瓷支柱绝缘子智能带电检测装置研制与应用.pdf

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1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置研制与应用 庄建煌，彭健，林俊超 国网福建省电力有限公司莆田供电公司，福建 莆田 351100 Development and Application of Intelligent Live Detection Device for Porcelain Post Insulator Zhuang Jianhuang, Peng Jian, Lin Junchao State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd. Putian Power Supply Company, Putian, 35

2、1100, China 摘要： 本文通过研究瓷支柱绝缘子所受载荷及振动形式，得出可 用 瓷支柱绝缘子 固有振动 频率定性评价瓷支柱 绝缘子状态 。基于该理论，开发了一种智能带电检测瓷柱绝缘子装置。 该装置 的 现场测试结果表明，本文研制 的智能带电检测瓷支柱绝缘子装置 可以 满足 带电及实时 检测 操作 要求，并且能够有效提高对于瓷支柱绝缘子的 状态监测的便捷性 和 可靠性。 关键词： 瓷支柱绝缘子；带电检测； 固有振动 频率；智能装置；研制与应用 ABSTRACT: In this paper, by studying the load and vibration form of porce

3、lain post insulators, it is concluded that the natural vibration frequency of porcelain post insulators can be used to qualitatively evaluate the state of porcelain post insulators. Based on this theory, an intelligent live detection device for porcelain post insulators is developed. The field test

4、results of the device show that the intelligent electric insulator device can meet the demand of electric and real time inspection, and can effectively improve the convenience and reliability of the insulators state detection. KEY WORD: Porcelain post insulator; Live detection; Natural vibration fre

5、quency; Intelligent device; Development and application 1 引言 瓷支柱绝缘子在电力系统中主要起辅助 功能，且数量较多。但因工作条件和外部环境 影响，其性能会逐渐下降并恶化，甚至会出现 断裂损 坏，造成严重后果 1-3。图 1 是某 220kV 旁母刀闸 C 相靠母侧静触头支柱绝缘子、操 作支柱绝缘子上节顶部处法兰根部发生断裂， 导致 220 千伏母对地放电，造成 220 千伏 段母线、套母差保护动作。 图 1 220kV 旁母 隔离开关绝缘子断裂后脱落示意图 Fig.1 Sketch map of insulator of 220kV

6、pass-by bus isolating switch fall off after breaking 解体分析认为该 2603 隔离开关 C 相母线 侧支柱绝缘子断裂是由于绝缘子制 造过程中 存在法兰处胶装部位上砂不足、未涂沥青层、 瓷件偏心等质量问题，导致胶装部位应力集 中，在长期运行中 ， 隔离开关分合闸 动作下 ， 法兰处内部绝缘子瓷件应力集中区域（上砂交 界面）产生裂纹并逐步发展，最终在操作 期间 发生根断裂。并引起母线引线向上抖动并拉住 隔离开关导电臂，同时操作绝缘子继续往分闸 方向转动， 就会造成 操作支柱绝缘子的根部发 生断裂、使得隔离开关导电臂 往 传动连杆 掉 落 。 因

7、此，对瓷柱绝缘子进行定期检测的操 作，能够有效防止诸如瓷绝缘子在运行期间突 然断裂等事故，其在工程方面具有重要意义 10-12。 传统的瓷支柱 绝缘子检测方法，如红外测 温法 2找初期瓷支柱绝缘子裂纹相对困难，且 2019 年中国电机工程学会年会论文集 测温结果受环境影响较大；紫外线检测法 7-9 虽然能够 发现 开放式、且是可通向绝缘子上节 处的 法兰附近处所存在的微观裂纹，但是 对于 法兰内部缺陷 却是无法识别 ；超声波检测法 5-6 在 无损检测 方法中虽 是比较成熟的，但 其 需停 电检测， 且 缺乏实施条件 ，所以 检测效率 较 低。 本文针对 已有 的瓷支柱绝缘子检测方法 中所 存

8、在的不足， 通过 理论深度分析， 结合 全 屏蔽方式、等电位原理 、 抗干扰 技术，以 及 保 障 安全 下 的离线式测试方法 等 ，研制出 一种 瓷 支柱绝缘子智能带 电 检测装置。 2 智能带电 检测 瓷支柱绝缘子的装置 理论基础 2.1 瓷支柱绝缘子机械应力型式分析 运行过程中 ，当风力载荷作用于 瓷支柱式 绝缘子 上，或是进行 断路器 、 隔离开关 的 操作 时所 产生的载荷 13-14。 其中， 绝缘子的弯曲是 由风力载荷 所致 ， 而 使绝缘子发生扭曲的是由 于操作切换载荷 。 1）弯曲应力 J rPPaW PPa +=+= )()( 2121 式 (1-1) 式中的 a（ P1+

9、P2） 是 弯曲力矩， J 是 绝缘 子的横截面惯性力矩， r 是 绝缘子的横截面半 径。 2）扭曲应力 pI LrP2= 式 (1-2) 式中 P2Lr 是 扭曲力矩， r 是 绝缘子的截面 半径， Ip 是 横截面的惯性极力矩。 归纳式 (1-1)和 式 (1-2)可得 ， 机械应力用函 数表示则为 ： )( , rIIaLPf piiiii = 式 (1-3) 式中 pi 是 所受的外力总和， Li、 ai 是 绝 缘子的线性尺寸， Ii 是 绝缘子的横截面力矩 ， Ipi 是惯性极力矩， r 绝缘子的断面半径。 2.2 瓷支柱绝缘子振动型式分析 假如绝缘体可以被视为受时间快速变化 而发

10、生动态载荷的柱装置，则其机械振动公式 可描述为： 1) 弯曲振动： ),()( 2 2 2 2 2 2 txqtwFxwEIdx =+ 式 (1-4) 式中的 w 是 柱下垂挠度， 是 柱 当前的 长 度坐标， t 表示时间， 是 柱材质的弹性模量， 表示 柱材质的相对密度， F 是 柱横截面面积， q(x,t)表示扰动力。 2) 纵向振动： ),()( 2 2 txqtuFxuEFx =+ 式 (1-5) 式中 u 表示 柱纵向变形， 是 柱现行长度 的坐标 ， t 是时间， E 表示 柱材质弹性模量； 是 柱材质的相对密度， F 表示 柱横截面面积， q(x,t)是 扰动力。 3) 扭曲振

11、动： ),(),()( 222 2 txtIx txtIxGIxGIx ppkk = = 式 (1-6) 式中 是 柱扭曲角， x 是 柱现行 长度坐标， t 是 时间， G 表示 柱材质的剪切模数， 是 柱材 质的相对密度， Ik 表示 扭曲时的惯性力矩 (若 是圆形 与 环型的横截面装置，其扭曲惯性力矩 等于惯性极力矩 Ip)， (x,t)表示 扰动力矩。 方程式 (1-4)， (1-5)， (1-6)的通解可以写成 下式： ),( , GEFIIraf pii= 式 (1-7) 式中 ai、 ri 是 柱的线性尺寸， Ip、 I 表示 断 面的惯性静力矩 与 极力矩， E、 G 分别表示

12、 柱 材质弹性模数 与 剪切模数， 是 柱材质的相对 密度。 比较 式 (1-3)和 (1-7)可得 ，柱装置所 描述的 机械应力函数与柱 装置所 描述的 振动 函数之 间，有一些自变量是 相同的 。由此可见 ，机械 强度对柱装置 的 频率特性影响较大 。 2.3 瓷支柱绝缘子极限载荷分析 瓷材质 的 应力 是存在 极限 的 ， 当超过其极 限时，就有可能损坏结构 15-17。 而 极限载荷 则 2019 年中国电机工程学会年会论文集 是对 极限强度力 的表示 。 将柱装置的一端进行 弯曲，而另一端施加力时，则此时 极限载荷 的 表 达式 为 ： LrIP = 式 (1-8) 其中， P 表示

13、极限载荷（力）， 是 极限强 度， L 表示 绝缘子长度， r 是 绝缘子的危险断 面半径， I 表示 绝缘子的危险断面的 惯性静力 矩。 将柱装置的一端固定，而在另一端使其处 于自由状态，则该振动频率可以描述为 ： /22 EILK ii = 式 (1-9) 式中的 是 柱装置 的 自有振动频率， K 是 克雷洛夫方程式的根， L 表示 柱装置的长度， E 是 材质弹性模量， I 表示 柱装置的危险断面 的惯性静力矩， 是 柱装置的单位长度质量 20。 假如将未损坏的绝缘子与损坏的相比较， 起点是极限载荷（承载能力），则损坏的绝缘 子的极限载荷与未损坏之比就是绝缘子的损 坏程度，如式子 1-

14、10 所示： 0 12 0 1 0 1 i iIIPP = 式 (1-10) 式中 的 P0 是 未损坏 的 绝缘子极限载荷， P1 是 损坏 的 绝缘子极限载荷， I0 表示 未损坏的 绝缘子危险断面的惯性静力矩， I1 是 损坏绝缘 子危险断面的惯性静力矩， i0 表示 未损坏绝 缘子自有振动频率， i1 是 损坏绝缘子自有振 动频率， i是 绝缘子振动的固有形状 (i=1,2,) 。 其中 ，式 (1-10)对于纵向和扭曲的载荷表 示也是正确的，故式 (1-10)也可改写 为 ： 0 1 0 1 2 0 1 0 1 0 1 i i p pIIFFIIPP = 式 (1-11) 在 式（

15、1-11）中 ， 0F 表示 未损坏的绝缘子 危险断面面积， 1F 是 损坏绝缘子的危险断面面 积， Ip0 表示 未损坏绝缘子的危险断面的惯性 极力矩（扭曲振动）， Ip1 是 损坏绝缘子的危险 断面的惯性极力矩（扭曲振动）。 分析式 (1-11)可得：任何一种绝缘子的振 动形式损伤都能被发现。 2.4 瓷支柱绝缘子状态与自身频率关系 对于瓷柱绝缘子的机械强度而言，其特征 频率随时间保持恒定是表示其良好的基本标 准 18-19。因此，为了确定瓷柱绝缘子的状态， 可以通过评估瓷柱绝缘子对实验激 发的响应 谱方式获得。 本文采用具有足够功率的、线性的、频率 范围为 1-10kHz 的随机振动激励

16、源作为振动激 发器。本文实验激励信号如图 2 所示，图 3 为 某次实验中接收到的经数字化处理后的瓷支 柱绝缘子响应频谱。 图 2 实验激励的随机振动信号 Fig.2 The tests random vibration signal 图 3 数字化技术处理后的瓷支柱绝缘子响应频谱 Fig.3 Porcelain post insulators response spectrum after digital technology processing 本文通过大量实验，针对完好及不同部位 缺陷瓷的支柱绝缘子对实验施加激励的响应 情况，总结出响应频谱分布规律，得到瓷支柱 绝缘子检测值区间判断表，

17、如表 1 所示： 表 1 瓷支柱绝缘子检测值区间判断表 Tab.1 Judgment table for the detection value interval of porcelain post insulator 瓷支柱 绝缘子 状态 激励 能量 （ MW） 激励 振幅 响应 频率 （ kHz） 正常 0.5 满足前后振幅 对称均匀 3-7 瓷 支柱绝缘子 串上半部异常 0.5 满足前后振幅 对称均匀 7 瓷支柱绝缘子 串下半部异常 0.5 满足前后振幅 对称均匀 3 2019 年中国电机工程学会年会论文集 与表 1 中所对应的三种典型的频谱关系， 分别如图 4、图 5、图 6 所示：

18、图 4 检测频率值在 3-7kHz 区间内正常频谱示意图 Fig.4 The normal spectrum of the detection frequency value between 3-7 kHz 图 5 检测频率值在小于 3kHz 区间内异常频谱示意图 Fig.5 The abnormal spectrum of the detection frequency value less than 3 kHz 图 6 检测频率值在大于 7kHz 区间内异常频谱示意图 Fig.6 The abnormal spectrum of the detection frequency value

19、higher than 3 kHz 3 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置研 制 3.1 激励源：随机振动激发器 激励源（振动激励器）应能够产生具有 1-10kHz 频率范围的线性特性的随机振动，并 且拥有足够功率用于施加到绝缘体上。磁致伸 缩，电动和压电 振动激励器可用于上述频率范 围。电动型激发器谐振频率低，而磁致伸缩激 发器则需要庞大的主振装置。因此，为了解决 我们提出的任务，最为合适的振动激发器乃是 压电型的（加速度传感器 ）。 3.2 信号接收：用来存储激励的响应 记录器的 功能 是 在 110kHz 频率范围 内， 完成对 绝缘子 的 激发随机振动反应信息 的 测 量、识别 、存储以及

20、数字化等。 压电加速度计 用于测量绝缘体的振动，因为它具有高灵敏度 和宽频率响应范围（高达 10 kHz）。 通过压电 加速度传感器，将接收的信号进行放大和数字 化，然后将数据集进行编号，最后发送到存储 单元。 3.3 结果分析：用来分析检测结果的软件包 支柱绝缘子 的 机械强度 之所以能够一直 保持，其关键原因在于 特征频率在时间上 是不 变的。因此，想 确定支柱绝缘子是否已经损坏 ， 则可以 通过评估支柱绝缘子对激励声波的反 应频谱 方式进行。 4 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置 4.1 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置实物 如图 7 所示是本文所研制的瓷支柱绝缘子 智能带电检测装置实物图。 图

21、 7 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置示意图 Fig.7 Sketch map of intelligent charging detection device for porcelain post insulator 4.2 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置参数 本文研制的瓷支柱绝缘子智能带电检测 装置性能参数有： 1）检测范围： 110kV-220kV； 2）检测方式：带电检测； 3) 采样速度： 50kHz/s； 4) 采样数据长度： 327.68ms； 5) 在线监测模式：蓝牙传输 +智能显示屏 （ 8 英寸）或笔记本应用软件接收数据； 6) 激振器输出模式：脉冲模式，噪波模式， 正反向扫频模

22、式（自动根据需要调整）； 7) 激振器输出加速度： 30m/s2； 8) 采集器接收频率 范围： 0.2-15kHz； 2019 年中国电机工程学会年会论文集 9) 采集器测量频率准确度： 0.001； 10) 采集器灵敏度： 1.6pc/mS-2； 4.3 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置使用 本文研制的瓷支柱绝缘子智能带电检测 装置现场使用时，检测仪探针准确抵触在被测 目标体的底部接触面上，抵触位置正确后会听 到仪器语音播报“检测开始”，此时测量开始 执行，直到语音播报“检测结束”，则所测前 端动作完成，通过后端平板电脑上的专用软件 得出的数据值，进行观察。 将该装置在现场应用时发现，其测量结

23、果 会因不同测量位置而有所差异。如果仅对一两 个测量位置进行测量， 容易将损伤的瓷支柱绝 缘子误判为良好，从而影响测试结果。因此， 假如条件允许，则应该对多个位置进行测量， 以便能进行综合判断。 该装置现场测试示意如图 8 所示： 图 8 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置测试 Fig.8 The test of intelligent charging detection device for porcelain post insulator 4.4 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置成效 在国网莆田供电公司所属的 220kV 荔城 变电站、 220kV 涵江变电站、 220kV 笏石变电 站以及 22

24、0kV 盖尾变电站，通过本文研制的瓷 支柱绝缘子智能带电检测装置对瓷支柱绝缘 子进行检测，共检测了 3 千多组数据，通过累 积的大量数据发现，有 19 支瓷支柱绝缘子的 性能存在异常，需停电维护。 通过这些数据值进行综合分析，得出并验 证可通过参照瓷支柱绝缘子智能带电检测装 置检测数据值的检测判断区间段，从而判断绝 缘子检测的异常情况。同时，在项目实施的过 程中，通过使用超声波检测仪检测三组不同损 坏情况的瓷支柱绝缘子，将瓷柱绝缘子的智能 充电检测装置测试结果进行比较。结果表明， 超声波探测器的使用结果与瓷柱式绝缘子智 能充电检测装置的结果一致 。由此可得，瓷柱 绝缘子智能充电检测装置具有较高

25、的检测精 度。 4.5 瓷支柱绝缘子智能带电检测装置性能 1）抗强电磁干扰和压电场辐射，运行稳 定； 2）采用蓝牙传输模式的离线测量，无需 传输线； 3）装置内置稳定型电池模块，无需现场 电源； 4）操作过程实时语音播报，方便操作和 数据记录； 5）缩短了单个瓷支柱绝缘子检测时间， 达到单支完成检测时间在 10-15 秒，并且能够 实时同步分析得出检测结果； 6）建立了数据库实现对检测结果智能诊 断。 5 结束语 本文研制的瓷支柱绝缘子智能带电检测 装置 ，相比于传统的 检测方法 ，具有 可带 电作 业、检测速度较快、可持续检测时间较长、重 量较巧，传输速度快等特点。极大加快检测速 度，降低人

26、工作业的时间，且装置可单人操作， 大幅提高工作效率和安全性，节省了人力、物 力、财力。装置推广应用效果明显、前景广阔， 可在电力系统带电检测方面广泛推广。 参 考 文 献 1王少华，李特，周象贤，等变电站瓷支柱绝缘子断裂故 障分析及预防措施 J电瓷避雷器， 2016， (05) ： 35-38 2律方成，马建桥，汪佛池，等基于红外成像的瓷支柱绝 缘子发热规律研究 J电工技术学报， 2013， 28(12) ： 130-135 3郑云海，王门鸿，吴奇宝，等紫外探伤仪在输变电设备 电晕放电检测中的应用 J电世界， 2019， 60(02) ： 6-9 4王胜辉，律方成，李燕青，等紫外成像法在变电站

27、电晕 放电检测中的应用研究 J高压电器， 2010， 46(02) ： 15-19 5黄艳，高从闯超声波探伤在瓷支柱绝缘子缺陷检查中的 应用 J电工技术， 2013(02) ： 70-71 6张旭，张颖超声波检测技术在电力设备绝缘诊断中的应 用 J自动化与仪器仪表， 2017(12)： 197-198+201 7国伟辉 ,闫帅 ,荆林远 ,吴义方 ,闫忠凯 .电场法在支柱绝缘 子检测中的应用探讨 J.科技视界 ,2018(28):33-35. 8张广兴 . 瓷绝缘子振动声学检测方法研究及应用 D.华 2019 年中国电机工程学会年会论文集 北电力大学 ,2017. 9谢沛锋 . 隔离开关瓷柱绝

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31、n in overhead insulators through the analysis of the irradiated RF spectrumJ.International Journal of Electrical Power and Energy Systems,2019,113. 19刘海龙 ,程永锋 ,卢智成 ,朱祝兵 .1100 kV 复合支柱绝缘 子地震模拟振动台试验 J. 电瓷避雷 器 ,2018(06):138-144. 20吐尔洪江 吐逊 ,阿满姑丽 库热西 .500 kV 升压站支柱 绝 缘 子 污 闪 的 基 本 防 治 对 策 J. 科 技 创 新 导 报 ,2017,14(17):24+26. 作者简介： 庄建煌（ 1974-），男，福建莆田，大学本科，高级工程师，高级 技师，主要研 究方向 :输变电检修及相关技术的工作、研究与开发； 彭健（ 1989），男，福建莆田，硕士研究生，主要研究方向 :变 电运行与检修工作； 林俊超（ 1992），男， 福建莆田， 硕士研究生， 主要研究方 向 :配电运维抢修工作；