瓷支柱絕緣子帶電探傷儀性能檢測方法的研究

趙 瑩

(廣州廣電計量檢測股份有限公司,廣州 510656)

        摘  要:本文在分析了瓷支柱絕緣子帶電探傷儀工作原理的基礎(chǔ)上研究了其性能檢測的方法,該方法采用聲學麥克風采集瓷支柱絕緣子帶電探傷儀的激勵信號,并設(shè)計了一套裝置,通過瞬態(tài)敲擊得到其復頻響應函數(shù),通過運算求得輸出響應信號,并與瓷支柱絕緣子帶電探傷儀測得的響應信號做對比,以確認瓷支柱絕緣子帶電探傷儀性能是否完好。經(jīng)實際驗證, 該方法可行有效。

        關(guān)鍵詞:帶電探傷儀; 性能測試方法;激勵;響應; 復頻響應函數(shù) 

        中圖分類號:TB51        文獻標碼:A

        長期以來,電網(wǎng)高壓瓷支柱絕緣子的斷裂一直困擾著電網(wǎng)的安全運行,特別是近年來支柱瓷絕緣子在運行中突然斷裂的事故頻繁發(fā)生, 嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1] 。為了預防絕緣子的斷裂,國家電網(wǎng)已經(jīng)下發(fā)了《72.5kv 以上高壓支柱瓷絕緣子技術(shù)監(jiān)督規(guī)定》, 推動了電力行業(yè)及時采取措施和手段去診斷絕緣子的技術(shù)狀態(tài)[2]。

        聲學振動檢測方法是在帶電測量技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新的檢測技術(shù),其優(yōu)點在于測試方法簡單, 克服了超聲檢測結(jié)果受檢測人員熟練程度、技術(shù)水平影響很大的不利因素,優(yōu)點還在于能夠?qū)崿F(xiàn)帶電檢測。瓷支柱絕緣子帶電探傷儀(以下簡稱“帶電探傷儀”)就是基于聲學振動檢測技術(shù)的一種儀器, 該儀器由俄羅斯率先開發(fā),  目前在國內(nèi)外已得到廣泛的使用。但是國內(nèi)該儀器相關(guān)的國家標準和檢測體系尚沒有建立,使用方對于其檢測數(shù)據(jù)是否準確,檢測圖譜是否可信仍存在無法驗 證的問題,本文的目的是研究一種對其使用性能進行檢測的方法。

1 工作原理

        帶電探傷儀由發(fā)射探針、接收探針、記錄單元等部分組成,其外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 帶電探傷儀外觀結(jié)構(gòu)圖

        發(fā)射探針用于發(fā)射振動信號,接收探針用于接收振動信號, 記錄存儲單元用于存儲采集到的振動數(shù)據(jù)。借助物體振動的原理,通過檢測物體固有頻率來判斷檢測材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。絕緣子的損壞程度可表示為損壞絕緣子極限載荷和未損壞絕緣子極限載荷之比的形式[3] ,用以下公式(1) 表示:                  (1)

P0------未破損的絕緣子的極限載荷; 

P1------破損的絕緣子的極限載荷;

wo------未破損的絕緣子的振動反應頻譜的中心頻率; 

w1 ------破損的絕緣子的振動反應頻譜的中心頻率。

        根據(jù)工作原理可知,支柱式絕緣子保持機械強度的基本判據(jù)是其特征頻率在時間上的不變化特性,高于或低于此特征頻率的分量的存在表面在上部或下部存在缺陷。

        帶電探傷儀的工作過程為,嵌入式系統(tǒng)控制輸出端 口產(chǎn)生具有特定功能的復雜信號,經(jīng)濾波放大后驅(qū)動激振器產(chǎn)生激振信號,此信號經(jīng)發(fā)射探針施加到被測瓷支柱絕緣子上,利用接收探針接收絕緣子的響應信號, 該信號經(jīng)過采集、放大處理,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號, 存儲到內(nèi)部FLASH中,利用計算機的軟件對存儲的數(shù)字信號進行處理運算,得到響應信號的功率譜密度圖譜。

2 檢測方法

2. 1發(fā)射探頭的激勵信號

        根據(jù)以上論述,帶電探傷儀通過激勵探頭和接收探頭可以測得結(jié)構(gòu)的頻率特性,但是實際試驗時發(fā)現(xiàn), 不論所測的結(jié)構(gòu)為何種形狀、尺寸、材料、重量,測得的譜圖都在4700Hz附件有一個很尖銳的鋒, 與我們的常識發(fā)生了沖突。

        為了排除帶電探傷儀配套軟件的算法因素, 采取了 把帶電探傷儀導出的.wav格式的文件導入matlab軟件進行分析運算。所得結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖 2 matlab  計算導出數(shù)據(jù)的時域圖和頻域圖

圖 3  帶電探傷儀測得的時域圖和頻域圖

        從圖 2 、圖 3 可以看到,通過 matlab 軟件運算結(jié)果 與帶電探傷儀配套軟件所得的結(jié)果一致, 排除了軟件處理算法的因素。

        從激勵信號入手, 采用聲學的方法,利用麥克風非接觸測量可以準確獲得激勵信號的頻譜特性。由于激勵探頭處的聲壓較低, 實驗室本身的噪聲干擾會影響到測 量準確性,因此該試驗過程在一間全消聲室內(nèi)進行,采用工作標準傳聲器采集發(fā)射探頭的聲音信號,并在B&K Pulse Labshop 軟件中設(shè)置自功率譜函數(shù)進行激勵信號的頻譜特性分析,試驗過程和結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖 4 消聲室內(nèi)進行激勵探頭的測試

圖 5 激勵信號的自功率譜圖

        從圖 5所示的自功率譜圖可以看到, 激振信號在整個頻帶范圍 1000Hz~10000Hz 內(nèi)的能量并非均勻分布,而是在部分頻段有高有低, 如在4700Hz 左右, 其能量遠高于整個頻帶內(nèi)的平均能量水平, 另外在9500Hz 附近也有很高的能量分布。這樣就可以解釋,經(jīng)過帶電探傷儀激勵的任何結(jié)構(gòu)的響應圖譜均在 4700Hz 左右有很高的能量。

2. 2 接收探頭的響應信號

        根據(jù)振動力學理論,系統(tǒng)受任意激勵時, 輸出的頻 譜函數(shù)等于輸入的頻譜函數(shù)與復頻響應函數(shù)的乘積[4] ,表達式為式(2)。

x (w) = P(w)H(w)              (2)

        式中, H(w)為復頻響應函數(shù);x(w)為輸出的傅氏變換, P(w)為輸入的頻譜函數(shù)。因此,如果已知輸入的頻譜函數(shù) P(w) , 然后測得復頻響應函數(shù) H(w),可以計算得到輸出的頻譜函數(shù)x(w)。在本文3.1部分已經(jīng)測得了P(w)。當激勵為單位脈沖力時, 復頻響應函數(shù)為單位脈沖響應的傅氏變換, 所以復頻響應函數(shù)可以通過力錘瞬態(tài)激勵  結(jié)構(gòu)件測量頻率響應函數(shù)得到 H(w)。

        結(jié)構(gòu)件的設(shè)計是根據(jù)帶電探傷儀的特征頻率來設(shè)計的。根據(jù)絕緣子正常、絕緣子上法蘭盤處發(fā)生損傷及下法蘭處發(fā)生損傷三種狀態(tài)設(shè)計了三個不同固有頻率的結(jié)構(gòu)件。采用Ansys 有限元分析軟件輔助設(shè)計,其一階頻率分別在1725.5Hz, 3855Hz , 7210.5Hz。其變形云圖及實物裝置分別如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

圖 6  一階頻率在 1725.5Hz 的結(jié)構(gòu)圖          7 一階頻率在 3855Hz 的結(jié)構(gòu)

圖 8  一階頻率在 7210.5Hz 的結(jié)構(gòu)                   圖9  實物裝置外觀

        通過力錘敲擊裝置,并用加速度傳感器進行采集, 采用B&K公司的3160-A-042 動態(tài)信號采集儀同時采集激勵和響應信號,力錘和加速度計分別連接采集儀的通道1和通道2 , 在動態(tài)信號采集儀配套軟件pulse Labshop 中設(shè)置通道1和通道2的信息如下表1所示,測得該結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)圖譜如圖10所示。

                表 1 pulse Labshop 軟件通道設(shè)置

*CCLD 表示恒流線驅(qū)動。

圖 10 裝置的頻響函數(shù)圖譜

        Pulse Labshop 軟件可以將圖譜的數(shù)據(jù)導出.txt 格式的文件,因此將H(w)和P(w)的數(shù)據(jù)導入matlab , 利用公式(2)計算輸出的頻譜函數(shù)圖譜 x(w) , 所得結(jié)果如圖11所示。然后將該圖譜與帶電探傷儀測得的圖譜進行對比。這里只關(guān)注的是峰值對應的頻率成分,不考慮幅度。帶電探傷儀測得的響應曲線圖譜如圖12所示。

圖 11 計算的輸出的頻譜函數(shù)圖譜

圖 12 帶電探傷儀實測的輸出頻譜函數(shù)圖譜

        從圖11和圖12可以看到, 各明顯峰值在1320Hz, 4000Hz, 4780Hz, 4896Hz, 5732Hz,7196Hz處均存在 一致性。在 9000Hz 以上的高頻部分差距較大,原因是高 頻能量衰減快導致的。

3 結(jié)論

        本文從帶電探傷儀的工作原理入手,研究了一種檢測帶電探傷儀性能是否完好的方法。該方法采用聲學麥克風非接觸式測量帶電探傷儀的激勵信號,并設(shè)計了一 種結(jié)構(gòu)裝置, 該裝置的固有頻率分布在絕緣子的特征頻率處,通過瞬態(tài)激勵測得裝置的復頻響應函數(shù), 利用激勵信號和復頻響應函數(shù)數(shù)據(jù),通過 matlab 軟件計算輸出的響應信號, 該信號與帶電探傷儀測得的響應信號做對比分析來判斷帶電探傷儀的性能是否完好。該方法經(jīng)驗證是切實可行的,能夠為帶電探傷儀的性能檢測提供參考。

參考文獻

[1]  弋楠.  支柱瓷絕緣子的爬波檢測方法研究[J].  電子測試,2017(2);

[2]  夏超.  支柱絕緣子振動聲學檢測方法的研究[D].  保定: 華北電力大學,2013;

[3]  張欣.  振動聲學探傷方法對瓷支柱絕緣子進行檢測的驗證方法研究[J].  華東電力,2013, 41(9);

[4]  倪振華.  振動力學[M].  西安交通大學出版社,  1988.