支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测

支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测

程时

（国网辽宁省电力有限公司检修分公司辽宁沈阳110000）

摘要：随着我国电力系统的不断完善，高压支柱瓷绝缘子表面缺陷检测技术水平也在逐渐提升；通过故障规律的统计分析，能够确定出故障发生位置；其次根据表面缺陷状态进行三维有限元分析，确定出表面电场的变化规律，在其基础上进行故障检测措施设计，从而更好的保证电力系统的稳定性；对此本文就支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测，结合采用的方法特征等内容进行分析，希望对于我国支柱瓷绝缘子设备的质量保证，起到积极促进的作用。

关键词：支柱瓷绝缘子；断裂事故；无损检测；电场检测法

前言：

随着我国高型高压电线连接塔技术的不断优化，瓷支柱绝缘子也得到了广泛的应用，在架空输电线路中的作用，主要体现在支撑导线、防止电流回地，为了更好的保证线路的使用寿命，要求保证绝缘子的这两点作用正常发挥，就需要其不会受到环境、电负荷等因素的干扰，尤其是多样机电应力问题。对此为了有效的降低其故障威胁，就需要加强对其支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测，继而提升输变电系统的稳定运行。

1、检测的必要性

支柱绝缘子的材质主要为陶瓷，属于绝缘控件，是架空输电线路系统的重要部件，并起到关键的作用。自身具备一定运行安全可靠、低温机械性能强、耐污能力强、无限电干扰低等特征，从而保证电力系统的稳定运行。虽然支柱瓷绝缘子断裂事故时有发生，但造成的影响是非常大的。一是会使高压母线失去支撑，二是在支柱瓷绝缘子更换的同时要在无电状态下进行，增加了额外损失。

2、电磁场有限元方法

有限元方法是借助了有限元件，即COMSOLMutiphysics，以变分原理、加权余量法为基础的，其过程是将求解域分散成多个单元，并选择单元节点当做插值点，将偏微分方程中的因变量，转变为节点插值函数组成的线性方程组继而求解。在只考虑时变电场的情况下，结合麦克斯韦方程组，整理得出控制方程组，即·D=p，J=（+）E0和E=-V，并展开了支柱绝缘子表面缺陷，用于电场畸变影响的仿真实验。

3、计算模型

针对于支柱瓷绝缘子的无损检测，需要在慢速裂纹扩展区状态时进行检测，明确裂纹最大应力下的最小临界尺寸。基于断裂力学理论角度，得到的其最小临界尺寸，大致为5mm左右；然后在最下方、最接近下法兰的瓷柱表面，设置一个深度、宽度分别为5mm、1mm的裂纹，分析该位置裂纹对电场分布的作用。借助能够体现出对电场分布影响的计算方法，用来检测其表面的缺陷。经过仿真实验，并测量位置高度、表面电场强度横纵坐标的建立，结果显示轴向电场分布不能够表示出裂纹对电场分布的影响，但是裂纹多发位置的电场强度，会有一定的波动，如图1所示；

同时经过技术手段测量发现，该种裂纹对局部电场是有一定影响的，且畸变影响程度大致在100%-200%之间。说明采取电场法，对其表面裂纹缺陷的检测是可行的。

4、裂纹特性影响分析

采取上述的电场法，可用于表面缺陷的检测，也对其灵敏度进行了深度的研究；针对于支柱瓷绝缘子表面裂纹深度、宽度，对于电场轴向分量的影响，可以采取人工切槽方式进行验证，利用近表面球型孔隙对其影响进行分析。介于产品缝隙与人工切槽之间存在差距，前者的裂纹开口要更细，比后者要弯曲粗糙，且孔隙无规律分布随性；对此首先要设置系列裂纹、缺陷等模拟试块，并测量模块的电场轴向分量继而来验证电场法的检测灵敏度。

4.1裂纹深度

构建裂纹1mm宽度，以及深度为1、3、5mm的系列模型仿真实验，结果显示与正常的支柱电场来说，深度为1mm的的电场畸变率为75%；深度为3mm裂纹表面电场的135%；5mm的电场畸变率为190%。说明电场分布受到裂纹深度的影响，两者成正比关系，对此可以从裂纹深度的角度对其缺陷进行电场分布和检测。

4.2裂纹宽度

相反构建裂纹1mm深度的系列模型仿真实验，结果显示与正常的支柱电场来说，宽度为0.2mm的的电场畸变率为150%；宽度为0.4mm裂纹表面电场的117%；0.6mm的电场畸变率为108%；0.8mm宽度裂纹电场畸变率为78%。说明电场分布也受到裂纹宽度的影响，两者成反比关系，对此可以从裂纹宽度的角度对其缺陷进行电场分布和检测。

4.3裂纹位置

利用Φ2mm球型孔隙替代支柱绝缘子的缺陷，构建孔隙表面到瓷柱表面的裂纹缺陷系列模型，仿真实验结果显示，与正常的支柱电场来说，0.5mm系统模型的电场畸变率为16%；1mm系统模型的电场畸变率为0.6%；前者要比后者的电场畸变率要大，后者仅为0.5%，说明基于裂纹位置的电场法检测灵敏度并不高，仅当该该种方法靠近支柱表面缺陷，才能进行检测。

介于工频电磁场条件下的电场法应用，易受到外界环境的干扰，包括谐波、人为操作干扰等因素；对此在现场应用时，采用了微秒级电场检测传感器，通过在缺陷处的滑动，可以瞬间实现数据的收集，有效的规避了电场容性效应的影响，同时也保证了测量值符合线性迭加条件要求。对于干扰的排除，因为其实在干扰迭加的条件下数据收集的，对此可以通过差模处理，像分析数据信号等，提高其数据收集的准确度，继而可以明确的反映出支柱绝缘子表面裂纹缺陷位置。

另外针对于支柱瓷绝缘子的缺陷检测，也有着不同的方法，如以下方法过程所示；首先向下部法兰处，施加振动载荷，为了得到瓷支柱绝缘子的纵向振动；其次收集纵向振动频率，对收集到的振动频率，实施技术处理，像数据信号数字化处理等，使其转换为数字音频信号；最后对数字音频信号，采取频谱研究，当其在固有频率范围外，检测到波峰时，则说明被检测的瓷支柱绝缘子有缺陷产生。

总结：

综上所述，通过对于支柱瓷绝缘子表面缺陷的电场分析与检测的分析，发现测量表面电场的轴向分量，能够对其瓷柱表面裂纹缺陷进行检测，但只是针对于一些微小裂纹的检测，提高了其无损检测的水平。另外通过对于裂纹深度、宽度对于电场畸变影响的仿真，发现越深、越窄的裂纹更容易被电场法检测到，且电场的畸变率，随着支柱表面裂纹的深度增加而检测灵敏度越高，随着裂纹宽度越宽检测灵敏度越低。另外当裂纹深度、宽度分别增加与缩小一倍时，电场畸变率会分别增加与缩小1.4倍、1.28倍。经过试验分析结果显示，电场法只用于近表面裂纹缺陷的检测，且抗干扰能力较强。

参考文献：

[1]刘明；林玉池；郑叶龙；靳展；刘铮；；利用静电场原理复现微小力值的实验研究[J]；传感技术学报；2012年01期

[2]范红波；张英堂；陶凤和；任国全；；电感式磨粒传感器中非铁磁质磨粒的磁场特性[J]；传感器与微系统；2010年02期

[3]刘爽；白玉贤；；耦合式电容近炸引信电极设计与电容分析[J]；四川兵工学报；2010年01期