激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学检测的影响分析_马鹏.pdf

2023年第41卷第2期激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学检测的影响分析马鹏，何予莹，赵刚，杨勇（内蒙古电力（集团）有限责任公司阿拉善供电分公司，内蒙古阿拉善750300）0引言近年来，支柱瓷绝缘子断裂事件频繁发生，已影响电网的安全运行，如何及早检测并发现支柱瓷绝缘子缺陷显得尤为重要。早期采用的试验室检测方法取得了一定效果。但是，支柱绝缘子现场使用量巨大，试验室检测难以满足现场运维需求。为此，国内外诸多学者开展了支柱瓷绝缘子现场无损检测检测技术研究工作，获得了一系列检测新技术，诸如超声波检测1、红外检测2、紫外检测3、振动声学检测4等方法。与超声波、红外、紫外检测技术相比，振动声学检测技术发展较为缓慢5。直到2000年，俄罗斯研制成功首台振动声学检测设备，振动声学检测技术才被认可并获得广泛研究。在国内，赵飞亚等6利用ANSYS Workbench对瓷支柱绝缘子模型进行瞬态分析，验证了检测位置的不同会影响检测结果的准确性；宗方蕊等7探究了激振传感器与接收传感器距离对振动检测结果的影响，给出了激振和拾振传感器的最佳距离。尽管支柱瓷绝缘子缺陷振动声学检测技术取得了一定的研究成果，但该方法还难以满足现场运维需求。将激振器探头按压至支柱瓷绝缘子法兰时，会形成不同的激振角度，导致激振信号作用在法兰上的纵向分量和横向分量发生变化，进而引发不同的振动形式8。为了研究激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学检测的影响，本文通过仿真和试验方法开展激振角度对摘要：为分析激振角对支柱瓷绝缘子振动声学检测结果的影响，利用COMSOL软件平台进行仿真计算和实测研究。结果表明：支柱瓷绝缘子振动信号功率谱取决于纵向振动分量，几乎不受横向振动分量影响，其最大峰值频率随激振角度增大向低频区域移动，0为最佳检测激振角度。为了保证测试的准确性，建议激振角小于10或在检测过程中保持激振角度恒定。关键词：激振角度；支柱瓷绝缘子；振动声学；有限元仿真文献标志码：B中图分类号：TM216文章编号：1008-6218（2023）02-0045-07doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0024基金项目 内蒙古电力（集团）有限责任公司科技项目“基于机器学习的高压支柱瓷绝缘子损伤带电智能诊断技术及系统开发”（2021-47）Analysis of Influence of Excitation Angle on Acoustic Vibration Defect Detection ofPorcelain Post InsulatorsMA Peng,HE Yuying,ZHAO Gang,YANG Yong（Inner Mongolia Electric Power(Group)Co.,Ltd.Alxa Power Supply Branch,Alxa750300,China）Abstract：In order to fully analyze the influence of excitation angle on vibration acoustic test results of porcelain postinsulator,simulation calculation and measurement are carried out using COMSOL software platform.The results show thatthe power spectrum of the vibration signal of the porcelain post insulator depends on the longitudinal vibration component,and the maximum peak frequency moves towards the low frequency region with the increase of the excitation angle,and 0is the optimal detection excitation angle.In order to ensure the accuracy of the test,it is recommended that the excitationangle is less than 10 or kept constant during detection.Key words：excitation angle;porcelain post insulator;vibration acoustic;finite element simulation内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER452023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术支柱瓷绝缘子振动声学检测影响的研究，探究支柱瓷绝缘子振动声学特性随激振角度变化的规律9-14。1振动声学检测理论支柱瓷绝缘子振动声学检测的原理是利用支柱瓷绝缘子机械强度保持不变的基本准则（即征频率在时间上不发生变化）用振动声学方法进行绝缘子刚度（力学性能）检测，通过检测绝缘子激励声波的反应频谱，分析其特征频率变化，实现绝缘子强度评价，进而确定支柱瓷绝缘子是否已经损坏或存在缺陷。支柱瓷绝缘子振动以纵向振动和横向振动为主。纵向振动的数学表达式为：EF2ux2+F2ut2=q()x,t，（1）式中：u为瓷柱的纵向位移。E为瓷绝缘体材料的弹性模量；为瓷绝缘体部分的相对密度；F为绝缘子横截面面积；q()x,t为激励力。横向振动的数学表达式为：I0()x,tx2-G()x,tt2=f()x,t，（2）式中：I0为单位长度的转动惯量；()x,t为瓷柱横截面扭转角；G为瓷柱材料的扭转刚度；f()x,t为激励力矩。可以通过有限元分析获得支柱瓷绝缘体固有频率和振型。有缺陷的支柱瓷绝缘子结构刚度与无缺陷状态不同，振动频谱会发生较大变化。当绝缘子某个截面发生损伤时，其截面惯性矩发生改变，进而引起各阶固有频率发生改变。因此，可以通过固有频率的变化判断绝缘子是否发生损伤。2仿真建模及参数设置本文基于COMSOL平台对支柱瓷绝缘子振动声学检测进行有限元建模。有限元建模选取型号为ZS-35/400的支柱瓷绝缘子，其结构分为上法兰、下法兰和瓷柱本体三部分，上法兰、下法兰各配有4个安装孔，各部分之间采用水泥胶合剂胶接，其结构参数见表1。2.1仿真建模为了深入分析仿真计算效果，针对无缺陷支柱瓷绝缘子、缺陷支柱瓷绝缘子分别进行COMSOL软件的有限元仿真建模。缺陷为深10 mm、宽1 mm的裂纹状缺陷，位于支柱绝缘子上下部直线段。建模过程中，采用自由四面体网格，网格单元设置最大为10 mm，最小为0.1 mm，单元格最大增长速率为1.5。具体仿真模型如图1图3所示。2.2参数设置支柱瓷绝缘子的上下法兰、瓷柱本体结构以及表1ZS-35/400型支柱瓷绝缘子结构参数Tab.1 Structural parameters of ZS-35/400 porcelainpost insulator参数高度/mm伞裙数/个上伞面倾斜角/（）数值400620参数下伞面倾斜角/（）伞裙直径/mm伞根直径/mm数值014686图1无缺陷支柱瓷绝缘子有限元仿真模型Fig.1 Finite element simulation model of porcelain postinsulator without defects（a）剖视图上法兰上部水泥胶合剂瓷绝缘体下部水泥胶合剂下法兰（b）侧视图（c）网格抛分图2缺陷（长10 mm，深1 mm）位于下部直线段的支柱绝缘子有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model of porcelain postinsulator with defects(10 mm long,1 mm deep)located in the lower linear segment（a）缺陷设置主视图（b）缺陷设置左视图462023年第41卷第2期马鹏，等：激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学检测的影响分析胶接采用的水泥胶合剂的材料包括铸铁、陶瓷和水泥。在COMSOL平台进行支柱瓷绝缘子振动声学仿真设置各个结构的材料力学参数如表2所示。2.3物理场及边界条件设置支柱瓷绝缘子振动声学仿真计算属于瞬态力学仿真，在 COMSOL 平台中设置为固体力学物理场。在支柱瓷绝缘子实际安装过程中，支柱瓷绝缘子下法兰通过螺栓与基座连接，可以将支柱瓷绝缘子下端4个螺栓孔处设置为螺栓约束；支柱瓷绝缘子上法兰连接的输电线对绝缘子作用力较小，可以将支柱瓷绝缘子上端设置成自由边界。2.4激振信号设置支柱瓷绝缘子振动声学仿真涉及瞬态力学计算，瞬态激振信号采用白噪声。由于激振信号持续时间较短，只能通过构建近似的带限白噪声功率密度谱，将其反演构造逼近白噪声的激振信号。构造原理为：将功率在频域上均匀分布的功率密度谱构造成双边功率密度谱，利用随机数产生随机相位，经傅里叶反变换得到时域共轭信号，提取实部获得激振信号。本文所用激振信号构造过程在MATLAB软件中实现，激振信号带宽为110kHz，时长为0.2s，其时域信号及功率谱如图4所示。将MATLAB平台构造的激振信号导入COMSOL平台作为瞬态分析的激振载荷15-19。3仿真计算及结果分析3.1仿真计算支柱瓷绝缘子振动声学检测过程中，激振角一般小于30，如图5所示。为了分析激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学缺陷检测结果的影响，以求取最佳激振角度，以10为间隔选择激振角，即在激振角分别为0、10、20、30时进行振动声学检测仿真计算，图 1图 3 所示模型仿真计算结果见图6图8。选取振动信号功率谱最大峰值频率作为判别绝缘子是否存在缺陷的关键要素，则图6图8振动信号的最大峰值频率如表3所示。为了确保仿真精度，将求解器时间步进设置为精确计算。同时，参考运行中的支柱瓷绝缘子，其可供振动声学检测激振载荷加载的区域仅为绝缘子下法兰边缘位置，仿真计算时激励载荷加载位置选择支柱瓷绝缘子下法兰边缘，如图9所示。3.2计算结果分析分析图6图8以及表3所示ZS-35/400型支柱瓷绝缘子振动声学检测仿真计算结果，可得如下结论。（1）激振角等于0时，无缺陷绝缘子固有的振动信号频谱的最大峰值频率为3639 Hz。依次类图4划分网格后的ZS-35/400支柱瓷绝缘子模型Fig.4 ZS-35/400 porcelain post insulator modelafter grid division（a）时域信号503010-10-30-5000.050.10.150.2时间/s信号幅值/g（b）功率谱1.210.80.60.40.200123456789 10 11频率/kHz功率谱幅值/（g2 Hz-1）表2支柱瓷绝缘子材料力学参数Tab.2 Mechanical parameters of porcelain postinsulator materials材料铸铁陶瓷水泥密度/kgm-37.81032.51032.3103杨氏模量/Pa2.010118.010102.61010泊松比0.300.310.30图3缺陷（长10 mm，深1 mm）位于上部直线段的支柱绝缘子有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model of porcelain postinsulator with defects(10 mm long,1 mm deep)locatedin the upper linear segment（a）缺陷设置主视图（b）缺陷设置左视图472023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术推分析，缺陷位于下部直线段的支柱瓷绝缘子，其固有的振动信号频谱的最大峰值频率为3634 Hz；缺陷位于上部直线段的支柱瓷绝缘子，其固有的振动信号频谱的最大峰值频率为3674 Hz。（2）激振角等于0时，绝缘子振动均以高频模态为主，与其固有频率模态振动基本一致