2023, Vol. 41
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：
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(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；ρ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：
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(2) |
式中：I0为单位长度的转动惯量；θ(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。
| 表 1 ZS-35/400型支柱瓷绝缘子结构参数 Table 1 Structural parameters of ZS-35/400 porcelain post insulator |
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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。
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| 图 1 无缺陷支柱瓷绝缘子有限元仿真模型 Figure 1 Finite element simulation model of porcelain post insulator without defects |
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| 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 Figure 2 Finite element simulation model of porcelain post insulator with defects (10 mm long, 1 mm deep) located in the lower linear segment |
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| 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 Figure 3 Finite element simulation model of porcelain post insulator with defects (10 mm long, 1 mm deep) located in the upper linear segment |
支柱瓷绝缘子的上下法兰、瓷柱本体结构以及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。
| 表 2 支柱瓷绝缘子材料力学参数 Table 2 Mechanical parameters of porcelain post insulator materials |
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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1~10 kHz，时长为0.2 s，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]。
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| 图 4 划分网格后的ZS-35/400支柱瓷绝缘子模型 Figure 4 ZS-35/400 porcelain post insulator model after grid division |
支柱瓷绝缘子振动声学检测过程中，激振角θ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。
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| 图 5 支柱瓷绝缘子振动声学检测激振角示意图 Figure 5 Schematic diagram of vibration acoustic detection of porcelain post insulator |
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| 图 6 无缺陷支柱瓷绝缘子振动声学检测仿真计算结果 Figure 6 Simulation results of porcelain post insulator vibration acoustic detection without defects |
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| 图 7 缺陷位于下部直线段的支柱瓷绝缘子振动声学检测仿真计算结果 Figure 7 Simulation results of porcelain post insulator vibration acoustic detection with defects located in the lower linear segment |
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| 图 8 缺陷位于上部直线段的支柱瓷绝缘子振动声学检测仿真计算结果 Figure 8 Simulation results of porcelain post insulator vibration acoustic detection with defects located in the upper linear segment |
| 表 3 绝缘子仿真计算振动信号频谱的最大峰值频率 Table 3 Maximum peak frequency of insulator simulated calculation vibration signal |
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| 图 9 仿真计算时激振信号加载示意图 Figure 9 Schematic diagram of excitation signal loading during simulation |
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θ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θ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。随着激振角θ增大，低频模态振动占比增大，高频模态振动占比减小。当θ为30°时，振动以低频模态为主。
（3）激振角θ为10°时，激发出来的绝缘子振动主导模态仍为高频模态且振动信号频谱的最大峰值频率与其固有的最大峰值频率一致；激振角θ为20°时，绝缘子振动信号频谱的最大峰值频率低于其固有的最大峰值频率。因此，支柱瓷绝缘子振动声学检测激振角θ尽可能小于10°。如果受检测环境限制，夹角θ大于10°，必须采用辅助装置确保所有的振动声学检测在同一激振角θ下进行，同一型号支柱瓷绝缘子振动声学检测在同一振动模态分析[20-21]。
（4）支柱瓷绝缘子纵向振动分量频谱与自身振动信号频谱变化趋势相近，这说明支柱瓷绝缘子振动信号频谱取决于纵向振动分量，与横向振动分量关联性较小。
4 试验研究为了验证仿真结果的有效性，分别制作了ZS-35/400型无缺陷和带有缺陷支柱瓷绝缘子，绝缘子缺陷设置与仿真模型一致，如图 10所示。同时，模拟现场运行环境，搭建ZS-35/400型支柱瓷绝缘子振动声学检测试验平台，在激振角θ分别为0°、10°、20°、30°时进行实测验证，施加激励方式如图 11所示。绝缘子振动信号功率谱的最大峰值频率实测结果如表 4所示。
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| 图 10 支柱绝缘子下部直线段和上部直线段 Figure 10 Lower and upper straight line segments of porcelain post insulator |
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| 图 11 探头与支柱瓷绝缘子轴线夹角 Figure 11 Included Angle between probe and porcelain post insulator axis |
| 表 4 绝缘子实测振动信号频谱的最大峰值频率 Table 4 Maximum peak frequency of measured vibration signal spectrum of insulator |
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对比表 3、表 4所示结果可以看出：虽然支柱瓷绝缘子振动信号功率谱最大峰值频率的仿真和实测结果存在差异，但是实测结果与仿真分析结果基本一致。其中，激振角θ不大于10°时，各工况绝缘子振动信号的最大峰值频率与其固有的最大峰值频率一致；当激振角θ等于20°或30°时，存在缺陷的绝缘子振动信号的最大峰值频率远低于固有的最大峰值频率。
5 结束语通过仿真和试验，研究分析了激振角度对支柱瓷绝缘子振动声学检测的影响。形成结论如下：
（1）无论支柱绝缘子存在何种类型缺陷，振动信号功率谱的最大峰值频率都随着激振角增大向低频区域移动，即主导振动模态由高频模态变为低频模态。这种峰值频率移动现象在激振角度大于10°时尤为明显。在实际应用中，应尽量确保激振角度小于10°。如果激振角度大于10°，必须采用辅助装置保证所有的检测在相同的激振角下进行。
（2）支柱瓷绝缘子振动信号频谱取决于纵向振动分量，几乎不受横向振动分量影响，从振动能量转换角度可以认为，0°是最佳检测激振角度。
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