CN107478728B - 一种复合绝缘子的无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合绝缘子的无损检测方法，包括在待测复合绝缘子表面涂抹超声耦合剂；超声测试系统输出脉冲信号；超声测试系统将所述脉冲信号加载到超声换能器上，将所述脉冲信号转换为超声信号；超声换能器发出超声信号入射到待测复合绝缘子，以产生超声回波信号；超声测试系统接收超声回波信号，将所述超声回波信号转换为电信号，并确定所述电信号的共振频率；所述超声测试系统根据所述共振频率以及预设共振频率对比图，分析所述待测复合绝缘子的交界面粘性情况。本发明实施例可以对不含宏观空气间隙复合绝缘子进行无损检测。

Description

一种复合绝缘子的无损检测方法

技术领域

本发明实施例涉及无损检测技术，尤其涉及一种复合绝缘子的无损检测方法。

背景技术

随着我国特高压交直流输电线路建设的推进，以及大气环境污染问题的加重，复合绝缘子憎水迁移性能优良、机械强度高以及体积小、重量轻、内绝缘性能好、电晕小、电磁干扰小等优点逐渐突显，其使用数量正不断增多。目前，我国110kV以上等级的复合绝缘子数量已超过710万支，成为复合绝缘子使用第一大国。相较于传统的陶瓷、玻璃绝缘子，交界面的存在是复合绝缘子中的薄弱点，不恰当的工艺，低劣的偶联剂都会使复合绝缘子交界面存在粘接缺陷。如果入网运行的绝缘子中存在这样的缺陷，其使用寿命将远远低于质量合格的绝缘子，一方面缺陷绝缘子会发生闪络或界面击穿等电气损坏，在电场和多种自然因素的作用下，很容易加速绝缘子的老化；另一方面，护套内外仍存在水分浓度差，水分子易于侵入交界面，护套对芯棒的保护效应被大大削弱，芯棒中的环氧树脂材料会在交界面的水分作用下发生水解反应，使芯棒的机械性能不断降低，在恶劣天气下可能引发复合绝缘子脆断的严重事故。所以，在复合绝缘子入网之前，通常需要进行交界面粘性的无损检测。

无损检测相比传统检测手段具有检测速度快、抽样数量大的优势，是控制粘接质量的重要手段，对于具有一定偶发性与非关联性的绝缘子交界面粘性缺陷尤为适用。由于复合绝缘子使用较晚，目前针对复合绝缘子的无损检测手段多是检测陶瓷绝缘子方法的延续。常用复合绝缘子检测基本思路为检测内部空气间隙的物性改变或检测间隙处可能出现的放电。从而，通过检测到空气间隙，视为此处存在交界面粘性受损的情况。以常规一维或相控阵超声波检测为例，其检测机理是：利用空气声阻抗与硅橡胶材料的显著差异，通过观察基波幅值的改变获取空气间隙的结构信息，可以对1mm大小的缺陷进行可视化测量。基于THz-TDS的复合绝缘子远场无损检测技术可以将交界面粘性缺陷的检测精度提升到0.4mm。

然而，对于绝大多数交界面粘性完全丧失的复合绝缘子，硅橡胶自身存在一定粘性，在高温硫化后预冷而收缩，因此绝大多数粘性丧失的复合绝缘子内部都不存在宏观空气间隙，所以无法有效的通过检测空气间隙来准确识别到所有交界面粘性缺陷。综上所述，复合绝缘子出厂验收面临的主要技术问题是：尚没有一种无损检测方法可以分辨出没有宏观气隙的绝缘子是否存在粘性缺陷，而这类缺陷是交界面缺陷的最主要表现形式。

发明内容

本发明实施例提供一种复合绝缘子的无损检测方法，以提高交界面粘性缺陷检测的准确率。

本发明实施例提供了一种复合绝缘子的无损检测方法，包括：

在待测复合绝缘子表面涂抹超声耦合剂；

超声测试系统输出脉冲信号；

超声测试系统将所述脉冲信号加载到超声换能器上，将所述脉冲信号转换为超声信号；

超声换能器发出超声信号入射到待测复合绝缘子，以产生超声回波信号；

超声测试系统接收超声回波信号，将所述超声回波信号转换为电信号，并确定所述电信号的共振频率；

所述超声测试系统根据所述共振频率以及预设共振频率对比图，分析所述待测复合绝缘子的交界面粘性情况。

优选地，所述超声耦合剂为医用B超耦合剂。

优选地，所述超声测试系统输出脉冲信号包括：

超声测试系统输出20个周期频率为1MHz的正弦脉冲信号，并将所述脉冲信号在示波器显示。

优选地，超声测试系统将所述脉冲信号加载到超声换能器上，将所述脉冲信号转换为超声信号包括：

所述超声测试系统将所述脉冲信号经过匹配电阻、步进衰减器和低通滤波器的处理后，加载到超声换能器，将所述脉冲信号转换为超声信号。

优选地，超声换能器发出超声信号入射到待测复合绝缘子包括:

所述超声换能器发出超声信号，经过聚苯硫醚材料制成的半圆形声延迟部件垂直入射至待测复合绝缘子。

优选地，所述超声换能器的探头与所述待测复合绝缘子之间的接触力保持恒定，且所述接触力不小于10kg。

优选地，超声测试系统计算所述电信号的共振频率包括：

所述超声测试系统将所述电信号通过汉宁窗调节，得到反射波幅度频谱；

所述超声测试系统从所述反射波幅度频谱中确定所述共振频率。

优选地，所述超声测试系统从所述反射波幅度频谱中确定所述共振频率包括：

所述超声测试系统从所述反射波幅度频谱中随机选择波峰的位置，并以所述波峰右侧的波谷处的频率作为所述共振频率。

本发明实施例中，针对不含宏观空气间隙复合绝缘子，利用超声共振谱测试方法，根据所测共振频率分析待测复合绝缘子交界面粘性状况，提高交界面粘性缺陷检测的准确率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法所使用的超声检测系统原理图；

图3是本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法所检测的未粘接复合绝缘子反射波幅值频谱；

图4是本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法所检测的粘接良好的复合绝缘子反射波幅值频谱；

图5是本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法所检测的共振频率对比图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的复合绝缘子的无损检测方法的流程图，该方法用于检测复合绝缘子交界面粘性状况，由超声检测系统来执行。

超声检测系统如图2所示，该系统包括超声测试装置20和待测复合绝缘子28。其中，超声测试装置20具体包括：示波器21、超声测试系统22、计算机23、匹配电阻24、衰减器25、低通滤波器26和超声换能器27。

基于该系统所执行的复合绝缘子的无损检测方法，包括：

步骤S11，在待测复合绝缘子表面涂抹超声耦合剂；

步骤S12，超声测试系统输出脉冲信号，超声测试系统将所述脉冲信号加载到超声换能器上，将所述脉冲信号转换为超声信号；

步骤S13，超声换能器发出超声信号入射到待测复合绝缘子，以产生超声回波信号；

步骤S14，超声测试系统接收超声回波信号，将所述超声回波信号转换为电信号，并确定所述电信号的共振频率；

步骤S15，所述超声测试系统根据所述共振频率以及预设共振频率对比图，分析所述待测复合绝缘子的交界面粘性情况。

图2是本发明实施例的复合绝缘子超声检测系统原理图。在超声测试之前为确保探头表面与聚苯硫醚制成的声延迟部件间以及声延迟部件与待测复合绝缘子间的声耦合良好，避免声波发散减弱，需要在接触面涂抹超声耦合剂，一般使用医用B超耦合剂即可。

本实施例所使用的探头为双工探头，在发射超声波的同时不能接收超声回波，要保证20个周期的信号发射完毕，但是包含粘性信息的超声回波信号尚未到达超声换能器表面，需要使用声延迟部件。聚苯硫醚材料具有增加超声延迟的作用，其自身声阻抗较小，可以避免声波经过时振幅显著降低，影响共振频率的观测。

如图2所示，本实施例包括超声测试装置20和待测复合绝缘子28。其中超声测试系统22可选用SNAP超声波非线性系统，在计算机23的设定下输出20个周期1MHz的正弦脉冲电信号，输出信号可以由示波器21显示，在确认输出电信号无误的情况下，使电信号经过匹配电阻24、步进衰减器25和低通滤波器26处理后加载到超声换能器27上。

超声换能器27可以采用奥林巴斯公司生产的V103接触式双工纵波探头，探头工作电压为1V，工作中心频率为1MHz，通过压电效应可以实现超声信号与电信号的相互转换。超声换能器27经过声延迟部件与待测复合绝缘子28相互接触，将电信号转换为超声纵波经过声延迟部件垂直入射到待测复合绝缘子28上，并接收超声回波信号，将超声回波转换为电信号，发送回SNAP超声波非线性系统。超声纵波发射与接收期间，应保证探头与待测复合绝缘子间的接触力保持恒定，为确保超声换能器27和声延迟部件与待测复合绝缘子28的有效接触，施加接触力应不小于10kg，否则回波信号幅值会有较大衰减，不利于共振频率的判断。

SNAP超声波非线性系统具有快速傅里叶变换功能，通过汉宁窗调节，可以得到检测信号的反射波幅度频谱，从而确定共振频率。在本实施例中，选取粘接良好与未粘接的复合绝缘子作为测试样品，分别进行了3次测量。

图3为实验测取得未粘接复合绝缘子反射波幅值频谱，从图中随机选择波峰的位置，并以所述波峰右侧的波谷处的频率作为共振频率。对于在反射波幅值频谱中随机选择波峰的位置，只要保证待检测复合绝缘子反射波幅值频谱的波峰与粘性良好的复合绝缘子反射波幅值频谱的波峰位置一一对应即可，优选地，可以以最高峰的位置作为参照，但不局限于最高峰。

本发明实施例优选地以最高峰右侧的波谷为参照，反射波幅度频谱最低点对应的频率为其共振频率。同理，图4为实验测取得粘接性良好的复合绝缘子反射波幅值频谱。将上述两者的共振频率进行对比，结果如图5所示。通过比对共振频率发现，未粘接的复合绝缘子共振频率明显高于粘接良好的复合绝缘子频率。粘接良好的绝缘子共振频率在1.06MHz左右，而未粘接的复合绝缘子共振频率在1.15MHz左右，两者频率相差不超过100KHz。实际使用过程中可选定粘性良好的标准件作为参考，确定其共振频率，以此作为标准，超标越多，粘性问题越严重，当超标接近100KHz时可认为粘性完全失效。

该复合绝缘子的无损检测方法的工作原理：

当具有一定带宽的超声波垂直入射被测试件的表面并进入试件内传播时，超声波会在相对端面上发生透射和反射。如果带宽中所包含的某个频率与试件自身的固有频率相等，在此频率下，超声波在试件端面的透射与反射都会发生显著变化，即超声波在试件的厚度方向引起共振。由于试件自身的固有频率携带大量信息，通过共振现象可以寻找材料的固有频率，这种利用共振现象寻找试件固有频率并进行分析的方法称为共振法。

一维杆振动模型可以描述物体振动的本质，将具有一定厚度的平板抽象为一维杆模型的叠加，可以帮助我们更好的认识共振频率的来源。在一维杆振动模型中，物体只在垂直于杆端面的机械波作用下，在垂直于端面的方向发生振动，而平行于端面的振动可以被忽略。以此模型为基础，对一维波动方程求解得：

由此方程进行分析，其中v为电磁波在介质中的传播速度，L为材料厚度，共振频率的大小取决于超声波在平板中的传播速度以及平板自身的厚度，而且共振频率不唯一，随n的取值不同，共振频率不同。

超声波的传播在通过界面时发生投射和反射是其固有属性，透射系数和反射系数与界面两侧物质的声阻抗有关，声阻抗的比值越大，反射系数越高，透射系数越低，由于固态物质的声阻抗普遍显著大于气体，因此当声波传递到固体与气体的交界面时，由于声阻抗比值相差很大，反射系数显著高于透射系数，因此反射波幅值接近入射波，而透射波幅值接近于零。当系统发生共振时，反射系数与透射系数不再遵循声阻抗比值规律，透射系数急剧增大，反射系数急剧减小，在忽略振动内能损耗的情况下，可以认为在共振点，声波能量完全穿透被测物，没有能量发生反射。

依据一维波动方程与共振发生时的反射与透射规律，可以绘制不同频率下被测物的反射波幅值图，通过观察波谷出现的频率确定被测物的共振频率，而共振频率的高低可以反映被测物的粘接强度。由于共振频谱的生成机理不受宏观空气间隙的影响，因此即使不存在宏观空气间隙，也能对绝缘子交界面的粘接状态进行定量评估。

对于被测样品，可将其视为一个物理系统，系统中不同结构、不同材料的各部分相互影响，但只要各部分存在刚性的连接，振动可以在系统的各部分之间自由传递，则系统的共振频率唯一。对于粘接良好的样品，硅橡胶护套与芯棒之间存在刚性的连接，因此所测共振频率为护套与芯棒整体的频率，所对应厚度为二者厚度之和。对于未粘接或粘接失效的复合绝缘子，硅橡胶护套与芯棒之间的连接不如粘接良好的紧密，因此振动的传递会收到一定程度阻碍，因此所对应厚度应参考上层护套厚度。由于厚度存在差异，所以根据一维杆中纵波的波动方程其共振频率存在差异。

本实施例的技术方案，通过超声共振谱方法，解决了复合绝缘子交界面粘性的问题，针对不含宏观空气间隙的复合绝缘子达到了有效的检测效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (1)

1.一种复合绝缘子的无损检测方法，其特征在于，包括：

在待测复合绝缘子表面涂抹超声耦合剂；所述超声耦合剂为医用B超耦合剂；

超声测试系统输出20个周期频率为1MHz的正弦脉冲信号，并将所述脉冲信号在示波器显示；

超声测试系统将所述脉冲信号加载到超声换能器上，将所述脉冲信号转换为超声信号，包括：所述超声测试系统将所述脉冲信号经过匹配电阻、步进衰减器和低通滤波器的处理后，加载到超声换能器，将所述脉冲信号转换为超声信号；

所述超声换能器发出超声信号，经过聚苯硫醚材料制成的半圆形声延迟部件垂直入射至待测复合绝缘子，以产生超声回波信号，所述超声换能器的探头与所述待测复合绝缘子之间的接触力保持恒定，且所述接触力不小于10kg；超声测试系统接收超声回波信号，将所述超声回波信号转换为电信号，并确定所述电信号的共振频率，包括：所述超声测试系统将所述电信号通过汉宁窗调节，得到反射波幅度频谱；所述超声测试系统从所述反射波幅度频谱中确定所述共振频率，包括：所述超声测试系统从所述反射波幅度频谱中随机选择波峰的位置，并以所述波峰右侧的波谷处的频率作为所述共振频率；

所述超声测试系统根据所述共振频率以及预设共振频率对比图，分析所述待测复合绝缘子的交界面粘性情况。

Images