为55mm、70mm、76mm，绝缘子直径为120mm，如图4（a、b)所示。

图4 瓷支柱绝缘子的超声波复测

4 检测结果分析

（1）在带电状态下，利用振动声学检测手段对324 根瓷支柱绝缘子开展试验检测，参考《МИК-1振动探伤仪操作手册》和《МИК-1 型振动探伤仪说明书》中绝缘子机械状态判定方法，对本次检测绝缘子功率密度谱进行了分析。结果显示：32 根绝缘子在低频区（1000Hz-3000Hz）出现了可测振幅的附加频率，且绝缘子固有振动频率基本消失或低于附加频率，表明所检绝缘子下法兰处存在安全隐患。

（2）在带电状态下，对324 根瓷支柱绝缘子开展全方位紫外成像检测，未发现瓷件位置异常放电情况；后又对超声波复测发现的3 根内部出现问题的绝缘子开展紫外带电检测，仍未发现异常放电情况，且光子数均未超过20 个参考值，说明对于瓷件内部出现的问题，紫外成像手段不易观测到。

（3）停电状态下，对振动声学检测发现的32 根在低频区出现异常振动频率的瓷支柱绝缘子开展超声波小角度纵波法复测，检测发现3 根绝缘子出现只有缺陷波而无底波的回波显示，且波形较直观，杂波较少，根据标准Q/GDW 407-2010《高压支柱绝缘子及瓷套超声波检验技术导则》3.2.3.2 条要求，这3 根绝缘子不符合要求。说明振动声学检测技术检测灵敏度相对较高，对疑似缺陷也能准确的检测到，但不利于准确开展检测工作，还需进行大量试验进行验证。

5 结论及建议

（1）紫外带电检测可在带电状态下进行，检测时间短，周期快，通过检测发现：如果瓷件内部出现问题，不会出现异常放电情况，所以有一定局限性；

（2）振动声学检测也可在带电状态下进行，但由于设备本身检测灵敏度较高，检测过程中探针轻微滑动也会影响振动“波幅”，所以发现疑问时应变换检测面多次检测，不要轻易做出有无缺陷的定论；对发现异常振动“波幅”的绝缘子，应重点关注，绝不可忽视，必要时采取宏观检查或者超声波检测进行确认；

（3）超声波检测只能在停电状态下进行，检测时间长，但对内部缺陷显示较为直观，且行业内有相关标准规定评断依据，所以对柱状瓷件产生疑问时，应尽量考虑超声波检测手段。