本發(fā)明涉及支柱式瓷瓶絕緣子檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷的方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，高溫、高壓、高速度和高負荷已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要標志，但它的實現(xiàn)是建立在材料(或構(gòu)件)高質(zhì)量的基礎(chǔ)上的，為確保這種優(yōu)異的質(zhì)量，必須采用不破壞原來的形狀、不改變其使用性能的檢測方法，對產(chǎn)品進行百分之百的檢測，以確保其可靠性和安全性。近年來，隨著電網(wǎng)的迅速發(fā)展，瓷支柱絕緣子使用數(shù)量也在逐年加大，絕緣子斷裂引發(fā)的事故時有發(fā)生。

為此，國家電力公司組織了事故情況調(diào)查小組進行了調(diào)查，提出了事故調(diào)查報告。調(diào)查分析表明：66～220kV高壓電網(wǎng)隔離開關(guān)與母線的支柱絕緣子運行中發(fā)生斷裂的現(xiàn)象較為普遍，6年來斷裂總數(shù)達388起。事故調(diào)查結(jié)論：6年來斷裂總數(shù)為388起，并有逐年上升趨勢。高壓支柱瓷絕緣子斷裂事故主要集中在220kV、110kV及66kV電壓等級，分別占52.6％、26％和20.1％。斷裂事故中涉及隔離開關(guān)的占81％，母線的占13.9％。這二項占了整個事故的94.9％，斷裂事故中折斷占35.5％，開裂占62％，發(fā)生斷裂事故的地區(qū)，北方多于南方，尤其東北地區(qū)最多。但是，折斷事故在全國各地都有發(fā)生，應(yīng)當引起重視。

絕緣子的斷裂是一種突發(fā)現(xiàn)象，但它的發(fā)生既有絕緣子本身的原因，又有運行過程中外部因素的影響，從現(xiàn)場探測結(jié)果看，所有管母支柱絕緣子缺陷一般都發(fā)生在下節(jié)，而刀閘支柱絕緣子均發(fā)生在上節(jié)，這說明支柱絕緣子在運行和操作中受傷是產(chǎn)生缺陷和斷裂的主要原因，同時，制造工藝落后，產(chǎn)品質(zhì)量不高，也是絕緣子斷裂的內(nèi)在原因。

絕緣子裂紋具有以下特性：

1)裂紋的尺寸很小(例如，表面裂紋深度才0.1mm，分布在絕緣子的底法蘭面上)就能夠使絕緣子損壞；

2)裂紋從其滋生到瓷制件破損發(fā)展時間的長短難以預(yù)測；

3)不可能用肉眼去發(fā)現(xiàn)瓷制件的內(nèi)部裂紋，包括位于絕緣子法蘭面下邊的裂紋，而且用肉眼去發(fā)現(xiàn)表面裂紋也很困難；

4)對絕緣子受到外力作用時出現(xiàn)附加的應(yīng)力，使新的粒子受到損傷，導(dǎo)致微裂紋跳躍式的增長。

在絕緣子運行過程中，提前檢出它們外部和內(nèi)部各種裂紋及機械強度降低等缺陷，根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的補救措施，從而避免事故的發(fā)生。因此一臺可帶電檢測支柱絕緣子的高效探傷儀是電力系統(tǒng)所必須的設(shè)備。本項目是基于振動法檢測支柱式瓷絕緣子損傷狀態(tài)，通過建模仿真，應(yīng)用多應(yīng)力聯(lián)合分析法分析多種應(yīng)力共同作用時絕緣子受力分布，并研究缺陷絕緣子的振動譜圖特征。并藉此研發(fā)一套便于攜帶的、可帶電離線測試的探傷系統(tǒng)。

無損檢測診斷技術(shù)正向快速化、標準化、數(shù)字化、程序化和規(guī)范化的方向發(fā)展。無損檢測技術(shù)最先進的國家當屬美國，而德國、日本是將無損檢測技術(shù)與工業(yè)化實際應(yīng)用協(xié)調(diào)的最為有效的國家，隨著現(xiàn)代化工業(yè)水平的提高，我國的無損檢測技術(shù)已取得了很大的進步。

目前，國內(nèi)外利用無損檢測診斷技術(shù)來判斷瓷絕緣子是否完好。無損檢測診斷技術(shù)是一門新興的綜合性應(yīng)用學(xué)科，它是在不損壞材料工件或者成品的條件下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶β?、磁、光、電、熱場等反應(yīng)的變化，來探測各種工程材料、零部件、結(jié)構(gòu)件等內(nèi)部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價。無損檢測診斷的目的在于定量掌握缺陷與強度的關(guān)系，評價構(gòu)件的允許載荷、壽命或剩余壽命，檢測設(shè)備在制造或使用過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不完整性，以及缺陷情況，從而改進制造工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)故障，保證設(shè)備安全、高效、可靠地運行。

無損檢測診斷技術(shù)應(yīng)用的范圍十分廣泛，已經(jīng)在機械制造，石油化工、艦艇船舶、汽車、鐵道、建筑、冶金、航空航天和核能等工業(yè)中被普遍采用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量提出了越來越高的要求，特別是產(chǎn)品關(guān)鍵零部件的質(zhì)量問題所造成的事故以及巨大的經(jīng)濟損失，使人們更加認識到了無損檢測診斷技術(shù)的重要性。

國內(nèi)外對于高壓瓷支柱絕緣子斷裂一直缺乏有效的檢測方法。目前，用于檢測高壓瓷支柱絕緣子斷裂的技術(shù)主要有以下幾種：

(1)紅外測溫法

紅外測溫對于金屬類溫升檢測比較有效，對于查找瓷質(zhì)絕緣子裂紋而言相對困難，受環(huán)境影響較大。

(2)紫外線技術(shù)

主要原理是檢測絕緣表面局部放電和電暈放電，圖像經(jīng)由入口主物鏡形成在紫外電子光學(xué)轉(zhuǎn)換器的光電陰極上，可通過目鏡在放大器屏幕上觀察，亮度被放大20000倍以上的紫外光學(xué)信號或者利用專門的照相機將其記錄下來。但就其物理實質(zhì)而言有以下兩大限制因素：只能發(fā)現(xiàn)開放式，可通向絕緣子表面的裂紋；在多元件絕緣結(jié)構(gòu)上，由于電壓分布不均勻，只能發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子上節(jié)上法蘭附近的微觀裂紋，對于法蘭內(nèi)部缺陷無能為力。

(3)紅外熱波無損檢測技術(shù)

紅外熱波無損檢測技術(shù)是一種創(chuàng)新性的無損檢測技術(shù)，已在航空航天領(lǐng)域具體應(yīng)用，優(yōu)點是探測面積大、速度快、非接觸、單向檢測、不污染試件和環(huán)境。主要是根據(jù)不同物體的熱輻射能量的大小有區(qū)別，直接和不同物體表面的溫度有關(guān)，將所觀察的物體表面溫度分布圖像變成可視的表面溫度熱圖像，但在瓷支柱缺陷檢測方面未開展工作，無成形的熱激勵裝置，需要研究。

(4)超聲波檢測法

超聲波檢測法是比較成熟的無損檢測方法之一，在金屬類器件的探測上得到廣泛的應(yīng)用。但是，在檢測瓷器絕緣子上，有諸多不便，因為絕緣子的傘裙是起伏不平的，而超聲波的形成離不開超聲探傷儀和探頭，探傷儀和探頭必須緊密的接觸被檢測物體的表面才能成像，而且只能檢測表面平坦的物件，檢測的時間長，攜帶也十分不便，檢測準確率只有30％左右，最大的缺陷是必須要線路斷電才能進行檢測，因此也不適應(yīng)于絕緣子檢測。

基于振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷，振動聲學(xué)檢測已廣泛運用于其它領(lǐng)域，如我們挑選瓷器時，輕輕彈叩瓷器時聽發(fā)出的聲音，如聲音清脆、悅耳，則說明瓷胎細致密實、無裂損，在高溫?zé)蓵r瓷化完全；如聲音喑啞，就可斷定瓷胎有裂損，或者瓷化不完全，這類瓷器經(jīng)冷熱變化易開裂。這主要是利用好的瓷器和裂損瓷器的固有頻率發(fā)生變化從而發(fā)出不同的聲音這一原理進行檢測。

超聲波檢測必須在停電狀態(tài)下進行，同時檢測比較費時、費力，難以實現(xiàn)對變電站絕緣子的普查工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種采用振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷的方法，能實現(xiàn)帶電檢測；檢測效率高，可實現(xiàn)成組瓷瓶的檢測；檢測范圍廣，不僅能檢測法蘭口附近的瓷瓶裂紋，同時還能實現(xiàn)法蘭中部和灌膠水泥、鑄鐵法蘭的狀況檢測；檢測人員的勞動強度低。

為此，本發(fā)明提供了一種采用振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷的方法，包括以下步驟：

(1)支柱式瓷絕緣子三維有限元建模：通過建立支柱瓷絕緣子的三維有限元模型，獲得支柱瓷絕緣子在管道母線和隔離開關(guān)兩種應(yīng)用下的應(yīng)力分布，并通過ANSYS軟件分析水泥膨脹應(yīng)力、溫差應(yīng)力、操作應(yīng)力、冰凍應(yīng)力附加后的應(yīng)力集中區(qū)域；

(2)瓷支柱絕緣子故障診斷：結(jié)合支柱式瓷絕緣子常見的缺陷，研究不同缺陷及其嚴重程度下振動特征譜圖的區(qū)別，并建立其中的關(guān)聯(lián)；

(3)驗證使用振動聲方法診斷支柱式絕緣子的正確性以及合理性。

進一步的，所述步驟(1)中ANSYS軟件使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

進一步的，所述步驟(1)中ANSYS軟件具備三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI就可建立各種復(fù)雜的幾何模型，由于建模過程比較復(fù)雜，因此在對復(fù)雜圖形進行建模時，在CAD軟件上進行，然后在導(dǎo)入ANSYS進行分析。

進一步的，所述步驟(1)中ANSYS軟件提供數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。

進一步的，所述步驟(1)中ANSYS軟件具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。

進一步的，所述步驟(2)運行過程中支柱式絕緣子受到風(fēng)力載荷和斷路器切換時產(chǎn)生的載荷，風(fēng)力載荷導(dǎo)致絕緣子彎曲，斷路器切換的載荷導(dǎo)致有扭曲的彎曲，在上述載荷的作用下絕緣子產(chǎn)生機械應(yīng)力是：

${\mathrm{\σ}}_{u3}=\frac{a(P_1+P_2)}{W}=\frac{a(P_1+P_2)\×r}{I}$

切向的扭曲應(yīng)力：

歸納上述公式，機械應(yīng)力是個函數(shù)

σ_общ＝f(∑P_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

∑P_i,為外力總和；L_i,a_i,為絕緣子的線性尺寸；I_i,為絕緣子諸截面的那些力矩；I_pi,為慣性極力矩；r_i為絕緣子斷面半徑；

絕緣子的機械振動公式

а)彎曲振動：

$\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}\left(\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂x}^2}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

b)縱向振動：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{EF}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

c)扭曲振動：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{GI}}_k\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\right)-{\mathrm{\ρI}}_p\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂t}^2}=\mathrm{\μ}(x,t).$

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明提出的一種采用振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷的方法，振動聲學(xué)檢測是利用以聲波激勵物體振動、通過檢測物體固有頻率為物理基礎(chǔ)的新型高效率的檢測方法，相對于其它檢測方法，它主要有以下幾大優(yōu)點：

(1)能實現(xiàn)帶電檢測；

(2)檢測效率高，可實現(xiàn)成組瓷瓶的檢測；

(3)檢測范圍廣，不僅能檢測法蘭口附近的瓷瓶裂紋，同時還能實現(xiàn)法蘭中部和灌膠水泥、鑄鐵法蘭的狀況檢測；

(4)檢測人員的勞動強度低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實施例的流程圖。

具體實施方式

以下由特定的具體實施例說明本發(fā)明的實施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點及功效。

參照圖1，本發(fā)明提出了一種采用振動法檢測支柱式瓷瓶絕緣子損傷的方法，包括以下步驟：

(1)支柱式瓷絕緣子三維有限元建模：通過建立支柱瓷絕緣子的三維有限元模型，獲得支柱瓷絕緣子在管道母線和隔離開關(guān)兩種應(yīng)用下的應(yīng)力分布，并通過ANSYS軟件分析水泥膨脹應(yīng)力、溫差應(yīng)力、操作應(yīng)力、冰凍應(yīng)力附加后的應(yīng)力集中區(qū)域。

ANSYS軟件可以進行結(jié)構(gòu)靜力分析、動力學(xué)分析、熱分析、電磁分析、聲場分析等類型。其分析特點如下：

a.數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實現(xiàn)前后處理、分析求解及多場分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

b.強大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI(圖形用戶接口)就可建立各種復(fù)雜的幾何模型，但建模過程比較復(fù)雜，因此在對復(fù)雜圖形進行建模時，一般都在CAD軟件上進行，然后在導(dǎo)入ANSYS進行分析。

c.強大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。

d.智能網(wǎng)格劃分功能。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點自動生成有限元網(wǎng)格。

(2)瓷支柱絕緣子故障診斷：結(jié)合支柱式瓷絕緣子常見的缺陷，研究不同缺陷及其嚴重程度下振動特征譜圖的區(qū)別，并建立其中的關(guān)聯(lián)：

運行過程中支柱式絕緣子受到風(fēng)力載荷和斷路器切換時產(chǎn)生的載荷，風(fēng)力載荷導(dǎo)致絕緣子彎曲，斷路器切換的載荷導(dǎo)致有扭曲的彎曲，在上述載荷的作用下絕緣子產(chǎn)生機械應(yīng)力是：

${\mathrm{\σ}}_{u3}=\frac{a(P_1+P_2)}{W}=\frac{a(P_1+P_2)\×r}{I}$

切向的扭曲應(yīng)力：

歸納上述公式，機械應(yīng)力是個函數(shù)

σ_общ＝f(∑P_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

ΣP_i,為外力總和

L_i,a_i,為絕緣子的線性尺寸

I_i,為絕緣子諸截面的那些力矩

I_pi,為慣性極力矩

r_i為絕緣子斷面半徑

絕緣子的機械振動公式

а)彎曲振動：

$\frac{{\∂}^2}{{\∂x}^2}\left(\mathrm{EI}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂x}^2}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}w}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

b)縱向振動：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{EF}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\mathrm{\ρF}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}=q(x,t)$

c)扭曲振動：

$\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{GI}}_k\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂x}\right)-{\mathrm{\ρI}}_p\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{{\∂t}^2}=\mathrm{\μ}(x,t).$

(3)驗證使用振動聲方法診斷支柱式絕緣子的正確性以及合理性。

上面三種振動的通解公式可寫成：

ω＝f(a_i,r_i,I_p,I,F,E,G,ρ)

機械應(yīng)力公式：σ_общ＝f(ΣP_i,L_i,a_i,I_i,I_pi,r_i)

通過比較機械應(yīng)力和振動公式可以發(fā)現(xiàn)，機械應(yīng)力函數(shù)和絕緣子的那些自有振動頻率有一些相同的自變量，用這一觀察可得出結(jié)論，絕緣子的機械強度和它的頻率特性緊密相關(guān)。

(一)強度和頻率特性的關(guān)系：

研究彎曲時強度的變化和絕緣子頻率特性的關(guān)系，對于瓷材質(zhì)有個應(yīng)力極限，超過這個極限會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。對應(yīng)極限強度的力叫做極限載荷；

P＝σI/Lr

P-極限載荷(力)

σ-應(yīng)力(這里指極限強度)

L-柱裝置(絕緣子)長度

r-絕緣子危險斷面半徑

絕緣子本身自有振動頻率公式

ω_i＝(k_i)²/L²·√EI/μ

把損壞的和未損壞的絕緣子作比較，得出下列關(guān)系式：

P₁/P₀＝I₁/I₀＝(ω_i1/ω_i0)²

同理，上述關(guān)系式對縱向(豎)和扭曲的載荷也是正確的

P₁/P₀＝I₁/I₀＝F₁/F₀＝I_p1/I_p0＝(ω_i1/ω_i0)²

由關(guān)系式P₁/P₀＝I₁/I₀＝F₁/F₀＝I_p1/I_p0＝(ω_i1/ω_i0)²知，如果絕緣子中有裂紋出現(xiàn)，會導(dǎo)致其危險截面發(fā)生變化進而導(dǎo)致截面慣性力矩發(fā)生改變(機械強度發(fā)生變化)，這些最終會導(dǎo)致絕緣子固有頻率發(fā)生變化。所以，依上述可得出結(jié)論，使用振動聲方法來確定絕緣瓷柱的剛性強度是可行的。

(二)振動探傷檢測法應(yīng)用研究

應(yīng)用振動聲學(xué)技術(shù)開發(fā)一套便攜式、可帶電離線檢測，并滿足下述技術(shù)指標的支柱式瓷絕緣子探傷裝置。

技術(shù)指標參數(shù)：

(1)系統(tǒng)可用率：＞99％

(2)圖像分辨率：320×240

(3)計算機顯示分辨率：1024×768

(4)故障檢測正確率：＞90％

(5)檢測樣品范圍：35kV～500kV瓷支柱絕緣子

(6)檢測方式：帶電離線測量

(7)采樣率：＞24K/S

(8)顯示方法：可顯示單波譜及以上譜圖

(9)工作溫度：-30～50℃

(10)激振器最大輸出功率：3W

(三)支柱式瓷絕緣子振動測試及其應(yīng)用

對35kV-500kV范圍的管道母線和隔離開關(guān)支柱絕緣子開展檢測應(yīng)用，結(jié)合研究結(jié)果評價各樣品的運行狀態(tài)，并對比超聲波檢測結(jié)果，對檢測裝置準確性進行論證。

本發(fā)明不需要停電檢測，在變電站運行不停電的狀態(tài)下可完成所有支柱絕緣子檢測，采用獨特的等電位、全屏蔽、抗干擾設(shè)計、及確保安全的離線測試方法，為設(shè)備的帶電檢測提供了保證，快速、準確、高效是本設(shè)備的設(shè)計理念；可檢出35kV-500kV支柱絕緣子本體全部內(nèi)外裂紋、機械強度降低或喪失等缺陷，缺陷檢出率可達99％，小巧便捷，內(nèi)置可儲存3000組數(shù)據(jù)；操作簡便快速，一人就可操作，20秒左右即可完成測試，即測即出結(jié)果，后期判斷由專用軟件完成，不需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的專業(yè)人員才能操作，普通試驗技工即可完成檢測并給出結(jié)果。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。