（1.云南电网公司昆明供电局昆明650000；2.武汉科技大学武汉430200）
摘要：隔离开关支柱式瓷绝缘子是发电厂和变电站的重要组成设备，在电网中有大量应用。近年来，支柱绝缘子在电网运行时因断裂导致的各类事故时有发生，对电网的安全运行构成了严重威胁。本文论证了采用多普勒振动法检测支柱绝缘子缺陷的可行性，设计实验对比检测完好和破损的支柱绝缘子，从中发掘振动检测的规律，并与传统的检测方法进行应用对比，进一步证实了多普勒振动法检测支柱绝缘子缺陷不仅可行，而且高效，为这一检测技术的后续研究和推广提供了支持。并且通过对多种振动测量方法的比较，考虑到激光多普勒效应具有精度高、动态响应快、测量范围大、非接触性测量、抗电磁干扰、对横向振动干扰不敏感等优点，因此本论文选取激光多普勒方法进行振动检测。
关键词：隔离开关；绝缘子；支柱；多普勒振动
1前言
如果一定频率的声波、无线电波或光波在传播过程中，对于接收器有相对运动时，接收器接收到的反射波的频率会随相对运动的速度变化，这种现象叫做多普勒频移效应。当传播物为光波时，就称为光的多普勒效应。激光多普勒效应最初用于流体流速的测量，如今其应用已发展到很多场合，如风速测量、血液流速测量、位移测量、振动测量等等。激光多普勒技术利用光学多普勒效应和光外差技术，它具有测量精度高、空间分辨力高、动态响应快、非接触测量，适用于高温、高压、高速、放射、小空间等特殊环境中的机械、冶金、航空、建筑等行业，应用范围广泛。激光多普勒技术也存在着一定的缺陷，受被测体表面情况影响较大，如果被测体表面过于粗糙则会造成信噪比低、测量不出多普勒频移信号的情况等。另外光学测量头的性能也会影响测量精度。
2激光多普勒技术发展现状
源于声学的多普勒效应，伴随着激光的产生，发展到了光学领域，自从1964年叶（Yeh）和库明斯（Cummins）首先观察了水流中粒子的散射光频移，证实可以用激光多普勒频移技术来确定流动速度以来，激光多普勒技术以它精度高、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点得到了长足的发展。七十年代集成光学单元有了进一步的发展，使得该系统的光路结构更为紧凑，调整也大为方便，光束扩展、偏振分离、光学频移等近代光学技术在激光多普勒技术中得到了广泛的应用，信号处理采用了频率跟踪、技术处理、光子相关及其它一些方法，同时设计和开发了相应的信号处理器，使LDV测量应用更为广泛，这是激光多普勒技术发展最为活跃的一个时期。80年代、激光多普勒技术进入了实际应用的新阶段，这一时期主要进行激光多普勒测速在流体力学中的应用研究，随着大量实际工程、机械测试的需要，目前，固体表面的激光多普勒技术也越来越受到重视。本文就对隔离开关支柱绝缘子采用多普勒振动检测。
3激光多普勒测振技术的原理
将具有一定频率成分的声波、电波或者光波对准某一移动物体，从该物体反射出来的声波、电波或者是光波的频率会随物体的速度成比例地发生变化，这就是多普勒现象或者称为多普勒效应。激光多普勒测振技术的基本原理如图1所示。
将频率为f0的激光照射到移动着的被测物体上，从移动物体表面反射或散射回来的光会产生多普勒效应，即除了本身的激光频率f0外还附加了一个频率fD（发射波频率与反射波频率之差），称之为多普勒频率，该频率满足fD=2vcosθ/λ
式中λ为激光的波长；v为被测物体的运动速度；θ为入射光与被测物体运动方向的夹角；vcosθ为被测物体速度在激光入射方向上的分量。
由于激光多普勒测振仪所使用的激光波长λ非常稳定，再加上通常测振仪的入射光与被测物体运动方向的夹角呈0°，那么多普勒频率fD与v的关系可简化为fD=2v/λ。
根据式fD=2v/λ就能很方便地求出运动物体的运动速度。再通过积分和微分运算就可以得到物体的运动位移和加速度。在实际应用中，由于激光的频率非常高，直接测量多普勒频率fD是比较困难的，通常的做法是将反射光频率f0+fD与入射光的频率f0进行相干涉的方法，把fD检测出来。
4支柱瓷绝缘子的损伤机理
4.1应力作用
据统计，95%以上的瓷瓶断裂都发生在法兰口内30mm处至第一瓷沿之间，在瓷瓶水泥胶装部位存在的几种应力是导致瓷瓶断裂的主要原因。这些应力包括：由水泥膨胀作用引起的应力、操作应力、水膨胀产生的应力。
4.1.1水泥膨胀应力
目前支柱瓷绝缘子基本上都采用水泥作为瓷件与法兰的胶装剂，由于水泥自身的属性，当水分进入后，会导致其体积发生膨胀，造成局部应力集中而产生裂纹，如果水泥品质不好，这种现象将更为严重。
4.1.2操作应力
设备在操作时都会产生应力作用，对于隔离刀闸使用的支柱瓷绝缘子，刀闸正常的开合操作会对其产生一定的扭曲应力；同样的，在安装运行维护过程中由于操作不当，也会产生短时的大力学负荷，从而导致支柱瓷绝缘子断裂。
4.1.3水膨胀应力
如果高压支柱瓷绝缘子胶装部位存在空洞，胶装水泥致密性差，空调中的水遇冷结冰后会发生膨胀，产生极大的应力，使支柱绝缘子发生断裂。
4.2产品制造工艺和质量存在缺陷
绝缘子断裂故障往往是多种影响因素共同作用的结果，而大多数绝缘子断裂故障发生的内在原因是制造质量不良。目前支柱瓷绝缘子的制造工艺及制造缺陷集中表现在：（1）电网用支柱瓷绝缘子一般是由石英等各种硅酸盐原料按一定配方配比，加工成一定形状后，在高温下烧结而成。在绝缘子的制造过程中，由于不同材料的线性膨胀系数不同，在瓷制品煅烧冷却后，结晶粒子中存在明显的拉伸应力，在这些应力的作用下，结晶粒子、玻璃状基体和它们的边界上可能产生微裂纹，因此有些支柱瓷绝缘子在出厂时可能就存在无法观察到的微裂纹等瑕疵。（2）支柱瓷绝缘子与法兰之间的胶状水泥由多种化学成分组成，如果SO3、MgO、K2O等物质含量超标，遇水会产生化学反应造成水泥体积膨胀，便会受到铸铁法兰和瓷绝缘子的约束产生应力。（3）胶装时应涂的沥青缓冲层质量有缺陷，使胶装产生的膨胀应力无处释放，应力造成支柱瓷绝缘子进入亚裂纹扩展状态，导致断裂。
5支柱瓷绝缘检测方法
5.1红外测温法
由于红外检测技术具有远距离、大面积快速扫描的优势而在电力行业中最早得到应用，其原理是利用红外探测器和光学镜片接收被测目标的红外辐射能量，通过光敏原件的转换可以得到红外热像图，亮的位置温度高，暗的位置温度低，如图1所示，其特点为非接触式，对其他设备无电磁干扰。由于支柱绝缘子支撑的设备或管母有较大的电磁场，使得绝缘子上的温度呈现一个梯度，缺陷较大的位置会出现温度突变。红外测温法可以在带电状态下检测，具有直观性，比较适合于电力设备的初检，但对于查找瓷质绝缘子微小裂纹则相对困难。
5.2紫外线检测法
紫外线检测技术的原理是在高压条件下微小的裂纹会畸变附近的场强，该场强达到一定强度时会发生电晕放电，电晕放电发光光谱在紫外波段，通过观测瓷表面的放电判断是否存在裂纹，如图2所示。紫外线检测技术具有探测距离远、非接触、灵敏度高以及放电点定位精确的特点，而且可以保持不停电、不改变系统的运行状态，能检测设备在运行状态下的真实信息。目前，紫外检测大多应用在导线外伤探测、高压设备污染检查、绝缘缺陷检测、绝缘子放电检测以及寻找无线电干扰源等方面。但是该方法也存在缺陷，由于紫外线检测法检测得到的数据都是图片或者视频，数据量极大，不能有效提取放电信息，更不能实现设备的故障诊断；特别是针对支柱绝缘子，从其原理来看，必须要达到起晕电压才可以检测到绝缘子上的裂纹，而检测过程中的环境因素以及绝缘子表面的污秽和法兰胶接水泥的干裂同样会引起电晕放电，仪器无法识别，而且只能检测支柱绝缘子上节上法兰附近的裂纹，对于法兰内部缺陷无法识别。
5.3红外热波法
红外热波检测技术主要是根据不同物体的热辐射能量的大小存在差异，将所观察的物体表面温度分布图像变成可视的表面温度热图像，特别适用于整体结构的在线监测和可靠性筛选，具有适用面广、速度快、观测面积大、测量结果直观易懂等优点。但此种检测方法由于受绝缘子运行环境、气象条件、检测距离等影响较大，而且目前没有成形的热激励装置，因此在支柱瓷绝缘子缺陷检测方面未见报道。
5.4超声波探伤法
鉴于超声波具有良好的指向性、能量大，遇到界面会发生发射，检测适应性强、灵敏度高，对人体无害等优点，超声波探伤成为在线监测主要方法之一，并广泛应用于支柱瓷绝缘的损伤检测。超声波探伤检测是利用声波在固体传播中遇到不同的材料会发生反射的原理。超声探伤时，探伤仪发出高频脉冲电信号加在探头的压电晶片上，由于逆压电效应，晶片产生弹性形变，从而产生超声波，超声波经耦合而传入被探工件中，遇到异质界面时产生反射，反射回来的超声波同样作用到探头上，由于正压电效应，使探头晶片上产生电信号，通过分析晶片上的电信号，就可以获得被探试样中的缺陷等信息。在支柱瓷绝缘子的探伤中，瓷件是超声波的良载体，通过在法兰处发射纵波、横波、爬波等，接收反射信号来查找缺陷，能够比较有效地检测支柱瓷绝缘子表面的裂纹、夹层、夹渣、气孔等缺陷。因此该方法是目前支柱瓷绝缘子最主要的检测方法。在现场受到停电时间的限制，往往采用爬波法。在进行检测前，先利用标准试块做出DAC曲线，在测量时，将探头放置在铸铁法兰和第一瓷沿之间径向移动一周得到实测波形，通过回波波峰是否达到或者超过DAC曲线得到缺陷深度，也可以通过探头的移动得到裂纹缺陷的长度，裂纹所在的位置也可以由波形做出判断，如图3所示。
6结束语
从上面对于隔离开关支柱绝缘子振动的检测方法和多普勒振动检测方法进行比较，可以看出多普勒振动检测具有比较大的优越性。因此研究隔离开关支柱绝缘子用多普勒振动检测技术对于社会发展有大大的益处。
【本文章由“支柱绝缘子机械强度振动检测评估技术研究与应用”科技项目资助。】
参考文献：
[1]陈长缨，一种新型激光多普勒振动传感器，光电工程，2012
[2]张欣，黄荣辉，姚森敬．采用振动声学法实现瓷支柱绝缘子的带电检测[J]．电世界，2013
[3]夏超，吴章勤，杨晓红．多普勒振动技术在支柱绝缘子强度检测中的应用[J]．无损检测，2015