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1、支柱绝缘子振动声学检测支柱绝缘子振动声学检测全有文档一、项目背景 电力设备的绝缘在运行中受到电、热和机械应力以及环境 应力的作用，其性能会逐渐下降，绝缘状态会劣化，最终 丧失绝缘功能。电力设备绝缘的老化是一个渐变的过程， 如果不及时发现，就可能导致电力设备发生故障，甚至引 发突发性的电力事故，造成巨大的直接和间接经济损失。 运行电力设备的绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要 ，长期以来电力系统沿用传统的定期试验方式（称预防性 试验）来检测高压设备的绝缘。但由于预防性试验电压远 远低于实际运行电压，往往不能发现设备绝缘缺陷。且定 期的电网断电，将给国民经济造成损失。20世纪80年代以 来，国内外
2、在带电测量技术的基础上发展起一门新的监测 技术-电气设备绝缘在线检测与诊断技术。它能对被 监测设备的绝缘参数随时进行测量，大大地缩短了运行设 备的检测时间，为电力系统的安全运行提供可靠的保证。 一、项目背景 许多电网企业和电站的工作实践表明，防止这类 破坏的行之有效的方法是在绝缘子运行过程中， 找出它们外部和内部的缺陷。为此，国家电网公 司颁发了72.5kV及以上电压等级支柱瓷绝缘子 技术监督规定。 这些规定的付诸实施，显著地推动了电力企 业及时采取措施和手段去诊断绝缘子的技术状态 。 工程实际迫切的需要采用现代化的诊断手段，在 使用的条件下能够详细地检测瓷制件机械力学状 态的原理和技术方法。
3、 一、项目背景 用振动声学方法进行绝缘子刚度（力学性 能）检测，这时要么检测自由振荡频率， 要么检测绝缘子振动的谐振频率，按绝缘 子振动频谱评价其强度。 支柱绝缘子保持其机械强度的基本准则是 其特征频率在时间上的不变化特质，我们 可以通过评估支柱绝缘子对激励声波的反 应频谱来确定支柱绝缘子是否已经损坏。一、项目背景 首先来讨论使用振动声学方法诊断支柱式绝缘子的正确性 、合理性。为此，讨论运行中绝缘子的机械载荷与绝缘子 振动特性的关系，再讨论绝缘子的受迫振动。 运行过程中支柱式绝缘子受到风力载荷和断路器切换时产 生的载荷，风力载荷导致绝缘子弯曲载荷，断路器切换导 致绝缘子扭曲的载荷。 柱形装置里
4、归纳出来的各项机械应力函数和柱形装置的那 些固有自有振动频率相同的自变量，由此可得出结论，柱 形装置（绝缘子）的机械强度和它的频率特性紧密相关。 我们来研究弯曲时强度的变化和绝缘子频率特性的关系， 对于瓷材质，和任何别的材质一样，均有应力极限，超过 这个极限会导致结构的破坏（极限强度）。对应极限强度 的力叫做极限载荷。我们可以推导出绝缘子固自有振动频 率和极限载荷的关系。 二、国内外研究水平综述 在80年代，人们就已经开始研究振动声学检测技 术了。振动声学检测技术是和红外、紫外探测技 术几乎是齐头并进发展起来电力设备检测技术， 但是当时红外、紫外探测技术走在了前面。直到 2000年以后，俄罗斯
5、率先开发出了振动声学检测 设备，振动声学检测也因此而获得广泛的应用。 高灵敏度、低噪声是振动声学检测技术的关键。 而俄罗斯研究的最新振动声学检测设备，它具有 响应速度快，抗电磁干扰能力强、体积小、重量 轻且供电电路简单、可方便与PC机通讯等特点。二、国内外研究水平综述 振动声学检测原理由俄罗斯电力专家于 最早发现 并应用于电力系统支柱绝缘子检测，因此该设备 集中了近 20 年的专业使用经验并形成了一套完 整的检测规范和方法，附有详实具体的操作方法 指导，除原理阐述外，检测前的准备、组织和技 术措施、操作程序、检测误差及其消除方法、判 断标准、检测结果总结等也尽收其中。 振动声学检测目前在我国仍
6、处于空白阶段，没有 成形的理论指导和实践基础，也没有成形的仪器 设备，需要开展一系列的研究工作。 三、振动声学检测原理支柱绝缘子的损伤状况可以按照其机械强度 即承载能力（支柱绝缘子破坏时的最小受 力）来判断，而支柱绝缘子的机械强度值 可以通过对绝缘子施加的一定频率激励声 波，评估绝缘子随机械振动作用的反应功 率频谱加以判断。 三、振动声学检测原理 支柱绝缘子的承载能力或发生破坏极限载 荷，按照以下公式计算： P1/P0=(1/0)2 其中：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； 0-未破损的绝缘子的振动反应频谱 的中心频率； 1-破损的绝缘子的振动反应频谱的 中心频率
7、； 四、分步试验1激励随机振动噪音信号频谱 激励随机振动噪音信号频谱 结论 激发的原始声波时域信号 是随机的杂乱噪声信号； 激发的原始声波信号频谱 几乎是一条直线 从激发的原始声波信号频 幅响应曲线上看，信号的 频率为1000Hz10000 Hz,符合检测要求。 四、分步试验2接收随机振动噪音信号频谱 激励随机振动噪音信号频谱 接收的原始声波时域 信号是随机的杂乱噪 声信号； 接收的原始声波信号 频谱几乎是一条直线 从接收的原始声波信 号频幅响应曲线上看 ，信号的频率为 900Hz11000 Hz,符 合检测要求。 四、分步试验3 接收随机振动噪音信号频谱接收随机振动噪音信号频谱接收随机振动噪
8、音信号频谱接收随机振动噪音信号频谱接收随机振动噪音信号频谱四、分步试验4不同种类裂纹的振动声学检测信号分析 110 Kv（11万伏）室外配电设备正常绝缘子振动功率谱密度评定图 不同种类裂纹的振动声学检测信号分析不良状况的绝缘子（单项值报废）。 底法兰有缺陷（损伤）的绝缘子，在振动功率谱密度图 上，除了频率4500赫芝的基本（决定性的）峰外，还有 在1000-3000赫芝频率区域的峰值 不同种类裂纹的振动声学检测信号分析顶部法兰有缺陷（损伤）的绝缘子，在振动功率 谱密度图上，除了频率4500赫芝的基本（决定性 的）峰外，还有在8000-10000赫芝频率区域的峰 值 不同种类裂纹的振动声学检测信
9、号分析室外配电设备不良状况绝缘子振动功率谱密度评定图。 缺陷出在底部法兰区域 不同种类裂纹的振动声学检测信号分析110 Kv（11万伏）室外配电设备，在上 部法兰区域有裂纹的绝缘子振动功率谱 密度评定图 不同种类裂纹的振动声学检测信号分析绝缘子的振动功率谱密度图，当每昼夜平均温度从正过渡到负时 ，在底部法兰区域出现了显著的损伤，该绝缘子的承载能力减少 9倍 变电站内支柱绝缘子振动声学检测按照测量结果建立评估支柱绝缘子的机械 强度状况准则。未破损的绝缘子在激励声 波频率范围内的测量反应频谱只有一个最 大值应出现在激励频率左右；而破损的绝 缘子在激励声波频率范围内的测量反应频 谱有多个最大值其中一
10、个应出现在1/2激励 频率左右，一个应出现在1倍激励频率左右 。 振动声学检测检测结果总结与展望振动声学检测也是一种以声波激励物体振动通过检测物体固有频率为 物理基础的一种新型高效率的检测方法，本研究项目是将这种方法应 用到了变电站支柱绝缘子在役损伤检测领域。第一部分主要介绍了立 项背景及绝缘子损伤和事故形势，以及现有无损检测方法的不足，进 而提出了振动声学的检测方法，并从对国内外的研究概况的综述介绍 了该领域内的研究水平和应用状况；第二部分主要介绍振动声学的基 本理论；并以绝缘子的机械载荷与绝缘子振动特性的关系为依据论证 柱形装置（绝缘子）的机械强度和它的频率特性紧密相关 ；第三部分 和第四
11、部分分别从数值计算和实验的角度，阐述了绝缘子的振动在大 多数情况下出现在驻波频率上；.绝缘子底部法兰的振动，当向其加动 态力（非运动力）载荷时，该振动包含绝缘子动态特性的完整信息， 与此同时，绝缘子底部法兰区域有缺陷（裂纹）时，导致出现低于基 础频率的频率分量，而在上部法兰区域有缺陷（裂纹）时-导致出现 高于基础频率的频率分量。第五部分介绍了振动声学检测仪器的构成 、特点及信号的采集与处理；后几部分介绍了实际检测的内容如检测 工艺及现场检测结果等，并得出以下结论:总结与展望1.用振动声学方法进行绝缘子刚度（力学性能）检测，这时要么检测自由振荡频率，要 么检测绝缘子振动的谐振频率，按绝缘子振动频
12、谱评价其强度； 2.柱形装置里归纳出来的各项机械应力函数和柱形装置的那些固有振动频率有相同的自 变量，由此可得出结论，柱形装置（绝缘子）的机械强度和它的频率特性紧密相关。 绝缘子的损坏程度可用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表示 P1/P0=I1/I0=(i1/i0)2, ； 3.研究绝缘子的数学模型能够得出如下结论： 绝缘子的振动在大多数情况下出现在驻波频率上； 绝缘子底部法兰的振动，当向其加动态力（非运动力）载荷时，该振动包含绝缘子动 态特性的完整信息，与此同时，绝缘子底部法兰区域有缺陷（裂纹）时，导致出现低 于基础频率的频率分量，而在上部法兰区域有缺陷（裂纹）时-导致出现高于基础频率 的频率分量。 4.采用的小型便携式振动声学检测仪，体积小、重量轻，性能能够满足绝缘子检测的要 求。 用振动声学方法进行绝缘子刚度（力学性能）检测，这时要么检测自由振荡频率，要 么检测绝缘子振动的谐振频率，按绝缘子振动频谱评价其强度。 应当指出，上述的诊断方法中没有一种能给出全面详尽的、在具体运行条件下的绝缘 子无事故工作的间的长短（寿命）的结论。但每一种方法都有各自的优点，而且正确 地使用每种方法都将是很有益处的。本项目重点研究振动声学方法。
