CN105424802A - 一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统,包括:系统主控计算机、信号发生器、功率放大器、压电贴片、数字示波器。本发明还公开了一种应用于复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统的检测方法,包括如下步骤:1、确定导波在复合绝缘子模型中传播的频散方程;2、利用实验测得的绝缘子试件相关参数求解相应的频散曲线;3、根据频散曲线结论确定激励导波频率、周期和模态;4、选取激励和接收点,实现导波的缺陷检测;5、将导波检测波形放入计算机进行数据分析处理,判断有无缺陷及缺陷大小类型。本发明具有准确快速、长距离、大范围、低成本等检测优点。

Description

一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统及其检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电力设备检测技术,特别涉及一种复合绝缘子缺陷的超声导波检 测系统及其检测方法。
背景技术
[0002] 复合绝缘子因其质量轻、防污性能好、易维护、造价低等方面的优势,在高压输电 工程中得到了广泛的应用。然而由于制造工艺以及运行年限的增加等原因,复合绝缘子内 部会出现一些隐蔽性缺陷,如护套与芯棒脱粘、芯棒断裂等,对电网的安全运行构成极大的 威胁,由此造成的危害将十分严重。因此,实现对复合绝缘子内部缺陷的快速、准确检测,对 于保障电网的安全运行显得非常重要。
[0003] 目前国内外的许多学者已研究出了 一些检测复合绝缘子的方法,如紫外线成像 法、红外成像法、电场分布法、漏电流法、水扩散实验室法等,但是这些方法普遍灵敏度低、 复杂耗时,而且容易受环境影响。因此,灵敏度高、穿透性强、成本低的无损检测方法一一超 声波法引起了研究者的兴趣。清华大学高英等人采用超声脉冲回波法对浸泡在水中的绝缘 子进行超声检测,测出了伞裙中直径3_的人造缺陷。华南理工大学的谢从珍先后提出了 利用超声波探伤仪和相控阵超声波检测硅橡胶绝缘子护套脱粘和气孔缺陷的方法,根据超 声波在不同介质中传播时的异质界面回波特性判定绝缘子缺陷。但是利用超声波检测需要 对绝缘子进行逐点扫描,花费检测时间较长。此外由于在靠近超声探头的地方存在盲区,这 部分区域的缺陷将无法检测,而且相控阵检测对使用人员的要求较高,普遍适用性较低。
[0004] 超声导波技术是近年来发展起来的一种能够进行快速、长距离、大范围、低成本的 无损检测方法。相比超声波检测而言,它检测的是一条线而不是一个点,并且对于内部和表 面缺陷均能检测到,因而大大提高了检测效率、降低了漏检风险。目前该技术已被广泛应用 在管道、钢杆的无损检测中,但对于复合绝缘子的检测应用研究较少。
发明内容
[0005] 本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足,完善绝缘子缺陷的检测技 术,提供一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统,该检测系统能够准确地检测出复合绝 缘子缺陷。
[0006] 本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足,完善绝缘子缺陷的检测技 术,提供一种应用于复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统的检测方法,该方法能够进行快 速、长距离、大范围、低成本的检测,
[0007] 本发明的首要目的通过下述技术方案实现:一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测 系统,包括系统主控计算机、信号发生器、功率放大器、压电贴片、数字示波器;
[0008] 所述系统主控计算机实现激励导波的程序编写调制和接收导波的存储分析处 理;
[0009] 所述信号发生器激励导波的模态频率根据频散曲线的结论确定,检测复合绝缘子 选用低频L(0, 1)纵向模态导波;
[0010] 所述功率放大器的放大倍数依据实际检测构件进行选择,实现导波能量的增强, 便于长距离检测;
[0011] 所述压电贴片的粘贴方式应根据所选导波模态确定,压电贴片个数越大激励的导 波能量越强,抑制F弯曲模态导波的效果越好,由于在硅橡胶上激发和接收导波的效果不 显著,硅橡胶密度小阻尼大容易吸收导波,阻止了导波在绝缘子上的传播,故采用玻璃芯棒 中激发和接收,检测绝缘子压电贴片粘贴方式选为等距对称直接粘贴在剥离了硅橡胶包覆 层的玻璃芯棒径向表面上,从而激励效果较好的单一模态低频导波;所述检测点的选取,是 在绝缘子上靠近尾端或中间部分间隔选取;
[0012] 所述数字示波器实现检测结果的直观可视功能,多通道同时显示便于进行激励信 号和不同接收点的波形对比分析。
[0013] 所述检测系统的具体操作如下:
[0014] (1)确定导波在复合绝缘子模型中传播的频散方程;
[0015] (2)利用实验测得的绝缘子试件相关参数求解相应的频散曲线;
[0016] (3)根据频散曲线结论确定激励导波频率、周期和模态;
[0017] (4)选取激励和接收点,实现导波的缺陷检测;
[0018] (5)将导波检测波形放入计算机进行数据分析处理,判断有无缺陷及缺陷大小类 型。
[0019] 本发明的另一目的通过以下技术方案实现:一种应用于复合绝缘子缺陷的超声导 波检测系统的检测方法,具体操作步骤如下:
[0020] 由于复合绝缘子模型复杂,内层为玻璃芯棒,外层是由硅橡胶包覆层和不同大小 硅橡胶伞裙组成,导波在绝缘子中传播的理论分析也相当复杂,将其简化成内层为玻璃芯 棒,外层为硅橡胶包覆层的双层圆柱体结构,相应的复合绝缘子中导波模式的传播问题可 以简化为导波在规则双层杆中的传播问题,利用双层杆结构中边界条件,建立一组特征方 程,方程的矩阵形式为
[0021] [D] {Ai A2 Bi B2 A3 B3}t= 0, (1)
[0022] 式中:[D]为6X6的系数矩阵,六1、六2、六3、8 1為、83为待定系数。为使上式有非零 解,其系数行列式必须为零。
[0023] ⑷=0, (2)
[0024] 上式即为双层杆结构中纵向模态的频散方程,即波数k和频率f的关系表达式。将 复合绝缘子具体参数代入上式求得频散曲线,玻璃芯棒半径9mm、密度2176. 17kg/m3、泊松 比0. 3、弹性模量57Gpa,外层硅橡胶包覆层厚度4mm、密度1241. 7kg/m3、泊松比0. 25、弹性 模量0.1245Gpa,确定激励导波模态采用L(0, 1)纵向模态、频率范围40-lOOkHz、周期数10 或20。
[0025] 依据理论分析的结论确定所述信号发生器相应的参数,功率放大器的放大倍数选 最大42dB,通过压电贴片的直接与玻璃芯棒的粘贴实现信号在复合绝缘子中的激励和接 收,压电贴片作为传感器的工作原理是利用压电贴片的正向压电效应,将结构中的应变信 息转变为电信号反馈给实验系统终端。
[0026] 数字示波器进行导波的显示和存储,将示波器存储的检测导波放到计算机中进行 信号处理分析,首先检测无缺陷的绝缘子,把检测的导波设为无缺陷时的基波,再分别检测 不同缺陷的复合绝缘子,将检测的导波与基波进行对比分析,采用导波和小波变换相结合 的数据处理方法,将时域波形转换到频域进行特征量的提取,得到检测的不同缺陷时结论。
[0027] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0028] 1、采用超声导波检测复合绝缘子缺陷的方法,克服了传统绝缘子检测方法的不 足。如紫外线成像法、红外成像法、电场分布法、漏电流法、水扩散实验室法等,这些方法普 遍灵敏度低、复杂耗时,而且容易受环境影响,都具有一定的破坏性。超声导波是一种能够 进行准确快速、长距离、大范围、低成本的无损检测方法。
[0029] 2、超声导波检测技术与常规超声波检测技术相比具有其不可比拟的优点:a、检测 能力更强,缺陷检出率更大,降低了漏检风险。超声导波在杆、管等波导中传播时,受波导边 界条件的影响,纵波和横波会在界面间不断来回反射形成导波传播,由于传播被限制在波 导内,导波的能量衰减很小,能传播很长的距离。同时导波检测中,传感器布置于某一个位 置激励出导波后,导波即能沿着波导向前传播,在碰到介质的变化时产生反射和透射。因 此,导波检测仅需在构件的某一点激励即可扫查整个构件,超声导波检测技术实际是检测 了一条线,而不是一个点。另一方面,由于超声导波在复合绝缘子的内、外(上、下)表面和 中部都有质点的振动,声场遍及整个复合绝缘子,因此整个复合绝缘子的内部缺陷和表面 缺陷都可以被检测到。b、与传统超声波检测图像相比,导波检测波形更加直观、准确。超声 导波激励信号是通过汉宁窗调制的正弦波形,这种激励信号的频域能量集中,能有效的降 低能量的发散,抑制导波的频散。
附图说明
[0030] 图1是复合绝缘子简化双层杆结构示意图。
[0031] 图2是复合绝缘子L模态相速度频散曲线。
[0032] 图3是复合绝缘子L模态群速度频散曲线。
[0033] 图4是超声导波检测系统简化示意图。
[0034] 图5是压电贴片粘贴方式示意图。
[0035] 图6是40kHz低频L (0, 1)导波检测无缺陷绝缘子波形图。
[0036] 图7是40kHz低频L (0, 1)导波检测有缺陷绝缘子波形图。
具体实施方式
[0037] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限 于此。
[0038] 实施例
[0039] 如图1所示,为复合绝缘子理论分析的简化双层杆模型,其中,坐标轴z轴为 圆柱体中心线,R1和R2分别表示交界面处的半径和外层的外半径。本例中的实验试 件采用广州市迈克林电力有限公司生产的绝缘子,型号为FXBW4-35/70、FXBW4-35/100 和FXBW4-110/100-A,通过对实验试件进行数据测量得到相关参数,其中型号 FXBW4-110/100-A复合绝缘子技术参数为长度1. 06m(绝缘子长度为切除两端金具后的长 度),玻璃芯棒半径9mm、密度2176. 17kg/m3、泊松比0. 3、弹性模量57Gpa,外层硅橡胶包 覆层厚度4mm、密度1241. 7kg/m3、泊松比0. 25、弹性模量0. 1245Gpa;利用频散曲线软件GUIGUW求解相关频散方程,得到如图2和图3所示的频散曲线,从图中频散曲线可以看出双 层杆结构频散曲线的平滑程度低,故可适检测频率范围小,频率的选取要求高,由于双层杆 外层为硅橡胶结构,硅橡胶的密度小阻尼大,所以导致频散曲线中的速度整体呈下降趋势, 且速度变化快,相近频率导波的速度相差很大。故采用激励导波的模态为L(0, 1),频率范围 为40-100kHz,周期数为10。
[0040] 通过上述理论分析得到的结论进行导波检测,如图4所示,为超声导波检测系统 简化示意图,激励信号通过电脑设计编程存储到U盘,然后再插入信号发生器进行读取调 制;由功率放大器进行功率放大;通过将激励导线细分为8个子线从而达到多个激励,经过 压电贴片与探头之间的连接在绝缘子结构上激发特定频率周期的超声导波。当导波在绝缘 子中传播至尾端或遇到缺陷时,再由压电贴片在尾端或靠近激发端进行接收,然后在数字 示波器显示,并通过示波器存储功能将实验数据波形存储在U盘内。
[0041] 如图5和图1所示,本发明采用压电陶瓷(PZT)作为驱动器和传感器粘贴在绝缘 子结构上(德国PI公司生产,材料编号为PIC151)。压电贴片对称等距的直接粘贴在除去 了硅橡胶包覆层的内层玻璃芯棒上,压电贴片个数根据实际检测要求确定,个数越多激励 信号的强度越大,抑制F弯曲模态的效果越好,检测波形效果也越好。
[0042] 如图6所示,为100kHz低频L(0, 1)导波检测1.06m无缺陷的绝缘子波形图,激励 方式为4个压电贴片等距对称激发,从图5可以看出,绝缘子外层硅橡胶吸收超声导波能力 强,导波在绝缘子中传播衰减较大,传播距离短,除了有效检测波形L(0, 1)以外,中间还存 在其他扭转模态和弯曲模态波形,波形复杂。
[0043] 如图7所示,为100kHz低频导波在缺陷绝缘子中传播的波形,其中激励和接收 均在剥离了硅橡胶的玻璃芯棒上,缺陷位置在53cm处,缺陷深度为14mm,缺陷周向长度为 40_。对比图6无缺陷时的绝缘子波形图可以看出,缺陷使导波幅值减小,吸收了部分导波 能量,缺陷产生的导波与本身激励的其他模态导波发生叠加,使T和F模态导波幅值增加。 [0044] 将各组无缺陷、有缺陷的检测波形分别进行小波变换,得到时频转换后的频域特 征图,提取相应的特征量进行数据处理分析,从而得到具体缺陷的大小、位置和类型。
[0045] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化, 均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
[0046] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化, 均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统,其特征在于,包括:系统主控计算机、信 号发生器、功率放大器、压电贴片和数字示波器; 所述系统主控计算机用于实现激励导波的程序编写调制和接收导波的存储分析处 理; 所述信号发生器激励导波的模态频率根据频散曲线的结论确定,检测复合绝缘子选用 低频L(0,1)纵向模态导波; 所述功率放大器的放大倍数依据实际检测构件进行选择,实现导波能量的增强,便于 长距离检测; 所述压电贴片的粘贴方式应根据所选导波模态确定,压电贴片个数越大激励的导波能 量越强,抑制F弯曲模态导波的效果越好,由于在硅橡胶上激发和接收导波的效果不显著, 硅橡胶密度小阻尼大容易吸收导波,阻止了导波在绝缘子上的传播,故采用玻璃芯棒中激 发和接收,检测绝缘子压电贴片粘贴方式选为等距对称直接粘贴在剥离了硅橡胶包覆层的 玻璃芯棒径向表面上,从而激励效果较好的单一模态低频导波;所述检测点的选取,是在绝 缘子上靠近尾端或中间部分间隔选取; 所述数字示波器实现检测结果的直观可视功能,多通道同时显示便于进行激励信号和 不同接收点的波形对比分析。
2. 如权利1所述的复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统,其特征在于,所述信号发生 器的相应参数是基于绝缘子频散曲线进行设置,所述绝缘子频散曲线中,导波模式的传播 问题简化为导波在规则双层杆中的传播问题。
3. 如权利1所述的复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统,其特征在于,把所述复合绝 缘子作为检测对象,通过超声导波信号在复合绝缘子内部玻璃芯棒中的传播,遇到复合绝 缘子缺陷发生反射和透射,最终在数字示波器上显示出直观的检测波形。
4. 一种应用于权利1所述的复合绝缘子缺陷的超声导波检测系统的检测方法,其特征 在于,包括如下步骤: 步骤1、确定导波在复合绝缘子中传播的频散方程,测得相应的绝缘子参数代入方程求 得频散曲线,依据频散曲线选取导波的模态频率; 步骤2、所述系统主控计算机实现激励导波的程序编写调制和接收导波的存储分析处 理,所述压电贴片连接信号发生器与复合绝缘子,在绝缘子内部产生超声导波检测信号,导 波信号通过内部玻璃芯棒传播,遇到缺陷时发生反射和透射; 步骤3、所述数字示波器显示并存储导波检测波形,将存储的波形传输到系统主控计算 机进行数据处理分析; 步骤4、对比分析波形,确定复合绝缘子缺陷大小、类型以及具体位置。
5. 如权利4所述的检测方法,其特征在于,在步骤2中,所述压电贴片粘贴方式为直接 对称等距的粘贴在绝缘子内层玻璃芯棒径向表面上,从而激励和接收导波信号。
6. 如权利4所述的检测方法,其特征在于,在步骤2中,所述压电贴片粘贴个数根据激 励和接收点的个数来确定,所述的激励点和接收点均至少为一个。
7. 如权利4所述的检测方法,其特征在于,在步骤4中,所述对比分析波形采用的方法 为,首先确定无缺陷的复合绝缘子检测波形为对照基波,再检测不同缺陷时的复合绝缘子, 将检测波形与基波进行对比分析,采用导波和小波变换相结合的数据处理方法,将时域波 形转换到频域进行特征量的提取,得出复合绝缘子缺陷大小、类型以及具体位置。
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