CN113654702B - 一种gis盆式绝缘子残余应力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，包括：利用预先搭建的超声波检测系统，根据超声传播时间测量方法分别对标准件和盆式绝缘子进行检测，计算得出临界折射纵波分别在所述标准件上和所述盆式绝缘子传播距离L内的超声传播时间；基于声弹性理论公式，根据所述标准件和所述盆式绝缘子上的超声传播时间，计算得出所述盆式绝缘子的残余应力，可见，在所述超声检测系统中，通过测量临界折射纵波在盆式绝缘子中的超声传播时间，根据声弹性理论公式，即可计算得出盆式绝缘子中的残余应力。本发明技术方案能够在不损坏盆式绝缘子的情况下，对盆式绝缘子的残余应力进行检测，可应用于盆式绝缘子的装配现场检测和出厂检测。

Description

一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法

技术领域

本发明涉及输变电绝缘设备领域，尤其涉及一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法。

背景技术

盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备(Gas-insulated metal-enclosedswitchgear，简称GIS)中的重要绝缘部件，起到支撑、绝缘和隔离气室的重要作用。

盆式绝缘子环氧材料应力分布不均匀，运行时在电场、机械荷载和温度等综合作用下容易应力集中产生微裂纹，严重时导致漏气、局部放电、绝缘闪络和烧蚀等故障。近年来，因盆式绝缘子力学性能欠佳造成破裂故障时有发生，严重威胁电网安全可靠运行。而盆式绝缘子在制造过程中，若浇注工艺质量控制不理想，会产生较大残余应力，对盆式绝缘子安全可靠运行产生威胁，因此，对盆式绝缘子内的残余应力进行检测对保障电网安全运行起着至关重要的作用。

目前，通常采用水压试验测定盆式绝缘子的破坏强度，来衡量绝缘子的机械强度，这种方法会破坏绝缘子材料结构，不适用于环氧复合材料内部残余应力的无损检测。

发明内容

超声波法由于其穿透力强、指向性好，对人体无害，对被测物无损伤，测量速度快等特点而成为了一种很重要的无损检测手段。超声波法是依据声弹性理论，即超声纵波与内应力呈线性关系。

本发明提供一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，属于超声临界折射纵波检测方法，能够在不损坏盆式绝缘子的情况下，对盆式绝缘子的残余应力进行检测，并提高检测的准确性，可用于盆式绝缘子的装配现场检测和出厂检测。

本发明提供一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，采用预先搭建的超声波检测系统进行检测，其特征在于，所述超声波检测系统包括：

超声脉冲发生接收仪，示波器，发射纵波的可变角度纵波超声探头，接收纵波的可变角度纵波超声探头，探头连接线和信号传输线；

所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；将另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；将所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接；

所述检测方法包括：

放置所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头在待检测GIS盆式绝缘子表面，调整所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头的角度；

调节超声脉冲发生接收仪；

控制所述两只探头之间的距离为L₁，观察所述示波器波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₁；

放置所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头在待检测GIS盆式绝缘子表面，调整所述两只探头的角度，控制所述两只探头之间的距离为L₂，观察所述示波器波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₂；

计算得出超声纵波在待检测GIS盆式绝缘子上传播距离为L＝L₂-L₁时，所述超声传播时间为T_c＝T₂-T₁；

根据超声传播时间测量方法对标准件进行检测，获取超声纵波在所述标准件上传播距离为L时的超声传播时间T₀；

根据所述超声传播时间测量方法对盆式绝缘子进行检测，获取超声纵波在所述盆式绝缘子上传播距离为L时的超声传播时间T；

基于声弹性理论公式，根据超声传播时间T₀、T，计算得出所述盆式绝缘子的残余应力。

优选地，所述标准件是与所述盆式绝缘子材料、制作工艺均相同的环氧树脂试块；

优选地，所述标准件视为各方向残余应力为零的盆式绝缘子。

优选地，所述根据所述标准件和所述盆式绝缘子上的超声传播时间，计算所述盆式绝缘子的残余应力，具体包括：

基于声弹性理论，根据下式计算所述盆式绝缘子的残余应力：

式中，σ为盆式绝缘子的残余应力，单位为MPa；T₀为所述标准件的超声传播时间，单位为μs；T为盆式绝缘子的超声传播时间，单位为μs；E为盆式绝缘子环氧树脂材料弹性模量，单位为GPa；K为环氧树脂声弹性系数，无量纲。

优选地，所述调节超声脉冲发生接收仪，具体包括：

调节所述超声脉冲发生接收仪至所述示波器上发射探头发出的波形和接收探头接收到的波形清晰，不受谐波信号干扰。

优选地，根据Snell原理确定所述发射纵波的可变角度超声探头和所述接收纵波的可变角度纵波超声探头在待检测GIS盆式绝缘子上的角度。

优选地，所述控制所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头之间的距离为L₁或L₂的方法具体包括：

分别将厚度为L1或L2的垫片设置于待检测GIS盆式绝缘子表面，将所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头设置于垫片两侧并夹住所述垫片。

更进一步地，所述垫片材料是与所述盆式绝缘子材料相同的环氧树脂块。

更进一步地，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头和所述接收纵波的可变角度超声探头的探头底面涂抹耦合剂。

更进一步地，所述超声脉冲发生接收仪为负方波激励，方波幅度及宽度可调，具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器。

更进一步地，所述示波器为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器。

更进一步地，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头属于纵波压电型接触式探头，采用矩形复合材料压电晶片，探头底面为平面矩形，探头为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°之间调节，可变角度纵波探头的频率为2.5MHz。

更进一步地，所述探头连接线为匹配所述超声脉冲发生接收仪与所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头的信号线。

更进一步地，所述信号传输线是杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线。

更进一步地，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头采用矩形复合材料压电晶片。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，包括：利用超声检测系统，根据超声传播时间测量方法分别对标准件和盆式绝缘子进行检测，分别获得临界折射纵波在所述标准件和和盆式绝缘子上传播距离L内的超声传播时间；基于声弹性理论，根据所述标准件和所述盆式绝缘子上的超声传播时间，计算所述盆式绝缘子的残余应力。

在所述超声检测系统中，通过测量临界折射纵波在盆式绝缘子中的超声传播时间，根据声弹性理论公式，即可计算得出盆式绝缘子中的残余应力，本发明技术方案能够在不损坏盆式绝缘子的情况下，对盆式绝缘子的残余应力进行检测，可应用于盆式绝缘子的装配现场检测和出厂检测；

通过超声传播时间测量方法，具体通过将不同超声传播距离所测量的超声传播时间做差，可仅得到盆式绝缘子或标准件中的传播时间，所述探头中的传播时间被减消掉，进而提高了检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明具体实施方式提供的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施方式提供的利用超声检测系统检测盆式绝缘子的系统示意图；

图3为本发明具体实施方式提供的利用超声检测系统检测标准件的系统示意图；

附图标记说明：盆式绝缘子1，超声脉冲发生接收仪2，同步端21，接收端22，输出端23，示波器3，发射纵波的可变角度纵波超声探头4，接收纵波的可变角度纵波超声探头5，第一探头连接线6，第二探头连接线7，信号传输线8，垫片9，标准件10。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是通电连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。

本发明实施例提供了一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，具体请参阅图1至图3。

本实施例中的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，采用预先搭建的超声波检测系统进行检测，所述超声波检测系统包括：

超声脉冲发生接收仪2，示波器3，发射纵波的可变角度纵波超声探头4，接收纵波的可变角度纵波超声探头5，第一探头连接线6，第二探头连接线7和信号传输线8；

所述第一探头连接线6的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头4连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪2的输出端23连接；将所述第二探头连接线7的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头5连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪2的接收端22连接；将所述信号传输线8的一端与所述超声脉冲发生接收仪2的同步端21连接，另一端与所述示波器3连接；

放置所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4与所述接收纵波的可变角度超声探头5在待检测GIS盆式绝缘子表面上，调整所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头的角度，调节所述超声脉冲发生接收仪2至所述示波器3上发射探头发出的波形和接收探头接收到的波形清晰，不受谐波信号干扰，减小测量误差，保证测量的准确性；

将厚度为L₁的第一垫片夹在所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4与所述接收纵波的可变角度超声探头5之间，以控制所述两个探头之间的距离为L₁，观察所述示波器3的波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪2接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₁；

将厚度为L₂的第二垫片夹在所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4与所述接收纵波的可变角度超声探头5之间，以控制所述两个探头之间的距离为L₂，观察所述示波器3的波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪2接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₂；

在距离L＝L₂-L₁范围内，计算得出所述超声传播时间为Tc＝T₂-T₁。

根据超声传播时间测量方法对标准件进行检测，获取超声纵波在所述标准件上传播距离为L时的超声传播时间T₀；

根据所述超声传播时间测量方法对盆式绝缘子进行检测，获取超声纵波在所述盆式绝缘子上传播距离为L时的超声传播时间T；

具体来说，本实施例方法所述超声传播时间测量方法中超声波的传播路径既包括所述盆式绝缘子1或所述标准件10，也包括所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4和接收纵波的可变角度超声探头5，即实际测量得到的结果T₁或T₂是所述两只探头4、5和盆式绝缘子1或标准件10中的传播时间之和，而本实施例方法需要测量的是盆式绝缘子1或标准件10中的超声传播时间，通过将两次测量的超声传播时间做差，可得到盆式绝缘子1或标准件10中的传播时间，所述两只探头4、5中的传播时间被减消掉，进而提高了检测精度。另外，也可通过制作与盆式绝缘子1表面形状贴合的探头楔块提高检测精度。

基于声弹性理论公式，根据所述标准件10上的超声传播时间T₀和所述盆式绝缘子1上的超声传播时间T，计算得出所述盆式绝缘子10的残余应力σ。

基于声弹性理论，根据下式计算所述盆式绝缘子的残余应力：

式中，σ为盆式绝缘子的残余应力，单位为MPa；T₀为所述标准件的超声传播时间，单位为μs；T为盆式绝缘子的超声传播时间，单位为μs；E为盆式绝缘子环氧树脂材料弹性模量，单位为GPa；K为环氧树脂声弹性系数，无量纲。

具体来说，本实施例中的检测方法属于超声临界折射纵波检测方法，超声波对人无害，本方法中所述超声检测系统需要的检测设备主要包括超声探伤仪、示波器和超声探头，这三种设备价格低，体积较小，对测量环境没有要求，可以放入手提的设备箱中。同为残余应力检测方法的X射线衍射法或中子衍射法中使用的X射线衍射仪或中子衍射仪价格非常昂贵，设备复杂，体积庞大，且不能在户外使用，只能在实验室中使用，X射线衍射法对人有辐射危害，所以本检测方法相比X射线衍射法或中子衍射法无损检测残余应力，检测成本低、方便携带、对人体无辐射危害，可用于盆式绝缘子的出厂检测也可适用于盆式绝缘子的装配现场检测。

进一步地，所述标准件10是与所述盆式绝缘子1材料、制作工艺均相同的环氧树脂试块。

进一步地，所述标准件10视为各方向残余应力为零的盆式绝缘子。

进一步地，根据Snell原理确定可变角度纵波探头4和5的角度，所述发射纵波的可变角度超声探头4发出的纵波在其探头楔块和所述标准件10表面或所述盆式绝缘子1表面折射，在所述标准件10或所述盆式绝缘子1中产生临界折射纵波。

进一步地，所述垫片9材料是与所述盆式绝缘子1材料相同的环氧树脂块。

在更优选的实施例中，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4和所述接收纵波的可变角度超声探头5的探头底面涂抹耦合剂，如机油或变压器油，以增加耦合效果。

在更优选的实施例中，所述超声脉冲发生接收仪2为负方波激励，方波幅度及宽度可调，具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器，所述超声脉冲发生接收仪2的发射电路由高性能方波脉冲发生器和高压电路组成，接收电路具有低噪声和宽频带的特点，噪声低于30dB，频带范围为0-100MHz，保证了超声波发生和接收信号的质量。

在更优选的实施例中，所述示波器3为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器，所述示波器3的输入通道通过所述信号传输线8与所述超声脉冲发生接收仪2的信号输出端23同电位相连，所述示波器3用于实时显示接收到的超声信号。

在更优选的实施例中，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4与所述接收纵波的可变角度超声探头5属于纵波压电型接触式探头，探头底面为平面矩形，探头为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°之间调节，可变角度纵波探头的频率为2.5MHz。

在更优选的实施例中，所述第一探头连接线6和第二探头连接线7是与所述超声脉冲发生接收仪2、所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头4和5相匹配的信号线，具有低噪声、抗干扰能力强等特点，可保证所述超声脉冲发生接收仪2的输出电信号能够无衰减地被可变角度纵波超声探头接收，同时，可保证在探头4、5接收到超声信号并转换成电信号后，无衰减地返回到所述超声脉冲发生接收仪2的接收端22。

在更优选的实施例中，所述信号传输线8是杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线，缩短了高频信号在传输过程中的相位延迟，保证示波器3接收到的电信号与超声脉冲发生接收仪2信号输出端23的电信号能实时同电位、同相位，大幅减小了检测误差，保证了检测精度。

在更优选的实施例中，所述发射纵波的可变角度纵波超声探头4与所述接收纵波的可变角度超声探头5采用矩形复合材料压电晶片，杂波少波形效果好，可降低衰减率。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，采用预先搭建的超声波检测系统进行检测，其特征在于，所述超声波检测系统包括：

超声脉冲发生接收仪，示波器，发射纵波的可变角度纵波超声探头，接收纵波的可变角度纵波超声探头，探头连接线和信号传输线；

所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；将另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；将所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接；

所述检测方法包括：

放置所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头在待检测GIS盆式绝缘子表面，调整所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头的角度；

调节超声脉冲发生接收仪；

分别将厚度为L₁或L₂的垫片设置于待检测GIS盆式绝缘子表面，将所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头设置于垫片两侧并夹住所述垫片；

将厚度为L₁的垫片设置于待检测GIS盆式绝缘子表面，控制所述所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头之间的距离为L₁，观察所述示波器波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₁；

将厚度为L₂的垫片设置于待检测GIS盆式绝缘子表面，控制所述所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头之间的距离为L₂，观察所述示波器波形信息，获取所述超声脉冲发生接收仪接收到纵波峰值时刻与发出纵波峰值时刻，计算所述接收到纵波峰值时刻与所述发出纵波峰值时刻的时间差为T₂；

计算得出超声纵波在待检测GIS盆式绝缘子上传播距离为L＝L₂-L₁时，超声传播时间为T_c＝T₂-T₁；

根据超声传播时间测量方法对标准件进行检测，获取超声纵波在所述标准件上传播距离为L时的超声传播时间T₀；

根据所述超声传播时间测量方法对盆式绝缘子进行检测，获取超声纵波在所述盆式绝缘子上传播距离为L时的超声传播时间T；

基于声弹性理论公式，根据超声传播时间T₀、T，计算得出所述盆式绝缘子的残余应力。

2.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于：

所述标准件是与所述盆式绝缘子材料、制作工艺均相同的环氧树脂试块；

所述标准件视为各方向残余应力为零的盆式绝缘子。

3.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于，所述根据所述标准件和所述盆式绝缘子上的超声传播时间，计算所述盆式绝缘子的残余应力，具体包括：

基于声弹性理论，根据下式计算所述盆式绝缘子的残余应力：

式中，σ为盆式绝缘子的残余应力，单位为MPa；T₀为所述标准件的超声传播时间，单位为μs；T为盆式绝缘子的超声传播时间，单位为μs；E为盆式绝缘子环氧树脂材料弹性模量，单位为GPa；K为环氧树脂声弹性系数，无量纲。

4.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于，所述调节超声脉冲发生接收仪，具体包括：

调节所述超声脉冲发生接收仪至所述示波器上发射探头发出的波形和接收探头接收到的波形清晰，不受谐波信号干扰。

5.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于，所述调整所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头的角度的方法为：根据Snell原理确定所述发射纵波的可变角度超声探头和所述接收纵波的可变角度纵波超声探头在待检测GIS盆式绝缘子上的角度。

6.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于：所述垫片材料是与所述盆式绝缘子材料相同的环氧树脂块。

7.根据权利要求6所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于：所述发射纵波的可变角度纵波超声探头和所述接收纵波的可变角度超声探头的探头底面涂抹耦合剂。

8.根据权利要求7所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于，所述超声波检测系统中：

所述超声脉冲发生接收仪为负方波激励，方波幅度及宽度可调，具有低噪声响应、增益可调的脉冲发生接收器；

所述示波器为带宽100MHz、最大采样率达2.5GS/s、高输入阻抗的四通道高性能数字存储示波器；

所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头属于纵波压电型接触式探头，探头底面为平面矩形，探头为窄条状，纵波发射的角度可在0°至90°之间调节，可变角度纵波探头的频率为2.5MHz；

所述探头连接线为匹配所述超声脉冲发生接收仪与所述发射纵波或接收纵波的可变角度纵波超声探头的信号线；

所述信号传输线是杂散电感小于1mH、电阻小于5mΩ的传输线。

9.根据权利要求8所述的一种GIS盆式绝缘子残余应力的检测方法，其特征在于：

所述发射纵波的可变角度纵波超声探头与所述接收纵波的可变角度超声探头采用矩形复合材料压电晶片。