支柱瓷絕緣子超聲波檢測(cè)分析與應(yīng)用

張海杰，陳仁剛，菅有為，劉況

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南250021）

支柱瓷絕緣子超聲波檢測(cè)分析與應(yīng)用

張海杰，陳仁剛，菅有為，劉況

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南250021）

介紹超聲波檢測(cè)原理及爬波檢測(cè)和小角度縱波檢測(cè)的特點(diǎn)，并描述爬波檢測(cè)法在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)實(shí)例證明超聲波檢測(cè)法可及時(shí)發(fā)現(xiàn)支柱瓷絕緣子內(nèi)部和表面的缺陷，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

支柱瓷絕緣子；超聲波；爬波；縱波

0 引言

電瓷是電力工業(yè)中必不可少的絕緣材料，由于其具有絕緣性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，耐冷熱驟變性能強(qiáng)，抗老化等優(yōu)良的性能，在電力行業(yè)方面主要用于斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、CT、CVT等高壓電氣設(shè)備的絕緣和機(jī)械支撐。但是在運(yùn)輸過(guò)程中有可能會(huì)因包裝不良而使絕緣子內(nèi)部損壞；已投運(yùn)的設(shè)備也可能因安裝工藝不良造成局部長(zhǎng)期承受較大的扭力，從而使絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重的會(huì)因擊穿放電而爆炸，危及人身及設(shè)備安全，甚至?xí)斐呻娋W(wǎng)大面積停電事故。因此，定期對(duì)設(shè)備支柱絕緣子進(jìn)行探傷是十分必要的。超聲波的頻率高于20 kHz，能穿透大多數(shù)材料，可用來(lái)探測(cè)電瓷內(nèi)部和表面的缺陷，且具有靈敏度高，設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)人身無(wú)傷害，檢測(cè)費(fèi)用低，便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的信息處理和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。因此它是一種理想的檢測(cè)方法。

1 超聲波檢測(cè)原理

根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)界面上的反射、折射特性，可以獲得等于或大于超聲波波長(zhǎng)的缺陷或其他異質(zhì)界面的反射波，對(duì)反射波分析可評(píng)判缺陷。

超聲波檢測(cè)時(shí)，超聲波探傷儀發(fā)出高頻脈沖波作用于具有壓電效應(yīng)的探頭上，當(dāng)探頭受到外界電場(chǎng)作用時(shí)，電場(chǎng)使壓電晶片中的離子產(chǎn)生相對(duì)位移，這個(gè)位移使得晶片產(chǎn)生彈性形變，從而產(chǎn)生超聲波。探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)

當(dāng)電瓷內(nèi)部有缺陷時(shí)，超聲波從電磁介質(zhì)傳播到空氣介質(zhì)，入射波一部分能量被界面反射回來(lái)，當(dāng)電瓷內(nèi)部沒(méi)有缺陷時(shí)，只有極少部分入射波反射回來(lái)，這部分反射波的強(qiáng)度可以用聲強(qiáng)Ir表示，其表達(dá)式為

式中：Ir為聲強(qiáng)，W/m2；p為聲壓，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；c為超聲波在介質(zhì)中的速度，m/s。

聲強(qiáng)反射系數(shù)

式中：Z1為第一種介質(zhì)的聲阻抗，N·s/m5；Z2為第二種介質(zhì)的聲阻抗，N·s/m5。

若電瓷內(nèi)無(wú)缺陷，則Z1≈Z2，此時(shí)超聲波幾乎沒(méi)有反射；若電瓷內(nèi)有缺陷，則，Z1?Z2此時(shí)超聲波反射系數(shù)較大，即反射波強(qiáng)度較高。當(dāng)反射回來(lái)的超聲波作用在探頭上時(shí)，通過(guò)壓電效應(yīng)使探頭晶片上產(chǎn)生電信號(hào)，超聲波探傷儀將電信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)示波屏將信號(hào)顯示出來(lái)，反射波強(qiáng)度越高，則產(chǎn)生的電信號(hào)越強(qiáng)，從而可以判斷出電瓷內(nèi)部是否有缺陷。

1.1 爬波檢測(cè)法

爬波又稱(chēng)爬行縱波、滑行縱波、表面下縱波等，是20世紀(jì)70年代末期才開(kāi)始發(fā)展應(yīng)用的檢測(cè)方法，是指超聲縱波以第一臨界角附近的入射角從第一介質(zhì)入射到第二介質(zhì)中時(shí)，在第二介質(zhì)中表面附近產(chǎn)生的一種非均勻波。用爬波檢測(cè)在役支柱絕緣子法蘭內(nèi)的瓷體時(shí)，爬波在瓷體近表面?zhèn)鞑ィ粫?huì)受該處瓷砂、膠裝水泥等瓷體表面粗糙物的影響，而且檢測(cè)速度較快，對(duì)于電瓷表面下1～9 mm內(nèi)的裂紋最為敏感，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中爬波法最為廣泛。使用爬波法檢測(cè)前，必須先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊繪制距離—波幅曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 距離—波幅曲線(xiàn)

圖2為試塊中模擬裂紋的反射波強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線(xiàn)，可判定凡超過(guò)距離—波幅曲線(xiàn)高度的反射波均為缺陷波。

1.2 小角度縱波檢測(cè)法

小角度縱波檢測(cè)法是超聲縱波以很小的斜入射角從第一介質(zhì)入射到第二介質(zhì)界面時(shí)，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生折射縱波，在實(shí)際應(yīng)用中，一般將其折射角β控制在20°以?xún)?nèi)。超聲波束可以?huà)卟榈缴盥裨诜ㄌm內(nèi)瓷體內(nèi)部的缺陷，以及探頭對(duì)側(cè)的瓷體表面缺陷，但其缺點(diǎn)是示波屏上表面缺陷波和底波區(qū)分較難，缺陷波不便分辨，而且又受變電站計(jì)劃停電時(shí)間的限制，因此現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中應(yīng)用較少。

2 超聲波檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

實(shí)際進(jìn)行超聲波探傷時(shí)，首先應(yīng)準(zhǔn)備探傷儀，相應(yīng)的爬波探頭，標(biāo)準(zhǔn)試塊以及耦合劑。再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊繪制距離—波幅曲線(xiàn)圖。然后，調(diào)整探傷儀的掃查靈敏度，若靈敏度過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致誤判，即將正常反射波誤認(rèn)為缺陷波；若靈敏度過(guò)低，則缺陷波的幅值可能會(huì)在距離—波幅曲線(xiàn)下方，將會(huì)導(dǎo)致漏判。因此必須準(zhǔn)確調(diào)整靈敏度，根據(jù)儀器使用規(guī)定，當(dāng)超聲波在電瓷內(nèi)的聲速為6 700 m／s時(shí)，此時(shí)的靈敏度即為儀器本身設(shè)置的靈敏度，而每當(dāng)聲速下降100m／s時(shí)，需要在檢測(cè)靈敏度基礎(chǔ)上補(bǔ)償2 dB增益作為掃查靈敏度。

通過(guò)對(duì)瓷絕緣子故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，瓷瓶斷裂多發(fā)生在法蘭口內(nèi)3 cm到第一傘裙之間，且法蘭和瓷瓶相交處一般有部分砂層覆蓋，測(cè)量時(shí)將探頭放在法蘭與第一傘裙之間的砂層過(guò)渡區(qū)外側(cè)，且探頭正面對(duì)向法蘭口，探頭放置的位置如圖3所示，徑向移動(dòng)1周，移動(dòng)速度不大于150 mm／s，觀察測(cè)量得到的波形。

圖3 探頭位置

爬波法檢測(cè)時(shí)需注意兩點(diǎn)。一是檢測(cè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些非缺陷固有回波，主要是各種輪廓回波，如電瓷表面或外壁一些稍深的刻槽、壓痕、折痕、波紋等都會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，此類(lèi)信號(hào)在屏幕上顯示為林狀波群，雖然反射波不強(qiáng)，但足以干擾判別；二是電瓷表面的耦合劑過(guò)多時(shí)，爬波在探頭前端面的油滴會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)，或者會(huì)因電瓷表面的凸凹不平導(dǎo)致聲速入射方向的改變而引起一些特殊的干擾信號(hào)。因此在檢測(cè)過(guò)程中要仔細(xì)判別。

探測(cè)過(guò)程中，如果示波屏只顯示有極少量的反射波，則說(shuō)明支柱瓷絕緣子表面或近表面無(wú)缺陷；如果存在幅值較大的點(diǎn)狀或叢狀波形且波形超過(guò)距離—波幅曲線(xiàn)，則說(shuō)明支柱瓷絕緣子表面或近表面存在氣孔、燒結(jié)形成的凹坑、碰損或裂紋等缺陷，應(yīng)將探頭在該處沿軸向和徑向移動(dòng)，以便進(jìn)一步確定缺陷的大小和位置。

圖4為某500 kV變電站50231開(kāi)關(guān)支柱瓷絕緣子超聲波探傷及測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，反射波的幅值已超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，外觀檢測(cè)表面上并無(wú)裂紋，說(shuō)明該瓷瓶?jī)?nèi)部存在缺陷，從橫坐標(biāo)中可以看出缺陷位置距離探頭前段約2.5 cm處。通過(guò)探傷判定該瓷瓶作廢，作業(yè)人員及時(shí)進(jìn)行更換，從而排除了設(shè)備的安全隱患。

Analysis and Application of Ultrasonic Detection for Strut Porcelain Insulators

The principle of ultrasonic detection and the testing characteristics of creeping waves and small angle longitudinal waves are introduced.The application of creeping waves in site inspection is also described.The ultrasonic detection method has been proved to be able to promptly discover both internal and surface flaws of strut porcelain insulators，hence ensuring security and stability of power grid.

strut porcelain insulator；ultrasonic；creeping wave；longitudinal wave

TM216

：B

：1007－9904（2014）06－0047－02