一种绝缘子裂纹检测方法、装置及系统

摘要

本发明提供了一种瓷绝缘子裂纹检测方法、装置及系统，方法包括：采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。本发明建立含裂纹瓷绝缘子的有限元模型，分析不同裂纹位置和大小对瓷绝缘子固有频率的影响，从而达到检测瓷绝缘子裂纹的目的，提高瓷绝缘子的安全可靠性。

权利要求

1.一种瓷绝缘子裂纹检测方法，其特征在于，所述的方法包括：采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置；其中，所述的预先获取瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系，具体包括：将瓷绝缘子简化为弹性铰模型；

利用集中柔度模型模拟瓷绝缘子的裂纹计算瓷绝缘子的裂纹引起的局部柔度；

根据所述裂纹引起的局部柔度确定所述弹性铰模型的刚度系数；

根据所述弹性铰模型的刚度系数、振动模态函数及无裂纹瓷绝缘子的固有频率确定瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置的关系。

2.如权利要求1所述的瓷绝缘子裂纹检测方法，其特征在于，所述的采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号包括：采用加速度传感器采集待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号。

3.如权利要求1所述的瓷绝缘子裂纹检测方法，其特征在于，所述的根据瓷绝缘子的物理属性对瓷绝缘子进行模态分析建立瓷绝缘子的有限元模型包括：采用增加节点方法构建待测瓷绝缘子裂纹模型。

4.一种瓷绝缘子裂纹检测装置，其特征在于，所述的装置包括：信号采集模块，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

模型建立模块，用于根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

固有频率计算模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

结果生成模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置；

预处理模块，用于根据预先获取瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系；其中，所述预处理模块包括：简化单元，用于将瓷绝缘子简化为弹性铰模型；

局部柔度模拟单元，用于利用集中柔度模型模拟瓷绝缘子的裂纹计算瓷绝缘子的裂纹引起的局部柔度；

刚度系数计算单元，用于根据所述裂纹引起的局部柔度确定所述弹性铰模型的刚度系数；

对应关系确定单元，根据所述弹性铰模型的刚度系数、振动模态函数及无裂纹瓷绝缘子的固有频率确定瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置的关系。

5.如权利要求4所述的瓷绝缘子裂纹检测装置，其特征在于，所述的信号采集模块为加速度传感器，用于待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号。

6.如权利要求4所述的瓷绝缘子裂纹检测装置，其特征在于，所述的模型建立模块根据瓷绝缘子的物理属性对瓷绝缘子进行模态分析建立瓷绝缘子的有限元模型包括：采用增加节点方法构建待测瓷绝缘子裂纹模型。

7.一种瓷绝缘子裂纹检测系统，其特征在于，所述的系统包括：加速度传感器、数据采集装置以及瓷绝缘子裂纹检测计算机，所述加速度传感器通过数据采集装置与瓷绝缘子裂纹检测计算机相连接；其中，所述加速度传感器，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

数据采集装置，用于接收采集到的模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

所述瓷绝缘子裂纹检测计算机包括：

模型建立模块，用于根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

固有频率计算模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

结果生成模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

说明书

一种绝缘子裂纹检测方法、装置及系统

技术领域

[0001] 本发明属于检测技术领域，尤其是关于高压输电设备检测技术，具体的讲是一种绝缘子裂纹检测方法、装置及系统。

背景技术

[0002] 高压支柱瓷绝缘子是输电线路和变电站的重要组成部分，主要用于发电厂、变电站母线等的绝缘和机械固定以及作为隔离开关等的组成部件。高压支柱瓷绝缘子一般由实心瓷体和上、下金属附件通过水泥胶装组成。随着电力行业的迅猛发展，对高压支柱瓷绝缘子（含瓷套）的服役性能要求越来越高，及时掌握它们的服役状态，对于电力系统的安全运行具有至关重要的意义。

[0003] 在役绝缘子由于长期处于露天，工作环境恶劣，受外界影响因素很多，例如风、雨、冰雹、雪、日晒和气候温差的变化都使得瓷体的附加应力增大，易在法兰处出现裂纹或者折断。一方面，原因在于高温烧结成的瓷件，如果在制作过程中配方不当，原料混合不均，易形成瓷件内部缺陷，由于没有固有的形变能且韧性极低，长期承受运行中的机械负荷和风雨等，从而使末裙与法兰交界处附加应力增大，若瓷体存在微小缺陷，可能造成破坏。另一方面，瓷套从出厂、运输、安装等环节操作不当均可能造成损坏，如在基建时不能及时发现缺陷，会对以后的运行安全带来极大的隐患。据国家电力公司统计，因瓷体断裂引起的供电事故目前已成为电力系统故障率的第一位，给工业生产和人民生活造成了巨大的损失和影响。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供了一种瓷绝缘子裂纹检测方法，包括：

[0005] 采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

[0006] 根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0007] 根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0008] 根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0009] 同时，本发明还提供了一种瓷绝缘子裂纹检测装置，包括：

[0010] 信号采集模块，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

[0011] 模型建立模块，用于根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0012] 固有频率计算模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0013] 结果生成模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0014] 此外，本发明还提供了一种瓷绝缘子裂纹检测系统，包括：加速度传感器、数据采集装置以及瓷绝缘子裂纹检测计算机，所述加速度传感器通过数据采集装置与瓷绝缘子裂纹检测计算机相连接；其中，

[0015] 所述加速度传感器，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

[0016] 数据采集装置，用于接收采集到的模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

[0017] 所述瓷绝缘子裂纹检测计算机包括：

[0018] 模型建立模块，用于根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0019] 固有频率计算模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0020] 结果生成模块，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0021] 本发明利用力学分析计算获得不同裂纹位置和大小对瓷绝缘子固有频率的影响，然后利用模态测试分析方法获取完好的绝缘子和带裂纹绝缘子的固有频率，综合力学分析计算结果与模态测试结果，建立含裂纹瓷绝缘子的有限元模型，分析不同裂纹位置和大小对瓷绝缘子固有频率的影响，从而达到检测瓷绝缘子裂纹的目的，提高瓷绝缘子的安全可靠性。

[0022] 为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明公开了一种瓷绝缘子裂纹检测方法的流程图；

[0025] 图2为预先获取瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系的流程图；

[0026] 图3为本发明的瓷绝缘子裂纹检测装置的框图；

[0027] 图4为本发明的瓷绝缘子裂纹检测装置一实施方式的示意图；

[0028] 图5为本发明一种瓷绝缘子裂纹检测系统的示意图；

[0029] 图6为本发明实施例中瓷绝缘子裂纹检测计算机的功能框图；

[0030] 图7为本发明根据裂纹位置确定固有频率的力学分析框架；

[0031] 图8为运用集中柔度模型结合解析方法列振动方程求解的示意图；

[0032] 图9为本发明实施例中锤击测试绝缘子简化建模；

[0033] 图10为本发明实施例中一绝缘子的示意图。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 如图1所示，本发明公开了一种瓷绝缘子裂纹检测方法，包括：

[0036] 步骤S101，采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

[0037] 步骤S102，根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0038] 步骤S103，根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0039] 步骤S104，根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0040] 其中，如图2所示，预先获取瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系，具体包括：

[0041] 步骤S201，将瓷绝缘子简化为弹性铰模型；

[0042] 步骤S202，利用集中柔度模型模拟瓷绝缘子的裂纹计算瓷绝缘子的裂纹引起的局部柔度；

[0043] 步骤S203，根据所述裂纹引起的局部柔度确定所述弹性铰模型的刚度系数；

[0044] 步骤S204，根据所述弹性铰模型的刚度系数、振动模态函数及无裂纹瓷绝缘子的固有频率确定瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置的关系。

[0045] 同时，本发明还提供了一种瓷绝缘子裂纹检测装置，如图3所示，本发明的瓷绝缘子裂纹检测装置包括：

[0046] 信号采集模块301，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号；

[0047] 模型建立模块302，根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0048] 固有频率计算模块303，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0049] 结果生成模块304，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0050] 并且，如图4所示，本发明实施例中的信号采集模块301为加速度传感器305，用于采集待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号。

[0051] 此外，本发明还公开了一种瓷绝缘子裂纹检测系统，如图5所示，该系统包括：加速度传感器401、数据采集装置402以及瓷绝缘子裂纹检测计算机403，所述加速度传感器通过数据采集装置与瓷绝缘子裂纹检测计算机相连接；其中，

[0052] 加速度传感器401，用于采集模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

[0053] 数据采集装置402，用于接收采集到的模态分析实验中待检测瓷绝缘子的响应信号；

[0054] 如图6所示，瓷绝缘子裂纹检测计算机403包括：

[0055] 模型建立模块501，用于根据瓷绝缘子的物理属性建立瓷绝缘子的有限元模型对瓷绝缘子进行模态分析；

[0056] 固有频率计算模块502，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的响应信号、有限元模型分别确定待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率；

[0057] 结果生成模块503，用于根据所述待检测瓷绝缘子和无裂纹瓷绝缘子的固有频率和预先获取的瓷绝缘子的固有频率与裂纹位置关系确定待测瓷绝缘子的裂纹位置。

[0058] 本发明为了获得瓷绝缘子裂纹的检测方法，提高瓷绝缘子的服役安全性，本发明的高压支柱瓷绝缘子裂纹检测方法可以通过以下技术方案实现：

[0059] (1)将带有裂纹的瓷绝缘子简化为弹性铰模型，裂纹可被看作无质量弹性铰，利用传递矩阵或积分方程的方法将其与两端连接，建立整个瓷绝缘子的弯曲振动方程。计算含裂纹瓷绝缘子的固有频率，并与完好瓷绝缘子的固有频率进行比较，分析裂纹对其的影响；

[0060] (2)利用锤击模态实验分析完好的瓷绝缘子和带裂纹的瓷绝缘子的各阶模态；

[0061] (3)建立瓷绝缘子的有限元模型，采用增加节点方法构建裂纹分析模型；

[0062] (4)计算出的正常和带裂纹绝缘子在0-10000Hz的模态频率，主要提取0-2000Hz、4000-5000Hz和8000-9000Hz三个区间的若干阶模态进行比较，分析带裂纹瓷绝缘子的裂纹位置和深度。下面结合具体的实施方式对本发明做进一步详细说明。

[0063] 步骤一、定性的分析绝缘子裂纹与固有频率的对应关系：

[0064] 本发明通过在建立的瓷绝缘子模型上设置不同裂纹位置，计算不同的裂纹位置对应的瓷绝缘子模型的固有频率，如图7所示为本发明根据裂纹位置确定固有频率的力学分析框架。

[0065] 根据瓷绝缘子实际的约束和荷载情况，可被视为典型的悬臂梁力学模型，一方面计算其静态的弯曲和扭曲应力，另一方面由于风力荷载等动态载荷会带来振动、疲劳、损伤等问题，需要对其作振动模态分析。绝缘子内部裂纹的存在会严重影响其结构强度，结构的模态参数也会随之降低。本发明以位置和深度来描述裂纹，运用集中柔度模型来模拟裂纹引起的局部柔度的变化，裂纹可被看作无质量弹性铰。由能量原理和弯曲应力强度因子可以求得裂纹引起的局部柔度，由此得到“弹性铰”的刚度系数，即建立的弹性铰模型的刚度系数。代入动态振动模态函数并考虑边界条件，得到了含裂纹悬臂梁的振动方程，建立了结构的固有频率与裂纹的位置与深度间的关系，本发明实施例中，建立的固有频率与裂纹的位置与深度间的关系为低阶频率发生变化，表面底部出现裂纹；高阶频率发生变化，顶部出现裂纹。

[0066] 本实施例中悬臂梁力学模型的建模方式是将悬臂梁裂纹处的刚度弱化，认为其裂纹处不再是完好连接，而是可产生角度偏差，并用等效弯曲弹簧将其裂纹两端的部分连接。如图8所示为运用集中柔度模型结合解析方法列振动方程求解，可全面显现悬臂梁的动态特性。集中柔度模型即一般假设裂纹的存在不引起质量变化，只会改变局部柔度而影响结构强度。

[0067] 应用断裂力学理论可直接求出裂纹区域的局部柔度，通常用一个刚度系数为K的无质量弹性铰来模拟裂纹，K值可由能量原理和弯曲应力强度因子求得。裂纹引起的局部柔度为：

[0068] c=6π(1-v2)HΦ(s)/EI

[0069] K=1/c

[0070] 式中：v为泊松比，Φ(s)是s的函数

[0071] 根据梁两端边界条件、裂纹处的连续条件和系数有非零解的条件：

[0072]

[0073]

[0074] 可得到频率方程：

[0075]

[0076] 上式表征了悬臂梁固有频率、裂纹位置与深度间的关系，其中左边第一项为无裂纹时悬臂梁的频率方程，第二项则体现裂纹的作用。

[0077] 在极限载荷条件下，将有裂纹和无裂纹绝缘子作比较。取极限载荷（承载能力）作为出发点，则绝缘子的损坏程度可表示为损坏绝缘子极限载荷和未损坏绝缘子极限载荷之比的形式。即

[0078]

[0079] 式中I1，I0分别为有裂纹和无裂纹绝缘子的危险截面惯性矩，ωi1，ωi0分别为有裂纹和无裂纹绝缘子振动固有频率。如果绝缘子危险截面产生裂纹，其截面惯性矩发生变化，从而导致其振动固有频率发生变化。因此，可以通过测量绝缘子的频率特性，利用不同振动模态固有频率相对无缺陷状态下各阶振动模态固有频率的变化来表征绝缘子是否有裂纹存在。

[0080] 步骤二：对瓷绝缘子进行模态测试：

[0081] 对被测瓷绝缘子进行模态分析，模态分析放置被测物体时，首先确定被测物体的固定方式，即边界约束条件。根据研究目标和实际结构情况，可以分为自由支撑、固定支撑。

[0082] 本实施例中，为了获取绝缘子自由模态频率，固定方式选择自由支撑来近似模仿自由状态。本发明中选择悬挂法放置绝缘子，绝缘子通过钢丝固定在金属管上，金属管横架在两侧支撑物上。本发明中采用力锤作为瞬态激励源，力锤敲击结构产生一个瞬态冲击力，冲击力相当于一个半正弦力脉冲。瞬态激励具有一定的重复性，不需要进行太多次的平均，一般4，5次就可满足要求，而且本发明中选取的力锤配备钢质锤头，采用固定响应点，依次移动激励点的单输入单输出(SISO)方法进行据采集。

[0083] 具体测试方法如下：

[0084] 用力传感器的力锤敲击试验件上的某一点。力传感器拾取激励力的信号，安装在试验件的某测点上的加速度传感器拾取响应信号，经电荷放大器放大后输入信号采集分析系统，本实施例中的加速度传感器通过电缆直接接入数据采集系统，然后数据采集系统通过串口与计算机相连从而得到相应的传递函数并进而识别出试验件的固有频率和模态振型。锤击测试绝缘子简化建模如图9所示，共设置14个点，其中下方的a:1，a:14两个点为传感器放置点，其余12个点为力锤敲击点。两个单轴加速度传感器安装在绝缘子底部，如下图所示。实验中设定图中左侧传感器方向为X轴正向，右侧传感器方向为Z轴负向。在a:2到a:7点力锤敲击方向为X轴负向，a:8到a:13点力锤敲击方向为Y轴负向。

[0085] 步骤3：有限元分析；

[0086] 建立瓷绝缘子的有限元模型，裂纹采用增加节点方法构建裂纹模型；计算出的正常和带裂纹绝缘子在0-10000Hz的模态频率，主要提取0-2000Hz、4000-5000Hz和8000-9000Hz三个区间的若干阶模态进行比较，其中出现0-2000Hz的频率，而且幅值明显高出其他频率，则说明绝缘子底部出现裂纹；如果出现8000-10000Hz的频率，而且幅值明显高出其他频率，则说明出现顶部裂纹。

[0087] 具体建模方法如下：

[0088] 绝缘子是一种特殊的绝缘控件，主要由瓷瓶，铸铁法兰组成，陶瓷件和两端的铸铁法兰由水泥胶合剂胶合为一体，见图10。利用表1中绝缘子的材料参数建立瓷绝缘子的有限元模型，本实施例中建模分析的绝缘子瓷瓶上有13个瓷裙，高1044mm。约束绝缘子底部铸铁法兰的X、Y、Z方向位移。

[0089] 绝缘子各部分组成的参数如表1所示。

[0090] 表1材料参数表

[0091]陶瓷 水泥 铸铁
密度,t/mm3 2.5*10-9 2.3*10-9 7.8*10-9
杨氏模量,MPa 6*104 2.6*104 2.1*105
泊松比 0.31 0.3 0.3

[0092] 本发明通过采用“力学计算—模态测试—有限元分析”的方法，首先利用力学分析计算获得不同裂纹位置和大小对瓷绝缘子固有频率的影响，然后利用模态测试分析方法获取完好的绝缘子和带裂纹绝缘子的固有频率，综合力学分析计算结果与模态测试结果，建立含裂纹瓷绝缘子的有限元模型，分析不同裂纹位置和大小对瓷绝缘子固有频率的影响，从而达到检测瓷绝缘子裂纹的目的，提高瓷绝缘子的安全可靠性。

[0093] 本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。