基于低頻雙探頭超聲波的盆式絕緣子缺陷檢測方法研究

孫賀斌， 周治伊， 呂巖婷， 吳金花， 周延科

（1.甘肅電力科學研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，變電站建設(shè)中因地質(zhì)狀況、場地條件和環(huán)境等因素的影響，使用GIS全封閉組合電器的情況日益增多。與常規(guī)敞開式變電站電氣設(shè)備不同，GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)精密，所占空間較小，運行過程中能夠適應(yīng)多種環(huán)境，并能夠穩(wěn)定運行，且安裝方便，配置靈活。因此，GIS設(shè)備在高壓、超高壓甚至特高壓領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。但如果在GIS內(nèi)部存在導電雜質(zhì)、水分或者絕緣設(shè)備發(fā)生故障時，就會產(chǎn)生局部放電，甚至導致絕緣事故發(fā)生，產(chǎn)生嚴重的后果。

運行經(jīng)驗表明，GIS設(shè)備中因盆式絕緣子導致的故障率約為26.6%，其中裂紋缺陷故障又占絕緣子故障的80%。鑒于盆式絕緣子在GIS中的重要作用，為減少因絕緣子失效而導致的GIS故障或更大的事故損失，有必要對盆式絕緣子的健康狀況進行檢測。通常采用脈沖電流法、超高頻法、X射線檢測、氣體分析法、超聲導波法[2-6]對盆式絕緣子進行檢測。脈沖電流法是利用局部放電在介質(zhì)兩端產(chǎn)生電荷，同時在介質(zhì)的兩端建立電流回路，則該回路上會產(chǎn)生脈沖電流，通過測量該回路上檢測阻抗的脈沖電壓，可以實現(xiàn)局部放電的測量。脈沖電流法可對局部放電的發(fā)生及強弱進行檢測，但容易受外界電磁干擾的影響。超高頻法是利用寬帶高頻接收局部放電陡脈沖激發(fā)的電磁波來判斷放電狀況，其靈敏度較高且具有較好的抗干擾能力，其中300 MHz以下頻段是抗干擾能力較好的頻率集中點，缺點是不能實現(xiàn)對放電量的標定。X射線檢測可以對缺陷進行實時成像，但檢測過程復(fù)雜，現(xiàn)場輻射較大，受現(xiàn)場檢測條件限制，無法實現(xiàn)全方位100%檢測，且靈敏度較低，檢測時間較長。氣體分析法是通過檢測放電產(chǎn)生的分解氣體進行分析，但其檢測靈敏度比較低，這是由于分解氣體擴散需要的時間較長，而且要達到具有可檢測性的濃度較困難。超聲導波法是利用材料中導波的傳播特性，檢測材料的宏觀缺陷、組織結(jié)構(gòu)和力學性能的變化，具有靈敏度高并且衰減較小等優(yōu)點，但該方法檢測工作復(fù)雜、效率較低，現(xiàn)場檢測的可行性受限。

本研究提出一種針對盆式絕緣子螺栓孔附近缺陷的超聲波檢測方法，分析超聲波在盆式絕緣子中的傳播特性，利用低頻雙探頭檢測技術(shù)，對盆式絕緣子螺栓孔附近的開裂缺陷進行檢測。同時，利用滲透檢測及射線檢測，驗證利用雙探頭低頻超聲波進行檢測的可行性。

1 盆式絕緣子中超聲波傳播特性分析

1.1 超聲波檢測原理

超聲波是指頻率大于20 kHz的機械波，可在不同介質(zhì)界面上產(chǎn)生折射、衍射、反射和波型轉(zhuǎn)換，具有頻率高、方向性較好、波長短、能量高、穿透力較強的特點，其中縱波和折射橫波可應(yīng)用于材料檢測領(lǐng)域。折射橫波是指當超聲縱波入射角在第一臨界角與第二臨界角之間時，入射后經(jīng)波形轉(zhuǎn)換得到的橫波[7]。具體波形轉(zhuǎn)換過程如圖1所示，當縱波（L）從介質(zhì)Z1入射到介質(zhì)Z2時，會產(chǎn)生反射縱波（L′）、折射縱波（L″）、反射橫波（S′）和折射橫波（S″）[8-10]，各類型波均符合折射、反射定律，如式（1）所示。

圖1 波形轉(zhuǎn)換圖Fig.1 Waveform conversion image

式（1）中：CL1、CS1為Z1中縱波、反射橫波的波速，m/s；CL2、CS2為Z2中折射縱波、折射橫波的波速，m/s；αL、α′L為Z1中縱波的入射角、反射角；βL、βS為Z2中縱波、橫波的折射角；α′S為Z1中橫波反射角。

在相同介質(zhì)中縱波波速不變，即縱波入射角（α′L）等于縱波反射角（αL）。在相同介質(zhì)中縱波波速大于橫波波速，即縱波折射角（βL）大于橫波折射角（βS），縱波反射角（α′L）大于橫波反射角（α′S）。

第一臨界角αⅠ：由式（1）得出，隨著αL增大，βL也隨之增大，當αL增大到某個角度時βL增大到90°，此時的縱波入射角即為第一臨界角αⅠ，如圖2(a)所示。

第二臨界角αⅡ：由式（1）得出，當CL1小于CS2時，βS大于αL，當αL增大時，βS也隨之增大，當αL增大到某一角度時，βS為90°，此時的縱波入射角為第二臨界角αⅡ，如圖2(b)所示。

圖2 臨界角示意圖Fig.2 Diagram of critical angle

由αⅠ和αⅡ可知，當αL小于αⅠ時，Z2介質(zhì)中折射縱波（L″）和折射橫波（S″）同時存在；當αL介于αⅠ與αⅡ之間時，Z2介質(zhì)中存在單一折射橫波（S″），超聲波橫波檢測是利用介質(zhì)Z2中只有單一橫波進行檢測的。

當被檢樣品存在裂紋缺陷時，儀器顯示屏一次波與二次波會出現(xiàn)特征缺陷波幅，二次波幅會因缺陷波的存在有所下降，超聲波通過被檢樣品時，如果遇到不連續(xù)缺陷，一部分超聲波會反射至探頭被探頭接收，反射的超聲波優(yōu)先到達探頭，故在二次波之前顯示在儀器屏幕上；另一部分超聲波通過缺陷到達底面，通過底面界面反射到達探頭，故到達底面的超聲波傳播時間較長，出現(xiàn)在缺陷波之后。檢測前可通過預(yù)先了解盆式絕緣子外圓弧至密封圈的距離來判斷一次波、二次波及缺陷波的特征顯示。

1.2 超聲波探頭參數(shù)選擇

超聲波探頭的機電耦合系數(shù)、機械品質(zhì)因子、壓電電壓常數(shù)、介電常數(shù)、居里溫度和聲阻抗等參數(shù)與其晶片有關(guān)，超聲波在盆式絕緣子材料中衰減大，探頭應(yīng)具有好的發(fā)射和接收靈敏度，并且應(yīng)具有分辨率高、盲區(qū)小等優(yōu)點。通過對比常規(guī)單晶材料和多晶材料特性，最終選擇多晶材料PZT-5制作壓電晶片。

為進一步提高探頭分辨率，需采用聚焦探頭，由文獻[11]可知，焦距F必須小于近場區(qū)長度N，聚焦效果才明顯。一般盆式絕緣子外圓弧至密封圈處的距離為60 mm左右，探頭晶片尺寸和頻率直接關(guān)乎探頭近場區(qū)的大小，應(yīng)盡可能使探頭近場區(qū)的長度大于焦距。近場區(qū)的長度N可通過式（2）～（3）進行計算。

式（2）～（3）中：a、b分別為探頭晶片的長和寬，mm；λ為波長，mm；C為盆式絕緣子中橫波的波速，m/s；f為探頭頻率，MHz。

由式（2）～（3）可知，若探頭頻率增大，波長減小，則近場區(qū)長度增大，但頻率增大，衰減增大，不利于檢測；反之，若探頭頻率減小，波長增大，則近場區(qū)長度減小，相應(yīng)的焦距也必須減小，檢測范圍減小，會存在漏檢；盆式絕緣子外圓弧寬度有限，若晶片尺寸過大會耦合不好，根據(jù)式（2）～（3）若采用1 MHz 18 mm×18 mm的探頭，則近場區(qū)N長度約為27.75 mm；若采用2 MHz 18 mm×18 mm的探頭，則近場區(qū)N長度約為42.89 mm；綜合考慮選用2 MHz 18 mm×18 mm的探頭。

為了更好地達到聚焦效果，晶片前安裝一個半徑為r的聲透鏡，探頭內(nèi)部中空，即聲透鏡接觸面為中空，探頭與工件接觸面為有機玻璃的弧面，弧面能與工件檢測面相適應(yīng)，中空腔內(nèi)裝入聲速小于聲透鏡的水。聲透鏡中的聲速為2 500 m/s，有機玻璃中的聲速為2 370 m/s，水中的聲速為1 480 m/s左右，待測盆式絕緣子中經(jīng)實測橫波聲速為3 272 m/s左右，縱波聲速為5 677 m/s左右，則根據(jù)式（4）計算得出焦距F。

式（4）中：F為焦距，mm；C1為聲透鏡中的聲速，m/s；C2為水中的聲速，m/s；r為聲透鏡半徑，mm。

同時為達到更好的聚焦效果，焦距F必須選在近場區(qū)以內(nèi)，即F＜N=42.89 mm，經(jīng)計算采用半徑r為17 mm的聲透鏡可以滿足F＜N的要求。

由于全橫波折射獲得的波形單一，對缺陷的判定相對容易，為了滿足盆式絕緣子純橫波檢測條件，只能存在單一折射橫波（S″），并保證斜楔材料與待測工件具有較高的超聲往復(fù)透射率，使聲壓轉(zhuǎn)化效率提高。根據(jù)公式arcsin（CL3/CL4）－arcsin（r′CL3/RCS4）計算得出只有單一橫波的探頭入射角，其中，CL3為斜楔中縱波的聲速，CL4為待測工件中縱波的聲速，CS4待測工件中橫波的聲速，r′為盆式絕緣子密封圈處半徑，R為盆式絕緣子外半徑。計算得出發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線夾角αL為24.8°～35.4°，則根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Probe structure diagram

使用圖3所示結(jié)構(gòu)探頭時，斜楔的圓弧面與盆式絕緣子的外圓弧面貼合，晶片通電后產(chǎn)生超聲縱波，該超聲縱波經(jīng)過聲透鏡聚焦后射入斜楔，入射角處于盆式絕緣子的第一臨界角與第二臨界角之間。超聲波在盆式絕緣子的接觸面同時產(chǎn)生反射和折射，斜楔表面凸起的牛角，可以減少雜波的影響，使反射波進入牛角不返回晶片，最后被吸聲材料吸收；由于聲透鏡的聲速C1＞水中的聲速C2，平面波入射到凸透鏡上使其折射波聚焦，再入射到聲速C3＞C2的盆式絕緣子中，其折射波在工件內(nèi)進一步聚焦；折射后的聲波轉(zhuǎn)變成橫波，從而達到檢測效果。

2 雙探頭超聲波檢測實施

2.1 檢測準備

探頭前沿及探頭延遲利用CSK-IA試塊進行測定。利用式（5）在與待測盆式絕緣子材料聲學特性相近的材料中測定材料衰減系數(shù)α。

式（5）中：F1、F2分別為顯示屏第一、二次底波的分貝值；6為擴散衰減引起的分貝差；μ為發(fā)射損失量，單次損失量為0.5～1.0 dB；h為工件厚度，mm。

根據(jù)待測盆式絕緣子的聲學特征計算檢測所用橫波聲速，橫波聲速測量方法：將兩只同型號、同規(guī)格探頭放置在與待測盆式絕緣子材料物理特性相近的平面中，調(diào)節(jié)兩探頭，使接受探頭底面波波幅顯示深度與底面實際厚度h一致，此時對應(yīng)聲速為橫波在待測盆式絕緣子中的聲速，如圖4所示。測量兩探頭之間的距離L，用于計算實際K值（tanβ），K值（tanβ）表示為式（6）。

圖4 K值計算圖Fig.4 K value calculation chart

2.2 檢測實施

盆式絕緣子安裝在密閉的GIS金屬殼內(nèi)，只有盆式絕緣子側(cè)面外露在金屬殼外部，現(xiàn)場安裝如圖5所示，圖中紅色帶子部分為盆式絕緣子外露部分，現(xiàn)場檢測時，可將紅色帶子去掉進行檢測。斷面示意圖如圖6所示。

圖5 現(xiàn)場安裝圖Fig.5 On-site installation drawing

圖6 斷面示意圖Fig.6 Schematic diagram of section

采用美國GE公司的USM36型便攜式超聲波探傷儀進行測試。該儀器具有較高的信噪比，能避免因材料衰減過大引起的噪聲波影響。采用研制的低頻超聲波探頭，在原始盆式絕緣子表面上進行儀器校準，采用雙探頭一發(fā)一收檢測方法，將探頭置于螺栓孔兩側(cè)（如圖7所示），調(diào)整探頭在盆式絕緣子材質(zhì)中的聲速，找到反射波回波的最高顯示波，并調(diào)整分貝值至滿屏的80%，將該調(diào)整后的分貝值作為基準靈敏度，提高4 dB作為檢測靈敏度。

圖7 探頭位置Fig.7 Probe position

受盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)特性及檢測條件限制，超聲波檢測只能從螺栓孔兩側(cè)進行檢測；檢測過程中，調(diào)整好檢測靈敏度，前后移動探頭，觀察屏幕一次波與二次波之間的特征波幅顯示。對3組盆式絕緣子進行現(xiàn)場試驗檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種不同信號顯示，如圖8所示。因盆式絕緣子內(nèi)部接地線與螺栓孔相對預(yù)埋位置不同，螺栓孔處接地線成隔孔布置，即在接地線的兩個螺栓孔中間布置一個無接地線螺栓孔。從圖8可以看出，螺栓孔附近出現(xiàn)不同波幅的缺陷反射回波，受內(nèi)部接地線影響，螺栓孔附近存在兩種形態(tài)：一種形態(tài)為螺栓孔通過接地線直接與密封圈處接地線連接得到，如圖8(a)所示；另一種形態(tài)為螺栓孔未與接地線連接得到，如8(b)所示。為驗證檢測準確性，對其中一組盆式絕緣子開展實驗室論證檢測。

圖8 檢測結(jié)果圖Fig.8 Test result graph

3 實驗室檢測

3.1 滲透檢測

對檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的盆式絕緣子凸面及凹面分別進行滲透檢測，采用清洗劑、滲透劑、顯像劑（型號均為DPT-5）進行檢測，滲透時間不少于10 min，清洗后干燥時間為5 min，采用自顯像，檢測結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，螺栓孔附近出現(xiàn)明顯的滲透劑回滲現(xiàn)象，裂紋清晰可見。

圖9 絕緣子的滲透檢測圖Fig.9 Penetration inspection images of insulator

3.2 射線檢測

利用DR實時成像技術(shù)，搭載Rhythm Review數(shù)據(jù)采集操作系統(tǒng)及Rhythm Acquire圖像處理軟件對發(fā)現(xiàn)缺陷的盆式絕緣子開展檢測。

DR檢測成像系統(tǒng)主要由X射線發(fā)射器、成像板、圖像處理系統(tǒng)、設(shè)備連接線等元件組成。其工作原理是依靠X射線穿過不同厚度、不同密度的樣品后，成像板中的接收器捕捉高壓信號，并將高壓信號轉(zhuǎn)換為圖像信號，從而得到不同灰度、黑度的圖像，經(jīng)過有線或無線接收器傳輸?shù)接嬎銠C，再通過計算機軟件進行圖像處理，可以直觀地觀察到被檢工件內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、尺寸和相對位置等[12-16]，檢測結(jié)果如圖10所示。從圖10可以清晰地看到，DR射線圖像中螺栓孔附近出現(xiàn)明顯的缺陷影像。

圖10 絕緣子的DR檢測圖Fig.10 DR testing image of insulator

綜上所述，滲透檢測及射線檢測均發(fā)現(xiàn)螺栓孔附近有開裂缺陷，射線照片中螺栓孔與接地線直接連接成隔孔分布，驗證了超聲波兩種缺陷波形顯示的準確性，表明基于低頻雙探頭超聲波方法可用于盆式絕緣子缺陷的檢測。

4 結(jié) 論

（1）采用型號為2 MHz 18×18 mm、晶片發(fā)射聲束的軸線與工件界面的法線夾角αL為24.8°～35.4°的雙探頭可以在盆式絕緣子中激發(fā)出信噪比較高的超聲折射橫波。

（2）由于缺陷處超聲波的反射，通過觀察底波與始波之間波幅的變化，可以檢測出盆式絕緣子螺栓孔附近是否存在缺陷。

（3）通過滲透檢測和射線檢測，驗證了基于低頻雙探頭超聲波的盆式絕緣子缺陷檢測方法的有效性。