CN102928507A - 气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声导波的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置及其监测方法。目前的检测方法受缺陷的位置、方向及类型影响很大，都不能有效解决GIS的健康监测问题。本发明包括超声波检测仪、编码器、扫查架和超声导波换能器，其特征在于，所述的超声导波换能器和编码器均与扫查架连接，使超声导波换能器和编码器同步运行，所述的编码器通过数据线与超声波检测仪连接，所述的超声导波换能器包括壳体、置于壳体中的楔块和搁置在楔块上的晶片，所述超声导波换能器通过BNC接口与超声波检测仪相连。本发明的超声导波换能器能产生高性噪比、强传输能力的超声导波，能经过有限的扫查对整个GIS罐体的损伤进行检测。

Description

气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及电力成套装置无损检测领域，具体地说是一种基于超声导波的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置及监测方法。

背景技术

气体绝缘全封闭组合电器（以下简称GIS）是由断路器、隔离开关、接地开关、母线等多种高压电器组合而成的成套装置，这些设备或部件全部封闭在金属罐体内部，并充入一定压力（一般大于0.3MPa）的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。其中GIS使用的罐体是承压部件，要求SF6年漏气率小于1%。一旦由于GIS罐体损伤而产生SF6泄漏，不但影响GIS乃至电力系统的可靠运行，同时也会污染周围环境，危害工作人员的身体健康及生命安全。因此，对GIS罐体健康状态进行监测具有重要的社会效益和经济效益。

GIS罐体有整体铸造及卷板焊接两种形式。外形尺寸一般为：筒体直径400-1000mm、壳体厚度6-10mm、长1000-3000mm，材料一般为铝合金5A02-H112。生产过程中，对于铸造壳体易产生气孔、缩孔与冷隔、夹渣、裂纹等缺陷；对于焊接壳体，除了母材缺陷外，焊缝还会产生未焊透、气孔及裂纹等焊接缺陷。GIS服役期间，由于应力及振动等原因，容易使罐体产生裂纹等损伤。因此应及时定期的对GIS罐体进行健康监测，及时排除隐患，保证系统的稳定运行。

针对GIS罐体，目前国内主要有三种检测方法：射线检测、常规超声检测及渗透检测。JB/T4734-2002《铝制压力容器》规定，应对其A类或B类焊接接头进行局部射线检测或超声检测，检测长度不得小于各条焊接接头长度20%，且不小于250mm。刘泽洪著作《气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）质量管理与控制》提到，对铸造罐体特别容易产生缺陷的部位应采用射线进行检测；对于每个罐体的纵缝，都应该进行X光探伤的检验，并且存档。以上三种方法主要存在的缺点：首先，这三种检测方法都是逐点扫描，也就是说只能对抽检的区域或者焊缝进行损伤评价，如果需要对整个罐体进行健康检测，就需要对整个罐体的全体积进行扫描，上述三种方法几乎是不能实现的。其次，这三种检测方法受缺陷的位置、方向及类型影响很大，例如，渗透检测只能检测表面缺陷，特定的超声波探头只能检测表面缺陷或内部缺陷，射线检测面积型缺陷检出率受透照角度等多种因素影响。另外，对于服役的GIS罐体，由于内部已经装满电器设备，无法进行射线检测及渗透检测。显而易见，现有的检测方法方法都不能有效解决GIS的健康监测问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述检测方法存在的缺陷，提供一种基于超声导波检测方法的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其能够实现对全封闭组合电器罐体的健康进行实际监测，能够对整个GIS罐体任意壁厚方向的损伤进行经济、快捷和有效的检测，并对检测出来的损伤进行评估和电子存档，从而实现对GIS健康状态的监测和动态跟踪，保障设备系统及人员的安全。

为此，本发明采用的技术方案如下：气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，包括超声波检测仪、编码器、扫查架和超声导波换能器，其特征在于，所述的超声导波换能器和编码器均与扫查架连接，使超声导波换能器和编码器同步运行，所述的编码器通过数据线与超声波检测仪连接，所述的超声导波换能器包括壳体、置于壳体中的楔块和搁置在楔块上的晶片，所述超声导波换能器通过BNC接口与超声波检测仪相连。

超声导波换能器(简称为探头)能产生高性噪比、强传输能力的超声导波，能经过有限的扫查对整个GIS罐体的损伤进行检测。

本监测装置的基本原理为：扫查架在GIS罐体表面扫查，编码器记录超声导波换能器的位置，探头发射及接受检测距离范围内的GIS罐体损伤信息的导波，超声波检测仪把超声导波换能器的所有扫描数据转换成超声导波图像，从而实现GIS罐体损伤的快速检测。

进一步，所述的扫查架上设有至少一个定位柱，超声导波换能器的壳体上设有至少一个定位孔，通过定位孔与定位柱的配合实现超声导波换能器与扫查架的连接，拆装方便。

进一步，所述的定位柱和定位孔各有二个，均呈对称设置，使超声导波换能器与扫查架的连接更为稳定可靠。

进一步，所述的编码器通过其前面的销轴与扫查架后侧的销孔相连，拆装方便。

进一步，所述的超声波检测仪为可同时显示两种成像的超声波检测仪。

进一步，所述的编码器为轮型增量旋转编码器。

进一步，所述的晶片和楔块的参数由罐体频散曲线计算及反复实验得出，所述晶片的尺寸优选为25×25mm，频率优选为0.5-2MHz，楔块的角度优选为35°至60°。

本发明的另一目的是提供了上述监测装置进行监测的方法，其监测步骤依次为：测量罐体壁厚；绘制罐体的频散曲线；绘制导波激发角曲线图；制作超声导波换能器；绘制DAC曲线；进行环向扫查；进行纵向扫查；图像数据分析。

所述的测量罐体壁厚，是指使用超声波检测仪对罐体进行壁厚测量。

所述的绘制罐体的频散曲线图，是指绘制被监测的罐体导波速度-频率曲线，该曲线反映超声导波的速度与罐体的几何尺寸及导波频率之间的关系；曲线是根据罐体的材料及壁厚，使用商业软件DISPERSE进行绘制。

所述的绘制导波激发角曲线图，即导波激发角-频率曲线图，是根据绘制的罐体频散曲线，由相速度频散曲线通过公式                                                (

为激发角，为楔块中纵波速度；

为所激发的导波速度）转换得来。

所述的制作超声导波换能器，是指根据GIS罐体频散曲线图、导波激发角曲线图、质点的振动方式，实验比较各种模态的超声导波的信噪比、频散特性及传输能力，确定超声导波换能器晶片的频率、尺寸及楔块的参数。

所述的绘制DAC曲线，是指在壁厚为8mm的GIS罐体（110KV、220KV及部分500KVGIS都是该规格）加工φ2mm通孔做为人工反射体，改变超声导波换能器的前沿至通孔的距离（从300mm至1800mm），绘制横坐标为传输距离，纵坐标为人工反射体波高的曲线，使用该曲线做为扫查时缺陷的预判及屏蔽干扰信号。

所述的环向扫查，是指扫查架带着超声导波换能器，沿罐体圆周方向（导波传播方向与轴向平行）环绕扫查一周，由于导波的特性，可以监测整个筒体的整个壁厚方向上的损伤，并保存扫查图像；该扫查方式尤其对周向损伤较敏感。 

所述的纵向扫查，是指把罐体从轴向分为两个半圆的监测区，使用扫查架沿罐体轴向（导波传播方向与周向平行）分别进行一次导波传播方向相反的纵向扫查，监测整个筒体的整个壁厚方向上的损伤，并保存扫查图像；该扫查方式尤其对轴向损伤较敏感。

所述的图像数据分析，是指把图像数据传输至计算机，使用超声检测仪自带的软件对数据进行分析，判断缺陷的位置及大小，从而完成GIS罐体健康监测。

本发明具有的有益效果：

1)相对于已存在的检测方法而言，本发明大大提高了检测效率。在罐体的一点处激励超声导波，由于导波本身的特性(沿传播路径衰减很小)，它可以在罐体的整个长度方向（环向扫查时）或整个圆周方向（纵向扫查时）传播，于是监测装置接收的信号包括了整个罐体的结构信息，因此该方法是通过一维扫查（线扫），实现对罐体全体积的损伤监测，从而大大提高了检测效率，而且监测过程可以记录和保存，用于事后的技术分析。

2)本发明还提高了检测效果。相对于已存在的检测方法，由于受缺陷的位置、方向影响，常常难以用一种检测方法一次性地完成对各类损伤的监测，而本监测装置是在罐体激励出遍及整个壁厚的导波声场，既能检测内部缺陷，又能检测表面缺陷，不受缺陷的位置、方向影响，从而达到一次监测完成对各种损伤的检测。

3)本发明通过超声导波换能器在GIS罐体中激发超声导波，以人工反射体制作的DAC曲线作为扫查灵敏度，以超声成像的方式对GIS罐体进行经济、快捷和有效的检测，并对检测出来的损伤进行电子存档、评估，从而实现了GIS罐体健康状态的全过程监测，为电力系统的稳定运行及人员的生命安全提供了保障。

附图说明

图1为本发明GIS罐体健康监测装置的结构示意图。

图2为本发明GIS罐体健康监测步骤示意图。

图3为本发明环向扫查示意图(图中A表示导波发射方向，B表示探头移动轨迹)。

图4为本发明纵向扫查示意图(图中A表示导波发射方向，B表示探头移动轨迹)。

图5为本发明GIS罐体频散曲线。

图6为本发明GIS罐体导波激发角曲线。

图7为本发明超声导波换能器的扫描图。

图8为本发明GIS罐体纵向扫查图像。

具体实施方式

下面通过说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详述，以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

如图1所示的GIS罐体健康监测装置，所述的扫查架1上设有二个呈对称设置的定位柱2，超声导波换能器的壳体上设有二个呈对称设置的定位孔5，通过定位孔与定位柱的配合实现超声导波换能器4与扫查架1的连接。所述的编码器8通过其前面的销轴9与扫查架后侧的销孔3相连。所述的编码器8通过数据线与超声波检测仪10连接，所述的超声导波换能器4由壳体、置于壳体中的楔块7和搁置在楔块上的晶片组成，所述超声导波换能器通过BNC接口与超声波检测仪10相连。所述晶片6和楔块7的参数由罐体频散曲线计算及反复实验得出，晶片6的尺寸为25×25mm，频率范围为0.5-2MHz；楔块7的角度范围为35°至60°。所述的编码器8为轮型增量旋转编码器。

本实施例中受监测的对象是某基建220KV变电站工地GIS罐体11（如图3、4所示），全长2m，外径φ774，壁厚8mm，材料5A02-H112。该罐体上有2条纵缝12，有3个内窥孔13，罐体内部各种电器设备已经安装完毕，SF6气体已经充好。可见当前状况下，射线检测、渗透检测及常规超声检测最多只能对罐体进行局部检测，无法对整个罐体的健康进行监测。

 

如图2所示，本实施例对GIS罐体进行健康监测的步骤如下：测量罐体壁厚；绘制罐体的频散曲线；绘制导波激发角曲线图；制作超声波导波换能器；绘制DAC曲线；进行环向扫查；进行纵向扫查；图像数据分析。

1、测量罐体壁厚

在GIS罐体选取四点，使用超声波检测仪进行测试，记录四个点的厚度测试值，取最后平均值作为GIS罐体的厚度，得出该GIS罐体壁厚为8mm。

    2、绘制罐体的频散曲线

使用商业软件DISPERSE，绘制8mm厚5A02-H112频散曲线，如图5所示，横坐标表示激发导波的频率，纵坐标表示所激发导波模态的速度。

3、绘制导波激发角曲线图

绘制导波激发角曲线图，如图6所示，该曲线由相速度频散曲线通过公式

转换而来，公开中

为激发角，

为楔块中纵波速度，楔块为有机玻璃，

取2700m/s；

为所在罐体中激发的导波速度。

4、制作超声导波换能器

根据绘制的频散曲线、导波激发角曲线图和振动位移分布特点，实验对比各种模态的超声导波在GIS罐体上的信噪比、传输能力及缺陷发现能力，选定激发角为55°，激发频率为2MHZ的S1模态的超声导波换能器。于是选定2MHZ的晶片6，及设置楔块7的入射角为55°制作超声导波换能器。图7所示是探头距离人工反射体（φ2 mm通孔）1米处得到的波形。从图中可知，超声波传输的时间为670us，计算得速度

，与理论2MHz时S1模态的群速度2.999mm/us相对误差0.4%，非常吻合。另外从图中可知，当缺陷波幅在40%左右时，噪声回波在10%左右，具有很高的信噪比。表明制造的超声导波换能器能产生出模态单一、能量大的导波，可很好的应用在实际工程检测中。

5、绘制DAC曲线

在长2米、规格为φ557×8mm的GIS罐体上加工φ2 mm通孔作为对比试块，改变探头前沿至通孔的距离（从300mm至1800mm），绘制横坐标为的传输距离，纵坐标为人工反射体波高的的曲线（如图7所示）。在实际检测中，以DAC曲线为扫查灵敏度，可以对缺陷尺寸进行预判，并屏蔽干扰波。

6、环向扫查

装编码器8的扫查架1带着超声导波换能器4，沿GIS罐体圆周方向（探头前沿对着长度方向，探头布置如图3所示）环绕扫查一周，得到扫查图像。

7、纵向扫查

把罐体从长度方向分为两半圆，使用扫查装置沿长度方向进行2次直线的纵向扫查（探头布置如图4所示），检测整个筒体的整个壁厚方向上的损伤，并保存扫查图像（见图8）。

8、图像分析

把图像数据传输至计算机，使用超声检测仪自带的软件对数据进行分析。图8横坐标表示探头离扫查起始点距离，纵坐标表示反射信号离探头前沿距离（即环向位置），图像中颜色的变化代表信号波幅的大小，红色表示信号波幅最强。图8中，距离起点200mm及1600处是内窥孔13；在距离起点800至1200的区域内存在3个缺陷，这3个缺陷位于距离探头前沿700mm的焊缝12上。

可见本发明“GIS罐体健康监测方法”只通过一次扫查就得到了体现GIS罐体整体健康状况的超声数据图像，从图像中可以清晰的分辨出结构信号显示及缺陷信号显示，大大提高了检测效率及检测效果。因此该方法可以快速高效的对GIS罐体进行健康监测，能在工程实际中得到很好的应用。

Claims (10)

1.气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，包括超声波检测仪(10)、编码器(8)、扫查架(1)和超声导波换能器(4)，其特征在于，所述的超声导波换能器(4)和编码器(8)均与扫查架(1)连接，所述的编码器(8)通过数据线与超声波检测仪(10)连接，所述的超声导波换能器(4)包括壳体、置于壳体中的楔块(7)和搁置在楔块上的晶片(6)，所述超声导波换能器通过BNC接口与超声波检测仪(10)相连。

2.根据权利要求1所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的扫查架(1)上设有至少一个定位柱(2)，超声导波换能器的壳体上设有至少一个定位孔(5)，通过定位孔与定位柱的配合实现超声导波换能器(4)与扫查架(1)的连接。

3.根据权利要求2所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的定位柱和定位孔各有二个，均呈对称设置。

4.根据权利要求1所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的编码器(8)通过其前面的销轴(9)与扫查架后侧的销孔(3)相连。

5.根据权利要求1所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的超声波检测仪(10)为可同时显示两种成像的超声波检测仪。

6.根据权利要求1所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的编码器(8)为轮型增量旋转编码器。

7.根据权利要求1所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述的晶片(6)和楔块(7)的参数由罐体频散曲线计算及反复实验得出。

8.根据权利要求7所述的气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置，其特征在于，所述晶片(6)的尺寸为25×25mm，频率为0.5-2MHz，楔块(7)的角度为35°至60°。

9.权利要求1-8任一项所述气体绝缘全封闭组合电器罐体健康监测装置的监测方法，其监测步骤依次为：测量罐体壁厚；绘制罐体的频散曲线；绘制导波激发角曲线图；制作超声导波换能器；绘制DAC曲线；进行环向扫查；进行纵向扫查；图像数据分析。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，所述的测量罐体壁厚，是指使用超声波检测仪对罐体进行壁厚测量；

所述的绘制罐体的频散曲线图，是指绘制被监测的罐体导波速度-频率曲线，该曲线反映超声导波的速度与罐体的几何尺寸及导波频率之间的关系；

所述的绘制导波激发角曲线图，是指根据绘制的罐体频散曲线，由相速度频散曲线通过公式                                                

转换得来，为激发角，

为楔块中纵波速度，

为所激发的导波速度；

所述的制作超声导波换能器，是指根据罐体频散曲线图、导波激发角曲线图、质点的振动方式，实验比较各种模态的超声导波的信噪比、频散特性及传输能力，确定超声导波换能器晶片的频率、尺寸及楔块的参数；

所述的绘制DAC曲线，是指在壁厚为8mm的罐体加工φ2mm通孔做为人工反射体，改变超声导波换能器的前沿至通孔的距离，绘制横坐标为传输距离，纵坐标为人工反射体波高的曲线，使用该曲线做为扫查时缺陷的预判及屏蔽干扰信号；

所述的环向扫查，是指扫查架带着超声导波换能器，沿罐体圆周方向环绕扫查一周，监测整个筒体的整个壁厚方向上的损伤，并保存扫查图像； 

所述的纵向扫查，是指把罐体从轴向分为两个半圆的监测区，使用扫查架沿罐体轴向分别进行一次导波传播方向相反的纵向扫查，监测整个筒体的整个壁厚方向上的损伤，并保存扫查图像；

所述的图像数据分析，是指把图像数据传输至计算机，使用超声检测仪自带的软件对数据进行分析，判断缺陷的位置及大小，从而完成罐体健康监测。

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