韓曉言，蔡 煒，鄧鶴鳴，曹永興，吳 馳，范少君

（1.國網(wǎng)四川省電力有限公司，成都610041；2.南瑞集團有限公司，南京211000；3.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；4.國網(wǎng)四川省電力有限公司電力科學(xué)研究院，成都610041；5.國網(wǎng)四川省電力有限公司涼山供電公司，四川西昌615000）

0 引言

支柱瓷絕緣子是廠站的支撐設(shè)備，起著支撐和絕緣作用[1]。突發(fā)大地震會導(dǎo)致支柱瓷絕緣子遭受機械破壞，震后支柱瓷絕緣子未及時檢測，這直接影響震后救援工作。

電力設(shè)備的抗震性能一直得到了研究者的關(guān)注，同濟大學(xué)的謝強課題組長期從事地震后變電設(shè)備的機理分析以及故障性能評估[2-4]，中國電力科學(xué)研究院程永峰課題組著重于電瓷型電氣設(shè)備，對避雷器瓷套、支柱絕緣子互連體系展開了研究[5-6]，這些為地震救援工作提供了技術(shù)支撐。長期運行的瓷絕緣子受到了環(huán)境的風(fēng)力、腐蝕和振動的影響，以及連接部件的張力和電動力等系列外力的作用，一直得到了研究者的重視。彭蘇華模擬了棒形支柱瓷絕緣子的應(yīng)力分布，分析了這種支柱絕緣子的破壞機理，認(rèn)為缺陷類型、位置和分布等對支柱瓷絕緣子產(chǎn)生了重大影響[7]；邱志斌等關(guān)注支柱絕緣子在多種荷載的應(yīng)變分布情況，并進行了機械力學(xué)試驗，認(rèn)為選擇支柱瓷絕緣子，重點考慮臨近絕緣子的抗扭強度[8]；曹枚根等提出了多階模態(tài)擬合識別方法來識別瓷絕緣子的損傷程度，并進行定位[9]，風(fēng)力方面的影響沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，僅見鄧鶴鳴等關(guān)于風(fēng)力對電力構(gòu)件影響的報道[10-11]。在運行維護方面，王少華等認(rèn)為制造工藝、運行維護等因素導(dǎo)致了支柱瓷絕緣子故障[12]，臧春艷等論證了支柱絕緣子缺陷的振動法檢測方法[13]。這些對地震后支柱絕緣子的檢測提供了參考。

筆者分析了地震后支柱絕緣子的缺陷特征，指出這些故障的關(guān)鍵部位，提出了有針對性的檢測方法，并對多個變電站內(nèi)的支柱瓷絕緣子進行現(xiàn)場檢測，得到了地震位置與時間變化對缺陷影響的規(guī)律。

1 地震受損分析

地震波能量由地震經(jīng)過介質(zhì)內(nèi)的傳播動能和介質(zhì)變形的勢能組成，該能量以波動形式在介質(zhì)中傳播，并在不同介質(zhì)的分界面，部分透射繼續(xù)向外傳播，部分隨著反射波返回[14-18]。典型的地震波如圖1所示，設(shè)備的震害影響因素主要包括地震波頻譜、峰值和持續(xù)時間等。對于支柱瓷絕緣子來說，這種振動引發(fā)了系列破損，地震會引發(fā)變電站的不均勻沉降，這種不均勻沉降也會引發(fā)系列缺陷，這些故障分為顯性缺陷和隱形缺陷。

1.1 隱性缺陷

支柱瓷絕緣子主要由瓷體、法蘭和膠裝水泥等材料組成。絕緣子的隱形故障主要出現(xiàn)在支柱瓷絕緣子的瓷體部分，該部分為非均質(zhì)多相材料，由結(jié)晶相、玻璃相以及氣相組成。A.Giffith認(rèn)為陶瓷、玻璃等脆性材料的斷裂因素，包括了這些材料晶相等顯微結(jié)構(gòu)，以及微裂紋、微氣孔等微缺陷，給出的斷裂強度σc為[7]

式中：E為彈性模量；γ為斷裂材料的表面能；α為脆性材料的微裂紋尺寸。地震波會引發(fā)瓷體中的微裂紋，這些微裂紋難以觀測，需要長時間的跟蹤，如果忽略了這種微裂紋，隨著時間的推移，這種微裂紋將逐步擴展，直接引發(fā)較大的斷裂，從而造成二次事故。

圖1 典型地震波時程曲線[14]Fig.1 Typical earthquake wave time-history curve[14]

1.2 顯性缺陷

地震波的振動引發(fā)的顯性缺陷發(fā)生在瓷套根部區(qū)域，以裂紋為主，如圖2為支柱絕緣子法蘭附近的裂紋。制造工藝、環(huán)境因素等會引起一些微小的變化，地震過程加劇了裂紋的產(chǎn)生和擴張。按裂紋存在的位置來分這些裂紋，可以分為表面裂紋、穿透裂紋以及深埋裂紋這三種主要裂紋。

圖2 法蘭附近的裂紋Fig.2 The crack nearby the flange

表面裂紋和穿透裂紋肉眼可見，兩種裂紋均在表面表現(xiàn)出來，容易發(fā)現(xiàn)，絕緣性能有所破壞，但略有區(qū)別，表面裂紋在支柱絕緣子表面，屬于淺表裂紋，較難引起二次機械故障，但是穿透裂紋基本貫穿了瓷體，難以承受二次地震破壞；深埋裂紋隱藏在瓷體內(nèi)部，難以發(fā)覺，必須借助檢測設(shè)備，外絕緣性能雖然未破壞，但是這種裂紋破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，機械性能極差。

2 地震現(xiàn)場測量與結(jié)果分析

支柱瓷絕緣子通常采用超聲檢測法來檢測缺陷，采用表面爬波、小角度縱波等方式，通過對支柱絕緣子連接部位徑向環(huán)繞檢測，可以發(fā)現(xiàn)絕緣子夾層、夾渣和氣孔等產(chǎn)品缺陷，以及環(huán)境外力造成的裂紋，本文采用爬波法的方式，檢測角度和檢測目標(biāo)一般如圖3所示，法蘭和瓷體的連接部位為檢測重點位置。檢測要求和方法與DL/T 303[19]類似。地震現(xiàn)場檢測要求快速準(zhǔn)確、現(xiàn)場判斷、方法簡單和設(shè)備攜帶方便，超聲檢測法滿足這些要求。

圖3 支柱絕緣子檢測示意圖[19]Fig.3 A schematic diagram for detection of post insulator[19]

2.1 現(xiàn)場檢測

2008年汶川地震發(fā)生后，迅速對地震區(qū)域附近多個變電站的支柱絕緣子進行全面帶電無損檢測，針對存在疑似缺陷的支柱絕緣子，停電后進行了超聲波復(fù)查；2017年九寨溝地震后，開展了超聲檢測工作。

獲取后的檢測波形進行處理，處理方法采用文獻[19]提及的方法，利用Duabechies函數(shù)族，采用Pe?nalized硬閥值規(guī)則對采集后的波形進行去噪。對檢測波形的噪聲比SNR（Signal to Noise Ratio，SNR），采用下面方程式進行評價[20]：

式中：S為檢測波形的噪聲比；f（t）為原始波形信號；Ns為原始波形信號長度；f1（t）為去噪后的波形信號；Nn為去噪后的波形信號長度。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 空間分布特征

采集了2008年汶川地震區(qū)域及周邊的變電站資料，對地震后的進行長期跟蹤，每年定期進行檢測，對缺陷數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計后，繪制了支柱絕緣子跟震中距離的關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出，隨著與震中距離的增加，支柱絕緣子的缺陷數(shù)目急劇下降，略呈現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)肖亮等的報道，我國西部地區(qū)地震烈度衰減跟斷層破裂尺度有一定關(guān)系，等烈度線一般呈橢圓分布，地震烈度衰減的方向差別隨著距離增加，逐漸趨于圓形分布[21]。大體上地震烈度衰減隨著距離而逐漸衰減，地震對支柱絕緣子造成的缺陷也隨著震中距離增加呈現(xiàn)下降的趨勢。

對比了2008年汶川地震（里氏震級達8.0Ms）和2017年九寨溝地震（里氏震級達7.0Ms）震后首次檢測的支柱絕緣子缺陷，如圖5所示。兩次地震引發(fā)的故障比較可以得出，兩次地震對支柱絕緣子造成的缺陷隨著震中距離增加均呈現(xiàn)下降的趨勢，但是地震的強度引發(fā)的支柱絕緣子缺陷數(shù)目相對較多。

圖4 缺陷空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of defects

圖5 兩次地震缺陷空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of of two earthquake defects

2.2.2 時間分布特征

2008年汶川地震后，檢測了茂縣某220 kV變電站的支柱絕緣子，其中A相8號支柱絕緣子的下部法蘭附近存在微缺陷的可能性，檢測波形截圖如圖6所示。

圖6 疑似微缺陷波形圖Fig.6 Waveform diagram of suspected microdefect detection

從2008年開始，跟蹤了檢測了該支柱絕緣子，測量位置固定。整理了2008年、2010年、2012年和2014年的波形數(shù)據(jù)，采用Penalized硬閥值規(guī)則進行了波形的去噪，如圖7所示。從圖中可以看出，2008年—2014年觀測到該裂紋不斷擴大，到了2014年，對比DAC（distance amplitude curve，DAC）曲線可知，已經(jīng)存在顯性缺陷裂紋，由此可以判斷該微裂紋會隨著時間的推移，逐步擴大，形成顯性裂紋。這個變化過程首先受到了地震的影響，形成了微裂紋，但是檢測的結(jié)果有可能有些不確定性，但后期環(huán)境的破壞，會將擴大微裂紋，最終形成顯性缺陷裂紋，這暗示著地震導(dǎo)致支柱絕緣子瓷體損傷，形成了微裂紋，但是通過超聲觀測的數(shù)據(jù)，難以判斷出來，需要長時間的跟蹤。

圖7 超聲探傷波形變化圖Fig.7 Waveform variation of ultrasonic detection

3 結(jié)論

1）地震引發(fā)的顯性故障缺陷以裂紋為主，發(fā)生瓷套根部區(qū)域，引發(fā)瓷體中的微裂紋難以觀測，需要長時間的跟蹤。

2）隨著與震中距離的增加，支柱絕緣子缺陷數(shù)目呈現(xiàn)下降趨勢。

3）瓷體中的微裂紋會隨著時間的推移，逐步擴大，形成顯性裂紋。

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