CN106248799A - 一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，包括以下步骤：先支柱式瓷绝缘子三维有限元建模：通过建立支柱瓷绝缘子的三维有限元模型，获得支柱瓷绝缘子在管道母线和隔离开关两种应用下的应力分布，并通过ANSYS软件分析水泥膨胀应力、温差应力、操作应力、冰冻应力附加后的应力集中区域；然后瓷支柱绝缘子故障诊断：结合支柱式瓷绝缘子常见的缺陷，研究不同缺陷及其严重程度下振动特征谱图的区别，并建立其中的关联；最后验证使用振动声方法诊断支柱式绝缘子的正确性以及合理性,能实现带电检测；检测效率高，可实现成组瓷瓶的检测；不仅能检测法兰口附近的瓷瓶裂纹，同时还能实现法兰中部和灌胶水泥、铸铁法兰的状况检测。

Description

一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法

技术领域

本发明涉及支柱式瓷瓶绝缘子检测技术领域，具体涉及一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法。

背景技术

随着科学和工业技术的迅速发展，高温、高压、高速度和高负荷已成为现代工业的重要标志，但它的实现是建立在材料(或构件)高质量的基础上的，为确保这种优异的质量，必须采用不破坏原来的形状、不改变其使用性能的检测方法，对产品进行百分之百的检测，以确保其可靠性和安全性。近年来，随着电网的迅速发展，瓷支柱绝缘子使用数量也在逐年加大，绝缘子断裂引发的事故时有发生。

为此，国家电力公司组织了事故情况调查小组进行了调查，提出了事故调查报告。调查分析表明：66～220kV高压电网隔离开关与母线的支柱绝缘子运行中发生断裂的现象较为普遍，6年来断裂总数达388起。事故调查结论：6年来断裂总数为388起，并有逐年上升趋势。高压支柱瓷绝缘子断裂事故主要集中在220kV、110kV及66kV电压等级，分别占52.6％、26％和20.1％。断裂事故中涉及隔离开关的占81％，母线的占13.9％。这二项占了整个事故的94.9％，断裂事故中折断占35.5％，开裂占62％，发生断裂事故的地区，北方多于南方，尤其东北地区最多。但是，折断事故在全国各地都有发生，应当引起重视。

绝缘子的断裂是一种突发现象，但它的发生既有绝缘子本身的原因，又有运行过程中外部因素的影响，从现场探测结果看，所有管母支柱绝缘子缺陷一般都发生在下节，而刀闸支柱绝缘子均发生在上节，这说明支柱绝缘子在运行和操作中受伤是产生缺陷和断裂的主要原因，同时，制造工艺落后，产品质量不高，也是绝缘子断裂的内在原因。

绝缘子裂纹具有以下特性：

1)裂纹的尺寸很小(例如，表面裂纹深度才0.1mm，分布在绝缘子的底法兰面上)就能够使绝缘子损坏；

2)裂纹从其滋生到瓷制件破损发展时间的长短难以预测；

3)不可能用肉眼去发现瓷制件的内部裂纹，包括位于绝缘子法兰面下边的裂纹，而且用肉眼去发现表面裂纹也很困难；

4)对绝缘子受到外力作用时出现附加的应力，使新的粒子受到损伤，导致微裂纹跳跃式的增长。

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等缺陷，根据具体情况采取相应的补救措施，从而避免事故的发生。因此一台可带电检测支柱绝缘子的高效探伤仪是电力系统所必须的设备。本项目是基于振动法检测支柱式瓷绝缘子损伤状态，通过建模仿真，应用多应力联合分析法分析多种应力共同作用时绝缘子受力分布，并研究缺陷绝缘子的振动谱图特征。并藉此研发一套便于携带的、可带电离线测试的探伤系统。

无损检测诊断技术正向快速化、标准化、数字化、程序化和规范化的方向发展。无损检测技术最先进的国家当属美国，而德国、日本是将无损检测技术与工业化实际应用协调的最为有效的国家，随着现代化工业水平的提高，我国的无损检测技术已取得了很大的进步。

目前，国内外利用无损检测诊断技术来判断瓷绝缘子是否完好。无损检测诊断技术是一门新兴的综合性应用学科，它是在不损坏材料工件或者成品的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对声、磁、光、电、热场等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。无损检测诊断的目的在于定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许载荷、寿命或剩余寿命，检测设备在制造或使用过程中产生的结构不完整性，以及缺陷情况，从而改进制造工艺，提高产品质量，及时发现故障，保证设备安全、高效、可靠地运行。

无损检测诊断技术应用的范围十分广泛，已经在机械制造，石油化工、舰艇船舶、汽车、铁道、建筑、冶金、航空航天和核能等工业中被普遍采用，取得了显著的经济效益和社会效益。随着科学技术的发展，对产品质量提出了越来越高的要求，特别是产品关键零部件的质量问题所造成的事故以及巨大的经济损失，使人们更加认识到了无损检测诊断技术的重要性。

国内外对于高压瓷支柱绝缘子断裂一直缺乏有效的检测方法。目前，用于检测高压瓷支柱绝缘子断裂的技术主要有以下几种：

(1)红外测温法

红外测温对于金属类温升检测比较有效，对于查找瓷质绝缘子裂纹而言相对困难，受环境影响较大。

(2)紫外线技术

主要原理是检测绝缘表面局部放电和电晕放电，图像经由入口主物镜形成在紫外电子光学转换器的光电阴极上，可通过目镜在放大器屏幕上观察，亮度被放大20000倍以上的紫外光学信号或者利用专门的照相机将其记录下来。但就其物理实质而言有以下两大限制因素：只能发现开放式，可通向绝缘子表面的裂纹；在多元件绝缘结构上，由于电压分布不均匀，只能发现支柱绝缘子上节上法兰附近的微观裂纹，对于法兰内部缺陷无能为力。

(3)红外热波无损检测技术

红外热波无损检测技术是一种创新性的无损检测技术，已在航空航天领域具体应用，优点是探测面积大、速度快、非接触、单向检测、不污染试件和环境。主要是根据不同物体的热辐射能量的大小有区别，直接和不同物体表面的温度有关，将所观察的物体表面温度分布图像变成可视的表面温度热图像，但在瓷支柱缺陷检测方面未开展工作，无成形的热激励装置，需要研究。

(4)超声波检测法

超声波检测法是比较成熟的无损检测方法之一，在金属类器件的探测上得到广泛的应用。但是，在检测瓷器绝缘子上，有诸多不便，因为绝缘子的伞裙是起伏不平的，而超声波的形成离不开超声探伤仪和探头，探伤仪和探头必须紧密的接触被检测物体的表面才能成像，而且只能检测表面平坦的物件，检测的时间长，携带也十分不便，检测准确率只有30％左右，最大的缺陷是必须要线路断电才能进行检测，因此也不适应于绝缘子检测。

基于振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤，振动声学检测已广泛运用于其它领域，如我们挑选瓷器时，轻轻弹叩瓷器时听发出的声音，如声音清脆、悦耳，则说明瓷胎细致密实、无裂损，在高温烧成时瓷化完全；如声音喑哑，就可断定瓷胎有裂损，或者瓷化不完全，这类瓷器经冷热变化易开裂。这主要是利用好的瓷器和裂损瓷器的固有频率发生变化从而发出不同的声音这一原理进行检测。

超声波检测必须在停电状态下进行，同时检测比较费时、费力，难以实现对变电站绝缘子的普查工作。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，能实现带电检测；检测效率高，可实现成组瓷瓶的检测；检测范围广，不仅能检测法兰口附近的瓷瓶裂纹，同时还能实现法兰中部和灌胶水泥、铸铁法兰的状况检测；检测人员的劳动强度低。

为此，本发明提供了一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，包括以下步骤：

(1)支柱式瓷绝缘子三维有限元建模：通过建立支柱瓷绝缘子的三维有限元模型，获得支柱瓷绝缘子在管道母线和隔离开关两种应用下的应力分布，并通过ANSYS软件分析水泥膨胀应力、温差应力、操作应力、冰冻应力附加后的应力集中区域；

(2)瓷支柱绝缘子故障诊断：结合支柱式瓷绝缘子常见的缺陷，研究不同缺陷及其严重程度下振动特征谱图的区别，并建立其中的关联；

(3)验证使用振动声方法诊断支柱式绝缘子的正确性以及合理性。

进一步的，所述步骤(1)中ANSYS软件使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。

进一步的，所述步骤(1)中ANSYS软件具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI就可建立各种复杂的几何模型，由于建模过程比较复杂，因此在对复杂图形进行建模时，在CAD软件上进行，然后在导入ANSYS进行分析。

进一步的，所述步骤(1)中ANSYS软件提供数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。

进一步的，所述步骤(1)中ANSYS软件具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。

进一步的，所述步骤(2)运行过程中支柱式绝缘子受到风力载荷和断路器切换时产生的载荷，风力载荷导致绝缘子弯曲，断路器切换的载荷导致有扭曲的弯曲，在上述载荷的作用下绝缘子产生机械应力是：

${\mathrm{\σ}}_{u3}=\frac{a(P_1+P_2)}{W}=\frac{a(P_1+P_2)\×r}{I}$

切向的扭曲应力：

归纳上述公式，机械应力是个函数

σ_общ＝f(∑P_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

∑P_i,为外力总和；L_i,a_i,为绝缘子的线性尺寸；I_i,为绝缘子诸截面的那些力矩；I_pi,为惯性极力矩；r_i为绝缘子断面半径；

绝缘子的机械振动公式

а)弯曲振动：

$\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}\left(\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂x}^2}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

b)纵向振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{EF}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

c)扭曲振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{GI}}_k\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\right)-{\mathrm{\ρI}}_p\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂t}^2}=\mathrm{\μ}(x,t).$

本发明的有益效果如下：本发明提出的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，振动声学检测是利用以声波激励物体振动、通过检测物体固有频率为物理基础的新型高效率的检测方法，相对于其它检测方法，它主要有以下几大优点：

(1)能实现带电检测；

(2)检测效率高，可实现成组瓷瓶的检测；

(3)检测范围广，不仅能检测法兰口附近的瓷瓶裂纹，同时还能实现法兰中部和灌胶水泥、铸铁法兰的状况检测；

(4)检测人员的劳动强度低。

附图说明

图1是本发明具体实施例的流程图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

参照图1，本发明提出了一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，包括以下步骤：

(1)支柱式瓷绝缘子三维有限元建模：通过建立支柱瓷绝缘子的三维有限元模型，获得支柱瓷绝缘子在管道母线和隔离开关两种应用下的应力分布，并通过ANSYS软件分析水泥膨胀应力、温差应力、操作应力、冰冻应力附加后的应力集中区域。

ANSYS软件可以进行结构静力分析、动力学分析、热分析、电磁分析、声场分析等类型。其分析特点如下：

a.数据统一。ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。

b.强大的建模能力。ANSYS具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI(图形用户接口)就可建立各种复杂的几何模型，但建模过程比较复杂，因此在对复杂图形进行建模时，一般都在CAD软件上进行，然后在导入ANSYS进行分析。

c.强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。

d.智能网格划分功能。ANSYS具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。

(2)瓷支柱绝缘子故障诊断：结合支柱式瓷绝缘子常见的缺陷，研究不同缺陷及其严重程度下振动特征谱图的区别，并建立其中的关联：

运行过程中支柱式绝缘子受到风力载荷和断路器切换时产生的载荷，风力载荷导致绝缘子弯曲，断路器切换的载荷导致有扭曲的弯曲，在上述载荷的作用下绝缘子产生机械应力是：

${\mathrm{\σ}}_{u3}=\frac{a(P_1+P_2)}{W}=\frac{a(P_1+P_2)\×r}{I}$

切向的扭曲应力：

归纳上述公式，机械应力是个函数

σ_общ＝f(∑P_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

ΣP_i,为外力总和

L_i,a_i,为绝缘子的线性尺寸

I_i,为绝缘子诸截面的那些力矩

I_pi,为惯性极力矩

r_i为绝缘子断面半径

绝缘子的机械振动公式

а)弯曲振动：

$\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}\left(\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂x}^2}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

b)纵向振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{EF}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

c)扭曲振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{GI}}_k\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\right)-{\mathrm{\ρI}}_p\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂t}^2}=\mathrm{\μ}(x,t).$

(3)验证使用振动声方法诊断支柱式绝缘子的正确性以及合理性。

上面三种振动的通解公式可写成：

ω＝f(a_i,r_i,I_p,I,F,E,G,ρ)

机械应力公式：σ_общ＝f(ΣP_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

通过比较机械应力和振动公式可以发现，机械应力函数和绝缘子的那些自有振动频率有一些相同的自变量，用这一观察可得出结论，绝缘子的机械强度和它的频率特性紧密相关。

(一)强度和频率特性的关系：

研究弯曲时强度的变化和绝缘子频率特性的关系，对于瓷材质有个应力极限，超过这个极限会导致结构破坏。对应极限强度的力叫做极限载荷；

P＝σI/Lr

P-极限载荷(力)

σ-应力(这里指极限强度)

L-柱装置(绝缘子)长度

r-绝缘子危险断面半径

绝缘子本身自有振动频率公式

ω_i＝(k_i)²/L²·√EI/μ

把损坏的和未损坏的绝缘子作比较，得出下列关系式：

P₁/P₀＝I₁/I₀＝(ω_i1/ω_i0)²

同理，上述关系式对纵向(竖)和扭曲的载荷也是正确的

P₁/P₀＝I₁/I₀＝F₁/F₀＝I_p1/I_p0＝(ω_i1/ω_i0)²

由关系式P₁/P₀＝I₁/I₀＝F₁/F₀＝I_p1/I_p0＝(ω_i1/ω_i0)²知，如果绝缘子中有裂纹出现，会导致其危险截面发生变化进而导致截面惯性力矩发生改变(机械强度发生变化)，这些最终会导致绝缘子固有频率发生变化。所以，依上述可得出结论，使用振动声方法来确定绝缘瓷柱的刚性强度是可行的。

(二)振动探伤检测法应用研究

应用振动声学技术开发一套便携式、可带电离线检测，并满足下述技术指标的支柱式瓷绝缘子探伤装置。

技术指标参数：

(1)系统可用率：＞99％

(2)图像分辨率：320×240

(3)计算机显示分辨率：1024×768

(4)故障检测正确率：＞90％

(5)检测样品范围：35kV～500kV瓷支柱绝缘子

(6)检测方式：带电离线测量

(7)采样率：＞24K/S

(8)显示方法：可显示单波谱及以上谱图

(9)工作温度：-30～50℃

(10)激振器最大输出功率：3W

(三)支柱式瓷绝缘子振动测试及其应用

对35kV-500kV范围的管道母线和隔离开关支柱绝缘子开展检测应用，结合研究结果评价各样品的运行状态，并对比超声波检测结果，对检测装置准确性进行论证。

本发明不需要停电检测，在变电站运行不停电的状态下可完成所有支柱绝缘子检测，采用独特的等电位、全屏蔽、抗干扰设计、及确保安全的离线测试方法，为设备的带电检测提供了保证，快速、准确、高效是本设备的设计理念；可检出35kV-500kV支柱绝缘子本体全部内外裂纹、机械强度降低或丧失等缺陷，缺陷检出率可达99％，小巧便捷，内置可储存3000组数据；操作简便快速，一人就可操作，20秒左右即可完成测试，即测即出结果，后期判断由专用软件完成，不需要经过专门培训的专业人员才能操作，普通试验技工即可完成检测并给出结果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)支柱式瓷绝缘子三维有限元建模：通过建立支柱瓷绝缘子的三维有限元模型，获得支柱瓷绝缘子在管道母线和隔离开关两种应用下的应力分布，并通过ANSYS软件分析水泥膨胀应力、温差应力、操作应力、冰冻应力附加后的应力集中区域；

(2)瓷支柱绝缘子故障诊断：结合支柱式瓷绝缘子常见的缺陷，研究不同缺陷及其严重程度下振动特征谱图的区别，并建立其中的关联；

(3)验证使用振动声方法诊断支柱式绝缘子的正确性以及合理性。

2.根据权利要求1所述的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：所述步骤(1)中ANSYS软件使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。

3.根据权利要求1所述的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：所述步骤(1)中ANSYS软件具备三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI就可建立各种复杂的几何模型，由于建模过程比较复杂，因此在对复杂图形进行建模时，在CAD软件上进行，然后在导入ANSYS进行分析。

4.根据权利要求1所述的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：所述步骤(1)中ANSYS软件提供数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。

5.根据权利要求1所述的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：所述步骤(1)中ANSYS软件具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。

6.根据权利要求1所述的一种采用振动法检测支柱式瓷瓶绝缘子损伤的方法，其特征在于：所述步骤(2)运行过程中支柱式绝缘子受到风力载荷和断路器切换时产生的载荷，风力载荷导致绝缘子弯曲，断路器切换的载荷导致有扭曲的弯曲，在上述载荷的作用下绝缘子产生机械应力是：

${\mathrm{\σ}}_{u3}=\frac{a(P_1+P_2)}{W}=\frac{a(P_1+P_2)\×r}{I}$

切向的扭曲应力：

归纳上述公式，机械应力是个函数

σ_общ＝f(∑P_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

ΣP_i,为外力总和；L_i,a_i,为绝缘子的线性尺寸；I_i,为绝缘子诸截面的那些力矩；I_pi,为惯性极力矩；r_i为绝缘子断面半径；

绝缘子的机械振动公式

а)弯曲振动：

$\frac{{\∂}^2}{\∂x^2}\left(EI\frac{{\∂}^{2}w}{\∂x^2}\right)+\mathrm{\ρ}F\frac{{\∂}^{2}w}{\∂t^2}=q(x,t)$

b)纵向振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(EF\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\mathrm{\ρ}F\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}=q(x,t)$

c)扭曲振动：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{GI}}_k\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\right)-{\mathrm{\ρI}}_p\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{\∂t^2}=\mathrm{\μ}(x,t).$