基于主动激励的GIS盆式绝缘子损伤检测

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基于主动激励的GIS盆式绝缘子损伤检测

来源: | 作者: | 发布时间: 2021-03-10 | 74 次浏览 | 分享到:

　　国网安徽省电力公司电力科学研究院朱太云杨道文叶剑涛程登峰王刘芳

　　天津工业大学电信学院荣锋

　　摘要：GIS盆式绝缘子广泛应用于电力系统，长时间使用会产生结构损伤。本文提出了一种基于Lamb波的主动激励盆式绝缘子损伤监测方法，研究了Lamb波激励信号产生、Lamb波响应信号拾取及处理方法，设计了监测系统并进行了实验研究。实验结果表明本文提出的方法可以监测出盆式绝缘子表面深度为1mm的微小裂纹以及盆式绝缘子表面微小附着物。

　　封闭式气体绝缘变电站（Gas Insulated Substation，简称GIS），是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线和出线套管等装入密封金属壳体内，并以六氟化硫气体（SF6）作为各元件之间的绝缘介质和灭弧介质的一种配电设备，此种配电装置占地面积小，绝缘性好，维护成本低，被广泛应用。GIS设备由于老化、安装不当、使用磨损等原因会发生故障，导致局部地区断电，造成经济损失，因此需要对其运行状态进行监测。

　　GIS盆式绝缘子（以下简称：盆式绝缘子）是GIS中的重要部件，由于其密闭于管道内部，进行损伤监测比较困难。目前常用的检测方法主要有超高频法和超声法[1]。盆式绝缘子的损伤会导致局部放电，局部放电产生各种声波和超高频电磁波，超声法和超高频法分别通过检测特定声波和电磁波来判断损伤产生。以上两种方法存在两个方面问题：

　　（1）两种检测方法都是基于局部放电现象提出的，都是被动检测方法，损伤必须达到产生局部放电现象后才能进行检测；

　　（2）局部放电现象非常复杂，对损伤的判断非常困难，漏检、误检现象时有发生。因此，找到一种可以对盆式绝缘子进行主动监测，提前判断盆式绝缘运行状态的方法是非常有必要的。

　　本文提出了一种盆式绝缘子主动监测方法，Lamb波检测法。主动激励单元产生激励信号，驱动传感器产生Lamb波，Lamb波耦合到盆式绝缘子，使其在盆式绝缘子内传播，然后在另外位置通过接收传感器接收Lamb波响应信号，对接收到的信号进行处理，可以监测出盆式绝缘子的微小裂纹、气泡、表面附着物等。该方法可以用于盆式绝缘子的巡检，提前掌握盆式绝缘子的健康状况，有效预防事故发生。

　　1 Lamb 波监测原理

　　Lamb 波是一种在板材厚度与激励声波波长为相同数量级的声波，由纵波和横波耦合而成的特殊形式的应力波。由于Lamb波是板中的导波，因此通常也称之为板波[2-3]。采用Lamb波检测损伤有有利一面，也有不利一面。Lamb波在板结构中传播时，板中质点振动非常复杂，根据质点相对板中间层做对称运动和非对称运动，可以把Lamb波分为对称模式（S）和反对称模式（A）。各个模式的群速度和相速度会随着频率的变化而变化，变化呈非线性，称之为Lamb波的频散特性。在同一频率处，至少有两种不同模式存在，且每种模式群速度和相速度各不相同，称之为Lamb波的多模特性。由于Lamb波存在频散、多模特性，其数据处理非常复杂，使Lamb波不便用于损伤监测。Lamb波在传播过程中对各种不同的损伤，如空洞、气泡、裂纹、腐蚀等非常敏感，遇到以上损伤会产生散射、反射和衍射[3]，另外Lamb波在板型构件中传播距离比较远，适合大型构建监测应用，以上两点为Lamb波用于损伤监测的有利一面。

　　基于以上Lamb波检测存在的有利和不利两方面分析，以及Lamb波信号处理复杂性的考虑，一种称之为基准信号法的监测信号处理方法被提出[4-5]，该方法可以大大降低Lamb波信号处理复杂度。该方法是在结构无损伤情况下采集得到基准信号（本文称之为无损信号），当构件有损伤时候得到的监测信号（本文称之为有损信号），通过无损信号与有损信号的差值判断损伤情况。具体监测过程为：通过传感器激励Lamb波，Lamb波在构件传播一段距离后通过传感器拾取Lamb波响应波形，将得到的波形与原来测量的无损波形进行比对，如时域幅值差异，相位差异等，获得构件的健康状况。本文监测对象是盆式绝缘子，外观见图1，外圈为金属材料，内部为环氧树脂复合材料，整体为圆形，圆心部分微凹陷。盆式绝缘子近似为一种板型结构，选择合适的激励源，可以使其产生Lamb波。

　　2 监测系统设计

　　本文设计的损伤监测系统如图2所示，由Lamb波主动激励单元、Lamb波信号采集单元、计算机三部分组成。Lamb波主动激励单元包含波形发生、功率放大、压电陶瓷片三部分。Lamb波信号采集单元包含压电陶瓷片、电荷放大、AD采集三部分。监测流程为：计算机发出激励波形，波形通过功率放大器放大为功率信号，功率信号驱动压电陶瓷片振动，产生Lamb波，Lamb波在盆式绝缘子中传播，到达接收压电陶瓷片，接收压电陶瓷片将振动信号转变为电信号，电信号经过电荷放大器放大，计算机控制A/D采集卡对放大的信号进行采样，得到响应波形。计算机对数据进行处理和运算，判断盆式绝缘子的健康状况。

　　2.1 激励信号波形

　　激励信号选择时，要求其能激发出对细小结构损伤变化敏感的Lamb波，以便在响应信号波形中观察到由于损伤导致的波形变化。常用的激励信号根据频率宽度可分为频率宽带、频率窄带和单频激励信号三种[6]。频率宽带激励信号所激发出的Lamb波虽然对结构损伤更加敏感，但却使其频率成分复杂，不易分析；单频激励信号产生的Lamb波频率成分简单，但信息携带量较少，对损伤不敏感；而窄带激励领域研究工作中首选的激励信号[5]。

　　2.2 Lamb波激励与拾取传感器选择

　　可以激励Lamb波的传感器有很多种，如超声传感器、压电陶瓷片、电磁声传感器、磁致伸缩传感器等。压电陶瓷片居有工作频率高、重量轻、体积小、易嵌入到被测物体等优点，因此本文采用压电陶瓷片作为Lamb波激励传感器。压电陶瓷片具有正、逆两种压电效应，正压电效应是将机械能转为为电能，逆压电效应是将电能转化为机械能，因此根据拟压电效应压电陶瓷片也可以作为Lamb波的拾取传感器。压电陶瓷片的主要参数有压电常数、介电系数、居里温度、机电耦合系数、谐振频率、最大实用电压极限等。压电系数是非常重要参数，单位是pC/N，压电系数越高压电性能越好，压电系数较大的压电陶瓷片更适合作为激励元件。为了产生较强的Lamb波信号，压电陶瓷谐振频率与激励信号的频率最好一致。压电陶瓷片的驱动电压要求一般比较高，几十伏到几百伏之间，因此激励信号施加到压电陶瓷片之前需要进行功率放大。

　　2.3 计算机软件设计

　　计算机软件主要实现信号发生控制、数据采集、数据处理、健康状态判断四种功能。信号发生控制是控制信号发生器发出激励信号，激励信号可以通过界面进行设定，如设定频率，幅值等信息；数据采集是获得Lamb波响应信号，采用外部触发模式实现，当信号的幅值超过预定阈值时启动采样程序，采集信号的采样率可调，本文采用10MHz采样率；数据处理主要是对Lamb波响应信号进行滤波、存储等处理，采用均值滤波法，对多次采集的数据进行加和取均值，可以很好的滤除随机噪声；健康状态判断主要是根据处理完的Lamb波响应信号判断被测物体是否有损伤，健康状态判断采用差值法，将处理完成的响应信号与原始无损信号进行差值处理，当结果大于预定阈值时可以判断盆式绝缘子出现损伤。本文软件使用LabVIEW设计，采用图形化的用户界面，检测人员可通过该软件界面选择激励传感通道、调整采样频率和采样点、存储波形、做差值运算等。

　　3 实验及数据分析

　　由于响应信号与激励信号的中心频率及压电陶瓷片的谐振频率直接相关，因此本文进行了一下实验：

　　（1）激励信号的中心频率实验，通过实验选择最佳的激励信号频率；

　　（2）压电陶瓷片的谐振频率实验，通过实验选择最佳的压电陶瓷片。在选定的激励信

　　号和谐振频率压电元件后，进行了有损信号之间、无损信号之间、有损信号与无损信号之间的差值对比实验，验证本文提出的监测方法的可行性。

　　3.1 激励信号选择实验

　　激励信号应根据被测对象材料、厚度等因素进行选择，激励信号参数包括信号中心频率、幅值等，可以通过仿真、实验两种方式选择合适的激励信号[7-8]。

　　本文通过实验方法选择适合盆式绝缘子监测的激励信号。实验中对同一尺寸压电陶瓷片分别施以不同中心频率的激励信号，得到了在待测绝缘子无损伤和受损伤两种情况下的检测结果。对绝缘子损伤前后响应信号波形的峰峰值进行记录，表1为部分实验结果。

　　实验过程中由于激励信号传输线和响应信号传输线距离很近，且激励信号频率较高[9-10]，所以激励信号会不可避免的耦合到检测波形中去，即产生串扰信号，在进行分析时需要将串扰信号去掉。串扰信号如图4所示，图4中下面为激励信号，上面为响应信号，两种信号为同步采样得到，可见激励信号与串扰信号是同时产生，而真正的响应信号比激励信号稍微有时间延迟，因为响应信号需要在被测物体内传播一段时间才能得到，因此有时间延迟。

　　通过比较表1不同中心频率的激励信号所得到的响应信号，可以看出在中心频率为100kHz时，响应信号的波形幅值最大，最易观测；且损伤前后其信号峰峰值之差相对稳定，受外界环境影响较小。所以本文以下实验中均选用中心频率为100kHz的信号作为激励信号。

　　3.2 压电陶瓷片谐振频率选择

　　为找出压电陶瓷片最佳谐振频率，试验中分别对谐振频率为1MHz、2MHz和3MHz的压电陶瓷片施加中心频率为100kHz的激励信号，并对响应信号进行数据进行分析。压电陶瓷片的尺寸不同，其谐振频率也不相同，为尽可能保证实验的单一变量原则，将不同尺寸的压电元件对分别粘附在等厚度的绝缘上，且每对元件之间的距离相等，均约为10cm，如图5所示。实验中分别对不同谐振频率的压电元件在盆式绝缘子有损伤和无损伤时响应信号的峰峰值进行数据统计，表2为实验数据。由表2中数据可以看出，谐振频率为3MHz的压电元件在绝缘子损伤前后的信号峰值差最大，最易观测和分析，因此选用谐振频率为3MHz的元件为本实验中最佳压电元件。

　　3.3 基于差值法的健康监测实验

　　盆式绝缘子使用中出现问题的原因主要有三种：（1）表面附着物，如安装时产生的金属屑、灰尘等，附着物会导致高压放电，击伤盆式绝缘子；（2）表面裂纹，由于安装时候的划伤，或者长久使用产生的疲劳损伤，表面会产生裂纹，裂纹降低了盆式绝缘子的绝缘性能，导致放电现象发生；（3）盆式绝缘子内部气泡，气泡也容易引发放电，对盆式绝缘子造成损伤。本文针对第一种和第二种情况进行检测，验证提出方法的可行性，第三种情况一般是产品出厂时通过X射线进行检测。

　　以中心频率为100kHz的信号为激励信号，对谐振频率为3MHz的压电陶瓷片进行激励，在盆式绝缘子有伤和无伤两种状态下进行数据采集。实验中，对损伤前后的响应信号分别采集10次，每次采集50个周期，然后对每次采集的数据取平均，得到10组无损响应信号均值和有损响应信号均值。在10组无损和有损的响应信号均值中各自随机抽取两组信号作差比较，得到波形如图6。图6（a）是在盆式绝缘子表面粘贴直径为1cm厚度为0.5cm的吸波胶得到监测数据，图6（b）是在激励Lamb波压电陶瓷片和接收Lamb波电陶瓷片中间部分制作一个长为3cm，深为1mm的划痕监测得到的数据。

　　从图6中可以看到，损伤前后响应信号的作差波形比较明显，差值信号峰峰值约为100mV。可以认为绝缘子无损和有损两种情况下响应信号波形发生明显变化，此种方法用来检测到盆式绝缘子的损伤。

　　以上对有损和无损信号进行的差值实验，证明两种情况下确实存在时域波形差异，但是不能完全证明差异一定来自损伤，也许是随机噪声、测量误差等其他原因造成的差异。为了验证差异是否来自损伤，在10组有损和无损的平均信号随机抽取两组，将无损信号与无损信号作差，有损信号与有损信号作差，结果如图7、8所示。从图7、8中可以看到，两组信号的差值均很小，10mV以内，几乎可以忽略，即随机抽取的同为有损信号或者同为无损信号之间差异不大，由此可以证明有损信号和无损信号之间的差值是由损伤造成的，本文提出的监测方法是可靠的。

　　以上实验是将压电陶瓷片贴到盆式绝缘子表面，在实际应用中盆式绝缘子的环氧树脂部分是封闭到管道内部，无法粘贴压电陶瓷片，因此最好的实现方法是将压电陶瓷片在盆式绝缘子生产时嵌入绝缘材料边沿部分，将压电陶瓷片的引线通过盆式绝缘子的工艺孔引出，在巡检时接上。

　　4 结论

　　本文提出了一种基于Lamb波检测的盆式绝缘子的损伤检测系统，并设计了硬件和软件。通过实验，确定了的激励信号的频率、压电元件的参数。实验结果表明本文提出的方法可以监测盆式绝缘子的表面附着物和微小裂纹，验证了本文提出方法的可行性。后续可以对损伤精确定位方法进行研究，使监测结果更精确；建立监测结果与损伤等级之间的对应关系，形成损伤评价标准，使监测结果更客观。