瓷支柱绝缘子带电探伤仪性能检测方法的研究

赵 莹

(广州广电计量检测股份有限公司,广州 510656)

        摘  要:本文在分析了瓷支柱绝缘子带电探伤仪工作原理的基础上研究了其性能检测的方法,该方法采用声学麦克风采集瓷支柱绝缘子带电探伤仪的激励信号,并设计了一套装置,通过瞬态敲击得到其复频响应函数,通过运算求得输出响应信号,并与瓷支柱绝缘子带电探伤仪测得的响应信号做对比,以确认瓷支柱绝缘子带电探伤仪性能是否完好。经实际验证, 该方法可行有效。

        关键词:带电探伤仪; 性能测试方法;激励;响应; 复频响应函数 

        中图分类号:TB51        文献标码:A

        长期以来,电网高压瓷支柱绝缘子的断裂一直困扰着电网的安全运行,特别是近年来支柱瓷绝缘子在运行中突然断裂的事故频繁发生, 严重影响电网的安全稳定运行[1] 。为了预防绝缘子的断裂,国家电网已经下发了《72.5kv 以上高压支柱瓷绝缘子技术监督规定》, 推动了电力行业及时采取措施和手段去诊断绝缘子的技术状态[2]。

        声学振动检测方法是在带电测量技术基础上发展起来的一门新的检测技术,其优点在于测试方法简单, 克服了超声检测结果受检测人员熟练程度、技术水平影响很大的不利因素,优点还在于能够实现带电检测。瓷支柱绝缘子带电探伤仪(以下简称“带电探伤仪”)就是基于声学振动检测技术的一种仪器, 该仪器由俄罗斯率先开发,  目前在国内外已得到广泛的使用。但是国内该仪器相关的国家标准和检测体系尚没有建立,使用方对于其检测数据是否准确,检测图谱是否可信仍存在无法验 证的问题,本文的目的是研究一种对其使用性能进行检测的方法。

1 工作原理

        带电探伤仪由发射探针、接收探针、记录单元等部分组成,其外观结构如图1所示。

图 1 带电探伤仪外观结构图

        发射探针用于发射振动信号,接收探针用于接收振动信号, 记录存储单元用于存储采集到的振动数据。借助物体振动的原理,通过检测物体固有频率来判断检测材料内部结构特征。绝缘子的损坏程度可表示为损坏绝缘子极限载荷和未损坏绝缘子极限载荷之比的形式[3] ,用以下公式(1) 表示:                  (1)

P0------未破损的绝缘子的极限载荷; 

P1------破损的绝缘子的极限载荷;

wo------未破损的绝缘子的振动反应频谱的中心频率; 

w1 ------破损的绝缘子的振动反应频谱的中心频率。

        根据工作原理可知,支柱式绝缘子保持机械强度的基本判据是其特征频率在时间上的不变化特性,高于或低于此特征频率的分量的存在表面在上部或下部存在缺陷。

        带电探伤仪的工作过程为,嵌入式系统控制输出端 口产生具有特定功能的复杂信号,经滤波放大后驱动激振器产生激振信号,此信号经发射探针施加到被测瓷支柱绝缘子上,利用接收探针接收绝缘子的响应信号, 该信号经过采集、放大处理,转换成数字信号, 存储到内部FLASH中,利用计算机的软件对存储的数字信号进行处理运算,得到响应信号的功率谱密度图谱。

2 检测方法

2. 1发射探头的激励信号

        根据以上论述,带电探伤仪通过激励探头和接收探头可以测得结构的频率特性,但是实际试验时发现, 不论所测的结构为何种形状、尺寸、材料、重量,测得的谱图都在4700Hz附件有一个很尖锐的锋, 与我们的常识发生了冲突。

        为了排除带电探伤仪配套软件的算法因素, 采取了 把带电探伤仪导出的.wav格式的文件导入matlab软件进行分析运算。所得结果如图2和图3所示。

图 2 matlab  计算导出数据的时域图和频域图

图 3  带电探伤仪测得的时域图和频域图

        从图 2 、图 3 可以看到,通过 matlab 软件运算结果 与带电探伤仪配套软件所得的结果一致, 排除了软件处理算法的因素。

        从激励信号入手, 采用声学的方法,利用麦克风非接触测量可以准确获得激励信号的频谱特性。由于激励探头处的声压较低, 实验室本身的噪声干扰会影响到测 量准确性,因此该试验过程在一间全消声室内进行,采用工作标准传声器采集发射探头的声音信号,并在B&K Pulse Labshop 软件中设置自功率谱函数进行激励信号的频谱特性分析,试验过程和结果如图4和图5所示。

图 4 消声室内进行激励探头的测试

图 5 激励信号的自功率谱图

        从图 5所示的自功率谱图可以看到, 激振信号在整个频带范围 1000Hz~10000Hz 内的能量并非均匀分布,而是在部分频段有高有低, 如在4700Hz 左右, 其能量远高于整个频带内的平均能量水平, 另外在9500Hz 附近也有很高的能量分布。这样就可以解释,经过带电探伤仪激励的任何结构的响应图谱均在 4700Hz 左右有很高的能量。

2. 2 接收探头的响应信号

        根据振动力学理论,系统受任意激励时, 输出的频 谱函数等于输入的频谱函数与复频响应函数的乘积[4] ,表达式为式(2)。

x (w) = P(w)H(w)              (2)

        式中, H(w)为复频响应函数;x(w)为输出的傅氏变换, P(w)为输入的频谱函数。因此,如果已知输入的频谱函数 P(w) , 然后测得复频响应函数 H(w),可以计算得到输出的频谱函数x(w)。在本文3.1部分已经测得了P(w)。当激励为单位脉冲力时, 复频响应函数为单位脉冲响应的傅氏变换, 所以复频响应函数可以通过力锤瞬态激励  结构件测量频率响应函数得到 H(w)。

        结构件的设计是根据带电探伤仪的特征频率来设计的。根据绝缘子正常、绝缘子上法兰盘处发生损伤及下法兰处发生损伤三种状态设计了三个不同固有频率的结构件。采用Ansys 有限元分析软件辅助设计,其一阶频率分别在1725.5Hz, 3855Hz , 7210.5Hz。其变形云图及实物装置分别如图6、图7、图8和图9所示。

图 6  一阶频率在 1725.5Hz 的结构图          7 一阶频率在 3855Hz 的结构

图 8  一阶频率在 7210.5Hz 的结构                   图9  实物装置外观

        通过力锤敲击装置,并用加速度传感器进行采集, 采用B&K公司的3160-A-042 动态信号采集仪同时采集激励和响应信号,力锤和加速度计分别连接采集仪的通道1和通道2 , 在动态信号采集仪配套软件pulse Labshop 中设置通道1和通道2的信息如下表1所示,测得该结构的频响函数图谱如图10所示。

                表 1 pulse Labshop 软件通道设置

*CCLD 表示恒流线驱动。

图 10 装置的频响函数图谱

        Pulse Labshop 软件可以将图谱的数据导出.txt 格式的文件,因此将H(w)和P(w)的数据导入matlab , 利用公式(2)计算输出的频谱函数图谱 x(w) , 所得结果如图11所示。然后将该图谱与带电探伤仪测得的图谱进行对比。这里只关注的是峰值对应的频率成分,不考虑幅度。带电探伤仪测得的响应曲线图谱如图12所示。

图 11 计算的输出的频谱函数图谱

图 12 带电探伤仪实测的输出频谱函数图谱

        从图11和图12可以看到, 各明显峰值在1320Hz, 4000Hz, 4780Hz, 4896Hz, 5732Hz,7196Hz处均存在 一致性。在 9000Hz 以上的高频部分差距较大,原因是高 频能量衰减快导致的。

3 结论

        本文从带电探伤仪的工作原理入手,研究了一种检测带电探伤仪性能是否完好的方法。该方法采用声学麦克风非接触式测量带电探伤仪的激励信号,并设计了一 种结构装置, 该装置的固有频率分布在绝缘子的特征频率处,通过瞬态激励测得装置的复频响应函数, 利用激励信号和复频响应函数数据,通过 matlab 软件计算输出的响应信号, 该信号与带电探伤仪测得的响应信号做对比分析来判断带电探伤仪的性能是否完好。该方法经验证是切实可行的,能够为带电探伤仪的性能检测提供参考。

参考文献

[1]  弋楠.  支柱瓷绝缘子的爬波检测方法研究[J].  电子测试,2017(2);

[2]  夏超.  支柱绝缘子振动声学检测方法的研究[D].  保定: 华北电力大学,2013;

[3]  张欣.  振动声学探伤方法对瓷支柱绝缘子进行检测的验证方法研究[J].  华东电力,2013, 41(9);

[4]  倪振华.  振动力学[M].  西安交通大学出版社,  1988.