基于共振声学的瓷支柱绝缘子带电检测研究

基于共振声学的瓷支柱绝缘子带电检测研究

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摘要：瓷支柱绝缘子对带电部件起绝缘和支持的作用，是发电厂和变电站的重要组成设备，一旦发生事故会对电网造成严重的影响。本文主要研究了一种安全和易操作的基于共振声学的瓷支柱绝缘子带电检测技术。通过SolidWorks建立典型瓷支柱绝缘子的模型并将其导入ANSYS进行模态和功率谱分析，研究了瓷支柱绝缘子有无缺陷及缺陷所在位置与其共振频率之间的关系。结果表明，通过反馈信号某些振动频率的特征可以很好的判断支柱绝缘子有无缺陷和缺陷位置。

关键词：共振；ANSYS；带电检测；模态；功率谱分析

引言国内外通常利用无损检测诊断技术来判断瓷支柱绝缘子是否完好。目前，用于检测高压瓷支柱绝缘子断裂的无损检测诊断技术有：紫外线检测、红外热波、超声波检测、共振声学检测。前三种方法普遍存在安全性能低、测量工作复杂、测量成本高、测量不精细及抗干扰能力差等缺点。而共振声学检测法具有可带电检测、检测效率高、操作简便等优点。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，经专用软件分析该反馈波形的频谱，即可判断该绝缘子是否有裂纹、裂纹大概部位，机械强度是否降低或丧失。因此为保证带电检测绝缘子的准确性、安全性和易操作性，本文提出了一种基于共振声学的高压瓷支柱绝缘子带电检测技术。通过SolidWorks建立典型瓷支柱绝缘子的模型并将其导入ANSYS进行模态和功率谱分析，研究了瓷支柱绝缘子有无缺陷及缺陷所在位置与其共振频率之间的关系。

1检测原理模态是机械结构的固有振动特性，每个模态拥有其特定的固有频率。这些模态参数可以由计算或试验得到，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析，这个过程可以由ANSYS软件取得。模态分析是结构设计及设备故障诊断的主要方法。

将支柱绝缘子响应看作承受着随时间快速变化的动态载荷，包括弯曲、纵向和扭转振动，三种振动方式的固有频率方程如下：

从三种振动的固有频率公式不难发现，固有频率与材料的特有属性和待检部件的形状和安装形式是紧密相关的。如果有缺陷存在的话，势必会使得某些参数的变化，最终导致固有频率改变。由于同一电压等级绝缘子规格和安装总体基本一致，即所谓的容差较小，只需要对比完好与有缺陷支柱绝缘子的固有频率信息即可对整体的刚度做出判断。利用频率的改变能够在绝缘子的任何一种振动形式中发现损伤。

2基于共振声学的支柱绝缘子频率偏移检测模型2.1瓷支柱绝缘子的SolidWorks模型如表1所示为南京瓷瓶厂的一款典型110kV瓷支柱绝缘子尺寸，根据该尺寸在SolidWorks中建立其三维模型。表2是完好状态的典型110kV瓷支柱绝缘子SolidWorks模型图。

2.2缺陷的设置支柱绝缘子的主要缺陷机理分为两种：1.带刀闸开关的绝缘子在运行的过程中受到一定开关动作产生的应力，产生疲劳损坏；2.在温差变化较大的地区，绝缘子由于制作工艺的原因，材料的膨胀系数不同带来的法兰盘与瓷体的脱粘而产生缺陷。

本文主要研究支柱绝缘子中裂纹缺陷的探测，缺陷为在支柱绝缘子的不同位置设定了裂纹。本文设置的仿真缺陷如下：1、下端瓷体缺陷：设置在下法兰上边沿与下端第一瓷裙之间，距离下法兰上边沿30mm位置。宽10mm，深度为5mm的整圆周裂纹；2、上端瓷体缺陷：设置在上法兰下边沿与上段第一瓷裙中间，距离上法兰下边沿30mm位置。宽10mm，深度为5mm的整圆周裂纹；3、上端法兰缺陷：设置为距离上法兰下边沿20mm位置的局部不规则穿透；4、下端法兰缺陷：设置为距离下法兰上边沿20mm位置的局部不规则穿透。

接收反馈信号的位置在距支柱绝缘子底面0.10m处下法兰的位置。

2.3模型导入ANSYS将solidworks建立的模型导入ANSYS，添加材料参数。逐个添加材料属性，完成边界条件设置，对地面进行约束后划分网格。考虑实际工程中支柱绝缘子的联结状态，底端通过法兰固定在支撑立柱上，顶端用于支承带电部件。因此，支柱绝缘子的仿真模型中边界条件设置为：底端4个安装孔对应区域与地面位移保持为零，绝缘子顶端面设置为自由状态。

在做支柱绝缘子功率谱响应分析前，需先进行绝缘子振动模态分析，以了解绝缘子主要振动模态的频率范围，以设置合适的随机振动频率。

3仿真结果分析3.1模态分析求解模型，考虑到后期实验室实物状态下的模态数，设置模态阶数为40，选取起始频率设为1Hz，上截止频率设置为3000Hz，要求模态较明晰且边界的模态间距较大，以方便测量与分析。完好与上、下瓷体缺陷三种状态瓷支柱绝缘子的前40阶振动模态，对正常绝缘子及两种瓷体缺陷的支柱绝缘子进行仿真模态分析，比较固有频率的变化。为更清楚的观察正常和缺陷支柱绝缘子的频率差异，单独绘制了12-17阶次的振动模态，对比发现其波形范围有明显的差异，各阶频率随着阶次呈增加趋势，相互阶层的频率差距较大。制造了缺陷之后的振动模态会发生一定的变化，相差最大的频率可以达到100-150Hz，根据此频率差异可以作为缺陷评判的手段。

3.2功率谱分析由上述仿真结果可知，存在缺陷的支柱绝缘子振动模态发生了改变，但同阶的变化较小。为了更清楚分辨出正常与缺陷支柱绝缘子瓷柱，本文又采用了仿真模拟输入加速度的标准谱求解得到响应谱的方法，来观察不同情况下绝缘子反馈信号的变化情况。仿真频率从1Hz到10KHz。

为了方便的观察变化，将4种缺陷与正常状态绝缘子的功率谱响应进行对比，不难发现，缺陷设置离底部法兰越近，所造成的响应差异越显著。下方的瓷体及法兰缺陷对支柱绝缘子的响应谱产生的影响非常显著，上方的瓷体及法兰缺陷对支柱绝缘子响应谱的影响较小。缺陷本身并不影响固有频率峰值的分布，影响主要体现在幅值上面较大变化。当缺陷发生在远离下法兰的一侧时，其传递给下法兰接收装置的振动信息必然较弱。根据某些频率振动信号的特征可以较好的判定支柱绝缘子有没有缺陷和缺陷的位置。

4结语本文通过对完好和设置不同缺陷的支柱绝缘子进行模态和功率谱分析得知，下方瓷体及法兰缺陷对支柱绝缘子的响应谱造成显著差异，上方的瓷体及法兰缺陷对支柱绝缘子响应谱影响较小。缺陷设置距底部法兰越近，所造成响应差异越大。该检测方法操作简单、方便，最大限度地排除了人为误差，保证了检测人员的人身安全，可以快速准确地测量出缺陷位置，减少误判。

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