CN107085040B - 一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法,步骤包括：建立双层杆复合绝缘子模型的频散方程；求解频散方程，并选择合适的导波模态、导波频率和导波周期；根据导波模态、导波频率和导波周期，编程调制得到激励信号；选择复合绝缘子的合适检测长度，并对其分段进行检测，使用数字示波器接收并显示超声导波信号以及加载在首端压电片上的激励信号；对超声导波信号的幅值与激励信号的幅值作比值，并定义为衰减系数；将衰减系数与完好复合绝缘子的衰减系数作比较，判断所检测区域内是否有脱粘现象。本发明利用扭转模态超声导波可在复合绝缘子内层玻璃钢芯棒和外层硅橡胶上传播的特性，实现复合绝缘子脱粘缺陷的快速、准确的检测。

Description

一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法

技术领域

本发明涉及电气设备无损检测领域，尤其涉及一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法。

背景技术

绝缘子是电力系统安全运行的关键设备之一，在架空输电线路中起着悬挂导线的重要作用。20世纪80年代以来，复合绝缘子因其体积小、质量轻、机械强度高、防污性能好等优良性能，在高压输电中的到广泛应用，与此同时，由于复合绝缘子损坏而引发的安全事故也日趋增加，对电网安全运行造成极大威胁。因此如何快速、准确的检测复合绝缘子内部缺陷就极为重要。

目前，对于复合绝缘子的检测，国内外学者做了大量研究，常用的检测方法有：紫外线成像法、红外线成像法、电场分布法、漏电流法、超声波法等。但这些方法或比较复杂耗时或具有破坏性，或对检测环境要求高。比如红外线成像法用于复合绝缘子局部异常发热检测，其检测结果受环境温度影响严重；紫外线成像法用于观测复合绝缘子表面微小局部放电，对检测环境湿度要求高，采集的信号也容易受到干扰；而利用超声波检测法检测复合绝缘子内部缺陷时，需要对绝缘子逐点进行扫面，直观性较差而且检测花费时间较长，检测存在盲区。

超声导波检测技术作为一种新型的无损检测方法，由于能够快速、准确、低成本、大范围检测等原因，在近年来得到很大程度的发展。相比于超声波检测的点扫描而言，超声导波是线扫描，内外缺陷均能检测到，该技术目前已被广泛应用于管道、锚杆的无损检测中。而利用超声导波检测复合绝缘子脱粘缺陷却鲜有报道。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，利用扭转模态超声导波可在复合绝缘子内层玻璃钢芯棒和外层硅橡胶上传播的特性，实现复合绝缘子脱粘缺陷的快速、准确的检测。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，包括如下步骤：

S1、根据所检测复合绝缘子和硅橡胶的材料参数、几何尺寸，建立双层杆复合绝缘子模型的频散方程；

S2、求解频散方程，得到双层杆复合绝缘子模型的相速度频散曲线、群速度频散曲线，根据相速度频散曲线和群速度频散曲线选择合适的导波模态、导波频率和导波周期；

S3、根据导波模态、导波频率和导波周期，编程调制得到激励信号；所述激励信号经使用函数信号发生器读取和功率放大器放大后，加载于粘贴在复合绝缘子表面的压电片上；

S4、选择复合绝缘子的合适检测长度，并对其分段进行检测，在所检测分段的首端加载超声导波信号，在所检测分段的尾端连接数字示波器，数字示波器接收并显示尾端超声导波信号以及加载在首端压电片上的激励信号；

S5、对尾端接收到的超声导波信号的幅值与激励信号的幅值作比值，并定义为衰减系数，所述衰减系数表征传播过程的衰减；

S6、将步骤S5所得到的衰减系数与完好复合绝缘子的衰减系数作比较，判断所检测区域内是否有脱粘现象，并估计脱粘大小。

进一步的，所述步骤S1的材料参数包括密度、杨氏模量和泊松比，所述几何尺寸包括玻璃钢芯棒直径和硅橡胶厚度。

进一步的，所述步骤S1，其具体为：

复合绝缘子由于其伞裙大小对导波传播的衰减影响不大，因此将其简化为内层为玻璃钢芯棒、外层为硅橡胶的双层杆模型；而导波无论是在单层弹性、粘弹性和圆柱体(壳)结构中传播时，均满足Navier位移运动方程：

式中，λ、μ均为材料Lame常数，U为广义位移矢量，ρ为材料密度，t为时间；

将广义位移矢量U分解为标量势φ的梯度和矢量势H的旋度，且▽·H＝0,即得：

当只考虑扭转模态时，则标量势φ必须为0，并且矢量势H的径向分量和周向分量均为0，只保留轴向分量H_z，该分量为r、z和t的函数，则得：

综合扭转模态复合绝缘子的应力和位移边界条件，包括：

硅橡胶外边界(r＝R₂)：

(σ_rθ)_r＝R2＝0

硅橡胶与芯棒层的交界面(r＝R₁)：

(u_θ1)_r＝R1＝(u_θ2)_r＝R1，(σ_rθ1)_r＝R1＝(σ_rθ2)_r＝R1

利用上述双层杆结构中边界条件和方程

建立频散方程：

[D]{A₁ A₂ B₁ B₂ A₃ B₃}^T＝0

式中，[D]为6×6的系数矩阵，为使上式有非零解，其系数行列式必须为零，即[D]＝0。

进一步的，所述步骤S2，在选择导波模态和导波频率时，要参考相速度频散曲线，确保导波模态在该导波频率下是非频散或者频散很小的，再依据群速度频散曲线选择该频率下群速度变化不大、传播速度最快的导波模态；其中，群速度是由相速度计算得出的，具体关系如下：

式中：C_g为群速度，C_p为相速度，f为导波的频率，d为杆的半径。

进一步的，所述步骤S2中合适的导波模态、导波频率，其标准为：在该导波频率下对应的导波模态有最大的传播速度，且在一定导波频率范围内该导波模态群速度变化不大，而其他导波模态传播速度小；

所述合适的导波周期，其标准为：选择传播衰减小、没有模态分离现象并且波包波形清晰、幅值易于观察的导波周期。

进一步的，所述步骤S3的激励信号，其方程式为：

式中，f为超声导波信号的中心频率，n为超声导波信号的周期数。

进一步的，所述步骤S6的判断所检测区域内是否有脱粘现象，其依据为：在所检测分段的范围内有脱粘缺陷时，其衰减系数小于完好复合绝缘子。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

本发明采用扭转模态超声导波技术检测复合绝缘子克服了许多传统检测技术的不足，比如存在检测盲区、具有破坏性、效率低、易受环境影响等缺点；相较于常规超声波检测的点扫描而言，超声导波是一种线扫描，芯棒和硅橡胶层中均有导波传播，声场遍布整个检测区域，所以内外缺陷均能检测到；此外，超声导波压电片均贴于硅橡胶外表层，没有破坏复合绝缘子结构，能够实现无损检测，检测技术对环境条件要求低，具有很大的便利性；因此它是一种检测效率高、环境要求低、检测范围大、漏检风险低的无损检测技术。

附图说明

图1是本发明一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中复合绝缘子模型图；

图3是本发明实施例中理论分析用复合绝缘子简化模型图；

图4是本发明实施例中复合绝缘子T扭转模态相速度频散曲线；

图5是本发明实施例中复合绝缘子T扭转模态群速度频散曲线；

图6是本发明实施例中超声导波检测复合绝缘子脱粘缺陷系统图；

图7是本发明实施例中15kHz T(0,2)模态轴向脱粘检测图；

图8是本发明实施例中50kHz T(0,4)模态轴向脱粘检测图；

图9是本发明实施例中15kHz T(0,2)模态周向脱粘检测图；

图10是本发明实施例中50kHz T(0,4)模态周向脱粘检测图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，下面清晰描述了本方法步骤流程及每个步骤的详细内容。

1)根据所检测复合绝缘子玻璃钢芯棒和硅橡胶的材料参数(密度、杨氏模量、泊松比)、几何尺寸(玻璃钢芯棒直径、硅橡胶厚度)，建立双层杆复合绝缘子模型的频散方程，具体为：

复合绝缘子在实验中发现其伞裙大小对导波传播的衰减影响不大，因此可将其简化为内层为玻璃钢芯棒、外层为硅橡胶的双层杆模型；而导波无论是在单层弹性、粘弹性和圆柱体(壳)结构中传播时，均满足式(1)的Navier位移运动方程，将位移场U分解为标量势φ的梯度和矢量势H的旋度，并且

即得：

当只考虑扭转模态时，则标量势φ必须为0，并且矢量势H的径向分量和周向分量均为0，只保留轴向分量H_z，该分量为r，z和t的函数，则得：

综合扭转模态复合绝缘子的应力和位移边界条件：

硅橡胶外边界(r＝R₂)：

(σ_rθ)_r＝R2＝0 (5)

硅橡胶与芯棒层的交界面(r＝R₁)：

(u_θ1)_r＝R1＝(u_θ2)_r＝R1，(σ_rθ1)_r＝R1＝(σ_rθ2)_r＝R1 (6)

利用上述双层杆结构中边界条件和方程(3)建立矩阵形式为式(7)、(8)的方程，求解即为导波在简化绝缘子双层杆结构中扭转模态的频散方程：

[D]{A₁ A₂ B₁ B₂ A₃ B₃}^T＝0 (7)

式中，[D]为6×6的系数矩阵，为使上式有非零解，其系数行列式必须为零：

[D]＝0 (8)

上式即为复合绝缘子双层杆模型扭转模态的频散方程，求解即可画出简化绝缘子双层杆结构纵向模态导波的频散曲线。

2)依据频散方程求解得到双层杆复合绝缘子模型的相速度频散曲线和群速度频散曲线，依据频散曲线选择合适的导波模态和频率；所述的导波频率和模态应利用得到的群速度频散曲线，选择该频率下有最大的传播速度的导波模态，且其他导波模态传播速度小，导波传播一段距离之后容易区分，在一定频率范围内该模态群速度变化不大。

3)利用实验选择传播衰减小、没有模态分离现象并且波包波形清晰、幅值易于观察的导波周期；选取激励信号周期时，当周期数较小的时候，波包较小，传播距离增大时，容易发生频散；周期数较大时，主频率附近能量比较集中，传播过程频散较小，但波包过大，不利于观察。。

4)利用计算机编程调制得到所需频率、周期的激励信号，存储在U盘中，并利用函数信号发生器读取产生，经功率放大器放大，加载于粘贴在复合绝缘子表面的压电片上，作为激励信号；用于激励的超声导波信号是经过Hanning窗调制的正弦信号，其表达式如下：

式中f为超声导波信号的中心频率，n为超声导波信号的周期数。

5)选择合适的检测长度，分段进行检测，在所检测范围的首端加载超声导波，尾端接收到的导波信号连接在数字示波器上显示；所述的合适的检测长度，是由于复合绝缘子中玻璃芯棒属于弹性介质，而硅橡胶属于粘弹性介质，弹性介质中波的能量损失主要为波的扩散和散射，粘弹性介质中能量损失除上述两种外，还包括介质吸收造成的；因此，在硅橡胶上激励接收时，导波传播1m左右幅值就很小了，容易受到噪声干扰；在保证其波形清晰可见，受噪声影响小的前提下，选取尽可能长的距离，以提高检测效率，一般可以选取相距4个伞裙组(40cm)时来激励和接收。

6)将尾端接收到的导波信号幅值与激励波幅值做比值，定义为衰减系数，表征传播过程的衰减。

7)将所检测试件的衰减系数与完好绝缘子的衰减系数相比较，来判断所检测区域内是否有脱粘现象，并估计脱粘大小；检测范围内有脱粘缺陷时，其衰减系数小于完好复合绝缘子，据此即可判断所检测范围内是否有脱粘缺陷；由于存在脱粘缺陷时，导波会发生反射和散射，因此其接收信号幅值会减小，通过对比导播在完整复合绝缘子中传播的衰减系数，即可判断检测区域内是否存在脱粘现象，并估计脱粘大小。

实施例

本例中的试件为广州市迈克林电力有限公司生产的绝缘子，型号为FXBW4-220/160(电压等级220kV，长度2.27m)，如图2所示，其中，玻璃钢芯棒直径24mm、杨氏模量57Gpa、泊松比0.3、密度2176.17kg/m3，硅橡胶厚度5.5mm、杨氏模量0.1245Gpa、泊松比0.25、密度1241.7kg/m3。图2所示的复合绝缘子模型可简化为图3所示的双层杆模型，其中坐标轴Z轴为玻璃钢芯棒和硅橡胶中心轴线，R1为玻璃钢芯棒半径，R2为硅橡胶外半径。将复合绝缘子几何尺寸和材料参数代入其频散方程中，利用软件GUIGUW可求解画出绝缘子的相速度和群速度频散曲线，如图4、5所示，从频散曲线图可以看出在0-100kHZ，除了T(0，1)模态外，其他模态均存在截止频率，由于实验发现当频率过大(大于100kHZ)时，实验过程中波形容易发生模态分离现象，接收波出现多个小波包，影响检测效果，因此只画出了0-100kHZ范围内的频散曲线。由图4、图5可以看出，在15kHZ、30kHZ、50kHZ、65kHZ、80kHZ频率附近，对应的T(0，2)、T(0，3)、T(0，4)、T(0，5)和T(0，6)模态群速度均最大，而对应的其他模态群速度很小，可用于缺陷检测。经试验发现，针对本次实验所用试件，采用Hanning窗调制的10个周期正弦信号为激励，即可清晰辨认波形，又不易发生频散现象，同时每次检测区间长度为4个伞裙组(40cm)时，能保证波形清晰可见且检测效率高。

如图6所示为超声导波检测复合绝缘子脱粘缺陷系统图，将经Hanning窗调制的导波激励信号通过计算机编程存储到U盘中，由函数信号发生器读取产生，经功率放大器进行放大后加载到压电片上，分别激励15kHz、30kHz、50kHz、65kHz、80kHz频率的超声导波，用不同的导波模态对脱粘缺陷进行检测。由于压电片既具有正压电效应又具有负压电效应，所以其可作为信号发生器和接收器。超声导波在绝缘子中传播一段距离后，经过压电片，在数字示波器上显示，作为接收波。

本例中先挖掉硅橡胶内部贴着芯棒处一定厚度的的硅橡胶，然后再将其余部分粘连在绝缘子上，从而让硅橡胶与芯棒之间产生一定空隙来模拟绝缘子脱粘缺陷。将接收波幅值与激励波幅值做比值定义为衰减系数，来表征传播过程的衰减。通过确定周向脱粘大小，改变轴向脱粘长度和确定轴向脱粘长度，改变周向脱粘大小来分别观察轴向缺陷和周向缺陷变化对衰减系数的影响。

图7和图8为周向脱粘长度是15.8mm的情况下，分别利用15kHz T(0，2)和50kHz T(0，4)模态导波激励时，对轴向长度为23.34mm、37.82mm、45.96mm、61.46mm、72.13mm、87.27mm、93.21mm和110.10mm的脱粘缺陷进行的检测。从图中我们可以看出：当检测区域内存在脱粘缺陷时，其衰减系数会小于无缺陷时的；并且当缺陷长度增加时，衰减系数会进一步减少。

图9和图10为在轴向脱粘长度为110.10mm的情况下，分别利用15kHz T(0，2)和50kHz T(0，4)模态导波激励时，对周向芯棒表面脱粘长度为15.8mm、25.14mm、36.81mm、48.17mm、60.27mm、71.91mm和脱粘一周进行的检测。从图中可以看出：当检测区域存在脱粘缺陷时，衰减系数会小于无缺陷时；不同的是当周向缺陷长度增加时，衰减系数会增加，不过始终没有无缺陷时衰减系数大。因此可以通过衰减系数的大小来判断检测区域内是否存在脱粘缺陷，同时也可以利用轴向和周向缺陷的衰减曲线来估计脱粘的大小。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据所检测复合绝缘子和硅橡胶的材料参数、几何尺寸，建立双层杆复合绝缘子模型的频散方程；

S2、求解频散方程，得到双层杆复合绝缘子模型的相速度频散曲线、群速度频散曲线，根据相速度频散曲线和群速度频散曲线选择合适的导波模态、导波频率和导波周期；

S3、根据导波模态、导波频率和导波周期，编程调制得到激励信号；所述激励信号经使用函数信号发生器读取和功率放大器放大后，加载于粘贴在复合绝缘子表面的压电片上；

S4、选择复合绝缘子的合适检测长度，并对其分段进行检测，复合绝缘子中玻璃芯棒属于弹性介质，硅橡胶属于粘弹性介质，弹性介质中波的能量损失为波的扩散和散射，粘弹性介质中能量损失包括波的扩散和散射，以及介质吸收造成损失；选取相距4个伞裙组作为复合绝缘子的合适检测长度时来激励和接收，以提高检测效率，其中每个伞裙组为10cm，在所检测分段的首端加载超声导波信号，在所检测分段的尾端连接数字示波器，数字示波器接收并显示尾端超声导波信号以及加载在首端压电片上的激励信号；

S5、对尾端接收到的超声导波信号的幅值与激励信号的幅值作比值，并定义为衰减系数，所述衰减系数表征传播过程的衰减；

S6、将步骤S5所得到的衰减系数与完好复合绝缘子的衰减系数作比较，判断所检测区域内是否有脱粘现象，并估计脱粘大小，具体为：若步骤S5所得到的衰减系数小于完好复合绝缘子的衰减系数，则所检测区域内有脱粘缺陷，并估计脱粘大小；若衰减系数大于或等于的衰减系数，则所检测区域内没有脱粘缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，所述步骤S1的材料参数包括密度、杨氏模量和泊松比，所述几何尺寸包括玻璃钢芯棒直径和硅橡胶厚度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，所述步骤S1，其具体为：

复合绝缘子由于其伞裙大小对导波传播的衰减影响不大，因此将其简化为内层为玻璃钢芯棒、外层为硅橡胶的双层杆模型；而导波无论是在单层弹性、粘弹性和圆柱体结构中传播时，均满足Navier位移运动方程：

式中，λ、μ均为材料Lame常数，U为广义位移矢量，ρ为材料密度，t为时间；

将广义位移矢量U分解为标量势φ的梯度和矢量势H的旋度，且▽·H＝0,即得：

U＝▽φ+▽×H

当只考虑扭转模态时，则标量势φ必须为0，并且矢量势H的径向分量和周向分量均为0，只保留轴向分量H_z，该分量为r、z和t的函数，则得：

综合扭转模态复合绝缘子的应力和位移边界条件，包括：

硅橡胶外边界r＝R₂：

(σ_rθ)_r＝R2＝0

硅橡胶与芯棒层的交界面r＝R₁：

(u_θ1)_r＝R1＝(u_θ2)_r＝R1，(σ_rθ1)_r＝R1＝(σ_rθ2)_r＝R1

利用上述双层杆结构中边界条件和方程U＝▽φ+▽×H，建立频散方程：

[D]{A₁ A₂ B₁ B₂ A₃ B₃}^T＝0

式中，[D]为6×6的系数矩阵，为使上式有非零解，其系数行列式必须为零，即[D]＝0。

4.根据权利要求1所述的一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，所述步骤S2，在选择导波模态和导波频率时，要参考相速度频散曲线，确保导波模态在该导波频率下是非频散或者频散很小的，再依据群速度频散曲线选择该频率下群速度变化不大、传播速度最快的导波模态；其中，群速度是由相速度计算得出的，具体关系如下：

式中：C_g为群速度，C_p为相速度，f为导波的频率，d为杆的半径。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，所述步骤S2中合适的导波模态、导波频率，其标准为：在该导波频率下对应的导波模态有最大的传播速度，且在一定导波频率范围内该导波模态群速度变化不大，而其他导波模态传播速度小；

所述合适的导波周期，其标准为：选择传播衰减小、没有模态分离现象并且波包波形清晰、幅值易于观察的导波周期。

6.根据权利要求1所述的一种基于扭转模态超声导波的复合绝缘子脱粘检测方法，其特征在于，所述步骤S3的激励信号，其方程式为：

式中，f为超声导波信号的中心频率，n为超声导波信号的周期数。

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