趙飛亞，萬(wàn)書(shū)亭，李娜，楊萌

瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)位置研究

趙飛亞1，萬(wàn)書(shū)亭1，李娜1，楊萌2

（1.河北省電力機(jī)械裝備健康維護(hù)與失效預(yù)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003；2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司 管理培訓(xùn)中心，北京 102401）

分析了瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)方法的原理，并針對(duì)在利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)支柱絕緣子缺陷時(shí)，檢測(cè)位置的影響進(jìn)行討論。利用ANSYS Workbench對(duì)瓷支柱絕緣子模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗(yàn)證了檢測(cè)位置的不同會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)搭建110 kV瓷支柱絕緣子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)無(wú)缺陷絕緣子和存在上、下法蘭故障絕緣子進(jìn)行振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法對(duì)瓷支柱絕緣子進(jìn)行故障診斷時(shí)，檢測(cè)位置不同，檢測(cè)結(jié)果也不同，甚至導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的性質(zhì)發(fā)生改變。

瓷支柱絕緣子；ANSYS；檢測(cè)位置；振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)；故障診斷

0 引言

瓷支柱絕緣子是輸電線路中一種重要的絕緣設(shè)備，具有支撐導(dǎo)線和防止電流回地的作用[1]。而實(shí)際運(yùn)行中，如果絕緣子出現(xiàn)故障不能及時(shí)更換，會(huì)造成巨大的損失。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，瓷支柱絕緣子發(fā)生故障的位置有95%以上出現(xiàn)在下法蘭到下端第一傘裙之間，其余在上法蘭至上端第一傘裙之間，極少有故障發(fā)生在傘裙中部[2-3]。為確保瓷支柱絕緣子的安全運(yùn)行，需要及時(shí)檢測(cè)出瓷支柱絕緣子中的裂紋、氣孔等缺陷，并進(jìn)行更換。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷的材料會(huì)引起聲、磁、光、電、熱場(chǎng)等反應(yīng)的變化，因此可以通過(guò)研究這些變化來(lái)探測(cè)工件內(nèi)部和表面的缺陷。目前，常規(guī)的瓷支柱絕緣子檢測(cè)方法有：紅外測(cè)溫法、紫外線檢測(cè)法、超聲波探傷等[4-6]。但這些檢測(cè)方法對(duì)微裂紋缺陷的檢測(cè)能力不強(qiáng)，并且檢測(cè)時(shí)干擾因素多，無(wú)法對(duì)絕緣子進(jìn)行有效地在線檢測(cè)和診斷。振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)外力激勵(lì)構(gòu)件振動(dòng)并提取振動(dòng)響應(yīng)，分析構(gòu)件的簡(jiǎn)諧頻率變化從而確定其強(qiáng)度及剛度是否滿足安全運(yùn)行要求[7]。文獻(xiàn)[8]通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)的分析，驗(yàn)證了振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法的可行性。文獻(xiàn)[9]利用有限元軟件模擬故障瓷支柱絕緣子，并施加不同激勵(lì)研究振動(dòng)頻率的變化，掌握了瓷支柱絕緣子在有無(wú)缺陷條件下的振動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)[10]提出了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)的方法，便于對(duì)利用振動(dòng)聲學(xué)法檢測(cè)瓷絕緣子的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷評(píng)估。文獻(xiàn)[11]對(duì)云南省某220 kV變電站預(yù)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃性檢查，論證了采用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)方法的可行性。

現(xiàn)有利用振動(dòng)聲學(xué)方法對(duì)110 kV和220 kV電壓等級(jí)瓷支柱絕緣子進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)的設(shè)備是俄羅斯生產(chǎn)的SCT檢測(cè)儀。SCT檢測(cè)儀通過(guò)激勵(lì)絕緣子進(jìn)而接收到加速度信號(hào)，再利用加速度表征振動(dòng)信息處理實(shí)現(xiàn)檢測(cè)分析。在對(duì)構(gòu)件固有頻率進(jìn)行推導(dǎo)時(shí)，認(rèn)為構(gòu)件是剛性體，因此可以利用重心位置振動(dòng)情況計(jì)算固有頻率。但是實(shí)際中，絕緣子并不是完全剛性的，利用SCT進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，下法蘭的約束情況以及檢測(cè)位置的選擇對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響很大。國(guó)內(nèi)學(xué)者大多關(guān)注瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)的理論以及實(shí)際應(yīng)用的可行性研究[12]，對(duì)檢測(cè)位置的選擇以及約束情況的影響研究缺少。

本文針對(duì)在利用振動(dòng)聲學(xué)法檢測(cè)支柱絕緣子缺陷時(shí)的檢測(cè)位置優(yōu)化選擇進(jìn)行研究。首先利用有限元軟件，模擬絕緣子常見(jiàn)故障形式，然后基于白噪聲激勵(lì)，獲取絕緣子不同故障類(lèi)型下，不同檢測(cè)位置的振動(dòng)結(jié)果并導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)際工況搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用自制改進(jìn)版振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀，對(duì)瓷支柱絕緣子不同位置進(jìn)行檢測(cè)，得出位置因素影響的變化規(guī)律。

1 瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)的基本原理

根據(jù)瓷支柱絕緣子的工作情況，可以將絕緣子簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，以便于理論分析[13]。裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件截面彎曲剛度減小，隨著裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致絕緣子的斷裂，并且這一過(guò)程時(shí)間難以預(yù)測(cè)。而構(gòu)件的彎曲剛度決定了構(gòu)件能承受的極限載荷，因此可以取絕緣子的承載能力作為評(píng)價(jià)支柱絕緣子損壞程度的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 絕緣子極限載荷推導(dǎo)

在瓷支柱絕緣子工作狀態(tài)下，下法蘭通過(guò)螺栓固定在支撐柱上，上端承載輸電線。將輸電線對(duì)絕緣子的作用簡(jiǎn)化為一彎矩載荷，則極限載荷：

式中：max為極限應(yīng)力；為危險(xiǎn)截面慣性矩；為絕緣子的總長(zhǎng)?？紤]同一材料的極限應(yīng)力不變，因此正常機(jī)械狀態(tài)支柱絕緣子最大載荷max0與故障支柱絕緣子的最大載荷max1之比為：

式中：max0、max1分別為正常和缺陷絕緣子極限載荷；0、1分別為正常和缺陷絕緣子危險(xiǎn)截面慣性矩。

對(duì)于絕緣子的固有頻率，有：

式中：為絕緣子的各階固有頻率；k為對(duì)應(yīng)的克雷洛夫方程式的根；為長(zhǎng)度；為彎曲剛度；為單位質(zhì)量。

對(duì)比公式（2）和（3），可以得到極限載荷比與固有頻率的關(guān)系：

式中：0、1為正常和缺陷絕緣子各階固有頻率。

由公式（4）可以得出：裂紋的存在會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件截面彎曲剛度減小，進(jìn)而改變絕緣子的固有頻率和所能承受的極限載荷。因此，可以通過(guò)檢測(cè)絕緣子的振動(dòng)特性，提取各階振動(dòng)模態(tài)下的固有頻率，并與完好絕緣子對(duì)應(yīng)振動(dòng)模態(tài)下的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，從而判斷該絕緣子極限承載能力是否下降，即可判定該絕緣子是否存在裂紋等缺陷。

1.2 振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀器原理

振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法利用被測(cè)物體在振動(dòng)時(shí)的阻尼、振動(dòng)頻率、幅度等相關(guān)模態(tài)參數(shù)的變化來(lái)判斷被測(cè)物體的機(jī)械狀況。SCT檢測(cè)儀是一種便攜式的振動(dòng)檢測(cè)儀，其工作原理是：壓電陶瓷產(chǎn)生一個(gè)寬屏的白噪聲信號(hào)并通過(guò)激勵(lì)桿傳送到絕緣子，再利用一個(gè)連接著壓電式加速度傳感器的接收桿接收振動(dòng)信號(hào)。工作時(shí)，將絕緣桿與SCT檢測(cè)儀連接，并將檢測(cè)儀頂在110 kV絕緣子下法蘭處，檢測(cè)過(guò)程大概為6 s。檢測(cè)完成后，將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件中進(jìn)行處理計(jì)算，可以得到絕緣子的振動(dòng)功率譜，通過(guò)功率譜峰值的分布區(qū)間可以判斷絕緣子是否發(fā)生故障以及故障所在大致位置。取一組云南電科院在西衙門(mén)變電站現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果制作本文的評(píng)定圖，包括正常、下法蘭故障以及上法蘭故障絕緣子。

首先將3組檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析，如圖1所示。

圖1 檢測(cè)結(jié)果頻譜圖

由于SCT檢測(cè)儀的激勵(lì)源采用白噪聲激勵(lì)，檢測(cè)結(jié)果包含了在儀器檢測(cè)范圍（1 Hz～10 kHz）內(nèi)該方向的所有振動(dòng)信息，其傳感器采集的振動(dòng)信號(hào)含有大量的偽隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)，所以可以發(fā)現(xiàn)圖中3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子的頻響函數(shù)存在大量的干擾信息。

絕緣子的振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)屬于隨機(jī)振動(dòng)分析，而連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)只能通過(guò)功率譜密度來(lái)描述，即出現(xiàn)在某一頻率下振動(dòng)的概率。同時(shí)利用自相關(guān)求功率譜可以消除偽隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)帶來(lái)的干擾，達(dá)到降噪的效果，因此利用功率譜密度來(lái)處理檢測(cè)結(jié)果效果更好。3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子功率譜評(píng)定圖如圖2所示。

圖2 3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子功率譜評(píng)定圖

由圖2可知：正常機(jī)械狀態(tài)的絕緣子，其檢測(cè)結(jié)果功率譜圖的主要頻率分量分布在4 Hz～5 kHz；當(dāng)下法蘭存在故障時(shí)，主要頻率分量向低頻區(qū)間偏移，但原頻率帶并非完全消失，而是繼續(xù)存在，新的振動(dòng)頻率峰值出現(xiàn)在2 kHz附近；當(dāng)上法蘭存在故障時(shí)，主要頻率分量向高頻區(qū)間偏移，新激發(fā)的振動(dòng)頻率帶出現(xiàn)在9 kHz附近，同時(shí)在1 Hz～10 kHz區(qū)間范圍內(nèi)存在許多微小振動(dòng)帶。

由圖可以看出，在白噪聲激勵(lì)下，3種機(jī)械狀態(tài)的絕緣子在豎直方向上主要的振動(dòng)頻率區(qū)分度很明顯：正常機(jī)械狀態(tài)的絕緣子主要的振動(dòng)頻率分布在4 Hz～5 kHz，下法蘭故障的絕緣子主要的振動(dòng)頻率分布在2 kHz附近的低頻區(qū)域，上法蘭故障的絕緣子主要的振動(dòng)頻率分布在9 kHz附近的高頻區(qū)域。

2 檢測(cè)位置對(duì)檢測(cè)影響的仿真研究

2.1 支柱絕緣子建模

用Solidworks建立110 kV瓷支柱絕緣子1:1模型，并導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行仿真，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法分析。模型下法蘭的4個(gè)螺栓孔采取全約束。由于輸電線對(duì)絕緣子的作用力相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)，因此上端視為自由端，忽略螺栓預(yù)緊力的影響。仿真模型主要包含上下法蘭盤(pán)、上下膠合劑以及瓷體，如圖3所示。

圖3 110 kV瓷支柱絕緣子1:1模型爆炸視圖

絕緣子故障設(shè)置，分別在下法蘭至下端第一傘裙之間以及上法蘭至上端第一傘裙之間設(shè)置缺陷，厚度為1 mm，缺陷截面積為柱體截面積的一半，距離上、下法蘭上表面10 mm。仿真模型故障設(shè)置如圖4所示。材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 模型故障設(shè)置

表1 材料明細(xì)表

2.2 模態(tài)分析

振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)過(guò)程是連續(xù)瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。為減小計(jì)算量，采用間接瞬態(tài)分析。首先對(duì)3種模型分別進(jìn)行模態(tài)分析，設(shè)置分析階數(shù)為100階，得出的最高模態(tài)頻率未達(dá)到5 kHz。由于SCT的檢測(cè)范圍為0～10 kHz，故增大分析階數(shù)，最終定為350階。將3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子的模態(tài)分析結(jié)果合并顯示，結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種模型各階固有頻率對(duì)比

由圖5可以看出，3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子的各階固有頻率差距不大，僅根據(jù)固有頻率不能區(qū)分不同機(jī)械情況的瓷支柱絕緣子故障，因此繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)分析來(lái)模擬振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)過(guò)程。

2.3 不同接收位置瓷支柱絕緣子振動(dòng)分析

在不同位置缺陷模擬，如圖6所示：在下法蘭外沿位置1處施加偽隨機(jī)信號(hào)，加速度信號(hào)接收點(diǎn)選擇在位置2和位置3處兩處。

圖6 仿真示意圖

通過(guò)查看加速度信號(hào)的功率譜圖，研究偽隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同接收位置絕緣子、振動(dòng)頻率的變化。在ANSYS Workbench中模擬這一過(guò)程，白噪聲的頻率范圍覆蓋SCT檢測(cè)要求的頻率范圍（1～10 kHz），利用MATLAB產(chǎn)生3 000個(gè)0～11 000的隨機(jī)數(shù)，以這些隨機(jī)數(shù)為頻率生成正弦信號(hào)并疊加，最后生成0～0.04 s內(nèi)的時(shí)間—振幅序列（時(shí)間間隔為2.5e–4s），以力的形式添加在下法蘭邊緣處作為激勵(lì)源。分析機(jī)的步長(zhǎng)設(shè)置為2.5e–4s，分析時(shí)間取0.04 s。提取加速度分析結(jié)果并導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行功率譜密度計(jì)算，信號(hào)的采樣頻率與時(shí)間分辨率相對(duì)應(yīng)，為時(shí)間分辨率的倒數(shù)40 kHz。3種仿真模型兩處接收位置采集的加速度功率譜圖如圖7和圖8所示。

由圖7可以得出，當(dāng)接收點(diǎn)在位置2時(shí)，3種模型的仿真結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果大致吻合：正常絕緣子的功率譜包含4個(gè)的頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在5 Hz～6 kHz之間；下法蘭故障絕緣子的功率譜包含5個(gè)頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在3 kHz附近；上法蘭故障絕緣子的功率譜包含2個(gè)頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在8 kHz附近。

圖7 3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子位置2仿真結(jié)果

圖8 3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子位置3仿真結(jié)果

由圖8可以得出，當(dāng)接收點(diǎn)在位置3時(shí)，正常絕緣子與下法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖無(wú)明顯區(qū)別，并且呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動(dòng)信息；而上法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動(dòng)信息。

當(dāng)接收點(diǎn)在位置2時(shí)，接收到的反饋振動(dòng)能量既包含了激勵(lì)源發(fā)出的一部分，同時(shí)也包含了從絕緣子頂端反射回來(lái)的能量，振動(dòng)信息較完整。而當(dāng)接收位置位于位置3時(shí)，接收到的振動(dòng)能量主要源自激勵(lì)源能量的橫向傳遞，從絕緣子頂端反射的能量很小，因此高頻振動(dòng)成分偏多。因此，可以得出接收位置的不同，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果性質(zhì)的改變。

2.4 不同激勵(lì)位置瓷支柱絕緣子振動(dòng)分析

改變激勵(lì)位置，將激勵(lì)點(diǎn)選為位置2、接收點(diǎn)取位置3，并與激勵(lì)點(diǎn)為位置1、接收點(diǎn)為位置3的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為與圖8進(jìn)行區(qū)分，激勵(lì)點(diǎn)為位置2時(shí)的仿真結(jié)果記為位置3￠的功率譜，如圖9所示。

圖9 3種機(jī)械狀態(tài)絕緣子位置3￠仿真結(jié)果

對(duì)比圖8和圖9，對(duì)于正常絕緣子，當(dāng)激勵(lì)位置在位置1時(shí)，加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動(dòng)信息；而當(dāng)激勵(lì)位置為位置2時(shí)，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動(dòng)信息，包含4個(gè)頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在5 Hz～6 kHz之間。

對(duì)于下法蘭故障絕緣子，當(dāng)激勵(lì)位置在位置1時(shí)，下法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是上法蘭故障絕緣子的振動(dòng)信息；而當(dāng)激勵(lì)位置為位置2時(shí)，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是下法蘭故障絕緣子的振動(dòng)信息，包含3個(gè)的頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在3 kHz附近。

對(duì)于上法蘭故障絕緣子，當(dāng)激勵(lì)位置在位置1時(shí)，上法蘭故障絕緣子的加速度功率譜圖呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動(dòng)信息；而當(dāng)激勵(lì)位置為位置2時(shí)，結(jié)果又呈現(xiàn)出的是正常絕緣子的振動(dòng)信息，包含3個(gè)的頻率分量，主要的振動(dòng)分量分布在5 Hz～6 kHz之間。

當(dāng)激勵(lì)位置位于位置2時(shí)，正常和下法蘭故障絕緣子提取的故障信息與評(píng)定圖一致，而激勵(lì)位置位于位置1時(shí)，兩者都顯示的是上法蘭故障絕緣子的振動(dòng)信息；但上法蘭故障絕緣子的結(jié)果與激勵(lì)位置位于位置1時(shí)是一樣的，振動(dòng)的峰值頻率分布在6 kHz附近區(qū)域。分析原因檢測(cè)位置3太靠近螺栓的約束位置，彈性變形受到一定抑制。因此，可以得出：激勵(lì)位置的不同也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果性質(zhì)的改變。

3 檢測(cè)位置對(duì)檢測(cè)影響的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文研究對(duì)象為變電站110 kV電壓等級(jí)瓷支柱絕緣子。試制上法蘭端故障和下法蘭端故障絕緣子。取兩只機(jī)械狀態(tài)良好的絕緣子，將加熱帶分別纏繞在下法蘭和上法蘭處進(jìn)行加熱，如圖10所示。當(dāng)絕緣子法蘭溫度上升至200 ℃左右時(shí)，內(nèi)部膠合劑由于膨脹會(huì)產(chǎn)生氣孔，此時(shí)斷電停止升溫，用冷水使其降溫并同時(shí)用力錘輕輕敲擊法蘭。重復(fù)上述過(guò)程多次后在法蘭與傘裙的連接處會(huì)產(chǎn)生如圖11所示的微裂紋。

圖10 瓷支柱絕緣子故障試制

圖11 微裂紋

搭建瓷支柱絕緣子實(shí)驗(yàn)臺(tái)：圖12（a）為絕緣子實(shí)驗(yàn)臺(tái)；圖12（b）為絕緣子與基座的固定方式。采用4個(gè)螺栓固定，與實(shí)際約束條件完全吻合。

圖12 絕緣子實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.2 不同檢測(cè)位置時(shí)瓷支柱絕緣子振動(dòng)分析

實(shí)際安裝時(shí)，將絕緣子通過(guò)下法蘭與支撐柱相連接；利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可供檢測(cè)的位置只有下法蘭的邊緣處?？紤]到振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀激勵(lì)桿與接收桿的形狀與大小，忽略徑向檢測(cè)位置不同的影響，僅考慮距離螺栓約束距離的影響。

將一完好的絕緣子固定在絕緣子實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，先進(jìn)行錘擊實(shí)驗(yàn)，利用加速度傳感器接收信號(hào)，并將結(jié)果導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行頻譜分析，得出的加速度功率譜如圖13所示。

圖13 正常絕緣子錘擊實(shí)驗(yàn)

由圖13可以看出，該絕緣子的振動(dòng)信息主要分布在6 kHz附近，表明該絕緣子確實(shí)為完好絕緣子。

利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖14所示。

圖14 振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖

首先將檢測(cè)位置選為下法蘭邊緣中間，接收位置為位置a，激勵(lì)位置為位置b；接著改變檢測(cè)位置，以接收桿位置為基準(zhǔn)，將接收桿移動(dòng)至位置a￠；重復(fù)第二步，以激勵(lì)桿位置為基準(zhǔn)，將激勵(lì)桿移動(dòng)至位置b￠。每一處位置均檢測(cè)3次，確保檢測(cè)結(jié)果不會(huì)因?yàn)椴僮鲉?wèn)題出現(xiàn)偏差。檢測(cè)結(jié)果如圖15所示。

圖15 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖15可得，當(dāng)檢測(cè)位置大致位于下法蘭邊緣的中間位置時(shí)，振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)結(jié)果表明該絕緣子為完好的絕緣子，振動(dòng)信息主要分布在5 Hz～6 kHz之間。

當(dāng)接收桿靠近約束位置時(shí)，1 Hz～2 kHz的振動(dòng)分量得到增強(qiáng)；并且在測(cè)試的3組數(shù)據(jù)中，有一組甚至超過(guò)了5 Hz～6 kHz位置處的頻率峰值。

當(dāng)激勵(lì)端靠近約束位置時(shí)，測(cè)試結(jié)果完全變?yōu)橄路ㄌm故障的振動(dòng)信息，5 Hz～6 kHz區(qū)域的振動(dòng)分量很小，振動(dòng)信息主要分布在低頻區(qū)域。

在位置a～a￠以及b～b￠之間區(qū)域各選取3處位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，無(wú)論是接收桿還是激勵(lì)桿，越靠近約束位置低頻信號(hào)峰值越高。

挑選故障絕緣子和上法蘭故障絕緣子，分別重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，也都出現(xiàn)了振動(dòng)峰值的偏移現(xiàn)象。由此可以看出，當(dāng)利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀對(duì)瓷支柱絕緣子進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，隨著檢測(cè)位置的改變，檢測(cè)結(jié)果也會(huì)發(fā)生改變，主要表現(xiàn)為：當(dāng)檢測(cè)位置大致位于下法蘭邊緣的中間區(qū)域時(shí)，檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確；當(dāng)激勵(lì)桿靠近約束處時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的峰值會(huì)向低頻偏移并最終超過(guò)主要的頻率分量，呈現(xiàn)出錯(cuò)誤的檢測(cè)結(jié)果。

3.3 檢測(cè)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

檢測(cè)位置的不同會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且不同工作環(huán)境下，絕緣子的連接方式也有很大差異，因此，檢測(cè)位置的選擇是確保振動(dòng)檢測(cè)有效性的關(guān)鍵因素。

由上述實(shí)驗(yàn)可以得出，激勵(lì)桿的位置尤為重要。檢測(cè)完好絕緣子時(shí)，當(dāng)激勵(lì)桿靠近約束處時(shí)，激勵(lì)能量有很大一部分會(huì)傳遞給下端支撐架，因此接收到的反饋振動(dòng)信息包含支撐架的振動(dòng)信息，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出下法蘭故障的振動(dòng)信息。

檢測(cè)下法蘭故障絕緣子時(shí)，由于下法蘭故障絕緣子的振動(dòng)功率譜峰值原本就分布在1 Hz～2 kHz區(qū)域，因此檢測(cè)位置對(duì)結(jié)果的影響不大。

利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法檢測(cè)上法蘭故障絕緣子，由于儀器本身對(duì)高頻故障檢測(cè)不靈敏，再加上檢測(cè)位置的影響，所以很難測(cè)到高頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，除了檢測(cè)位置位于下法蘭邊緣中間區(qū)域及附近，其余位置都無(wú)法測(cè)出正確結(jié)果。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，無(wú)法得知測(cè)試絕緣子的完好情況，因此檢測(cè)位置盡量靠近下法蘭邊緣的中間區(qū)域。若無(wú)法滿足上述檢測(cè)條件，則激勵(lì)桿應(yīng)盡量遠(yuǎn)離約束位置。

4 結(jié)論

研究了瓷支柱絕緣子振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)位置選擇的問(wèn)題。為了確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及高效率，在現(xiàn)有的振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)方法經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，完善了檢測(cè)位置優(yōu)化的設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）在利用振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)法對(duì)瓷支柱絕緣子進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)位置不同，檢測(cè)結(jié)果也不同，甚至?xí)?dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的性質(zhì)發(fā)生改變。

（2）檢測(cè)位置位于下法蘭邊緣的中間區(qū)域時(shí)，檢測(cè)效果最佳。相反，無(wú)論是接收桿還是激勵(lì)桿，越靠近約束位置，低頻信號(hào)峰值越高。

（3）振動(dòng)聲學(xué)檢測(cè)儀激勵(lì)桿的位置選取更重要，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離約束區(qū)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

國(guó)家自然科學(xué)基金（51777075）；南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（YNKJXM20180729）

趙飛亞（1997—），男，碩士研究生，主要從事輸電線路工程方向研究；

萬(wàn)書(shū)亭（1970—），男，教授，主要從事大型電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究；

李 娜（1973—），女，副教授，主要從事輸電線路工程方向研究；

楊 萌（1992—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

萬(wàn)書(shū)亭