Способ неразрушающего акустического контроля керамических опорно-стержневых изоляторов Российский патент 2024 года по МПК G01N29/12 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к способам неразрушающего акустического контроля технического состояния керамических (фарфоровых) опорно-стержневых изоляторов, как одиночных, так и собранных в колонки, и может быть применено для проверки несущей способности таких изоляторов, снабженных термокомпенсирующими элементами.

Уровень техники

Механическая прочность и, соответственно, несущая способность керамических опорных изоляторов, широко используемых в электрооборудовании различных классов напряжения, снижается в течение их срока службы из-за дефектов, возникающих под воздействием климатических факторов (влага, перепады температур с замерзанием и оттаиванием влаги), механических нагрузок, а также вследствие нарушений и несовершенства технологии изготовления.

Значение минимальной разрушающей нагрузки бездефектного изолятора приводится в его заводском паспорте, как правило, с двух-трех кратным конструкционным запасом. Поэтому изолятор признают негодным к эксплуатации только в том случае, когда есть основания полагать, что имеющийся дефект снижает несущую способность изолятора до критического уровня - вышеуказанного паспортного значения минимальной разрушающей нагрузки.

Своевременное диагностирование такого критического дефекта является главной задачей неразрушающего акустического контроля керамического опорно-стержневого изолятора.

Керамические (фарфоровые) опорно-стержневые изоляторы современных конструкций снабжены эластичными термокомпенсирующими элементами, примыкающими к армировочным швам между керамическим стержнем и металлическими фланцами (ГОСТ Р 52034-2008. Изоляторы керамические опорные на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия). В связи с этим энергетические спектры собственных (резонансных) колебаний таких изоляторов значительно отличаются от аналогичных спектров опорно-стержневых изоляторов, не имеющих эластичных термокомпенсирующих элементов.

Известен способ неразрушающего акустического контроля керамического опорно-стержневого изолятора, согласно которому при появлении или отсутствии в энергетическом спектре собственных колебаний изолятора, по меньшей мере, одного, дополнительного пика, соизмеримого по уровню с пиком основного тона, делают вывод соответственно о неудовлетворительном или удовлетворительном состоянии механической прочности изолятора [RU2275647].

Недостатки этого способа состоят в том, что:

- способ не применим для контроля изоляторов, энергетические спектры которых имеют несколько основных тонов (колонки из нескольких изоляторов или изоляторы с термокомпенсирующими элементами), поскольку приводит к ложным браковкам таких изоляторов;

- отсутствие числовых критериев приводит к субъективным оценкам состояния механической прочности изоляторов и не позволяет применить программно-алгоритмический анализ энергетического спектра для получения объективных и достоверных результатов контроля.

Известен способ неразрушающего акустического контроля механической прочности керамического опорно-стержневого изолятора, раскрытый в источнике «Мобильный индикаторный комплекс модели МИК-1 и МИК-2. Методические указания», доступном на сайте заявителя по ссылке [https://logoteh.ru/wp-content/uploads/2019/07/%D0%9C%D0%A3%D0%9C%D0%98%D0%9A%D 0%A0%D0%A4-2019.pdf].

Способ имеет вариант (п.6.2 указанного источника, стр. 37-44), предназначенный для контроля керамических опорно-стержневых изоляторов современной конструкции, снабженных термокомпенсирующими элементами. Этот вариант известного способа принят в качестве прототипа.

Способ-прототип включает возбуждение собственных (резонансных) колебаний изолятора, вычисление и регистрацию энергетического спектра этих колебаний в контролируемой полосе частот 1,0-10,0 кГц и проверку соответствия энергетического спектра заданным диагностическим критериям годности изолятора к эксплуатации (проверку соответствия критериям браковки).

Способ-прототип использует критерии годности в виде качественных оценок четырех основных пиков энергетического спектра, расположенных в четырех диапазонах частот (1.4-2,0; 3,2-4,8; 4,5-7,5; 7,5-9,5 кГц). Негодность к эксплуатации, обусловленную снижением несущей способности изолятора до критического уровня, по способу-прототипу диагностируют в случае смещения двух основных пиков указанных крайних диапазонов к границам контролируемой полосы частот, а двух других основных пиков - в диапазон 4,0-5,0 кГц. Кроме того, негодность изолятора диагностируется прототипом в случае появления множественных дополнительных пиков в диапазоне частот 6,5-9,5 кГц. Специализированное программное обеспечение (СПО) прототипа вычисляет энергетический спектр возбужденных колебаний в контролируемой полосе частот и выводит его на дисплей, а проверка соответствия вычисленного энергетического спектра заданным диагностическим критериям годности проводится визуально.

Недостаток прототипа - низкая достоверность и субъективность результатов контроля, обусловленная множественностью, нечеткостью и неоднозначностью критериев годности, отсутствием числовых значений основных и дополнительных пиков энергетического спектра и, соответственно, невозможностью программно-алгоритмического анализа полученного энергетического спектра.

Сущность изобретения

Технический результат изобретения - повышение объективности и достоверности контроля, соответствующее снижение вероятности ошибки при установлении годности изолятора к дальнейшей эксплуатации, а также возможность автоматизации диагностической стадии контроля за счет программно-алгоритмического анализа энергетического спектра собственных колебаний изолятора. Следствием этого является упрощение обслуживания и повышение эксплуатационной безопасности высоковольтного электрооборудования, содержащего керамические опорно-стержневые изоляторы (как одиночные, так и собранные в колонки), снабженные термокомпенсирующими элементами.

Это достигнуто, благодаря использованию единственного и однозначно оцифрованного критерия годности, который был найден в результате статистической обработки множества энергетических спектров, полученных при натурных испытаниях изоляторов, и дополнительно подтвержден численными экспериментами на математических моделях одиночного опорно-стержневого изолятора и колонки из таких изоляторов.

Предметом изобретения является способ неразрушающего акустического контроля механической прочности керамического опорно-стержневого изолятора, включающий возбуждение собственных колебаний изолятора, вычисление и регистрацию их энергетического спектра в контролируемой полосе частот и проверку соответствия вычисленного энергетического спектра заданным диагностическим критериям, отличающийся тем, что изолятор признают годным к эксплуатации, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет первому диагностическому критерию, состоящему в том, что максимальное значение энергетического спектра в каждом из частотных диапазонов 1,0-1,3 кГц и 9,7-10,0 кГц не превышает 10% от глобального максимума энергетического спектра собственных колебаний изолятора в контролируемой полосе частот.

Изобретение имеет развития, первое из которых состоит в том, что изолятор, признанный годным к эксплуатации, повторно контролируют при противоположном знаке окружающей температуры, изолятор, повторно признанный годным к эксплуатации, в третий раз контролируют после возврата знака окружающей температуры к исходному значению и изолятор, в третий раз признанный годным к эксплуатации, относят к бездефектным, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет второму, третьему и четвертому критериям, из которых второй состоит в том, что локальный максимум энергетического спектра в каждом из четырех частотных диапазонов 1,3-3,0 кГц, 3,0-5,5 кГц, 5,5-8,0 кГц и 8,0-9,7 кГц превышает 5% от глобального максимума энергетического спектра в контролируемой полосе частот при положительной температуре фиксации колебаний и, по меньшей мере, в диапазоне 3,0-5,5 кГц при отрицательной температуре фиксации колебаний, третий критерий состоит в том, что локальные максимумы энергетического спектра соседних из указанных четырех частотных диапазонов отделены друг от друга промежутками не менее 1,0 кГц, в которых локальные минимумы не превышают 5% от глобального максимума в контролируемой полосе частот, а четвертый - в том, что частоты указанных локальных максимумов и минимумов совпадают с соответствующими частотами энергетического спектра собственных колебаний изолятора, ранее зафиксированных при температуре того же знака.

Второе развитие изобретения состоит в том, что изолятор относят к имеющим допустимый неразвивающийся дефект, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет второму и четвертому критериям, но не удовлетворяет третьему критерию, или к имеющим допустимый развивающийся дефект, если указанный энергетический спектр удовлетворяет второму и третьему критериям, но не удовлетворяет четвертому критерию.

Эти развития позволяют разделить изоляторы, оставляемые в эксплуатации, на три группы в соответствии с оптимальной по трудозатратам тактикой дальнейшего обслуживания:

- бездефектные;

- с допустимым неразвивающимся дефектом;

- с допустимым развивающимся дефектом.

Изобретение имеет еще одно развитие, уточняющее четвертый (сравнительный) критерий и снижающее вероятность ошибки при диагностике по этому критерию, состоящее в том, что совпадающими считают частоты, разность которых не превышает 50 Гц.

Краткое описание фигур

На фиг. 1-6 приведены примеры энергетических спектров собственных колебаний керамических опорно-стержневых изоляторов. Спектры показаны в логарифмическом масштабе и нормированными по глобальному максимуму в контролируемой полосе частот 1,0-10,0 кГц. Спектры на фиг. 1 и 2 относятся к колебаниям, зафиксированным соответственно при положительной и отрицательной температуре на дефектных изоляторах, подлежащих выводу из эксплуатации. Спектры на фиг. 3 и 4 относятся к колебаниям, зафиксированным соответственно при положительной и отрицательной температуре на бездефектных изоляторах. Спектры на фиг. 5 и 6 относятся к колебаниям, зафиксированным соответственно при положительной и отрицательной температуре на изоляторах, имеющих допустимый в эксплуатации дефект.

Осуществление изобретения с учетом его развитий

Процедуру контроля изолятора по заявляемому способу с учетом его развитий можно разделить на две стадии:

- мониторинг, включающий возбуждение собственных колебаний изолятора, их преобразование в электрический сигнал с фиксацией на машиночитаемом носителе, вычисление энергетического спектра зафиксированных колебаний в контролируемой полосе частот (например, с использованием математической процедуры быстрого преобразования Фурье) и его регистрацию (т.е. сохранение энергетического спектра в памяти компьютера или на машиночитаемом носителе информации с указанием идентификатора изолятора, даты и окружающей температуры в °С);

- диагностику состояния механической прочности изолятора путем сопоставления полученного энергетического спектра и заданных диагностических критериев.

Стадия мониторинга, включая вычисление энергетического спектра собственных колебаний контролируемого изолятора, может быть осуществлена, например, с помощью мобильного индикаторного комплекса МИК-2 аналогично стадии мониторинга, подробно описанной в источнике известности прототипа. Эту стадию целесообразно (но не обязательно) дополнить операцией нормирования энергетического спектра, обеспечивающей удобство последующего сопоставления с универсальными (по отношению к типам и экземплярам контролируемых изоляторов) цифровыми значениями диагностических критериев. Нормирование целесообразно выполнить относительно глобального максимума спектра в контролируемой полосе частот, как это принято в данном описании, или относительно другой величины с эквивалентным пересчетом сопоставляемых значений.

Для осуществления автоматической диагностики пакет СПО, имеющийся, например, в составе комплекса МИК-2, должен быть дополнен программным приложением, выполняющим анализ вычисленного спектра в соответствии с заявляемым способом.

Контроль состояния механической прочности изолятора периодически проводят, начиная с ввода его в эксплуатацию и до вывода из нее. Первый контроль проводят после ввода в эксплуатацию, второй и последующие - после того, как сменился знак среднесуточной окружающей температуры по шкале Цельсия (т.е. после перехода этой температуры через точку замерзания воды/таяния льда). При каждом контроле проводят проверку годности изолятора к дальнейшей эксплуатации, используя первый критерий. По этому критерию изолятор признают годным к эксплуатации, если максимальные значения энергетического спектра его колебаний в каждом из двух диапазонов частот 1,0-1,3 кГц и 9,7-10,0 кГц не превышают 10% от глобального максимума энергетического спектра в контролируемой полосе частот 1,0 -10,0 кГц. Изолятор, не признанный годным, подлежит выводу из эксплуатации.

При первоначальном и втором контроле ограничиваются проверкой энергетического спектра только по первому критерию. Третью и возможные последующие процедуры контроля изолятора проводят после обратных переходов среднесуточной окружающей температуры через ноль шкалы Цельсия, т.е. при наличии энергетического спектра колебаний, ранее зафиксированных на контролируемом изоляторе при том же знаке среднесуточной температуры. Это позволяет выявлять изменения состояния механической прочности изолятора, сравнивая энергетические спектры собственных колебаний изолятора, зафиксированных при одном и том же знаке окружающей температуры. Поэтому при третьей и последующих процедурах контроля диагностику оставляемого в эксплуатации изолятора целесообразно дополнять сопоставлением таких энергетических спектров. Согласно развитию заявляемого способа такое сопоставление выполняют, комплексно используя три критерия (второй, третий и четвертый), один из которых (четвертый) является сравнительным. В комплекс критериев входят:

- второй критерий, состоящий в том, что локальный максимум энергетического спектра в каждом из четырех частотных диапазонах 1,3-3,0 кГц, 3,0-5,5 кГц, 5,5-8,0 кГц и 8,0-9,7 кГц превышает 5% от глобального максимума энергетического спектра в контролируемой полосе частот при положительной температуре фиксации колебаний и, по меньшей мере, в диапазоне 3,0 -5,5 кГц при отрицательной температуре фиксации колебаний;

- третий критерий, который состоит в том, что локальные максимумы соседних из указанных четырех частотных диапазонов отделены друг от друга промежутками не менее 1,0 кГц, в каждом из которых энергетический спектр имеет локальный минимум менее 5%;

- четвертый критерий, который можно характеризовать как сравнительный, состоит в том, что частоты указанных максимумов и минимумов совпадают с соответствующими частотами энергетического спектра собственных колебаний изолятора, ранее зафиксированных при температуре того же знака.

Совместное применение второго, третьего и четвертого критериев позволяет отнести изолятор, признанный годным, к одной из трех групп:

- бездефектные изоляторы, если энергетический спектр собственных колебаний изолятора удовлетворяет второму, третьему и четвертому критериям;

- изоляторы с допустимым неразвивающимся дефектом, если энергетический спектр собственных колебаний изолятора удовлетворяет второму и четвертому критериям, но не удовлетворяет третьему критерию;

- изоляторы с допустимым развивающимся дефектом, если энергетический спектр собственных колебаний изолятора удовлетворяет второму и третьему критериям, но не удовлетворяет четвертому критерию.

Другие сочетания второго, третьего и четвертого критериев при контроле годных к эксплуатации изоляторов в практике не встречаются.

Как видно из вышеизложенного, технический результат изобретения достигается уже после первоначально проведенного контроля, включающего возбуждение собственных колебаний изолятора, их регистрацию, вычисление энергетического спектра собственных колебаний изолятора в контролируемой полосе частот и проверку соответствия вычисленного энергетического спектра заданному диагностическому критерию, При этом указанный результат достигается, благодаря тому, что при диагностике изолятора используют однозначный и численно охарактеризованный первый диагностический критерий, который состоит в том, что максимальное значение энергетического спектра собственных колебаний годного к эксплуатации изолятора в каждом из диапазонов частот 1,0-1,3 кГц и 9,7-10,0 кГц не превышает 10% от глобального максимума энергетического спектра собственных колебаний изолятора в контролируемой полосе частот.

Аналогичные процедуры контроля механической прочности эксплуатируемых изоляторов с достижением вышеуказанного технического результата выполняют и после последующих переходов среднесуточной температуры воздуха через нулевое значение. При этом, после второго (обратного) перехода среднесуточной температуры через ноль по шкале Цельсия появляется возможность дополнительно применять для оценки состояния изолятора комплексный диагностический критерий, состоящий из второго, третьего и четвертого критериев, один из которых (четвертый) является сравнительным, разделять эксплуатируемые изоляторы на три вышеуказанные группы и обоснованно устанавливать индивидуальный для каждого изолятора временной интервал до следующего контроля механической прочности.

Использование: для неразрушающего акустического контроля механической прочности керамического опорно-стержневого изолятора. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждение собственных колебаний изолятора, вычисление и регистрацию их энергетического спектра в контролируемой полосе частот и проверку соответствия вычисленного энергетического спектра заданным диагностическим критериям, отличающийся тем, что изолятор признают годным к эксплуатации, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет первому диагностическому критерию, состоящему в том, что максимальное значение энергетического спектра в каждом из частотных диапазонов 1,0-1,3 кГц и 9,7-10,0 кГц не превышает 10% от глобального максимума энергетического спектра собственных колебаний изолятора в контролируемой полосе частот. Технический результат: снижение вероятности ошибки при установлении годности изолятора к дальнейшей эксплуатации, а также возможность автоматизации диагностической стадии контроля. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ неразрушающего акустического контроля механической прочности керамического опорно-стержневого изолятора, включающий возбуждение собственных колебаний изолятора, вычисление и регистрацию их энергетического спектра в контролируемой полосе частот и проверку соответствия вычисленного энергетического спектра заданным диагностическим критериям, отличающийся тем, что изолятор признают годным к эксплуатации, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет первому диагностическому критерию, состоящему в том, что максимальное значение энергетического спектра в каждом из частотных диапазонов 1,0-1,3 кГц и 9,7-10,0 кГц не превышает 10% от глобального максимума энергетического спектра собственных колебаний изолятора в контролируемой полосе частот.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изолятор, признанный годным к эксплуатации, повторно контролируют при противоположном знаке окружающей температуры, изолятор, повторно признанный годным к эксплуатации, в третий раз контролируют после возврата знака окружающей температуры к исходному значению и изолятор, в третий раз признанный годным к эксплуатации, относят к бездефектным, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет второму, третьему и четвертому критериям, из которых второй состоит в том, что локальный максимум энергетического спектра в каждом из четырех частотных диапазонов 1,3-3,0 кГц, 3,0-5,5 кГц, 5,5-8,0 кГц и 8,0-9,7 кГц превышает 5% от глобального максимума энергетического спектра в контролируемой полосе частот при положительной температуре фиксации колебаний и, по меньшей мере, в диапазоне 3,0-5,5 кГц при отрицательной температуре фиксации колебаний, третий критерий состоит в том, что локальные максимумы энергетического спектра соседних из указанных четырех частотных диапазонов отделены друг от друга промежутками не менее 1,0 кГц, в которых локальные минимумы не превышают 5% от глобального максимума в контролируемой полосе частот, а четвертый - в том, что частоты указанных локальных максимумов и минимумов совпадают с соответствующими частотами энергетического спектра собственных колебаний изолятора, ранее зафиксированных при температуре того же знака.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что изолятор относят к имеющим допустимый неразвивающийся дефект, если энергетический спектр его собственных колебаний удовлетворяет второму и четвертому критериям, но не удовлетворяет третьему критерию, или к имеющим допустимый развивающийся дефект, если указанный энергетический спектр удовлетворяет второму и третьему критериям, но не удовлетворяет четвертому критерию.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что совпадающими считают частоты, разность которых не превышает 50 Гц.