张燕珂,张松洋,赵飞亚,万书亭
(1.浙江工商职业技术学院 电子信息学院,浙江 宁波 315012;2.华北电力大学 河北省电力机械装备健康维护与失效预防重点实验室,河北 保定 071003;3.南京南瑞信息通信科技有限公司,南京 211100)
绝缘子是电力系统中广泛使用的重要绝缘设备,其主要功能是实现电气绝缘和机械固定,对于确保电力系统的安全稳定运行具有重要意义。实际运行中,由于瓷支柱绝缘子主要材质陶瓷属于脆性材料,长期风吹日晒容易使其热胀冷缩从而产生裂纹、气孔甚至断裂等故障,进而影响到电力系统的安全运行[1-3]。因此,加强对在役瓷支柱绝缘子的检测并及时更换故障绝缘子,对保障我国电网的安全运行至关重要。
目前常见的瓷支柱绝缘子检测方法有多种,其中主要包括超声波检测法[4,5]、红外热波检测法[6-10]、紫外成像检测法[11]及振动声学检测法等方法[12-17]。在这几种方法中,超声波检测法作为一种无损检测技术,只适用于停电时作业,检测效率较低,操作难度大;红外热波检测法和紫外成像检测法均可适用于带电作业,但前者只能通过绝缘子的表面温度判断故障与否,容易受外界环境温度的影响,后者受制于其作用机理,存在检测盲区,对于绝缘子表面裂缝不能检测。振动声学检测法是一种激励被测工件使其产生振动,然后测量其振动特征来判定其质量的检测技术。振动声学检测法和其他方法相比,其独特优势在于:带电作业且检测效率高,设备便携,对操作人员的要求较低,是适用最广的检测方法。
国内学者目前针对振动声学检测法已经进行了大量研究,指出正常状态绝缘子频谱图的共振频率峰值带出现在中频区(3 kHz～6 kHz)范围内,当绝缘子上、下法兰出现故障时,共振频率峰值带分别由中频区向高频区(6 kHz～9 kHz)、低频区(0 kHz～3 kHz)移动。同时文献[18-23]证实了该方法的可行性和有效性,并进一步研究了温度等环境因素对检测结果的影响规律,以及提高检测灵敏度的信号处理技术。
文献[24]研究指出:利用振动声学检测法对绝缘子进行检测时,需要将检测仪器探针尽量垂直于绝缘子下法兰底部。而在实际安装过程中,绝缘子是通过水泥柱支撑在空中,下法兰通过钢板与水泥支撑柱连接(见图1),由于连接处的结构设计,此时就不能在下法兰处进行垂直检测,而是将仪器探针与下法兰底部进行有角度地检测,当检测信号入射时与下法兰底面的垂线存在角度(文中将此角度命名为入波角度),可能会对检测结果造成影响,查阅资料发现,目前国内暂无这方面的研究。
图1 瓷支柱绝缘子Fig.1 Porcelain post insulator
本研究主要研究检测信号的入波角度对瓷支柱绝缘子在振动声学检测法下检测结果的影响。首先运用Solidworks对不同故障类型绝缘子进行三维建模,然后基于Ansys Workbench对模型施加不同角度的脉冲激振,使其发生激振下振动响应,并对振动信号进行数值分析。最后,搭建实验平台,结合仿真分析和实验数据,探索入波角度对瓷支柱绝缘子振动检测的影响规律。
瓷支柱绝缘子机械强度与频率特性紧密相关。支柱绝缘子的固有频率和极限载荷的关系推导过程如下:
绝缘子的下法兰固定在水泥支撑柱上,上端受到力,此时的绝缘子看做为一端施加固定约束,另一端为非约束态的柱装置,则弯曲极限载荷为[25-26]
(1)
式(1)中:P为极限载荷;σmax为极限强度;I为绝缘子危险截面的静力矩;L为绝缘子长度;r为绝缘子危险截面的半径。
此时绝缘子固有频率为
(2)
式(2)中:wi为绝缘子的各阶固有频率;ki为对应的克雷洛夫方程式根;L为绝缘子长度;E为弹性模量;I为绝缘子危险截面的静力矩;m为绝缘子单位长度质量。
对正常和故障绝缘子作比较,可取极限载荷作为参考,结合(1)、(2)可以得到正常绝缘子和故障绝缘子的极限载荷之比为
(3)
式(3)中:P0,P1分别为正常和故障绝缘子的极限载荷;I0,I1分别为正常和故障绝缘子危险截面的静力矩;w0i,w1i分别为正常和故障绝缘子的各阶固有频率。由式(3)可以得知,绝缘子的机械强度与其频率特性密切相关,利用振动声学检测法检测绝缘子是可行的,可用不同裂纹特性的绝缘子固有频率变化来判断绝缘子极限载荷是否发生改变,进来判断绝缘子是否出现缺陷[27]。
2.1 瓷支柱绝缘子建模及有限元仿真
为探究入波角度对瓷支柱绝缘子振动检测的影响,本研究选择在SolidWorks中对型号为B03.8-1的220 kV瓷支柱绝缘子进行1∶1实体建模,如图2所示。该型号绝缘子由两节110 kV瓷支柱绝缘子通过螺栓连接结构串联组成,具体包括上法兰、下法兰、上下法兰的水泥胶合层及瓷体,其中各部分零部件的力学特性如表1所示。底部施加固定约束一侧的元件命名为下元件,自由端一侧的元件命名为上元件。[28-29]
表1 瓷支柱绝缘子各部件材料力学特性Table 1 Mechanical properties of materials for various components of porcelain post insulators
图2 双节瓷支柱绝缘子实体模型Fig.2 Solid model of double section porcelain post insulator
Ansys Workbench中添加力的方式有两种——Components(组成)和Vector(方向)。研究入波角度,最理想添加力的方式是通过Vector直接定义力的方向,但Workbench中只能将力的方向调整为垂直于接触面方向,因此只能采用组成,即将激励力分解为3个方向的力后添加至激励点。以激励杆与竖直方向的夹角为基准,垂直激励时入波角度为0°。
由于SolidWorks中绝缘子模型的轴向是Y方向,且模型在X、Z方向上对称,所以选用保持Y方向分力不变,为固定大小为200 N的脉冲力,通过改变X、Z方向的分力大小来改变检测信号的入波角度。
Ansys Workbench中提取振动信号的方式有两种——Directional Acceleration(方向加速度)和Total Acceleration(总体加速度)。前者指X、Y、Z某个方向上的振动加速度,后者是指总体的振动加速度,即沿着入波角度的振动加速度。由于振动声学检测法检测依据是绝缘子的轴向振动,所以采用Directional Acceleration时,提取Y方向的振动加速度。
2.2 仿真数据分析
为研究入波角度对振动检测结果的影响,分别对正常和故障绝缘子在多个角度上进行检测并进行分析,采用文献[29]中所述的绝缘子故障模拟方法进行仿真分析。利用脉冲信号模拟锤击,由于脉冲激振激励绝缘子的固有振动,其响应特性与脉冲激振力大小无关。仿真中将脉冲激励力大小设置为200 N,分析步长设置为0.000 02 s,时长0.1 s,采样频率50 kHz,采样点数5 000点。在绝缘子下元件合适的位置施加脉冲激励,并在合适的位置接受反馈信号,所选取的拾振点距离激振点35 mm[29]。
1)首先对绝缘子进行垂直激振仿真,即:入波角度为0°,此时入波角度的方向也是绝缘子的轴向,Y方向振动信号也是总体振动信号。为方便后续实验的操作,将激振点、拾振点和绝缘子下法兰的两个螺栓孔处于同一条直线上,两点的具体位置见图3。
图3 激振点与拾振点的位置示意图Fig.3 Schematic diagram of excitation point and pickup point
对仿真得到的不同状态下绝缘子的振动信号进行处理,可以得到其频谱图如图4所示。
图4 不同状态绝缘子频谱图Fig.4 Spectrogram of insulators in different states
如图4所示,正常状态绝缘子(以下简称:正常绝缘子)、上法兰故障状态绝缘子(以下简称:上故障绝缘子)、下法兰故障状态绝缘子(以下简称:下故障绝缘子)其振动频谱分别在4 540 Hz、6 276 Hz、1 860 Hz处出现峰值,均符合不同状态绝缘子的频谱图规律。
2)对绝缘子进行不同入波角度的激振仿真,提取Y方向上的振动信号进行频谱分析。对不同状态下绝缘子进行入波角度为30°、45°、60°的脉冲激振,提取Y方向的振动信号进行频谱处理,可以得到其频谱图如图5、6、7所示。
图5 正常绝缘子不同入波角度下的Y方向频谱图 Fig.5 Spectrogram of normal insulators in the Ydirection at different entry angle
图6 上故障绝缘子不同入波角度下的Y方向频谱图Fig.6 Spectrogram of the upper faulty insulator in the Y direction at different entry angle
图7 下故障绝缘子不同入波角度下的Y方向频谱图Fig.7 Spectrogram of the lower faulty insulator in the Y direction at different entry angle
如图5、6、7所示,当对不同状态绝缘子进行不同入波角度的脉冲激振后,正常、上故障、下故障绝缘子其Y方向频谱图峰值都分别出现在4 600 Hz、6 300 Hz、1 800 Hz左右,均符合不同状态绝缘子的频谱图规律,而且每种绝缘子不同入波角度下的频谱图基本相似。
3)对绝缘子进行不同入波角度的激振仿真,提取总体方向上的振动信号进行频谱分析。对不同状态下绝缘子进行入波角度为30°、45°、60°的脉冲激振,提取总体振动加速度进行频谱处理,可以得到其频谱图如图8、9、10所示。
图8 正常绝缘子不同入波角度下总方向的频谱图Fig.8 Spectrogram of normal insulator in the excitation direction at different entry angle
图9 上故障绝缘子不同入波角度下总方向的频谱图Fig.9 Spectrogram of the upper faulty insulator in the excitation direction at different entry angle
图10 下故障绝缘子不同入波角度下总方向的频谱图Fig.10 Spectrogram of the lower faulty insulator in the excitation direction at different entry angle
如图8、9、10所示,当在不同状态绝缘子下法兰处施加不同入波角度激振后,其频谱图相对于垂直激振得到的频谱图(图4)都会多出一个1 800 Hz左右的峰值,且随着入波角度的增大,该处的峰值振幅会逐渐增大,直到成为最大的波峰,此时会导致检测结果呈现为下故障。
由于本研究添加力的方式为Components(组成),即由X、Y、Z3个方向的分力组成,当存在入波角度时,即除了Y方向分力,还存在着X、Z方向分力,X、Z方向组成的平面便是绝缘子轴向的横截面,所以当在绝缘子下法兰处施加激振力时,Y方向分力是对绝缘子整体轴向激振,X、Z方向分力是对绝缘子整体横向激振,因此我们将对绝缘子进行单独横向激振,可以得到其频谱图如图11,由此可得知图8、9、10中多出的1 800 Hz左右处新波峰便是绝缘子整体的横向弯曲振动特征峰。
图11 绝缘子横向激振下的频谱图Fig.11 Spectrogram of insulators under transverse excitation
3.1 实验台的搭建与故障绝缘子的制作
为进一步验证仿真的正确性,本研究搭建相应的实验系统如图12所示。选取灵敏度为4.44 pC/N、增益为0.500 mV/Pv的脉冲力锤作为激振源在绝缘子下法兰处施加脉冲激励[30];采用灵敏度为5.072 mv/g的IEPE压电式加速度传感器采集振动加速度数据(如图13所示);设置采样频率为50 kHz。
图12 实验系统Fig.12 Experimental system
图13 信号的激励与拾取Fig.13 Excitation and pickup of signals
由于传感器只能紧贴在被测物体表面,导致其只能采集到Directional Acceleration(方向加速度),不能采集到Total Acceleration(总加速度),所以本文使用东华信号测试仪采集Y方向上的振动信号,使用绝缘子探测仪来采集绝缘子总体方向的振动信号。
本研究用三角板来控制入波角度大小,详见图14。
图14 三角板控制入波角度Fig.14 Triangle plate control of entry angle
选取上、下法兰与伞裙连接处的水泥胶合剂脱落而造成的上、下故障绝缘子分别如图15、16所示。
图15 上故障绝缘子Fig.15 Upper faulty insulator
图16 下故障绝缘子Fig.16 Lower faulty insulator
3.2 实验数据频谱分析
1)直接在下法兰底部进行垂直激振的实验。将压电式加速度传感器设置在图3所示拾振点的位置,使用脉冲力锤垂直下法兰底面敲击图3所示激振点的位置,对采集的信号进行频谱分析,如图17。
图17 不同状态绝缘子自相关频谱图Fig.17 Auto-correlation spectrograms of insulators in different states
如图17所示,正常、上故障、下故障绝缘子实验得到的频谱图分别在4 653 Hz、6 210 Hz、1 776 Hz处出现峰值,与现有理论分析结果一致,验证了试验台的可靠性和可行性。
2)对绝缘子进行带入波角度的激振实验,并拾取其Y方向的振动信号。将传感器设置在图3拾振点的位置,使用脉冲力锤以入波角度分别为30°、45°、60°去敲击图3激振点的位置,对采集的信号进行频谱处理,可以得到频谱图如图18、19、20。
图18 正常绝缘子不同入波角度下Y方向自相关频谱图Fig.18 Auto-correlation spectrograms of normal insulator in Y direction at different entry angle
图19 上故障绝缘子不同入波角度下Y方向自相关频谱图Fig.19 Auto-correlation spectrograms of upper faultyinsulator in Y direction at different entry angle
如图18、19、20所示,当不同状态绝缘子施加不同入波角度的脉冲激振后,正常、上故障、下故障绝缘子Y方向上频谱图的峰值分别都出现在4 800 Hz、6 300 Hz、1 800 Hz左右,均符合不同状态绝缘子的频谱图规律。而且每种绝缘子不同入波角度下的频谱图基本相似,实验证明了入波角度对Y方向(绝缘子轴向)上的检测结果无影响。
3)对绝缘子进行带入波角度的激振实验,并拾取其总方向上的振动信号。将绝缘子测试仪的拾振端、激振端放置在图3拾振点、激振点的位置,对绝缘子进行入波角度分别为30°、45°、60°的激振与拾振,对采集的信号进行频谱处理,可以得到频谱图如图21、22、23。
图21 正常绝缘子不同入波角度下总方向自相关频谱图Fig.21 Auto-correlation spectrograms of normal insulator in excitationdirection at different entry angle
图22 上故障绝缘子不同入波角度下总方向自相关频谱图Fig.22 Auto-correlation spectrograms of upper faulty insulator inexcitationdirection at different entry angle
图23 下故障绝缘子不同入波角度下总方向自相关频谱图Fig.23 Auto-correlation spectrograms of lower faulty insulator inexcitation direction at different entry angle
如图21、22、23所示,当在不同状态下绝缘子进行不同入波角度的激振实验后,其总方向的频谱图相对于垂直激振实验的频谱图(图17)都会多出一个1 800 Hz左右的峰值,且随着入波角度的增大,该处的峰值振幅会逐渐增大;对下故障绝缘子来说,其波峰本来就位于低频区,多了1 800 Hz处的波峰后,检测结果无影响;对正常绝缘子来说,其波峰及频谱图的主体位于中频区,即使多了1 800 Hz处的波峰后,其最大的波峰和频谱图的主体仍位于中频区,检测结果依旧呈现为正常绝缘子;对上故障绝缘子来说,此时1 800 Hz变成了最大的波峰,此时会导致检测结果错误地呈现为下故障绝缘子。
因此不同状态的绝缘子,加了带有入波角度的脉冲激振后,都会导致其总方向频谱图在1 800 Hz左右出现一个新的波峰。
3.3 讨论
1)对比实验和仿真的频谱图可以看出,虽然实验仿真的具体结果有偏差,但是两者的变化趋势是相同的;出现偏差,主要由以下原因造成的:
(a)仿真中激振—拾振距离设置为35 mm,但在实验中,是将传感器放在下法兰下表面的位置作为拾振点,将力锤敲击的点作为激振点,虽然尽可能控制两点距离为35 mm,但由于是人工敲击,所以难以精准地控制敲击的位置,难以保证距离正好为35 mm。
(b)实验时入波角度大小是人工控制的,无法精准地做到垂直敲击及精准控制入波角度的大小。
2)对比仿真和实验时可以得知,对绝缘子进行带有入波角度的激振时,对Y方向上的振动信号频谱图基本无影响,而对总体方向上的振动信号频谱图有影响,会导致其频谱图低频区1 800 Hz处出现新的波峰,且该处波峰会随着入波角度的增大而增大。
3)对绝缘子进行横向激振,其仿真得到的频谱图波峰为1 800 Hz(图11),通过Workbench得知上故障绝缘子第26阶模态固有频率为1 868.1 Hz,观察其第26阶振型图(图24)可知,此时发生的是绝缘子整体的横向弯曲振动。即当在绝缘子下法兰处施加带有入波角度的激振时,此时Y方向激振分力使得绝缘子整体发生轴向拉伸振动,X、Z方向激振分力使得绝缘子整体发生横向弯曲振动,此时提取总方向的振动信号,把两者都检测到了,所以此时的频谱图中会多出一个1 800 Hz的波峰,由于本研究是保持Y方向分力大小不变通过改变X、Z方向分力大小来改变检测信号的入波角度的,所以当入波角度增大时,其X、Z方向的分力增大,使得绝缘子发生更强烈的横向弯曲振动,1 800 Hz处的波峰也会随之增大。
图24 绝缘子的第26阶振型Fig.24 26th mode shape of the insulator
本研究通过实验和仿真,得出以下结论:
1)入波角度对瓷支柱绝缘子振动检测是存在影响的,当加带有角度的激振后,绝缘子总方向上的频谱图会发生变化,在低频区出现新的波峰,导致上故障绝缘子的检测结果会表现为下故障。
2)对绝缘子施加带有入波角度的激振时,绝缘子发生的是其整体的轴向伸缩振动和横向弯曲振动,此时拾取绝缘子Y方向振动信号,检测的是绝缘子轴向伸缩振动,检测结果能反应出瓷支柱绝缘子内部缺陷;若此时拾取绝缘子总方向的振动信号,检测的是绝缘子的轴向振动和绝缘子整体横向弯曲振动,检测结果已不能准确反应出瓷支柱绝缘子轴向内部缺陷。
3)对瓷支柱绝缘子进行振动检测时,需要将仪器探针靠近绝缘子下法兰,尽量让探针与下法兰底部垂直。如若探针与下法兰底部存在较大角度时,会使得检测结果出现误差,尤其是检测上故障绝缘子时,更易呈现出错误的检测结果。
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