CN112630611A - 一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法。所述方法包括以下步骤：搭建超声纵波反射法检测系统；采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间；构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系；判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程。本发明具有检测无损伤、检测成本低、方便携带等优点，能够高效、准确、直观地表征盆式绝缘子内部材料均匀性。

Description

一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法

技术领域

本发明涉及输变电绝缘设备领域，具体涉及一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法。

背景技术

盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)中的关键电气部件，起着电气绝缘和机械支撑的作用。盆式绝缘子是由环氧树脂、固化剂(一般是酸酐类)和填料(氧化铝粉等)混合放到带铝合金嵌件的模具中高温固化而成，在固化过程中，模具一般处于直立状态，由于固化时间长、环氧树脂粘度小等原因会使填料出现沉降现象，使得到的盆式绝缘子下部填料较多、而离浇注口近的地方填料较少，最终导致盆式绝缘子内部密度不均匀。盆式绝缘子在实际工作中，其内部密度不均匀可能会引发应力集中等现象，严重时直接出现炸裂故障。因此，及早确认盆式绝缘子均匀性，对保障GIS安全运行具有重要意义。

目前，绝缘子厂家常用“片析检查”来验证盆式绝缘子不同部位材料的均匀性，“片析检查”是指对盆式绝缘子进行破碎取样，然后进行玻璃化转变温度、密度和填料含量检测分析，从而确定盆式绝缘子的均匀性(见文献费龙菲、龚晓燕等“GIS/GCB用三相盆式绝缘子水压强度的影响因素分析”)。可见，“片析检查”是破坏性试验，是抽样性试验，检测效率低、检测成本高、容易造成漏检。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，能够实现对盆式绝缘子均匀性进行无损检测，检测效率高、成本小。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，包括以下步骤：

S1、搭建超声纵波反射法检测系统；

S2、采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间；

S3、构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系；

S4、判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程。

进一步地，步骤S1中，所述超声纵波反射法检测系统包括超声脉冲发生器、示波器、超声纵波直探头、探头适配线和高阻抗传输线；

超声纵波直探头通过探头适配线与超声脉冲发生器的信号输出端相连，超声脉冲发生器的信号同步端通过高阻抗传输线与示波器相连接，超声纵波反射法检测系统的检测对象为盆式绝缘子。

进一步地，所述超声脉冲发生器是短脉冲激励、输出脉宽可调、高增益、低噪声的脉冲发生器，短脉冲激励能够优化宽带响应和提高检测近表面分辨率，更有利于对声束衰减性强的材料的检测和测量应用；

所述示波器是最大采样频率2GHz、采样宽带500MHz的三通道高性能数字存储示波器，通过高阻抗传输线把示波器输入通道和超声脉冲发生器信号输出端同电位相连，从而在示波器上实时显示发射和接收的超声信号；

所述超声纵波直探头属于圆柱式纵波直探头，采用圆形复合材料压电晶片，探头底面为圆形，为了增加探头与绝缘子被测位置的接触效果，提高检测精度，探头底面半径越小越好，但较小的探头底面要求圆形复合材料压电晶片很小，探头发出的超声波能量也很小，综合考虑检测特性、检测效率和制作成本，探头底面直径(D)设计范围取5-10mm，探头高度(H)设计范围取15-20mm；所述超声纵波直探头是指响应特性较好的脉冲超声直探头，超声纵波直探头的标称频率越高，则被检测材料内的衰减系数越大，声束传播特性效果越差，结合实际测量经验，超声纵波直探头的频率设计不大于2.5MHz；

所述探头适配线是匹配超声脉冲发生器与超声纵波直探头的信号线，具有高阻抗、抗干扰能力强等特点，保证超声脉冲发生器的输出电信号能够高质量地被超声纵波直探头接收，同时，保证超声纵波直探头接收到超声信号转换成电信号高质量地返回到超声脉冲发生器的接收端；

所述高阻抗传输线是杂散电感较小、电阻较小的传输线，缩短了高频信号在传输过程中相位延迟，保证示波器接收到的电信号与超声脉冲发生器信号输出端的电信号实时同电位、同相位，极大地减小了检测误差，保证了检测精度。

进一步地，步骤S2中，所述采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间，具体如下：

调节超声脉冲发生器，将涂有油基型超声耦合剂的超声纵波直探头放置在参考位置即盆式绝缘子浇注口下方最近的待测位置，记录超声纵波行程参考时间；随机检测n次，n≥50，取平均值得到标准超声纵波行程时间T₀；确定每次测量值误差不过超过±0.03微秒，即系统精度为±0.03微秒；

将探头放置在盆式绝缘子表面下一个待检测位置，记录该检测位置的超声波形，然后移动超声纵波直探头的位置，依次完成对每个待检测位置的检测并记录每个待检测位置的超声纵波行程时间T。

进一步地，所述超声纵波行程时间指：超声纵波直探头在盆式绝缘子环氧部分一侧发出超声始波F，F垂直入射到环氧部分内部，在环氧部分另一侧的对应位置处反射沿原路程返回再被超声纵波直探头接收，接收波为B；提取超声波形中的始波峰值时刻t_F和接收波峰值时刻t_B，接收波峰值时刻减去始波峰值时刻得出该检测位置的超声纵波行程时间T，即T＝t_B-t_F；T₀为T的特列，计算方法与T一致。

进一步地，盆式绝缘子包括环氧部分和三个中心导体嵌件，三个中心导体嵌件成三角对称分布在环氧部分中央，三个中心导体嵌件均为铝材质的圆柱状结构；所述环氧部分为盆式绝缘子除去三个中心导体嵌件的部分；盆式绝缘子表面的待检测位置是指盆式绝缘子环氧部分厚度相同的位置集合，所有待检测位置平均分布在环氧部分，记录待检测位置个数；所述油基超声耦合剂增加了超声纵波直探头与被测表面的接触效果，保证了超声波形的稳定性。

进一步地，步骤S3中，构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系：由于所有待检测位置的厚度相同，即超声纵波行程相同，则超声纵波行程时间也相同，如果某个待测位置的超声纵波行程时间与标准超声纵波行程时间T₀相差超过系统精度范围，则说明这两个待测位置内部材料均匀性不一致；

当某个位置检测得到的超声纵波行程时间，与标准超声纵波行程时间T₀之差绝对值的小于等于0.03微秒时表示不大于系统误差，则说明两个位置内部材料分布均匀；当时间差绝对值大于0.03微秒时，即|T-T₀|≤0.03，说明该位置内部材料开始出现不均匀，具体地：当时间差大于0.03微秒小于0.1微秒时，即0.03＜|T-T₀|≤0.1，则称该位置内部材料分布不均匀处于合格状态；当时间差大于0.1微秒小于0.2微秒时，即0.1＜|T-T₀|≤0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于注意状态；当时间差大于0.2微秒时，即|T-T₀|＞0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于严重状态。

进一步地，步骤S4中，判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程，具体如下：

当某盆式绝缘子所有待测位置中有超过1/3处于不均匀严重状态时，则判定该盆式绝缘子不能用于实际工程中；构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系，通过超声纵波行程时间表征每个检测位置的均匀性程度。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

本发明利用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子进行检测，构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性的对应关系示意图，从而用超声纵波行程时间去表征盆式绝缘子材料均匀性。本发明具有检测无损伤、检测成本低、方便携带等优点，能够高效、准确、直观地表征盆式绝缘子内部材料均匀性。

附图说明

图1为本实施例中超声纵波反射法检测系统示意图；

图2为本实施例中超声纵波直探头结构示意图：其中，图2a为超声纵波直探头主视图，图2b为超声纵波直探头底部示意图；

图3为本实施例中盆式绝缘子结构示意图：其中，图3a为盆式绝缘子主视图，图3b为盆式绝缘子侧视图；

图4为本实施例中盆式绝缘子所有待测位置示意图；

图5为本实施例中一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法操作步骤示意图；

图6为本实施例中盆式绝缘子某个待测位置超声纵波反射法检测波形图；

图7为本实施例中盆式绝缘子各个待测位置与参考位置的超声纵波行程时间差示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的具体实施作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、搭建超声纵波反射法检测系统；

如图1所示，所述超声纵波反射法检测系统包括超声脉冲发生器1、示波器2、超声纵波直探头3、探头适配线4和高阻抗传输线5；

超声纵波直探头3通过探头适配线4与超声脉冲发生器1的信号输出端相连，超声脉冲发生器1的信号同步端通过高阻抗传输线5与示波器2相连接，超声纵波反射法检测系统的检测对象为盆式绝缘子6。

如图2a、图2b所示，所述超声纵波直探头属于圆柱式纵波直探头，采用圆形复合材料压电晶片31，探头底面32为圆形，为了增加探头与绝缘子被测位置的接触效果，提高检测精度，探头底面32半径越小越好，但较小的探头底面32要求圆形复合材料压电晶片31很小，探头发出的超声波能量也很小，综合考虑检测特性、检测效率和制作成本，本实施例中，探头底面32直径(D)设计范围取10mm，探头高度(H)设计范围取20mm，超声纵波直探头的频率设为2.5MHz。

S2、采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间，具体如下：

本实施例中，如图3a、图3b所示，某126kV盆式绝缘子包括环氧部分61和三个中心导体嵌件62，三个中心导体嵌件成三角对称分布在环氧部分中央，三个中心导体嵌件均为铝材质的圆柱状结构；三个中心导体嵌件62均为铝材质的圆柱状结构，所述环氧部分为盆式绝缘子除去三个中心导体嵌件的部分；

如图4所示，盆式绝缘子表面的待检测位置是指盆式绝缘子环氧部分厚度相同的位置集合，所有待检测位置均分布在环氧部分，且待检测位置均匀分布，所有待检测位置组成圆环结构，相邻待检测位置之间相差5mm。为超声纵波直探头底面32直径的1/2；记待检测位置共有N个。

调节超声脉冲发生器，将涂有油基型超声耦合剂的超声纵波直探头放置在参考位置即盆式绝缘子浇注口下方最近的待测位置w0，记录超声纵波行程参考时间。随机检测n次，n≥50，取平均值得到标准超声纵波行程时间T₀；确定每次测量值误差不过超过±0.03微秒，即系统精度为±0.03微秒；

将探头放置在盆式绝缘子表面下一个待检测位置，记录该检测位置的超声波形，然后移动超声纵波直探头的位置，依次完成对每个待检测位置的检测并记录每个待检测位置的超声纵波行程时间T。

如图6所示，所述超声纵波行程时间指：超声纵波直探头在盆式绝缘子环氧部分一侧发出超声始波F，F垂直入射到环氧部分内部，在环氧部分另一侧的对应位置处反射沿原路程返回再被超声纵波直探头接收，接收波为B；提取超声波形中的始波峰值时刻t_F和接收波峰值时刻t_B，接收波峰值时刻减去始波峰值时刻得出该检测位置的超声纵波行程时间T，即T＝t_B-t_F；T₀为T的特列，计算方法与T一致。

S3、构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系；

由于所有待检测位置的厚度相同，即超声纵波行程相同，则超声纵波行程时间也相同，如果某个待测位置的超声纵波行程时间与标准超声纵波行程时间T₀相差超过系统精度范围，则说明这两个待测位置内部材料均匀性不一致；

当某个位置检测得到的超声纵波行程时间，与标准超声纵波行程时间T₀之差绝对值的小于等于0.03微秒时表示不大于系统误差，则说明两个位置内部材料分布均匀；当时间差绝对值大于0.03微秒时，即|T-T₀|≤0.03，说明该位置内部材料开始出现不均匀，具体地：当时间差大于0.03微秒小于0.1微秒时，即0.03＜|T-T₀|≤0.1，则称该位置内部材料分布不均匀处于合格状态；当时间差大于0.1微秒小于0.2微秒时，即0.1＜|T-T₀|≤0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于注意状态；当时间差大于0.2微秒时，即|T-T₀|＞0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于严重状态。

S4、判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程，具体如下：

当某盆式绝缘子所有待测位置中有超过1/3处于不均匀严重状态时，则判定该盆式绝缘子不能用于实际工程中；构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系，通过超声纵波行程时间表征每个检测位置的均匀性程度。

如图7所示，已知该盆式绝缘子待检测位置结果，从图可以直接看出20个待测位置的超声纵波行程时间，大多数均处于正常状态，有2个位置处于严重不均匀状态，不大于总位置的1/3，说明该盆式绝缘子可以用于工程中。

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 (10)

1.一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建超声纵波反射法检测系统；

S2、采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间；

S3、构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系；

S4、判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程。

2.根据权利要求1所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，步骤S1中，所述超声纵波反射法检测系统包括超声脉冲发生器、示波器、超声纵波直探头、探头适配线和高阻抗传输线；

超声纵波直探头通过探头适配线与超声脉冲发生器的信号输出端相连，超声脉冲发生器的信号同步端通过高阻抗传输线与示波器相连接，超声纵波反射法检测系统的检测对象为盆式绝缘子。

3.根据权利要求2所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，所述示波器是最大采样频率2GHz、采样宽带500MHz的三通道高性能数字存储示波器，通过高阻抗传输线把示波器输入通道和超声脉冲发生器信号输出端同电位相连，从而在示波器上实时显示发射和接收的超声信号。

4.根据权利要求3所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，所述超声纵波直探头属于圆柱式纵波直探头，采用圆形复合材料压电晶片，探头底面为圆形，探头底面直径(D)设计范围取5-10mm，探头高度(H)设计范围取15-20mm；超声纵波直探头的频率设计不大于2.5MHz。

5.根据权利要求4所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，步骤S2中，所述采用超声纵波反射法检测系统对盆式绝缘子待测位置进行检测，记录超声纵波行程时间，具体如下：

调节超声脉冲发生器，将涂有油基型超声耦合剂的超声纵波直探头放置在参考位置即盆式绝缘子浇注口下方最近的待测位置，记录超声纵波行程参考时间；随机检测n次，n≥50，取平均值得到标准超声纵波行程时间T₀；确定每次测量值误差不过超过±0.03微秒，即系统精度为±0.03微秒；

将探头放置在盆式绝缘子表面下一个待检测位置，记录该检测位置的超声波形，然后移动超声纵波直探头的位置，依次完成对每个待检测位置的检测并记录每个待检测位置的超声纵波行程时间T。

6.根据权利要求5所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，所述超声纵波行程时间指：超声纵波直探头在盆式绝缘子环氧部分一侧发出超声始波F，F垂直入射到环氧部分内部，在环氧部分另一侧的对应位置处反射沿原路程返回再被超声纵波直探头接收，接收波为B；提取超声波形中的始波峰值时刻t_F和接收波峰值时刻t_B，接收波峰值时刻减去始波峰值时刻得出该检测位置的超声纵波行程时间T，即T＝t_B-t_F；T₀为T的特列，计算方法与T一致。

7.根据权利要求5所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，盆式绝缘子包括环氧部分和三个中心导体嵌件，三个中心导体嵌件成三角对称分布在环氧部分中央，三个中心导体嵌件均为铝材质的圆柱状结构；所述环氧部分为盆式绝缘子除去三个中心导体嵌件的部分；盆式绝缘子表面的待检测位置是指盆式绝缘子环氧部分厚度相同的位置集合，所有待检测位置平均分布在环氧部分，记录待检测位置个数；所述油基超声耦合剂增加了超声纵波直探头与被测表面的接触效果，保证了超声波形的稳定性。

8.根据权利要求5所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，步骤S3中，构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系：由于所有待检测位置的厚度相同，即超声纵波行程相同，则超声纵波行程时间也相同，如果某个待测位置的超声纵波行程时间与标准超声纵波行程时间T₀相差超过系统精度范围，则说明这两个待测位置内部材料均匀性不一致；

当某个位置检测得到的超声纵波行程时间，与标准超声纵波行程时间T₀之差绝对值的小于等于0.03微秒时表示不大于系统误差，则说明两个位置内部材料分布均匀；当时间差绝对值大于0.03微秒时，即|T-T₀|≤0.03，说明该位置内部材料开始出现不均匀。

9.根据权利要求8所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，当时间差大于0.03微秒小于0.1微秒时，即0.03＜|T-T₀|≤0.1，则称该位置内部材料分布不均匀处于合格状态；当时间差大于0.1微秒小于0.2微秒时，即0.1＜|T-T₀|≤0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于注意状态；当时间差大于0.2微秒时，即|T-T₀|＞0.2，则称该位置内部材料分布不均匀处于严重状态。

10.根据权利要求1～9任一项所述的一种超声纵波反射法检测盆式绝缘子均匀性的试验方法，其特征在于，步骤S4中，判断待测位置处于严重不均匀状态个数，确定盆式绝缘子是否可用于实际工程，具体如下：

当某盆式绝缘子所有待测位置中有超过1/3处于不均匀严重状态时，则判定该盆式绝缘子不能用于实际工程中；构建盆式绝缘子待测位置超声纵波行程时间与盆式绝缘子材料均匀性程度的对应关系，通过超声纵波行程时间表征每个检测位置的均匀性程度。

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