CN109060955B - 一种断路器储能弹簧超声导波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备无损检测技术领域，具体涉及一种断路器储能弹簧超声导波检测方法。本发明采用负方波激励的超声探伤仪和带有采用复合材料制作压电晶片的超声导波换能器，其组合性能优良，为检测总长度在3500mm‑5000mm的断路器储能弹簧提供了足够的灵敏度余量和信噪比，本发明采用了手持式检测装置，使在狭小的储能弹簧与其外壳间隙内进行检测成为可能，通过制作超声对比试块和灵敏度线，对储能弹簧内存在的缺陷予以了位置和大小的标定。本发明可快速、高效检测出断路器储能弹簧内部和表面存在的缺陷，并根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号评定所存在缺陷的位置与大小。

Description

一种断路器储能弹簧超声导波检测方法

技术领域

本发明涉及电力设备无损检测技术领域，具体涉及一种断路器储能弹簧超声导波检测方法。

背景技术

随着中小型变电站在我国的普及，断路器储能弹簧在我国电网系统中的应用越来越为广泛，断路器储能弹簧在运行过程中，随着时间的推移会存在卷簧疲劳老化，卷簧内微小裂纹发展成卷簧断裂事故的情况时有发生，给电力设备的正常运转带来了极大的安全隐患。但截至目前，针对此类断路器储能弹簧易出现的问题，电网公司只能加大定期检查力度，或是在设备出现异常或运行受阻时采取停电目视巡查的方式解决。目视检测只能发现储能弹簧表面存在的较大缺陷，对于储能弹簧内部存在的质量问题，目视检测无法发现，因此断路器储能弹簧常出现失效，导致断电和其他运行事故的发生。

断路器储能弹簧外形为多圈螺旋带，材质为非合金弹簧钢65Mn，厚度范围6mm-15mm之间，总长度一般在3500mm-5000mm之间，传统的超声横波检测方法可以发现储能弹簧中所存在的裂纹类缺陷，但无法在保证检测灵敏度的前提下传播如此远的距离，而且超声横波探头需要在不同圆环位置进行检测，储能弹簧安装在保护盒中，检测位置十分有限，探头无法沿着圆环位置前后移动而导致传统的超声横波检测方法不能对储能弹簧检测区域的全覆盖，无法完成对断路器储能弹簧质量监督。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种断路器储能弹簧超声导波检测方法，这种检测方法能够在狭小空间内对断路器储能弹簧实现高效全面的质量检测，具体技术方案如下：

一种断路器储能弹簧超声导波检测方法包括以下步骤：

（1）选择超声导波探伤仪：所述超声导波探伤仪发射输出的波形为负方波；

（2）选择超声导波换能器：所述超声导波换能器的压电晶片采用复合材料制成；

（3）制作断路器储能弹簧的超声对比试块：所述超声对比试块的制作材料不能有大于或等于φ1mm的平底孔当量的缺陷；所述超声对比试块的内外表面加工n个纵向刻槽，所述纵向刻槽用于模拟断路器储能弹簧失效时出现的裂纹类缺陷，其中n≧3；

（4）进行超声导波声速及超声导波换能器的延迟校准：所述延迟校准的方法是：利用超声对比试块上其中2个纵向刻槽对发射的超声导波的反射信号计算超声导波声速和超声导波换能器的延迟，并记录保存计算结果；

（5）制作灵敏度线：以超声对比试块上的3个纵向刻槽作为标准反射体，所述3个纵向刻槽至少包括2个外刻纵向刻槽；使用超声导波探伤仪激发超声导波换能器后探测出3个纵向刻槽对应的3个点，将此3个点按声程距离连成线，再将其中2个外刻纵向刻槽对应的点连成直线；

（6）使用手持式检测装置进行检查：所述手持式检测装置包括连接杆、手柄；所述连接杆的一端与手柄的一端一体成型连接或者可拆卸连接，手柄的另一端装配有连接器，所述连接器与超声导波探伤仪连接；所述连接杆的另一端与超声导波换能器连接，其内部为中空结构，所述手柄用于操作连接杆，其内部设置有同轴电缆，所述同轴电缆设置在连接杆的轴向和手柄的轴向处；所述连接器通过同轴电缆与超声导波换能器连接；所述连接杆的长度为150-190mm；所述手柄头的长度为100-150mm；检查时，将手持式检测装置伸入断路器储能弹簧与其外壳间隙内，使超声导波换能器贴合在断路器储能弹簧外壁进行检查；

（7）缺陷的定位与定量：所述缺陷的定位方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在声程轴方向的长度来表征缺陷在断路器储能弹簧上的相对位置；所述缺陷的定量方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在幅度轴方向的高度，结合步骤（5）制作的灵敏度线来表征缺陷相对于超声对比试块中标准反射体的大小。

进一步，所述超声导波换能器的压电晶片采用锆钛酸铅压电陶瓷复合材料制成。

进一步，所述进行超声导波声速及超声导波换能器的延迟校准具体的计算方法为：设2个纵向刻槽分别为纵向刻槽A、纵向刻槽B；

V1*T1+V2*T2=S1；

V1*T1+V2*T3=S2；

其中，S1、V1、T2、S2、T3为已知量；S1为纵向刻槽A与检测位置之间的距离；V1为楔块声速，V1=2337m/s；T2为超声导波探伤仪接收到纵向刻槽A在超声对比试块中传播的时间；S2为纵向刻槽B与检测位置之间的距离；T3为超声导波探伤仪接收到纵向刻槽B在超声对比试块中传播的时间；未知量：T1和V2，其中T1为超声导波换能器的延迟，V2为超声导波声速。

进一步，所述手持式检测装置的手柄外部设置有防滑套。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种断路器储能弹簧超声导波检测方法，本发明采用负方波激励的超声探伤仪和带有采用复合材料制作压电晶片的超声导波换能器，其组合性能优良，为检测总长度在3500mm-5000mm的断路器储能弹簧提供了足够的灵敏度余量和信噪比，本发明还使用了手持式检测装置，使在狭小的储能弹簧与其外壳间隙内进行检测成为可能，本发明通过制作超声对比试块和灵敏度线，对储能弹簧内存在的缺陷予以了位置和大小的标定。本发明可快速、高效检测出断路器储能弹簧内部和表面存在的缺陷，并根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号评定所存在缺陷的位置与大小，相比于传统针对储能弹簧的目视检测方法，本发明可在储能弹簧失效前对其进行维修或更换，保障电力设备的正常运行。

附图说明

图1为本发明的超声对比试块结构示意图；

图2为本发明的超声对比试块所有纵向刻槽位置的俯视图；

图3为本发明的超声对比试块的矩形纵向刻槽B的剖视图；

图4为本发明的超声对比试块矩形纵向刻槽C的剖视图；

图5为本发明的实施例中的灵敏度线连接图；

图6为本发明的手持式检测装置的剖面结构示意图；

图7为本发明的手持式检测装置与超声导波换能器连接的结构示意图；

其中：

1：超声对比试块、11：矩形纵向刻槽A、12：矩形纵向刻槽B、13：矩形纵向刻槽C；

2：连接杆、3：手柄、4：连接器、5：连接线、6：螺纹、7：超声导波换能器。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

一种断路器储能弹簧超声导波检测方法包括以下步骤：

（1）选择超声导波探伤仪：超声导波探伤仪发射输出的波形为负方波激励，输出发射电压为400V，脉冲发射宽度30ns至1000ns可调，最小调节步进5ns，超声导波探伤仪接收电路增益调节范围为0-110dB，最小调节步进0.1dB。

（2）选择超声导波换能器：超声导波换能器的压电晶片采用锆钛酸铅压电陶瓷复合材料制成，晶片尺寸为10mm*16mm，晶片中心频率为1MHz，几何入射角为51°，为更好贴合在断路器储能弹簧外表面，保证超声导波换能器与断路器储能弹簧检测面的良好接触，楔块外径弧度与断路器储能弹簧外径一致，洗弧外径为275mm。

（3）制作断路器储能弹簧的超声对比试块1：如图1-4所示，超声对比试块1的制作材料为非合金弹簧钢65Mn，总长度3500mm，厚度11mm，宽度120mm，超声对比试块1是第一半圈外径275mm，逐圈递减半径10mm的螺旋带。超声对比试块1的表面粗糙度应与断路器储能弹簧检测表面粗糙度接近以还原现场真实检测状态，超声对比试块1的制作材料不能有大于或等于φ1mm的平底孔当量的缺陷，以避免其他无关缺陷对检测所产生的影响。根据现场已收集的储能弹簧失效数据，在超声对比试块1的内外表面加工3个纵向刻槽，纵向刻槽用于模拟断路器储能弹簧失效时出现的裂纹类缺陷。具体为：在超声对比试块1的第三圈外壁加工矩形纵向刻槽A11，在超声对比试块1的第四圈外壁加工矩形纵向刻槽B12，矩形纵向刻槽A11和矩形纵向刻槽B12用于模拟由外壁产生并向内延展的裂纹类缺陷，矩形纵向刻槽A11和矩形纵向刻槽B12的上端点分别距离螺旋带上沿30mm；在超声对比试块1的第四圈内壁加工矩形纵向刻槽C13，矩形纵向刻槽C13用于模拟由内壁产生并外内延展的裂纹类缺陷，矩形纵向刻槽A11、矩形纵向刻槽B12和矩形纵向刻槽C13的尺寸为5mm*1mm*1mm（长度*宽度*深度）。结合失效储能弹簧的裂纹位置，矩形纵向刻槽A11、矩形纵向刻槽B12和矩形纵向刻槽C13分别距检测位置的距离为1480mm、2060mm和1765mm。

（4）进行超声导波声速及超声导波换能器的延迟校准：延迟校准的方法是：利用超声对比试块1上其中2个纵向刻槽对发射的超声导波的反射信号计算超声导波声速和超声导波换能器的延迟，并记录保存计算结果；本实施例是利用超声导波探伤仪对超声对比试块1的矩形纵向刻槽A11和矩形纵向刻槽B12形成反射信号所组成的二元一次方程组求解后将超声导波声速及超声导波换能器的延迟计算出来，并自动记录到仪器中的过程,其具体运算方式如下：

V1*T1+V2*T2=S1；

V1*T1+V2*T3=S2；

其中，S1、V1、T2、S2、T3为已知量；S1为矩形纵向刻槽A11与检测位置之间的距离，S1=1480mm；V1为楔块声速，V1=2337m/s；T2为超声导波探伤仪接收到矩形纵向刻槽A11在超声对比试块1中传播的时间；S2为矩形纵向刻槽B12与检测位置之间的距离，S2=2060mm；T3为超声导波探伤仪接收到矩形纵向刻槽B12在超声对比试块1中传播的时间；未知量：T1和V2，其中T1为超声导波换能器的延迟，V2为超声导波声速。

（5）制作灵敏度线：以超声对比试块1上的3个纵向刻槽作为标准反射体，3个纵向刻槽至少包括2个外刻纵向刻槽；使用超声导波探伤仪激发超声导波换能器后探测出3个纵向刻槽对应的3个点，将此3个点按声程距离连成线，再将其中2个外刻纵向刻槽对应的点连成直线；本实施例中，使用超声导波探伤仪组合超声导波换能器后对超声对比试块1上的矩形纵向刻槽A11、矩形纵向刻槽B12和矩形纵向刻槽C13进行信号收集，首先找到矩形纵向刻槽A11的最高点，然后依次对超声导波探伤仪A型显示的矩形纵向刻槽B12信号的最高点和矩形纵向刻槽C13信号的最高点以直线相连，矩形纵向刻槽A11信号的最高点和矩形纵向刻槽B12信号的最高点再以直线相连，最终形成灵敏度线，如图5所示。

（6）使用手持式检测装置进行检查：如图6-7所示，手持式检测装置包括连接杆2、手柄3；连接杆2的一端与手柄3的一端通过螺纹6可拆卸连接，手柄3的另一端装配有连接器4，连接器4为Lemo00连接器4，用于实现快速插拔或与超声导波探伤仪连接；连接杆2的另一端与超声导波换能器7通过螺纹6连接，为了防止在对断路器储能弹簧进行检测时超声导波换能器7脱落，在将连接杆2与超声导波换能器7装配时，采用强力胶水滴在螺纹6处，强化连接杆2与超声导波换能器7的连接。连接杆2内部为中空结构，连接杆2采用304不锈钢材质制作或者其他金属材质，如铝、铜或者铜铝合金制作，长度为200mm，直径为10mm。

手柄3用于操作连接杆2，其内部设置有连接线5，用于传输信号；连接线5设置在连接杆2的轴向和手柄3的轴向处；连接器4通过连接线5与超声导波换能器7连接；手柄3采用聚乙烯材质制作，其长度为120mm，手柄3头外部套有防滑套。防滑套为橡胶防滑套或者泡棉防滑套。检查时，将手持式检测装置伸入断路器储能弹簧与其外壳间隙内，使超声导波换能器7贴合在断路器储能弹簧外壁进行检测；检测分为两个方向：当声束向储能弹簧圆心前进时，此时的检测覆盖区域为检测位置所在圆弧内的所有圆环，共六圈；当声束背向储能弹簧圆心前进时，此时的检测覆盖区域为检测位置所在圆弧外的圆环，共一圈。

（7）缺陷的定位与定量：缺陷的定位方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在声程轴方向的长度来表征缺陷在断路器储能弹簧上的相对位置；缺陷的定量方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在幅度轴方向的高度，结合步骤（5）制作的灵敏度线来表征缺陷相对于超声对比试块1中标准反射体的大小。具体为：在手持式检测装置进行检查时，若发现超声导波探伤仪A型显示中存在高于或等于灵敏度线的反射信号时，移动超声导波探伤仪中的测量闸门套住该回波信号，对该信号的位置和高度进行测量，缺陷信号高度由超声导波探伤仪中Ha值读出，该值表征缺陷相对与超声对比试块1中的标准反射体的大小，缺陷信号位置由超声导波探伤仪中Sa值读出，该值表征缺陷相对与超声导波换能器所在检测位置的声程距离。

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种断路器储能弹簧超声导波检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）选择超声导波探伤仪：所述超声导波探伤仪发射输出的波形为负方波；

（2）选择超声导波换能器：所述超声导波换能器的压电晶片采用复合材料制成，晶片尺寸为10mm*16mm，晶片中心频率为1MHz，几何入射角为51°；

（3）制作断路器储能弹簧的超声对比试块：所述超声对比试块的制作材料不能有大于或等于φ1mm的平底孔当量的缺陷；所述超声对比试块的内外表面加工n个纵向刻槽，所述纵向刻槽用于模拟断路器储能弹簧失效时出现的裂纹类缺陷，其中n≧3；

（4）进行超声导波声速及超声导波换能器的延迟校准：所述延迟校准的方法是：利用超声对比试块上其中2个纵向刻槽对发射的超声导波的反射信号计算超声导波声速和超声导波换能器的延迟，并记录保存计算结果；所述进行超声导波声速及超声导波换能器的延迟校准具体的计算方法为：设2个纵向刻槽分别为纵向刻槽A、纵向刻槽B；

V1*T1+V2*T2=S1；

V1*T1+V2*T3=S2；

其中，S1、V1、T2、S2、T3为已知量；S1为纵向刻槽A与检测位置之间的距离；V1为楔块声速，V1=2337m/s；T2为超声导波探伤仪接收到纵向刻槽A在超声对比试块中传播的时间；S2为纵向刻槽B与检测位置之间的距离；T3为超声导波探伤仪接收到纵向刻槽B在超声对比试块中传播的时间；未知量：T1和V2，其中T1为超声导波换能器的延迟，V2为超声导波声速；

（5）制作灵敏度线：以超声对比试块上的3个纵向刻槽作为标准反射体，所述3个纵向刻槽至少包括2个外刻纵向刻槽；使用超声导波探伤仪激发超声导波换能器后探测出3个纵向刻槽对应的3个点，将此3个点按声程距离连成线，再将其中2个外刻纵向刻槽对应的点连成直线；

（6）使用手持式检测装置进行检查：所述手持式检测装置包括连接杆、手柄；所述连接杆的一端与手柄的一端一体成型连接或者可拆卸连接，手柄的另一端装配有连接器，所述连接器与超声导波探伤仪连接；所述连接杆的另一端与超声导波换能器连接，其内部为中空结构，所述手柄用于操作连接杆，其内部设置有同轴电缆，所述同轴电缆设置在连接杆的轴向和手柄的轴向处；所述连接器通过同轴电缆与超声导波换能器连接；所述连接杆的长度为150-190mm；所述手柄的长度为100-150mm；所述断路器储能弹簧为由外向内外径逐圈递减的平面涡卷弹簧，检查时，将手持式检测装置伸入断路器储能弹簧相邻圆环的间隙内，使超声导波换能器贴合在断路器储能弹簧外壁进行检查；

（7）缺陷的定位与定量：所述缺陷的定位方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在声程轴方向的长度来表征缺陷在断路器储能弹簧上的相对位置；所述缺陷的定量方法是根据超声导波探伤仪A型显示中反射信号在幅度轴方向的高度，结合步骤（5）制作的灵敏度线来表征缺陷相对于超声对比试块中标准反射体的大小。

2.根据权利要求1所述的一种断路器储能弹簧超声导波检测方法，其特征在于：所述超声导波换能器的压电晶片采用锆钛酸铅压电陶瓷复合材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种断路器储能弹簧超声导波检测方法，其特征在于：所述手持式检测装置的手柄外部设置有防滑套。

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