电场法在支柱绝缘子检测中的应用探讨

【摘 要】本文以瓷支柱绝缘子为研究对象，首先分析了瓷支柱绝缘子的常见缺陷，然后对比了超声波、紫外成像法、共振声学等目前常见的支柱绝缘子缺陷检测方法的优劣性。最后通过有限元仿真分析了电场检测法用于瓷支柱绝缘子缺陷检测的可行性，并基于电场检测原理提出了适用于瓷支柱绝缘子缺陷检测的应用方案。

【关键词】支柱瓷绝缘子；电场法；缺陷检测

中图分类号： TM216.1 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）28-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.28.012

【Abstract】In this paper， the post porcelain insulators are taken as the research object， the common defects of porcelain post porcelain insulators are analyzed firstly. Then the advantages and disadvantages of the common porcelain post porcelain defect detection methods such as ultrasonic， ultraviolet imaging and resonance acoustics are compared. Finally， the feasibility of electric field detection method for defect detection of porcelain post insulators is analyzed by finite element simulation， an application scheme for defect detection of porcelain post insulators is proposed based on electric field detection.

【Key words】Post Porcelain Insulators； Electric field method； Defect detection

1 支柱绝缘子的特性

1.1 支柱绝缘子

瓷绝缘子是电网系统的重要组成设备，起着支撑导线、断路器和高压开关作用。绝缘子在运行中受着电、热和机械应力及实际工作环境的影响，性能会逐渐下降、劣化。如果不及时发现支柱绝缘子各种裂纹及机械强度降低等缺陷，可能导致电力设备发生故障引发突发性的电力事故。因此，及时发现支柱绝缘子在运行中出现的缺陷是避免事故发生的关键。瓷支柱绝缘子主要是由分布在玻璃状基体里的刚玉、莫来石、石英和长石等组成，基体与石英粒子线膨胀系数不同，导致瓷件内部容易出现微裂纹缺陷。由于陶瓷材料是典型的脆性材料，裂纹非常容易扩展从而导致严重的后果。

1.2 支柱绝缘子的常见缺陷

支柱瓷绝缘子在运行中承受电、热和机械应力以及恶劣的工作环境，其性能会逐渐下降、劣化，裂纹是导致瓷绝缘子机械性能下降而失效的最主要、最危险的缺陷。大量研究表明，支柱瓷绝缘子在运行和操作中受伤、制造工艺落后、产品质量不高均是导致裂纹的产生原因。瓷支柱绝缘子的结晶成分越高则绝缘子的机械强度就越强，结晶粒子在绝缘子的制造过程中会承受拉伸应力的作用，在瓷制品煅烧后的冷却情况时，应力作用可能导致结晶粒子、玻璃状基体和边界上出现微裂纹[1-2]。另外，瓷绝缘子在烧结过程中也可能出现气孔等制造缺陷，使得在绝缘子长期运行中产生裂纹。同时根据支柱瓷绝缘子开裂事故统计，损坏发生在瓷柱下部情况占总数的60%以上，且多发生在下法兰和第一瓷沿之间[3]。这主要是由于绝缘子使用过程中，环境温差可能会使绝缘子承受巨大的内应力，且端部是机械力比较集中的部位，因此导致该部位更容易出现裂纹缺陷。

通过对大量现场实例进行统计分析，发现瓷绝缘子裂纹具有如下特性。

（1）裂纹尺寸很小就可能导致绝缘子损坏，例如，绝缘子底部法兰面上裂纹达到0.1 mm深时即可损坏绝缘子；

（2）裂纹出现至瓷制件破损的时间难以预测，可从一秒钟到好几年；

（3）瓷件内部裂纹无法用肉眼观察到，即使表面裂纹也难以直接观测；

（4）绝缘子在外力作用下会产生附加应力，使得新的结晶粒子受到损伤，导致微裂纹倍增。

2 支柱绝缘子的缺陷检测方法

2.1 超声波法

超声波在从一种介质进入另一种介质时会在两介质的交界面会发生反射、折射，利用超声波的指向性和传播规律可以探查设备中的缺陷情況。因此，通过在瓷支柱绝缘子表面发射始脉冲，当绝缘子内部存在缺陷时会产生反射波，根据反射波的幅值和位置可实现对绝缘子缺陷情况的判别[4]。绝缘子超声波探伤主要分为纵波探伤和爬波探伤，纵波探伤法能检测出绝缘子内部点状缺陷和对称侧裂纹，但检测耗时较长；爬波探伤法对绝缘子表面下裂纹较敏感，检测速度较快，但检测深度有限。

超声波检测的准确性受多重因素影响，如仪器及探头的性能、支柱的形状和几何尺寸以及缺陷的种类、位置、深度、表面粗糙度等，并且操作比较复杂，需要专业人员进行操作。最突出的问题是超声波探伤不能用于带电检测，必须在停电状态下进行。而实际运行中瓷支柱绝缘子很有可能由于缺陷无法及时检测发现，未到停电检修时间已经发生断裂事故。

2.2 紫外成像法

由于裂纹（气隙）在高电压的作用下会产生较大的畸变电场，当电场达到一定强度时可以产生放电发光现象，因此通过紫外光学探伤仪观测因裂纹而产生的放电发光，可以对绝缘子裂纹缺陷进行识别。该方法可以带电检测，但仅对瓷支柱绝缘子高压端裂纹有效，电场较弱达不到起晕电压的区域由于无法产生电晕放电而成为紫外探伤的盲区[5]。而在瓷支柱绝缘子的实际运行过程中，底部法兰处由于应力作用时容易形成缺陷，但紫外成像法对此区域的缺陷已失去了判别能力。另外，高压端支柱铁瓷结合部位的胶接水泥干裂及表面异物都可能会引起放电发光现象，而其观测现象与裂纹的观测结果没有差别，对紫外观测的准确性产生了极大的影响。因此，紫外成像法用于瓷支柱绝缘子的检出率极低，不是非常理想的探伤设备。

2.3 共振声学法

振动声学检测法是利用激发装置对检测对象施加振动激励，通过接收器对其声学响应特性进行分析来判断是否存在缺陷。因此，通过向支柱绝缘子底部发射特殊激励振动波，根据接收到的振动反馈波分析反馈波形的频谱，可以判断该绝缘子内外是否有裂纹、裂纹出现的大概部位、机械强度是否降低、绝缘子是否老化等缺陷[6]。该方法操作简单，并且可以实现带电检测。目前，国内外均对振动声学检测技术进行了大量研究，并在耐火材料、建材、碳素制品、铁路机车部件等状态检测中进行了一定的应用。但是由于该方法需要积累大量瓷绝缘子的现场检测数据，获取不同类型及缺陷瓷支柱绝缘子振动功率谱密度评定图，以提高瓷支柱绝缘子缺陷分类的准确度，因此该方法还有待于逐步完善。

综述所述，现有的各类瓷支柱绝缘子检测方法均存在一些不足之处，难以完全满足对瓷支柱绝缘子进行有效检测及诊断的需求。因此，研究一种可靠性高、现场适应性强的帶电检测方法对瓷支柱绝缘子的性能进行评估是当前的迫切要求，具有十分重大的安全及经济效益。

3 支柱绝缘子电场法检测技术

3.1 检测原理

绝缘子的劣化必然伴随着绝缘子内、外的电场的重新分布，如果能寻找到各种绝缘子的绝缘劣化和其周围空间中电场重新分布的关系，并且准确测量到空间中的电场分布变化情况，就能通过电场测量的手段来表征绝缘子的劣化情况[7]。目前，开展了大量电场测量法应用于输电线路绝缘子缺陷检测的研究，也取得比较大的进展。但将电场法在瓷支柱绝缘子表面缺陷检测的应用研究却很少，这主要是由于当瓷柱表面裂纹尺寸小于致使支柱瓷绝缘子断裂的临界尺寸时（约为5 mm），沿着绝缘支柱轴向的整体电场分布与正常绝缘子表面的电场分布没有非常明显差异，难以通过目前应用与输电线路的检测方式实现对支柱绝缘子裂纹缺陷的检测。但是根据断裂事故的多发部位的局部电场分析得到，与正常情况下的电场相比，裂纹处电场强度会有明显的增大，如图2～3所示。根据计算，一个深度为5 mm、宽度为 1 mm的裂纹对局部电场的畸变影响程度为100%～200%，这种影响可以通过技术手段测量得到。

由于裂纹会导致支柱绝缘子局部电场发生比较明显的畸变，因此可以通过局部电场测量分析来判断支柱绝缘子是否存在缺陷。但是由于裂纹的尺寸非常小，如何实现对局部电场的准确检测是将方法应用与实际检测的关键。根据电场法应用于支柱瓷绝缘子表面裂纹的检测的灵敏度分析，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，当裂纹宽度为1 mm，深度在1～5mm时，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75～190%；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，当裂纹深度为1mm，宽度在0.2～0.8mm时，裂纹处电场的畸变率分别为75～150%。根据近表面缺陷对支柱绝缘子电场畸变的影响分析，缺陷距离绝缘子表面越近对电场分布的影响越大，而且仅对非常靠近支柱表面的孔隙型缺陷具有相对较高的灵敏度。

3.2 电场法检测的应用方式

根据分析可知，电场检测方法对支柱瓷绝缘子表面的微小裂纹具有很高的灵敏度和抗干扰能力，对进表面的孔隙缺陷可测，但灵敏度较低。因此，为了能够在实际检测中发现裂纹缺陷，必须选择合适的传感器和适当的操作方法。为了能捕捉到绝缘子表面的微小裂纹局部电场，提取空间毫米级尺度范围内的轴向测量信号，本文采用MEMS电场敏感芯片，通过设计电场敏感芯片的封装方案和满足环境适应性的传感器的整体结构，研制了一种微型空间电场传感器，如图4所示。通过将传感器探头、芯片驱动电路、模拟解调电路、数据处理模块、预警模块、WiFi发射模块、电源模块和上位机进行集成，实现对瓷支柱绝缘表面轴向电场的高精度测量。

为了能捕捉到绝缘子表面的微小裂纹，必须对绝缘子表面电场进行全面的扫描检测。本文设计的瓷支柱绝缘子的电场检测装置由绝缘升降装置、电场检测装置、控制系统和通讯系统等构成，如图5所示。操作人员通过控制绝缘升降装置使得电场检测装置能够沿着支柱绝缘子轴向移动并精确定位，实现对对瓷柱绝缘子轴向的层级化电场扫描。电场检测系统结构如图6所示，当电场检测装置定位于每一层时，电场检测装置的探头可以围绕瓷柱进行周向式运行，实现周向式的扫描任务，最终通过配合完成对瓷支柱绝缘子表面电场的全面扫描。

本文通过实现对瓷支柱绝缘表面电场的全面扫描和分析，为发现表面裂纹缺陷和近表面裂纹缺陷提供了一种新型可靠的带电检测解决方案。

【参考文献】

[1]窦振宇.超声波探伤在高压支柱瓷绝缘子内部缺陷检测中的应用[J].电瓷避雷器，2011，01：15-18.

[2]张廼龙，陈大兵，方浩铭，等.支柱瓷绝缘子的振动声学检测机理研究[J].红水河，2016，01：33-37.

[3]国家电力公司发输电运营部高压支柱瓷绝缘子事故调查工作小组.高压支柱瓷绝缘子事故调查分析及预防措施[J].电力设备， 2002，3（4）： 32-37.

[4]李晓红，王敏，吴敏，等.支柱瓷绝缘子的超声检测有效性[J].中国电机工程学报，2006，26（9）： 159-16.

[5]雷红才，臧春艳，蒋正龙，等.紫外成像法检测支柱绝缘子的破损缺陷[J]. 高压电器，2009，45（5）：87-91.

[6]李晓红，郭慧英，刘云，等. 基于振动法检测的瓷绝缘子损伤探讨[J]. 高压电器，2009，45（1）：101-103.

[7]关志成，刘瑛岩，周远翔，等.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006.