振动声学在瓷支柱绝缘子状态检测中的应用研究

振动声学在瓷支柱绝缘子状态检测中的应用研究

孟春旅

摘要：瓷支柱绝缘子作为电力工业的基础支撑设备，被广泛用于实现电气绝缘和机械固定，其劣化检测和运维工作显得尤为重要。然而绝缘子在电网运行中，会受到电、热、机械应力等各种劣化因素影响，导致其电气和机械性能下降。本文研究分析了绝缘子缺陷点不同检测方法的优劣性，提出了采用振动声学的支柱绝缘子检测方法，通过设计对比检测试验，从理论和工程应用两方面论证了其可行性，为这一技术的后续研究和推广提供了支持。

关键词：振动声学；绝缘子；状态监测；电力系统

1.研究背景

瓷支柱绝缘子被广泛应用于火力发电厂、变电站等场所，主要在配电设备或架空输电线路中起着支撑导线和防止电流回地的作用，绝缘子作为电力系统的重要零部件，其质量关系着电网的安全运行[1]。由于在役绝缘子长期处于运行高压的作业环境下，又受露天环境的侵蚀，运行条件比较恶劣。因此了解并掌握在役瓷支柱绝缘子的机械状态尤为重要，必须加强对其检测以保障输电线路的安全稳定运行[2]。目前，国内外用于检测高压瓷支柱绝缘子断裂的技术有四种[3-5]：红外测温法、紫外线检测法、超声波探伤法以及红外热波法，各种方法优劣性如下：

（1）红外测温法多用于金属类材质设备的测温检测，其对于检测瓷质绝缘子缺陷来说较为困难，因而该方法受设备材料以及环境温度影响较大；

（2）紫外线检测法主要用以检测绝缘表面局部放电和电晕放电，其主要可发现开放式故障，而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，对于法兰内部缺陷检测能力较差；

（3）红外热波法主要是根据不同物体的热辐射能量大小不同，因而可将所观察的物体表面温度分布图像直接转化为表面温度热成像，但在瓷支柱缺陷检测方面未开展过工作，未有成形的热激励装置。

2.振动声学检测法原理分析

基于振动声学的检测方法主要是利用了物体力学理论，由于绝缘子自身强度与其振动频率具有对应关系，通过激发绝缘子产生振动，检测其本身的谐振频率，通过谐振频率的高低和峰值区域进一步研判其运行状态。如图1所示，分别给出了正常状态和故障状态下的绝缘子振动传导图。可以看出，在绝缘子机体完好状态下，回馈信号随振动信号产生且至下一次振动信号之间只产生一次波峰，为绝缘子的底面回波。而如若绝缘子表面产生了裂纹、断裂等劣化故障，振动信号在传输至缺陷点时会衍生出另一波峰，因此可通过分析绝缘子回馈振动信号的频谱图来判断其是否产生缺陷点。

图1不同状态下支柱绝缘子的振动信号回馈图谱

基于振动声学检测法的另一优点是可以通过衍生波峰所处的频率区域，来判断绝缘子的缺陷点位置，当波峰频率处3-5kHz之间时属于正常状态，当波峰频率处于1-3kHz之间时表明绝缘子的下部法兰附近产生了缺陷点，当波峰频率出现在8kHz附近时，表明被试品绝缘子上部法兰处存在缺陷。

3.实例分析

为进一步验证振动声学检测技术的准确性，本文初步搭建了一套瓷支柱绝缘子振动声学检测系统，主要包括：激励源（振动激发器）、信号接收设备（用于记录、存储绝缘子对激励的响应）、结果分析系统（用来分析检测结果的软件包）。同时本文选用了三支35kV瓷支柱绝缘子作为检测样本，其中一支保持其机体完好性不做任何处理，选取其他两支分别对其顶部和底部进行外力冲击破坏，致使其表面产生劣化缺陷。

当瓷支柱绝缘子表面结构完整时，振动频谱中只有一个波峰，峰值频率在4.5kHz，当绝缘子底端产生缺陷点时，振动频谱出现两个主要波峰，除去自身谐振波峰外，在1kHz处衍生出波峰。当绝缘子顶端产生缺陷点时，除去自身谐振波峰在8kHz处衍生出第二波峰。以此进一步验证了基于振动声学监测绝缘子劣化的可行性。

4.结论

本文围绕瓷支柱绝缘子缺陷检测展开研究，对比分析了目前常用的集中检测方法的优劣性，提出了采用振动声学的支柱绝缘子检测方法，通过设计对比检测试验，从理论和工程应用两方面论证了其可行性，试验表明机体良好的绝缘子的振动频谱图只在3-5kHz频率范围内出现峰值，底部法兰处缺陷的绝缘子会在1-3kHz频率范围内出现峰值，顶部法兰处有缺陷的绝缘子会在8kHz频率范围内出现峰值，试验结果和理论设想基本符合，今后可以此研究理论为基础，设计开发基于振动谐振技术的绝缘子劣化检测设备，为输电线路安全稳定运行提供技术保障。

参考文献

[1]马朋飞,史腾飞,刘荣海,杨迎春,郑欣,段新会,常喜茂.振动法评估盆式绝缘子机械状态的分析[J].云南电力技术,2017,45(03):19-22.

[2]郑欣,吴章勤,刘荣海,张轩.统计分析在支柱绝缘子振动信号识别中的应用[J].电瓷避雷器,2016(06):32-35.DOI:10.16188/j.isa.1003-8337.2016.06.007.

[3]张轩,郑欣,刘荣海,万书亭.基于统计分析支柱绝缘子振动声学检测[J].云南电力技术,2016,44(05):112-114.

[4]张昕,高健,苗兴,李军,杨景建,李辉,王炳慧.支柱瓷绝缘子表面缺陷振动声学法检测的研究[J].电力安全技术,2016,18(03):29-33.

[5]张廼龙,陈大兵,方浩铭,张研.支柱瓷绝缘子的振动声学检测机理研究[J].红水河,2016,35(01):33-