張燕珂,張松洋,趙飛亞,萬書亭

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息學(xué)院,浙江 寧波 315012;2.華北電力大學(xué) 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,河北 保定 071003;3.南京南瑞信息通信科技有限公司,南京 211100)

0 引言

絕緣子是電力系統(tǒng)中廣泛使用的重要絕緣設(shè)備,其主要功能是實(shí)現(xiàn)電氣絕緣和機(jī)械固定,對于確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。實(shí)際運(yùn)行中,由于瓷支柱絕緣子主要材質(zhì)陶瓷屬于脆性材料,長期風(fēng)吹日曬容易使其熱脹冷縮從而產(chǎn)生裂紋、氣孔甚至斷裂等故障,進(jìn)而影響到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。因此,加強(qiáng)對在役瓷支柱絕緣子的檢測并及時(shí)更換故障絕緣子,對保障我國電網(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前常見的瓷支柱絕緣子檢測方法有多種,其中主要包括超聲波檢測法[4,5]、紅外熱波檢測法[6-10]、紫外成像檢測法[11]及振動聲學(xué)檢測法等方法[12-17]。在這幾種方法中,超聲波檢測法作為一種無損檢測技術(shù),只適用于停電時(shí)作業(yè),檢測效率較低,操作難度大;紅外熱波檢測法和紫外成像檢測法均可適用于帶電作業(yè),但前者只能通過絕緣子的表面溫度判斷故障與否,容易受外界環(huán)境溫度的影響,后者受制于其作用機(jī)理,存在檢測盲區(qū),對于絕緣子表面裂縫不能檢測。振動聲學(xué)檢測法是一種激勵(lì)被測工件使其產(chǎn)生振動,然后測量其振動特征來判定其質(zhì)量的檢測技術(shù)。振動聲學(xué)檢測法和其他方法相比,其獨(dú)特優(yōu)勢在于:帶電作業(yè)且檢測效率高,設(shè)備便攜,對操作人員的要求較低,是適用最廣的檢測方法。

國內(nèi)學(xué)者目前針對振動聲學(xué)檢測法已經(jīng)進(jìn)行了大量研究,指出正常狀態(tài)絕緣子頻譜圖的共振頻率峰值帶出現(xiàn)在中頻區(qū)(3 kHz～6 kHz)范圍內(nèi),當(dāng)絕緣子上、下法蘭出現(xiàn)故障時(shí),共振頻率峰值帶分別由中頻區(qū)向高頻區(qū)(6 kHz～9 kHz)、低頻區(qū)(0 kHz～3 kHz)移動。同時(shí)文獻(xiàn)[18-23]證實(shí)了該方法的可行性和有效性,并進(jìn)一步研究了溫度等環(huán)境因素對檢測結(jié)果的影響規(guī)律,以及提高檢測靈敏度的信號處理技術(shù)。

文獻(xiàn)[24]研究指出:利用振動聲學(xué)檢測法對絕緣子進(jìn)行檢測時(shí),需要將檢測儀器探針盡量垂直于絕緣子下法蘭底部。而在實(shí)際安裝過程中,絕緣子是通過水泥柱支撐在空中,下法蘭通過鋼板與水泥支撐柱連接(見圖1),由于連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),此時(shí)就不能在下法蘭處進(jìn)行垂直檢測,而是將儀器探針與下法蘭底部進(jìn)行有角度地檢測,當(dāng)檢測信號入射時(shí)與下法蘭底面的垂線存在角度(文中將此角度命名為入波角度),可能會對檢測結(jié)果造成影響,查閱資料發(fā)現(xiàn),目前國內(nèi)暫無這方面的研究。

圖1 瓷支柱絕緣子Fig.1 Porcelain post insulator

本研究主要研究檢測信號的入波角度對瓷支柱絕緣子在振動聲學(xué)檢測法下檢測結(jié)果的影響。首先運(yùn)用Solidworks對不同故障類型絕緣子進(jìn)行三維建模,然后基于Ansys Workbench對模型施加不同角度的脈沖激振,使其發(fā)生激振下振動響應(yīng),并對振動信號進(jìn)行數(shù)值分析。最后,搭建實(shí)驗(yàn)平臺,結(jié)合仿真分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),探索入波角度對瓷支柱絕緣子振動檢測的影響規(guī)律。

1 瓷支柱絕緣子振動聲學(xué)檢測法理論分析

瓷支柱絕緣子機(jī)械強(qiáng)度與頻率特性緊密相關(guān)。支柱絕緣子的固有頻率和極限載荷的關(guān)系推導(dǎo)過程如下:

絕緣子的下法蘭固定在水泥支撐柱上,上端受到力,此時(shí)的絕緣子看做為一端施加固定約束,另一端為非約束態(tài)的柱裝置,則彎曲極限載荷為[25-26]

(1)

式(1)中:P為極限載荷;σmax為極限強(qiáng)度;I為絕緣子危險(xiǎn)截面的靜力矩;L為絕緣子長度;r為絕緣子危險(xiǎn)截面的半徑。

此時(shí)絕緣子固有頻率為

(2)

式(2)中:wi為絕緣子的各階固有頻率;ki為對應(yīng)的克雷洛夫方程式根;L為絕緣子長度;E為彈性模量;I為絕緣子危險(xiǎn)截面的靜力矩;m為絕緣子單位長度質(zhì)量。

對正常和故障絕緣子作比較,可取極限載荷作為參考,結(jié)合(1)、(2)可以得到正常絕緣子和故障絕緣子的極限載荷之比為

(3)

式(3)中:P0,P1分別為正常和故障絕緣子的極限載荷;I0,I1分別為正常和故障絕緣子危險(xiǎn)截面的靜力矩;w0i,w1i分別為正常和故障絕緣子的各階固有頻率。由式(3)可以得知,絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度與其頻率特性密切相關(guān),利用振動聲學(xué)檢測法檢測絕緣子是可行的,可用不同裂紋特性的絕緣子固有頻率變化來判斷絕緣子極限載荷是否發(fā)生改變,進(jìn)來判斷絕緣子是否出現(xiàn)缺陷[27]。

2 入波角度對220 kV瓷支柱絕緣子振動檢測影響仿真研究

2.1 瓷支柱絕緣子建模及有限元仿真

為探究入波角度對瓷支柱絕緣子振動檢測的影響,本研究選擇在SolidWorks中對型號為B03.8-1的220 kV瓷支柱絕緣子進(jìn)行1∶1實(shí)體建模,如圖2所示。該型號絕緣子由兩節(jié)110 kV瓷支柱絕緣子通過螺栓連接結(jié)構(gòu)串聯(lián)組成,具體包括上法蘭、下法蘭、上下法蘭的水泥膠合層及瓷體,其中各部分零部件的力學(xué)特性如表1所示。底部施加固定約束一側(cè)的元件命名為下元件,自由端一側(cè)的元件命名為上元件。[28-29]

表1 瓷支柱絕緣子各部件材料力學(xué)特性Table 1 Mechanical properties of materials for various components of porcelain post insulators

圖2 雙節(jié)瓷支柱絕緣子實(shí)體模型Fig.2 Solid model of double section porcelain post insulator

Ansys Workbench中添加力的方式有兩種——Components(組成)和Vector(方向)。研究入波角度,最理想添加力的方式是通過Vector直接定義力的方向,但Workbench中只能將力的方向調(diào)整為垂直于接觸面方向,因此只能采用組成,即將激勵(lì)力分解為3個(gè)方向的力后添加至激勵(lì)點(diǎn)。以激勵(lì)桿與豎直方向的夾角為基準(zhǔn),垂直激勵(lì)時(shí)入波角度為0°。

由于SolidWorks中絕緣子模型的軸向是Y方向,且模型在X、Z方向上對稱,所以選用保持Y方向分力不變,為固定大小為200 N的脈沖力,通過改變X、Z方向的分力大小來改變檢測信號的入波角度。

Ansys Workbench中提取振動信號的方式有兩種——Directional Acceleration(方向加速度)和Total Acceleration(總體加速度)。前者指X、Y、Z某個(gè)方向上的振動加速度,后者是指總體的振動加速度,即沿著入波角度的振動加速度。由于振動聲學(xué)檢測法檢測依據(jù)是絕緣子的軸向振動,所以采用Directional Acceleration時(shí),提取Y方向的振動加速度。

2.2 仿真數(shù)據(jù)分析

為研究入波角度對振動檢測結(jié)果的影響,分別對正常和故障絕緣子在多個(gè)角度上進(jìn)行檢測并進(jìn)行分析,采用文獻(xiàn)[29]中所述的絕緣子故障模擬方法進(jìn)行仿真分析。利用脈沖信號模擬錘擊,由于脈沖激振激勵(lì)絕緣子的固有振動,其響應(yīng)特性與脈沖激振力大小無關(guān)。仿真中將脈沖激勵(lì)力大小設(shè)置為200 N,分析步長設(shè)置為0.000 02 s,時(shí)長0.1 s,采樣頻率50 kHz,采樣點(diǎn)數(shù)5 000點(diǎn)。在絕緣子下元件合適的位置施加脈沖激勵(lì),并在合適的位置接受反饋信號,所選取的拾振點(diǎn)距離激振點(diǎn)35 mm[29]。

1)首先對絕緣子進(jìn)行垂直激振仿真,即:入波角度為0°,此時(shí)入波角度的方向也是絕緣子的軸向,Y方向振動信號也是總體振動信號。為方便后續(xù)實(shí)驗(yàn)的操作,將激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)和絕緣子下法蘭的兩個(gè)螺栓孔處于同一條直線上,兩點(diǎn)的具體位置見圖3。

圖3 激振點(diǎn)與拾振點(diǎn)的位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of excitation point and pickup point

對仿真得到的不同狀態(tài)下絕緣子的振動信號進(jìn)行處理,可以得到其頻譜圖如圖4所示。

圖4 不同狀態(tài)絕緣子頻譜圖Fig.4 Spectrogram of insulators in different states

如圖4所示,正常狀態(tài)絕緣子(以下簡稱:正常絕緣子)、上法蘭故障狀態(tài)絕緣子(以下簡稱:上故障絕緣子)、下法蘭故障狀態(tài)絕緣子(以下簡稱:下故障絕緣子)其振動頻譜分別在4 540 Hz、6 276 Hz、1 860 Hz處出現(xiàn)峰值,均符合不同狀態(tài)絕緣子的頻譜圖規(guī)律。

2)對絕緣子進(jìn)行不同入波角度的激振仿真,提取Y方向上的振動信號進(jìn)行頻譜分析。對不同狀態(tài)下絕緣子進(jìn)行入波角度為30°、45°、60°的脈沖激振,提取Y方向的振動信號進(jìn)行頻譜處理,可以得到其頻譜圖如圖5、6、7所示。

圖5 正常絕緣子不同入波角度下的Y方向頻譜圖 Fig.5 Spectrogram of normal insulators in the Ydirection at different entry angle

圖6 上故障絕緣子不同入波角度下的Y方向頻譜圖Fig.6 Spectrogram of the upper faulty insulator in the Y direction at different entry angle

圖7 下故障絕緣子不同入波角度下的Y方向頻譜圖Fig.7 Spectrogram of the lower faulty insulator in the Y direction at different entry angle

如圖5、6、7所示,當(dāng)對不同狀態(tài)絕緣子進(jìn)行不同入波角度的脈沖激振后,正常、上故障、下故障絕緣子其Y方向頻譜圖峰值都分別出現(xiàn)在4 600 Hz、6 300 Hz、1 800 Hz左右,均符合不同狀態(tài)絕緣子的頻譜圖規(guī)律,而且每種絕緣子不同入波角度下的頻譜圖基本相似。

3)對絕緣子進(jìn)行不同入波角度的激振仿真,提取總體方向上的振動信號進(jìn)行頻譜分析。對不同狀態(tài)下絕緣子進(jìn)行入波角度為30°、45°、60°的脈沖激振,提取總體振動加速度進(jìn)行頻譜處理,可以得到其頻譜圖如圖8、9、10所示。

圖8 正常絕緣子不同入波角度下總方向的頻譜圖Fig.8 Spectrogram of normal insulator in the excitation direction at different entry angle

圖9 上故障絕緣子不同入波角度下總方向的頻譜圖Fig.9 Spectrogram of the upper faulty insulator in the excitation direction at different entry angle

圖10 下故障絕緣子不同入波角度下總方向的頻譜圖Fig.10 Spectrogram of the lower faulty insulator in the excitation direction at different entry angle

如圖8、9、10所示,當(dāng)在不同狀態(tài)絕緣子下法蘭處施加不同入波角度激振后,其頻譜圖相對于垂直激振得到的頻譜圖(圖4)都會多出一個(gè)1 800 Hz左右的峰值,且隨著入波角度的增大,該處的峰值振幅會逐漸增大,直到成為最大的波峰,此時(shí)會導(dǎo)致檢測結(jié)果呈現(xiàn)為下故障。

由于本研究添加力的方式為Components(組成),即由X、Y、Z3個(gè)方向的分力組成,當(dāng)存在入波角度時(shí),即除了Y方向分力,還存在著X、Z方向分力,X、Z方向組成的平面便是絕緣子軸向的橫截面,所以當(dāng)在絕緣子下法蘭處施加激振力時(shí),Y方向分力是對絕緣子整體軸向激振,X、Z方向分力是對絕緣子整體橫向激振,因此我們將對絕緣子進(jìn)行單獨(dú)橫向激振,可以得到其頻譜圖如圖11,由此可得知圖8、9、10中多出的1 800 Hz左右處新波峰便是絕緣子整體的橫向彎曲振動特征峰。

圖11 絕緣子橫向激振下的頻譜圖Fig.11 Spectrogram of insulators under transverse excitation

3 入波角度對220 kV瓷支柱絕緣子振動檢測影響實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)臺的搭建與故障絕緣子的制作

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真的正確性,本研究搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖12所示。選取靈敏度為4.44 pC/N、增益為0.500 mV/Pv的脈沖力錘作為激振源在絕緣子下法蘭處施加脈沖激勵(lì)[30];采用靈敏度為5.072 mv/g的IEPE壓電式加速度傳感器采集振動加速度數(shù)據(jù)(如圖13所示);設(shè)置采樣頻率為50 kHz。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 Experimental system

圖13 信號的激勵(lì)與拾取Fig.13 Excitation and pickup of signals

由于傳感器只能緊貼在被測物體表面,導(dǎo)致其只能采集到Directional Acceleration(方向加速度),不能采集到Total Acceleration(總加速度),所以本文使用東華信號測試儀采集Y方向上的振動信號,使用絕緣子探測儀來采集絕緣子總體方向的振動信號。

本研究用三角板來控制入波角度大小,詳見圖14。

圖14 三角板控制入波角度Fig.14 Triangle plate control of entry angle

選取上、下法蘭與傘裙連接處的水泥膠合劑脫落而造成的上、下故障絕緣子分別如圖15、16所示。

圖15 上故障絕緣子Fig.15 Upper faulty insulator

圖16 下故障絕緣子Fig.16 Lower faulty insulator

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)頻譜分析

1)直接在下法蘭底部進(jìn)行垂直激振的實(shí)驗(yàn)。將壓電式加速度傳感器設(shè)置在圖3所示拾振點(diǎn)的位置,使用脈沖力錘垂直下法蘭底面敲擊圖3所示激振點(diǎn)的位置,對采集的信號進(jìn)行頻譜分析,如圖17。

圖17 不同狀態(tài)絕緣子自相關(guān)頻譜圖Fig.17 Auto-correlation spectrograms of insulators in different states

如圖17所示,正常、上故障、下故障絕緣子實(shí)驗(yàn)得到的頻譜圖分別在4 653 Hz、6 210 Hz、1 776 Hz處出現(xiàn)峰值,與現(xiàn)有理論分析結(jié)果一致,驗(yàn)證了試驗(yàn)臺的可靠性和可行性。

2)對絕緣子進(jìn)行帶入波角度的激振實(shí)驗(yàn),并拾取其Y方向的振動信號。將傳感器設(shè)置在圖3拾振點(diǎn)的位置,使用脈沖力錘以入波角度分別為30°、45°、60°去敲擊圖3激振點(diǎn)的位置,對采集的信號進(jìn)行頻譜處理,可以得到頻譜圖如圖18、19、20。

圖18 正常絕緣子不同入波角度下Y方向自相關(guān)頻譜圖Fig.18 Auto-correlation spectrograms of normal insulator in Y direction at different entry angle

圖19 上故障絕緣子不同入波角度下Y方向自相關(guān)頻譜圖Fig.19 Auto-correlation spectrograms of upper faultyinsulator in Y direction at different entry angle

如圖18、19、20所示,當(dāng)不同狀態(tài)絕緣子施加不同入波角度的脈沖激振后,正常、上故障、下故障絕緣子Y方向上頻譜圖的峰值分別都出現(xiàn)在4 800 Hz、6 300 Hz、1 800 Hz左右,均符合不同狀態(tài)絕緣子的頻譜圖規(guī)律。而且每種絕緣子不同入波角度下的頻譜圖基本相似,實(shí)驗(yàn)證明了入波角度對Y方向(絕緣子軸向)上的檢測結(jié)果無影響。

3)對絕緣子進(jìn)行帶入波角度的激振實(shí)驗(yàn),并拾取其總方向上的振動信號。將絕緣子測試儀的拾振端、激振端放置在圖3拾振點(diǎn)、激振點(diǎn)的位置,對絕緣子進(jìn)行入波角度分別為30°、45°、60°的激振與拾振,對采集的信號進(jìn)行頻譜處理,可以得到頻譜圖如圖21、22、23。

圖21 正常絕緣子不同入波角度下總方向自相關(guān)頻譜圖Fig.21 Auto-correlation spectrograms of normal insulator in excitationdirection at different entry angle

圖22 上故障絕緣子不同入波角度下總方向自相關(guān)頻譜圖Fig.22 Auto-correlation spectrograms of upper faulty insulator inexcitationdirection at different entry angle

圖23 下故障絕緣子不同入波角度下總方向自相關(guān)頻譜圖Fig.23 Auto-correlation spectrograms of lower faulty insulator inexcitation direction at different entry angle

如圖21、22、23所示,當(dāng)在不同狀態(tài)下絕緣子進(jìn)行不同入波角度的激振實(shí)驗(yàn)后,其總方向的頻譜圖相對于垂直激振實(shí)驗(yàn)的頻譜圖(圖17)都會多出一個(gè)1 800 Hz左右的峰值,且隨著入波角度的增大,該處的峰值振幅會逐漸增大;對下故障絕緣子來說,其波峰本來就位于低頻區(qū),多了1 800 Hz處的波峰后,檢測結(jié)果無影響;對正常絕緣子來說,其波峰及頻譜圖的主體位于中頻區(qū),即使多了1 800 Hz處的波峰后,其最大的波峰和頻譜圖的主體仍位于中頻區(qū),檢測結(jié)果依舊呈現(xiàn)為正常絕緣子;對上故障絕緣子來說,此時(shí)1 800 Hz變成了最大的波峰,此時(shí)會導(dǎo)致檢測結(jié)果錯(cuò)誤地呈現(xiàn)為下故障絕緣子。

因此不同狀態(tài)的絕緣子,加了帶有入波角度的脈沖激振后,都會導(dǎo)致其總方向頻譜圖在1 800 Hz左右出現(xiàn)一個(gè)新的波峰。

3.3 討論

1)對比實(shí)驗(yàn)和仿真的頻譜圖可以看出,雖然實(shí)驗(yàn)仿真的具體結(jié)果有偏差,但是兩者的變化趨勢是相同的;出現(xiàn)偏差,主要由以下原因造成的:

(a)仿真中激振—拾振距離設(shè)置為35 mm,但在實(shí)驗(yàn)中,是將傳感器放在下法蘭下表面的位置作為拾振點(diǎn),將力錘敲擊的點(diǎn)作為激振點(diǎn),雖然盡可能控制兩點(diǎn)距離為35 mm,但由于是人工敲擊,所以難以精準(zhǔn)地控制敲擊的位置,難以保證距離正好為35 mm。

(b)實(shí)驗(yàn)時(shí)入波角度大小是人工控制的,無法精準(zhǔn)地做到垂直敲擊及精準(zhǔn)控制入波角度的大小。

2)對比仿真和實(shí)驗(yàn)時(shí)可以得知,對絕緣子進(jìn)行帶有入波角度的激振時(shí),對Y方向上的振動信號頻譜圖基本無影響,而對總體方向上的振動信號頻譜圖有影響,會導(dǎo)致其頻譜圖低頻區(qū)1 800 Hz處出現(xiàn)新的波峰,且該處波峰會隨著入波角度的增大而增大。

3)對絕緣子進(jìn)行橫向激振,其仿真得到的頻譜圖波峰為1 800 Hz(圖11),通過Workbench得知上故障絕緣子第26階模態(tài)固有頻率為1 868.1 Hz,觀察其第26階振型圖(圖24)可知,此時(shí)發(fā)生的是絕緣子整體的橫向彎曲振動。即當(dāng)在絕緣子下法蘭處施加帶有入波角度的激振時(shí),此時(shí)Y方向激振分力使得絕緣子整體發(fā)生軸向拉伸振動,X、Z方向激振分力使得絕緣子整體發(fā)生橫向彎曲振動,此時(shí)提取總方向的振動信號,把兩者都檢測到了,所以此時(shí)的頻譜圖中會多出一個(gè)1 800 Hz的波峰,由于本研究是保持Y方向分力大小不變通過改變X、Z方向分力大小來改變檢測信號的入波角度的,所以當(dāng)入波角度增大時(shí),其X、Z方向的分力增大,使得絕緣子發(fā)生更強(qiáng)烈的橫向彎曲振動,1 800 Hz處的波峰也會隨之增大。

圖24 絕緣子的第26階振型Fig.24 26th mode shape of the insulator

4 結(jié)論

本研究通過實(shí)驗(yàn)和仿真,得出以下結(jié)論:

1)入波角度對瓷支柱絕緣子振動檢測是存在影響的,當(dāng)加帶有角度的激振后,絕緣子總方向上的頻譜圖會發(fā)生變化,在低頻區(qū)出現(xiàn)新的波峰,導(dǎo)致上故障絕緣子的檢測結(jié)果會表現(xiàn)為下故障。

2)對絕緣子施加帶有入波角度的激振時(shí),絕緣子發(fā)生的是其整體的軸向伸縮振動和橫向彎曲振動,此時(shí)拾取絕緣子Y方向振動信號,檢測的是絕緣子軸向伸縮振動,檢測結(jié)果能反應(yīng)出瓷支柱絕緣子內(nèi)部缺陷;若此時(shí)拾取絕緣子總方向的振動信號,檢測的是絕緣子的軸向振動和絕緣子整體橫向彎曲振動,檢測結(jié)果已不能準(zhǔn)確反應(yīng)出瓷支柱絕緣子軸向內(nèi)部缺陷。

3)對瓷支柱絕緣子進(jìn)行振動檢測時(shí),需要將儀器探針靠近絕緣子下法蘭,盡量讓探針與下法蘭底部垂直。如若探針與下法蘭底部存在較大角度時(shí),會使得檢測結(jié)果出現(xiàn)誤差,尤其是檢測上故障絕緣子時(shí),更易呈現(xiàn)出錯(cuò)誤的檢測結(jié)果。