瓷支柱绝缘子振动声学检测位置研究

赵飞亚，万书亭，李娜，杨萌

瓷支柱绝缘子振动声学检测位置研究

赵飞亚1，万书亭1，李娜1，杨萌2

（1.河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室（华北电力大学），河北 保定 071003；2. 国网冀北电力有限公司 管理培训中心，北京 102401）

分析了瓷支柱绝缘子振动声学检测方法的原理，并针对在利用振动声学检测支柱绝缘子缺陷时，检测位置的影响进行讨论。利用ANSYS Workbench对瓷支柱绝缘子模型进行瞬态分析，验证了检测位置的不同会影响检测结果的准确性。通过搭建110 kV瓷支柱绝缘子实验台，对无缺陷绝缘子和存在上、下法兰故障绝缘子进行振动声学检测。实验结果表明：利用振动声学检测法对瓷支柱绝缘子进行故障诊断时，检测位置不同，检测结果也不同，甚至导致检测结果的性质发生改变。

瓷支柱绝缘子；ANSYS；检测位置；振动声学检测；故障诊断

0 引言

瓷支柱绝缘子是输电线路中一种重要的绝缘设备，具有支撑导线和防止电流回地的作用[1]。而实际运行中，如果绝缘子出现故障不能及时更换，会造成巨大的损失。据相关统计数据，瓷支柱绝缘子发生故障的位置有95%以上出现在下法兰到下端第一伞裙之间，其余在上法兰至上端第一伞裙之间，极少有故障发生在伞裙中部[2-3]。为确保瓷支柱绝缘子的安全运行，需要及时检测出瓷支柱绝缘子中的裂纹、气孔等缺陷，并进行更换。

内部结构存在缺陷的材料会引起声、磁、光、电、热场等反应的变化，因此可以通过研究这些变化来探测工件内部和表面的缺陷。目前，常规的瓷支柱绝缘子检测方法有：红外测温法、紫外线检测法、超声波探伤等[4-6]。但这些检测方法对微裂纹缺陷的检测能力不强，并且检测时干扰因素多，无法对绝缘子进行有效地在线检测和诊断。振动声学检测技术，通过外力激励构件振动并提取振动响应，分析构件的简谐频率变化从而确定其强度及刚度是否满足安全运行要求[7]。文献[8]通过理论与实验的分析，验证了振动声学检测法的可行性。文献[9]利用有限元软件模拟故障瓷支柱绝缘子，并施加不同激励研究振动频率的变化，掌握了瓷支柱绝缘子在有无缺陷条件下的振动规律。文献[10]提出了采用BP神经网络对检测结果进行分类的方法，便于对利用振动声学法检测瓷绝缘子的数据进行判断评估。文献[11]对云南省某220 kV变电站预实验计划性检查，论证了采用振动声学检测方法的可行性。

现有利用振动声学方法对110 kV和220 kV电压等级瓷支柱绝缘子进行状态检测的设备是俄罗斯生产的SCT检测仪。SCT检测仪通过激励绝缘子进而接收到加速度信号，再利用加速度表征振动信息处理实现检测分析。在对构件固有频率进行推导时，认为构件是刚性体，因此可以利用重心位置振动情况计算固有频率。但是实际中，绝缘子并不是完全刚性的，利用SCT进行检测时，下法兰的约束情况以及检测位置的选择对检测结果影响很大。国内学者大多关注瓷支柱绝缘子振动声学检测的理论以及实际应用的可行性研究[12]，对检测位置的选择以及约束情况的影响研究缺少。

本文针对在利用振动声学法检测支柱绝缘子缺陷时的检测位置优化选择进行研究。首先利用有限元软件，模拟绝缘子常见故障形式，然后基于白噪声激励，获取绝缘子不同故障类型下，不同检测位置的振动结果并导入MATLAB中进行分析。根据实际工况搭建实验台，利用自制改进版振动声学检测仪，对瓷支柱绝缘子不同位置进行检测，得出位置因素影响的变化规律。

1 瓷支柱绝缘子振动声学检测的基本原理

根据瓷支柱绝缘子的工作情况，可以将绝缘子简化为悬臂梁结构，以便于理论分析[13]。裂纹的存在会导致构件截面弯曲刚度减小，随着裂纹扩展最终导致绝缘子的断裂，并且这一过程时间难以预测。而构件的弯曲刚度决定了构件能承受的极限载荷，因此可以取绝缘子的承载能力作为评价支柱绝缘子损坏程度的标准。

1.1 绝缘子极限载荷推导

在瓷支柱绝缘子工作状态下，下法兰通过螺栓固定在支撑柱上，上端承载输电线。将输电线对绝缘子的作用简化为一弯矩载荷，则极限载荷：

式中：max为极限应力；为危险截面惯性矩；为绝缘子的总长。考虑同一材料的极限应力不变，因此正常机械状态支柱绝缘子最大载荷max0与故障支柱绝缘子的最大载荷max1之比为：

式中：max0、max1分别为正常和缺陷绝缘子极限载荷；0、1分别为正常和缺陷绝缘子危险截面惯性矩。

对于绝缘子的固有频率，有：

式中：为绝缘子的各阶固有频率；k为对应的克雷洛夫方程式的根；为长度；为弯曲刚度；为单位质量。

对比公式（2）和（3），可以得到极限载荷比与固有频率的关系：

式中：0、1为正常和缺陷绝缘子各阶固有频率。

由公式（4）可以得出：裂纹的存在会导致构件截面弯曲刚度减小，进而改变绝缘子的固有频率和所能承受的极限载荷。因此，可以通过检测绝缘子的振动特性，提取各阶振动模态下的固有频率，并与完好绝缘子对应振动模态下的固有频率进行对比，从而判断该绝缘子极限承载能力是否下降，即可判定该绝缘子是否存在裂纹等缺陷。

1.2 振动声学检测仪器原理

振动声学检测法利用被测物体在振动时的阻尼、振动频率、幅度等相关模态参数的变化来判断被测物体的机械状况。SCT检测仪是一种便携式的振动检测仪，其工作原理是：压电陶瓷产生一个宽屏的白噪声信号并通过激励杆传送到绝缘子，再利用一个连接着压电式加速度传感器的接收杆接收振动信号。工作时，将绝缘杆与SCT检测仪连接，并将检测仪顶在110 kV绝缘子下法兰处，检测过程大概为6 s。检测完成后，将记录的数据导入相关软件中进行处理计算，可以得到绝缘子的振动功率谱，通过功率谱峰值的分布区间可以判断绝缘子是否发生故障以及故障所在大致位置。取一组云南电科院在西衙门变电站现场检测结果制作本文的评定图，包括正常、下法兰故障以及上法兰故障绝缘子。

首先将3组检测结果进行频谱分析，如图1所示。

图1 检测结果频谱图

由于SCT检测仪的激励源采用白噪声激励，检测结果包含了在仪器检测范围（1 Hz～10 kHz）内该方向的所有振动信息，其传感器采集的振动信号含有大量的伪随机振动信号，所以可以发现图中3种机械状态绝缘子的频响函数存在大量的干扰信息。

绝缘子的振动声学检测属于随机振动分析，而连续瞬态响应只能通过功率谱密度来描述，即出现在某一频率下振动的概率。同时利用自相关求功率谱可以消除伪随机振动信号带来的干扰，达到降噪的效果，因此利用功率谱密度来处理检测结果效果更好。3种机械状态绝缘子功率谱评定图如图2所示。

图2 3种机械状态绝缘子功率谱评定图

由图2可知：正常机械状态的绝缘子，其检测结果功率谱图的主要频率分量分布在4 Hz～5 kHz；当下法兰存在故障时，主要频率分量向低频区间偏移，但原频率带并非完全消失，而是继续存在，新的振动频率峰值出现在2 kHz附近；当上法兰存在故障时，主要频率分量向高频区间偏移，新激发的振动频率带出现在9 kHz附近，同时在1 Hz～10 kHz区间范围内存在许多微小振动带。

由图可以看出，在白噪声激励下，3种机械状态的绝缘子在竖直方向上主要的振动频率区分度很明显：正常机械状态的绝缘子主要的振动频率分布在4 Hz～5 kHz，下法兰故障的绝缘子主要的振动频率分布在2 kHz附近的低频区域，上法兰故障的绝缘子主要的振动频率分布在9 kHz附近的高频区域。

2 检测位置对检测影响的仿真研究

2.1 支柱绝缘子建模

用Solidworks建立110 kV瓷支柱绝缘子1:1模型，并导入ANSYS Workbench中进行仿真，采用瞬态动力学方法分析。模型下法兰的4个螺栓孔采取全约束。由于输电线对绝缘子的作用力相对较小，可以忽略不计，因此上端视为自由端，忽略螺栓预紧力的影响。仿真模型主要包含上下法兰盘、上下胶合剂以及瓷体，如图3所示。

图3 110 kV瓷支柱绝缘子1:1模型爆炸视图

绝缘子故障设置，分别在下法兰至下端第一伞裙之间以及上法兰至上端第一伞裙之间设置缺陷，厚度为1 mm，缺陷截面积为柱体截面积的一半，距离上、下法兰上表面10 mm。仿真模型故障设置如图4所示。材料参数设置如表1所示。

图4 模型故障设置

表1 材料明细表

2.2 模态分析

振动声学检测过程是连续瞬态响应过程。为减小计算量，采用间接瞬态分析。首先对3种模型分别进行模态分析，设置分析阶数为100阶，得出的最高模态频率未达到5 kHz。由于SCT的检测范围为0～10 kHz，故增大分析阶数，最终定为350阶。将3种机械状态绝缘子的模态分析结果合并显示，结果如图5所示。

图5 3种模型各阶固有频率对比

由图5可以看出，3种机械状态绝缘子的各阶固有频率差距不大，仅根据固有频率不能区分不同机械情况的瓷支柱绝缘子故障，因此继续对模型进行瞬态分析来模拟振动声学检测过程。

2.3 不同接收位置瓷支柱绝缘子振动分析

在不同位置缺陷模拟，如图6所示：在下法兰外沿位置1处施加伪随机信号，加速度信号接收点选择在位置2和位置3处两处。

图6 仿真示意图

通过查看加速度信号的功率谱图，研究伪随机信号激励的不同机械结构状态不同接收位置绝缘子、振动频率的变化。在ANSYS Workbench中模拟这一过程，白噪声的频率范围覆盖SCT检测要求的频率范围（1～10 kHz），利用MATLAB产生3 000个0～11 000的随机数，以这些随机数为频率生成正弦信号并叠加，最后生成0～0.04 s内的时间—振幅序列（时间间隔为2.5e–4s），以力的形式添加在下法兰边缘处作为激励源。分析机的步长设置为2.5e–4s，分析时间取0.04 s。提取加速度分析结果并导入MATLAB中进行功率谱密度计算，信号的采样频率与时间分辨率相对应，为时间分辨率的倒数40 kHz。3种仿真模型两处接收位置采集的加速度功率谱图如图7和图8所示。

由图7可以得出，当接收点在位置2时，3种模型的仿真结果均与实验得到的结果大致吻合：正常绝缘子的功率谱包含4个的频率分量，主要的振动分量分布在5 Hz～6 kHz之间；下法兰故障绝缘子的功率谱包含5个频率分量，主要的振动分量分布在3 kHz附近；上法兰故障绝缘子的功率谱包含2个频率分量，主要的振动分量分布在8 kHz附近。

图7 3种机械状态绝缘子位置2仿真结果

图8 3种机械状态绝缘子位置3仿真结果

由图8可以得出，当接收点在位置3时，正常绝缘子与下法兰故障绝缘子的加速度功率谱图无明显区别，并且呈现出的是上法兰故障绝缘子的振动信息；而上法兰故障绝缘子的加速度功率谱图呈现出的是正常绝缘子的振动信息。

当接收点在位置2时，接收到的反馈振动能量既包含了激励源发出的一部分，同时也包含了从绝缘子顶端反射回来的能量，振动信息较完整。而当接收位置位于位置3时，接收到的振动能量主要源自激励源能量的横向传递，从绝缘子顶端反射的能量很小，因此高频振动成分偏多。因此，可以得出接收位置的不同，会导致检测结果性质的改变。

2.4 不同激励位置瓷支柱绝缘子振动分析

改变激励位置，将激励点选为位置2、接收点取位置3，并与激励点为位置1、接收点为位置3的结果进行对比。为与图8进行区分，激励点为位置2时的仿真结果记为位置3¢的功率谱，如图9所示。

图9 3种机械状态绝缘子位置3¢仿真结果

对比图8和图9，对于正常绝缘子，当激励位置在位置1时，加速度功率谱图呈现出的是上法兰故障绝缘子的振动信息；而当激励位置为位置2时，结果又呈现出的是正常绝缘子的振动信息，包含4个频率分量，主要的振动分量分布在5 Hz～6 kHz之间。

对于下法兰故障绝缘子，当激励位置在位置1时，下法兰故障绝缘子的加速度功率谱图呈现出的是上法兰故障绝缘子的振动信息；而当激励位置为位置2时，结果又呈现出的是下法兰故障绝缘子的振动信息，包含3个的频率分量，主要的振动分量分布在3 kHz附近。

对于上法兰故障绝缘子，当激励位置在位置1时，上法兰故障绝缘子的加速度功率谱图呈现出的是正常绝缘子的振动信息；而当激励位置为位置2时，结果又呈现出的是正常绝缘子的振动信息，包含3个的频率分量，主要的振动分量分布在5 Hz～6 kHz之间。

当激励位置位于位置2时，正常和下法兰故障绝缘子提取的故障信息与评定图一致，而激励位置位于位置1时，两者都显示的是上法兰故障绝缘子的振动信息；但上法兰故障绝缘子的结果与激励位置位于位置1时是一样的，振动的峰值频率分布在6 kHz附近区域。分析原因检测位置3太靠近螺栓的约束位置，弹性变形受到一定抑制。因此，可以得出：激励位置的不同也会导致检测结果性质的改变。

3 检测位置对检测影响的实验研究

3.1 实验平台搭建

本文研究对象为变电站110 kV电压等级瓷支柱绝缘子。试制上法兰端故障和下法兰端故障绝缘子。取两只机械状态良好的绝缘子，将加热带分别缠绕在下法兰和上法兰处进行加热，如图10所示。当绝缘子法兰温度上升至200 ℃左右时，内部胶合剂由于膨胀会产生气孔，此时断电停止升温，用冷水使其降温并同时用力锤轻轻敲击法兰。重复上述过程多次后在法兰与伞裙的连接处会产生如图11所示的微裂纹。

图10 瓷支柱绝缘子故障试制

图11 微裂纹

搭建瓷支柱绝缘子实验台：图12（a）为绝缘子实验台；图12（b）为绝缘子与基座的固定方式。采用4个螺栓固定，与实际约束条件完全吻合。

图12 绝缘子实验台

3.2 不同检测位置时瓷支柱绝缘子振动分析

实际安装时，将绝缘子通过下法兰与支撑柱相连接；利用振动声学检测仪进行检测时，可供检测的位置只有下法兰的边缘处。考虑到振动声学检测仪激励杆与接收杆的形状与大小，忽略径向检测位置不同的影响，仅考虑距离螺栓约束距离的影响。

将一完好的绝缘子固定在绝缘子实验台上，先进行锤击实验，利用加速度传感器接收信号，并将结果导入MATLAB中进行频谱分析，得出的加速度功率谱如图13所示。

图13 正常绝缘子锤击实验

由图13可以看出，该绝缘子的振动信息主要分布在6 kHz附近，表明该绝缘子确实为完好绝缘子。

利用振动声学检测仪对绝缘子进行检测，实验示意图如图14所示。

图14 振动声学检测实验示意图

首先将检测位置选为下法兰边缘中间，接收位置为位置a，激励位置为位置b；接着改变检测位置，以接收杆位置为基准，将接收杆移动至位置a¢；重复第二步，以激励杆位置为基准，将激励杆移动至位置b¢。每一处位置均检测3次，确保检测结果不会因为操作问题出现偏差。检测结果如图15所示。

图15 实验结果

由图15可得，当检测位置大致位于下法兰边缘的中间位置时，振动声学检测结果表明该绝缘子为完好的绝缘子，振动信息主要分布在5 Hz～6 kHz之间。

当接收杆靠近约束位置时，1 Hz～2 kHz的振动分量得到增强；并且在测试的3组数据中，有一组甚至超过了5 Hz～6 kHz位置处的频率峰值。

当激励端靠近约束位置时，测试结果完全变为下法兰故障的振动信息，5 Hz～6 kHz区域的振动分量很小，振动信息主要分布在低频区域。

在位置a～a¢以及b～b¢之间区域各选取3处位置进行实验，实验结果显示，无论是接收杆还是激励杆，越靠近约束位置低频信号峰值越高。

挑选故障绝缘子和上法兰故障绝缘子，分别重复上述实验，也都出现了振动峰值的偏移现象。由此可以看出，当利用振动声学检测仪对瓷支柱绝缘子进行故障检测时，随着检测位置的改变，检测结果也会发生改变，主要表现为：当检测位置大致位于下法兰边缘的中间区域时，检测结果较为准确；当激励杆靠近约束处时，检测结果的峰值会向低频偏移并最终超过主要的频率分量，呈现出错误的检测结果。

3.3 检测位置优化设计

检测位置的不同会直接影响检测结果的准确性，并且不同工作环境下，绝缘子的连接方式也有很大差异，因此，检测位置的选择是确保振动检测有效性的关键因素。

由上述实验可以得出，激励杆的位置尤为重要。检测完好绝缘子时，当激励杆靠近约束处时，激励能量有很大一部分会传递给下端支撑架，因此接收到的反馈振动信息包含支撑架的振动信息，导致检测结果呈现出下法兰故障的振动信息。

检测下法兰故障绝缘子时，由于下法兰故障绝缘子的振动功率谱峰值原本就分布在1 Hz～2 kHz区域，因此检测位置对结果的影响不大。

利用振动声学检测法检测上法兰故障绝缘子，由于仪器本身对高频故障检测不灵敏，再加上检测位置的影响，所以很难测到高频信号。实验中发现，除了检测位置位于下法兰边缘中间区域及附近，其余位置都无法测出正确结果。

实际检测时，无法得知测试绝缘子的完好情况，因此检测位置尽量靠近下法兰边缘的中间区域。若无法满足上述检测条件，则激励杆应尽量远离约束位置。

4 结论

研究了瓷支柱绝缘子振动声学检测位置选择的问题。为了确保检测的准确性以及高效率，在现有的振动声学检测方法经验的基础上，完善了检测位置优化的设计，得出以下结论：

（1）在利用振动声学检测法对瓷支柱绝缘子进行故障检测时，检测位置不同，检测结果也不同，甚至会导致检测结果的性质发生改变。

（2）检测位置位于下法兰边缘的中间区域时，检测效果最佳。相反，无论是接收杆还是激励杆，越靠近约束位置，低频信号峰值越高。

（3）振动声学检测仪激励杆的位置选取更重要，应尽量远离约束区域。

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Study on Vibration Acoustic Position of Pillar Porcelain Insulator

ZHAO Feiya1, WAN Shuting1, LI Na1, YANG Meng2

(1. Hebei Key Laboratory of Electric Machinery Health Maintenance & Failure Prevention, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. Management Training Center of State Grid Hebei Electric Power Co., Ltd., Beijing 102401, China)

This paper analyzes the principle of the vibration acoustic detection method for pillar porcelain insulators, and discusses the influence of the detection position when the vibration acoustic detection is used for the defects of pillar porcelain post insulators. The transient analysis of the pillar porcelain post insulators model was carried out by ANSYS Workbench, and it was verified that different detection positions would affect the accuracy of detection results. By building 110 kV pillar porcelain post insulators test-bed, vibration acoustic detection was carried out for insulators without defects and insulators with faults of upper and lower flanges. The experimental results show that when vibration acoustic detection is used for fault diagnosis of pillar porcelain post insulators, the detection results will be different with different detection positions, and even the properties of the detection results will be changed.

pillar porcelain post insulators; ANSYS; detection position; vibration acoustic detection; fault diagnosis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.08.007

TM73

A

1672-0792(2021)08-0051-09

2021-04-19

国家自然科学基金（51777075）；南方电网有限责任公司科技项目（YNKJXM20180729）

赵飞亚（1997—），男，硕士研究生，主要从事输电线路工程方向研究；

万书亭（1970—），男，教授，主要从事大型电气设备结构动力学研究；

李 娜（1973—），女，副教授，主要从事输电线路工程方向研究；

杨 萌（1992—），女，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化。

万书亭