CC BY
52
УДК 621.317.75
ВИБРАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОПОРНО-СТЕРЖНЕВЫХ ФАРФОРОВЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ЗВУКОВЫМ И НИЗКОЧАСТОТНЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ
МЕТОДАМИ
А.М. ГАТАУЛЛИН, А.А. НАУМОВ, Д.Ф. ГУБАЕВ, С.В. ШМИДТ Казанский государственный энергетический университет
Описаны наиболее распространенные методы контроля механического состояния опорно-стержневой фарфоровой изоляции. Приведены результаты комплексной звуковой и низкочастотной ультразвуковой дефектоскопии механического состояния опорно-стержневой фарфоровой изоляции. Разработан комплексный неразрушающий метод вибрационного контроля механического состояния опорно-стержневой фарфоровой изоляции на предмет наличия дефектов фарфора, включающий звуковой низкочастотный, импульсный и низкочастотный стационарный методы.
Введение
Согласно действующим нормативам, фарфоровые изоляторы оборудования напряжением выше 30 кВ на этапе приемки, в результате проведения электрических и механических испытаний, не должны содержать механических повреждений [1]. Механические повреждения могут быть обусловлены сколами, микропорами на поверхности фарфора, микротрещинами в толще фарфора, расслоениями на границе соединения металлического фланца и фарфоровой части изолятора. Механические повреждения в опорно-стержневой изоляции (ОСИ) могут остаться незамеченными на этапе первичной выбраковки, производимой на заводе-изготовителе, и развиться в процессе эксплуатации, поэтому актуально контролировать механическое состояние ОСИ в рамках проведения планово-профилактических работ.
Наиболее распространенные методы контроля механического состояния ОСИ
В настоящее время для контроля механического состояния ОСИ применяется ряд методов, которые условно можно разделить на две группы. Первая группа основана на непосредственном способе оценки изоляторов (визуальная оценка, ультразвуковая импульсная дефектометрия и структурометрия, метод акустической эмиссии, метод фуксиновой пробы под давлением, звуковые и низкочастотные методы, ультразвуковые методы). Вторая группа методов реализует косвенную оценку состояния изоляторов (тепловые методы: методы, основанные на выявлении коронного и частичного разрядов; методы выявления водонаполненного фарфора).
Считается, что визуальный контроль позволяет при осмотре с земли (в том числе и под напряжением) выявить около половины наружных трещин ОСИ, смонтированных в оборудовании классов напряжений до 500 кВ. При этом повреждения в толще изоляторов (скрытые повреждения) остаются незамеченными, поэтому для повышения процента выявления дефектных ОСИ необходимо применять дополнительные методы контроля.
Ультразвуковая импульсная дефектометрия и структурометрия (УЗНК) позволяет выявлять наиболее распространенные дефекты производственного и эксплуатационного происхождения в фарфоровых ОСИ, как смонтированных (при
© А.М. Гатауллин, А. А. Наумов, Д.Ф. Губаев, С.В. Шмидт Проблемы энергетики, 2008, № 1-2
отключенном напряжении), так и россыпью. Могут контролироваться изоляторы, смонтированные в оборудование на любые классы напряжений (имеется опыт УЗНК ОСИ в аппаратах на 35, 110, 330, 500, 750 кВ) [1].
Наиболее важным дефектом фарфоровых изоляторов, выявляемым с помощью УЗНК, является открытая микроскопическая пористость (ОМИП) фарфорового тела изолятора.
Действующие стандарты на электрофарфор (фарфор высоковольтных изоляторов) требуют полного отсутствия ОМИП. Однако по данным, полученным с помощью ультразвукового дефектоскопа УД 2-12 АООТ НИИ «Электрокерамика», г. Санкт-Петербург, в силу недостаточного объема контрольных проверок в процессе производства количество изделий с ОМИП, поступающих в эксплуатацию, составляет от 5 % до 10 % к общему числу установленных. УЗНК изоляторов в эксплуатационных условиях позволяет выявлять макроскопические дефекты «опасных» сечений и оконечностей производственного характера и дефекты, возникающие в эксплуатации на их основе из-за впитывания влаги в зоны ОМИП. Для установления и корректировки браковочных критериев по дефекту ОМИП используется метод фуксиновой пробы под давлением (ФПД) на образцах, отобранных из разрушенных изоляторов [2]. Регистрация сигналов акустической эмиссии (АЭ) позволяет выявлять опасные (растущие в процессе эксплуатации) дефекты ОСИ, смонтированных в одноколонковых разъединителях 35, 110 и 220 кВ [2].
Комплексный звуковой и низкочастотный ультразвуковой методы контроля механического состояния ОСИ
Звуковые и низкочастотные ультразвуковые методы контроля механического состояния ОСИ позволяют выявлять дефекты, размер которых сопоставим с размером поперечного сечения изолятора.
Нами для дефектовки ОСИ, в том числе был применен прибор РУПИ 53, разработанный ООО «НПО-СТС», г. Снежинск, включенный в Госреестр РФ с номером сертификата 16478.
Технические характеристики регистрирующего устройства преобразования информации РУПИ 53:
1. Число измерительных каналов - 4.
2. Частота дискретизации до 100 кГ цШ, где N - число каналов регистрации.
3. Диапазон измерения напряжения (0,01..15) В.
4. Диапазон измерения заряда (10..5000) пКл.
5. Частотный диапазон измерений (0..160) кГц.
6. Объем внутренней памяти устройства обеспечивает регистрацию и хранение не менее 80 реализаций по 16384 отсчетов в каждой.
7. Входное сопротивление, более 1 МОм.
8. Устройство преобразования информации РУПИ 53 обеспечивает:
- задание числа измеряемых каналов и частоты дискретизации временных процессов;
- задание числа регистрируемых точек по каждому каналу;
- задание коэффициента усиления по каждому каналу.
9. Диапазон рабочих температур 5°С...+40°С.
10. Обладает энергонезависимой внутренней памятью.
11. Относительная влажность 10%..80%, при 25°С.
12. Устойчивость к механическим воздействиям: вибрации до 1^, удар до 10g.
13. Габаритные размеры: (150х100х240) мм.
14. Масса 2 кг.
Прибор РУПИ 53 позволяет проводить диагностику ОСИ как под рабочим напряжением, так на обесточенном оборудовании.
В основе методики диагностики ОСИ под рабочим напряжением лежит регистрация и спектральный анализ свободных продольных затухающих колебаний изолятора в частотном диапазоне до 2 кГц при импульсном механическом воздействии, исключающем любое повреждение конструкции. Возбуждение колебаний и измерение вибрационной реакции производится на нижнем фланце изолятора с помощью специального устройства, размещенного на изолирующей штанге. В основе методики диагностики ОСИ на обесточенном оборудовании и при входном контроле лежит регистрация и спектральный анализ процессов вибрационной реакции изолятора на тестовое стационарное вибрационное воздействие в продольном направлении в частотном диапазоне 0.3 кГц^10 кГц. Возбуждение колебаний осуществляется с помощью пьезокерамической головки на одном фланце изолятора, а измерения вибрационной реакции производятся с помощью пьезодатчиков на противоположном фланце в месте максимума возбуждения колебаний. В обоих случаях анализируется спектральная плотность мощности вибрационной реакции.
Нами определено, что оба метода обеспечивают достаточную точность диагностики ОСИ при наличии трещин, составляющих порядка 25% по отношению к диаметру фарфора, и нарушении целостности соединения «фланец-фарфор», при этом второй метод более информативен для оценки места расположения дефекта.
При разработке методик диагностики использовался подход, в основе которого лежит создание и принудительное развитие трещины в фарфоре, для чего в заданном месте изолятора создавался концентратор, а затем, с помощью ударного воздействия незначительной силы, обеспечивалось развитие трещины вплоть до разрушения. После каждого ударного воздействия осуществлялась регистрация вибрационной реакции изолятора на тестовое воздействие и оценивались изменения в ее спектральном составе в зависимости от размера трещины. Обе методики опробованы на практике. В общей сложности обследовано более 2000 изоляторов. Полученные результаты хорошо согласуются с данными, полученными методом акустической эмиссии. Так, из шести изоляторов, предоставленных для проверки с использованием разработанных методов, годными признаны два, дефектными - три, а один требует периодического контроля. Методом акустической эмиссии дефектными признаны три изолятора, годными - три.
На рис. 1 показаны типичные спектральные характеристики вибрационной реакции изоляторов при использовании первого метода диагностики (импульсное тестирующее воздействие). Из рис. 1 видно, что для исправного изолятора характерен один пик сигнала отклика на внешнее воздействие, а для дефектного - сигнал основного отклика сопровождается побочными сигналами.
Мы также проверяли вибрационный отклик изолятора с применением метода стационарного случайного тестирующего воздействия. На рис. 2 показаны изменения амплитудно-частотных характеристик вибрационной реакции дефектного изолятора в процессе роста трещины в верхней части изолятора при использовании второго метода. По росту амплитуды вибрационной реакции изолятора и изменению характера амплитудного спектра можно сделать вывод о том, что дефект растет, а изолятор, скорее всего, подлежит окончательному списанию.
0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000
0,006 0,005 0,004 0,003 0,002
0,001 0,000
1600,00 3200,00 4800,00
Рис. 1. Амплитудный спектр вибрационной реакции изоляторов при импульсном воздействии
6
5
4
3
2
1
О
в)
Рис. 2 Изменение амплитудно-частотных характеристик ОСИ при стационарном случайном воздействии и развитии трещины в фарфоре: а) начальная стадия развития трещины; б) промежуточная стадия развития трещины; в) конечная стадия развития трещины
Для более надежной диагностики изолятора мы применяли низкочастотный ультразвуковой метод дефектоскопии механического состояния ОСИ. На рис. 3, 4, 5 изображены амплитудные спектры сигналов вибрационного отклика исправного изолятора при низкочастотном ультразвуковом воздействии, а также на различных стадиях развития дефекта.
Рис. 3. Амплитудный спектр отклика дефектного изолятора на низкочастотное
ультразвуковое воздействие
Рис. 4. Амплитудный спектр отклика исправного изолятора на низкочастотное ультразвуковое
воздействие
Д-
——I—
О 10 00« 20 000 30 000 40 000
Рис. 5. Амплитудный спектр отклика исправного изолятора на низкочастотное ультразвуковое воздействие на начальной стадии развития дефекта
Рис. 6. Спектральная плотность мощности вибрационного процесса, зарегистрированного на нижнем фланце ОСИ в удовлетворительном состоянии
Также нами произведены измерения спектральной плотности мощности вибрационного процесса на различных стадиях развития дефекта (рис. 6, 7, 8).
Рис. 7. Спектральная плотность мощности вибрационного процесса, зарегистрированного на нижнем фланце ОСИ на начальной стадии развитии дефекта
Рис. 8. Спектральная плотность мощности вибрационного процесса, зарегистрированного на нижнем фланце ОСИ в неудовлетворительном состоянии
Выводы
Разработан эффективный комплексный неразрушающий метод
вибрационного контроля механического состояния ОСИ на предмет наличия дефектов (трещин, сколов и отслоений фарфора от фланца размером порядка 25 % от размера поперечного сечения фарфора), включающий звуковые методы (низкочастотный импульсный и низкочастотный стационарный методы, используемые в процессе эксплуатации для тестирования ОСИ). Для более надежной диагностики ОСИ применяется низкочастотный ультразвуковой метод обнаружения дефектов ОСИ.
Summary
The most widespread quality monitoring of a mechanical condition of standoff porcelain insulators are described. Results of complex sound and low-frequency ultrasonic diagnostics of a mechanical condition of standoff porcelain insulators are brought.
The complex not destroying method of the vibrating control of a mechanical condition of standoff porcelain insulators for presence of defects of the porcelain, including sound low-frequency, pulse and low-frequency stationary methods is developed.
Литература
1. ГОСТ 6490-93. Межгосударственный стандарт. Изоляторы линейчатые подвесные тарельчатые. - 2004.
2. Омельченко Ю.А. Шейкин А.А. Контроль качества изделий из высоковольтного электрофарфора на монтаже и в эксплуатации: Сборник материалов 2-го семинара “Диагностика технического состояния фарфоровых изоляторов высоковольтных коммутационных аппаратов”, 27-29 октября 1999 г. -М.: ВНИИЭ.
3. Шейкин А.А. Контроль качества изделий из высоковольтного
электрофарфора на производстве: Сборник материалов 2-го семинара
“Диагностика технического состояния фарфоровых изоляторов высоковольтных коммутационных аппаратов”, 27-29 октября 1999г. - М.: ВНИИЭ, 1999.
4. Аронштам ЮЛ. Демин А.Н. Методика акустико-эмиссионного контроля фарфоровых изоляторов разъединителей 110-220 кВ: Труды международной научно-технической конференции “Изоляция-99”, 15-18 июня 1999г. - С-Пб, 1999.
Поступила 03.10. 2007
