一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法
阅读：244发布：2022-12-22
专利汇可以提供一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹 缺陷 的方法，属于电气设备在线监测与状态检修技术领域。该方法根据被测元件尺寸，确定测量点数， 选定 测量装置；针对支柱瓷绝缘子的断裂高发部位，进行电位值测量；根据电位值，计算 电场 强度的轴向分量，并绘制出曲线组图；根据电场曲线图，对缺陷进行 定位 ，分析劣化程度并得出结论。本 发明 有目的地进行维修，可提高维修 水 平，使设备运行更加安全、可靠；降低备件的库存量，以及更换部件与维修所需 费用 。本发明作为支柱瓷绝缘子在线检测方法的新的补充，完善了状态检修的方法机制。对于支柱瓷绝缘子表面裂纹的检测具有高 分辨率 、高灵敏度等优点，可广泛应用于高压交、直流输变电工程中的支柱瓷绝缘子检测。，下面是一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法专利的具体信息内容。
一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法
技术领域
[0001] 一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，属于电气设备在线监测与状态检修技术领域。
背景技术
[0002] 变电站户外支柱瓷绝缘子是支承高压母线和高压电器带电部件的绝缘支柱，它使带电体与接地体之间机械上连接而电气上绝缘，是变电站运行的重要组成设备。电力系统输变电装置都大量使用了支柱瓷绝缘子。支柱瓷绝缘子是经高温烧结而成的陶瓷制品，属于脆性材料，韧性极低，因此往往存在产品制造质量问题，如内部陶瓷材料的疏松、内部及表面裂纹等，再则变电站中的支柱瓷绝缘子常年暴露在空气中，承受较大负载，工作环境十分恶劣，受外界影响因素很多，例如大风、雨雪、覆冰、日晒、母线振动等。如果支柱瓷绝缘子存在微小缺陷，在上述因素的影响下，缺陷发展恶化就有可能造成瓷绝缘子的破坏，从而酿成重大事故。
[0003] 由于支柱瓷绝缘子断裂事故一旦发生，会使高压母线（或是高压隔离开关）中间一段距离失去支撑，而且重新更换支柱瓷绝缘子比较复杂，往往造成大面积、长时间停电；同时，随着电网容量的增大，大型电厂、变电所和高电压大容量交、直流输电线路日益增多，由断裂事故造成的损失也越来越大。显然，随着经济和生产的迅速发展，环境污染不断加剧，气候变化幅度增大，相应地支柱瓷绝缘子断裂的隐患会有所加剧，一旦发生事故造成的损失也会更加巨大。同时，断裂事故往往波及多条线路和多个变电站，造成大面积停电。因此，支柱瓷绝缘子断裂事故已成为电网安全运行的严重威胁。即时准确检测出在役支柱瓷绝缘子的缺陷情况，避免断裂事故的发生，提高输电系统运行的可靠性，已经成为超高压、高压输变电技术中非常重要的课题。
[0005] （1）红外成像法。红外热像技术就是对被检测物体的温度分布进行成像处理，使其热的二维分布成为二维可视图像，人们可以根据热场分布的变化来对被检测设备的性能好坏进行诊断。红外成像检测方法的优点有：非接触检测，可在地面进行或是航空检测，相对于一个一个的接触式检测，热像检测法可以对多个绝缘子成像，检测高效、安全。此方法的缺点有：仪器造价高；观测角度问题（变电站里尤为明显）；测试过程中易受到环境温度、阳光、大气、潮气等因素的影响。
[0006] （2）紫外成像法。支柱瓷绝缘子发生劣化时，可能引起局部电晕放电。因为电晕放电会发射出波长范围在230～405nm范围内的紫外线，所以根据表面电晕放电时产生的光辐射的强度，可以知道绝缘子的性能好坏。紫外成像检测方法的优点有：非接触检测，可在地面进行或是航空检测，相对于一个一个的接触式检测，可以对多个绝缘子成像，检测高效、安全。此方法的缺点有：仪器造价高，观测角度问题（变电站里尤为明显），测试过程中易受到环境因素的影响，不能很好地反应内部缺陷。另外，由于支柱瓷绝缘子的上部感应电压高，而下端法兰相交处感应电压非常低，且裂纹又可能埋藏在法兰内近表面，因此无法利用感应电压达到检测目的。
[0007] （3）振动声学法。任何结构都可以看作是由刚度、质量、阻尼矩阵组成的力学系统。结构一旦出现损伤，结构参数也随之发生改变，从而导致系统的频响函数和模态参数的改变。由于柱形装置的各项机械应力函数和其固有自有振动频率具有相同的自变量，故而可知支柱绝缘子的机械强度和它的频率特性紧密相关。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，故而可以通过评估支柱绝缘子对振动声波的反应频谱来确定支柱绝缘子是否已经损坏。但是目前该方法对于检测的灵敏度和准确性并没有相关研究的支撑，并且在现场应用的抗干扰能力也有待进一步的研究。
[0008] （4）超声波法。针对支柱绝缘子发生裂纹或是断裂等情况，可采用超声法对在役瓷绝缘子进行检测。支柱瓷绝缘子是经高温烧结成的产品，瓷质致密，透声性能和声速与钢近似。经实测，支柱瓷绝缘子的径向纵波声速为5810m/s，轴向纵波声速为6100m/s，横波声速为：3400m/s。支柱瓷绝缘子对超声波的衰减较小，适宜选用超声波进行检测。小角度纵波与爬波相结合的探伤工艺，能够检出在役支柱瓷绝缘子表面和内部缺陷，确保检测的有效性和可靠性。但它属于局部损伤检测法，受操作者熟练程度和经验的影响较大，另有研究者发现，超声波在支柱绝缘子探伤检测中存在误判的现象。这主要是因为超声波以小角度进入瓷体后不是绝对直线传播，而是呈纺锤形传播。由于探头距离瓷砂较近，部分超声波外缘可能会遇到瓷体上的瓷砂，或瓷砂与瓷砂之间的间隙，出现类似缺陷波的反射波形，从而使探伤者误认为是绝缘子内部缺陷。
[0010] 发明目的：为电网公司提供一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法——电场法。该方法具有高分辨率、高灵敏度的特点，可以实现对在役支柱瓷绝缘子的无损检测。以便于电网公司实际应用为宗旨，以有效检出设备缺陷、降低故障损失及次生损失为目的，最终提高电网公司状态检修效率。
[0011] 电场法是通过检测沿支柱瓷绝缘子轴向的电场分布，并与正常电场分布比较，来检测绝缘子的性能好坏。
[0012] 一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，
[0013] （1）电场法的有效性
[0014] 电场法可以应用于检测支柱瓷绝缘子的表面裂纹缺陷，这在方法论上利用有限元方法给出了可行性验证。有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，它的基本思路是把求解域离散成有限个互不重叠的单元，在每个单元内选择一些合适的节点作为插值点，然后把待求偏微分方程中的因变量改写成依据节点上的值的插值函数组成的线性方程组，从而可以通过适当的数值方法求解得到所需的解。以西瓷公司的户外棒形支柱瓷绝缘子ZSW-126/6K-3为例。建立三维模型如图1所示。图1是支柱瓷绝缘子三维模型示意图。
[0015] 该三维工频电场模型满足公式（1），设置合适的工频电场边界条件进行求解运算。
[0016]
[0017] 根据对支柱瓷绝缘子的无损检测要求，必须在裂纹扩展速率处于慢速裂纹扩展区时，检测出来。即无损检测灵敏度必须发现最高应力下的最小临界尺寸。根据断裂力学的理论分析支柱瓷绝缘子的断裂过程，可以计算出该支柱绝缘子的最小临界尺寸约为5mm。因此在瓷柱上设置一个深度为5mm，宽度为1mm的裂纹，来比较其对电场分布的影响。图2是裂纹对绝缘支柱外沿电场分布的影响示意图。其中，图（a）是实物示意图。图（b）是电场强度为距绝缘支柱伞裙外沿的5mm处空间电场的轴向分量（电场分布）示意图。从图2可知，从沿着绝缘支柱轴向上的整体电场分布来看，裂纹对于靠近缺陷一侧电场分布的影响很小。但是从局部分析电场分布，如图3所示（图3是裂纹对局部电场的影响示意图，其中，（a）靠近上法兰的瓷柱表面裂纹实物示意图，（b）为（a）靠近上法兰的瓷柱表面裂纹对局部电场的影响（电场分布图）示意图；（c）为靠近下法兰的瓷柱表面裂纹实物示意；（d）为（c）靠近下法兰的瓷柱表面裂纹对局部电场的影响（电场分布）示意图。其中，图中电场强度为实物图中加粗黑线位置空间电场的轴向分量。），与正常时的电场相比，局部上裂纹处电场强度会有明显的增大。从仿真示例来看，定量分析一个深度为5mm，宽度为1mm的裂纹对局部电场的畸变影响为100%～200%，这种影响可以测量出来。在技术上能够实现对事故高发部位的局部电场测量，则该方法对于在役支柱瓷绝缘子的检测将是有效的。
[0018] （2）电场法的灵敏度
[0019] 既然电场法可以应用于支柱瓷绝缘子表面裂纹的检测，那么该方法的灵敏度需要进一步分析。采用人工切槽来分别研究表面裂纹的深度与宽度对电场轴向分量的影响情况，并且采用人工的近表面球型孔隙分析近表面孔隙型缺陷对电场分布的影响。考虑实际瓷体裂纹与人工切槽相比，其开口细小，裂纹尖端更细小，也无人工切槽平直光滑。产品烧结过程中形成的孔隙也和人工制作的有很大的区别，实际孔隙的形状极其复杂，分布有很大的随机性。因此现场方法应用时，需设计制作系列模拟试块，如表面自然裂纹，烧结裂纹（在坯样上预制裂纹再烧结），以及瓷体内部缺陷等。通过对系列模拟试块的电场轴向分量的测量，来校验该方法的分辨率及灵敏度。
[0020] 1）裂纹宽度为1mm时，深度分别为1mm、3mm、5mm的系列模型，进行仿真计算的结果如图4所示。与良好绝缘支柱的电场相比，裂纹处电场的畸变率（畸变率=(缺陷情况下的电场畸变最大值-良好情况下的电场值)/良好情况下的电场值，计算时均采用电场强度的轴向分量）分别为75%、135%、190%。即裂纹越深对电场分布的影响越大，也越容易检测出裂纹缺陷。（图4是裂纹深度对电场分布的影响示意图。其中，图中电场强度为轴向分量数值。）
[0021] 2）裂纹深度为1mm，宽度分别为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm时，进行仿真计算的结果如图5所示。与良好绝缘支柱的电场相比，裂纹处电场的畸变率（畸变率= 缺陷情况下的电场畸变最大值/良好情况下的电场值，计算时均采用电场强度的轴向分量）分别为150%、116.67%、108.33%、75%。即裂纹宽度越小对电场分布的影响越大，也越容易检测出裂纹缺陷。（图5是裂纹宽度对电场分布的影响示意图。其中，图中电场强度为轴向分量数值。）[0022] 3）近表面的孔隙型缺陷，直径为2mm的球型孔隙，距离表面的距离分别0.5mm、
1mm。仿真分析结果如图6图所示，与良好绝缘支柱的电场相比，电场的畸变率（畸变率= 缺陷情况下的电场畸变最大值/良好情况下的电场值；计算时均采用电场强度的轴向分量）分别为15.79%、可以忽略不计。表明：电场法仅对非常靠近表面的孔隙型缺陷可检测，但是灵敏度较低。（图6是近表面孔隙型缺陷对电场分布的影响。其中，图中电场强度为轴向分量数值。）
1mm。仿真分析结果如图6图所示，与良好绝缘支柱的电场相比，电场的畸变率（畸变率= 缺陷情况下的电场畸变最大值/良好情况下的电场值；计算时均采用电场强度的轴向分量）分别为15.79%、可以忽略不计。表明：电场法仅对非常靠近表面的孔隙型缺陷可检测，但是灵敏度较低。（图6是近表面孔隙型缺陷对电场分布的影响。其中，图中电场强度为轴向分量数值。）
[0023] （3）电场法的抗干扰性
[0024] 在现场复杂的工频电磁场环境下，实现电场法测量，很容易受到干扰。然而支柱瓷绝缘子的一个水平圆周上的各处的电磁场环境是基本一致的，若在瓷柱的一个水平圆周上选取测量点，沿着轴向进行同步测量，并将最终的结果相对比较，则可以消除现场复杂的电磁场干扰。仿真结果如图7所示，在一个水平圆周上选取四个测量点，相对比较可以明显判断出红色线对应的裂纹缺陷所在。（图7是抗干扰性的实现原理图。）
[0025] （4）电场法的实现步骤
[0026] 由于直接测量电场并不容易实现，因此首先在测量区域的一端贴近绝缘支柱表面固定一个均压环，将环绕绝缘支柱的一个水平圆周等电位并作为参考电位。其次，选取测量点的个数。以上述支柱瓷绝缘子为例，根据断裂力学计算，110kV电压等级下支柱瓷绝缘子的最小临界裂纹的尺寸：深度为5mm，可以得出裂纹长度为56mm，那么圆周上探针个数应为16个，才能保证圆周上的测量精度。
[0027] 然后，沿着轴向进行电位值的测量，为保证测量精度，可以选用高频率计数器，例如步进值为0.1mm甚至更小，记录相对电位值。需要说明的是，在测量电位值时需要使用互感器。最后，根据记录的电位值计算出电场强度的轴向分量值，绘制出曲线。根据电场轴向分量曲线图可以对缺陷进行定位，并对劣化程度进行判断，得出结论。具体的实现步骤如图8所示.
[0028] 一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，该方法步骤为：
[0030] (2)针对支柱瓷绝缘子的断裂高发部位（如下法兰到第一伞裙之间），进行电位值测量；
[0031] (3)根据电位值，计算电场强度的轴向分量，并绘制出曲线组图；
[0032] (4)根据电场曲线图，对缺陷进行定位；分析劣化程度；得出结论。
[0033] 发明的效果：电场法作为一种新的支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的在线检测方法，对于支柱瓷绝缘子表面裂纹的检测具有高分辨率、高灵敏度等优点，可广泛应用于高压、特高压的交、直流输变电工程中的支柱瓷绝缘子检测。
[0034] 该方法作为支柱瓷绝缘子在线检测方法的新的补充，完善了状态检修的方法机制。具有以下优点：
[0035] (1)有目的地进行维修，可提高维修水平，使设备运行更加安全、可靠；
[0037] 图1是支柱瓷绝缘子三维模型示意图。
[0038] 图2是裂纹对绝缘支柱外沿电场分布的影响示意图。其中，图（a）是实物示意图。图（b）是电场强度为距绝缘支柱伞裙外沿的5mm处空间电场的轴向分量（电场分布）示意图。
[0039] 图3是裂纹对局部电场的影响示意图，其中，（a）靠近上法兰的瓷柱表面裂纹实物示意图，（b）为（a）靠近上法兰的瓷柱表面裂纹对局部电场的影响（电场分布图）示意图；（c）为靠近下法兰的瓷柱表面裂纹实物示意；（d）为（c）靠近下法兰的瓷柱表面裂纹对局部电场的影响（电场分布）示意图。其中，图中电场强度为实物图中加粗黑线位置空间电场的轴向分量。
[0040] 图4是裂纹深度对电场分布的影响示意图。其中，图中电场强度为轴向分量数值。
[0041] 图5是裂纹宽度对电场分布的影响示意图。其中，图中电场强度为轴向分量数值。
[0042] 图6是近表面孔隙型缺陷对电场分布的影响。其中，图中电场强度为轴向分量数值。
[0043] 图7是抗干扰性的实现原理图。
[0044] 图8是本发明步骤流程图。
[0045] 图9是实施例1的数据示意图。
[0046] 图10是实施例2的数据示意图。
具体实施方式
[0047] 下面结合具体实施例进一步说明本发明。
[0048] 图8是本发明步骤流程图。一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，该方法步骤为：
[0049] （1)根据被测元件尺寸，确定测量点数，选定测量装置;
[0050] （2）针对支柱瓷绝缘子的断裂高发部位（如下法兰到第一伞裙之间），进行电位值测量；
[0051] （3）根据电位值，计算电场强度的轴向分量，并绘制出曲线组图；
[0052] （4）根据电场曲线图，对缺陷进行定位；分析劣化程度；得出结论。
[0053] [实施例1]
[0054] 一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，在测量区域的一端贴近绝缘支柱表面固定一个均压环，将环绕绝缘支柱的一个水平圆周等电位并作为参考电位。该方法应用电场法原理来检测高压支柱瓷绝缘子的表面裂纹缺陷，本案例对变电站内支撑高压母线的110kV支柱瓷绝缘子进行检测，主要是下法兰与第一伞裙之间的瓷柱表面的检测。方法步骤如下：
[0055] （1）根据被测元件尺寸，110kV支柱瓷绝缘子的测量点数，即探针个数为16个；选用电阻分压杆装置进行电位测量。
[0056] （2）16个探针沿瓷柱表面进行轴向测量，得出瓷柱表面对地电位值，记录数据。
[0057] （3）根据测量到的电位数据，计算沿瓷柱表面的空间电场的轴向分量值；
[0058] （4）绘制电场分布曲线如图9所示，图9是实施例1的数据示意图，其中一组电场数据畸变严重，其他数据大致相似，因此在图中只用两条曲线进行表示。从图中可以判断得出，裂纹位置在距下法兰5mm处，电场畸变率超过200%，应发出警告，及时对该支柱瓷绝缘子进行故障处理。
[0059] [实施例2]
[0060] 一种检测在役支柱瓷绝缘子裂纹缺陷的方法，该方法在测量区域的一端贴近绝缘支柱表面固定一个均压环，将环绕绝缘支柱的一个水平圆周等电位并作为参考电位。该方法应用电场法原理来检测高压支柱瓷绝缘子的表面裂纹缺陷，本案例对变电站内支撑高压母线的110kV支柱瓷绝缘子进行检测，主要是下法兰与第一伞裙之间的瓷柱表面的检测。检测步骤如实施例1所示，最后绘制出电场分布曲线如图10所示，图10是实施例2的数据示意图，同样用两条曲线进行表示。判断得出，在距下法兰20mm处的电场的畸变率不超过
30%，不属于严重缺陷，没有必要做出应急处理，但是应该缩短对其检测检测周期。
30%，不属于严重缺陷，没有必要做出应急处理，但是应该缩短对其检测检测周期。
[0061] 本发明对于支柱瓷绝缘子表面裂纹的检测具有高分辨率、高灵敏度等优点，可广泛应用于高压、特高压的交、直流输变电工程中的支柱瓷绝缘子检测。本发明作为支柱瓷绝缘子在线检测方法的新的补充，完善了状态检修的方法机制，具有优点：（1）有目的地进行维修，可提高维修水平，使设备运行更加安全、可靠；（2）降低备件的库存量，以及更换部件与维修所需费用。
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