CN114295265A - 一种gis盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统，包括：设置盆式绝缘子检测路径及检测点；向所述盆式绝缘子施加温度载荷；测量所述检测点温度，获取所述检测点超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻；获取所述盆式绝缘子温度分布，计算各检测点超声传播时间；根据声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的法向热应力分布。本发明技术方案将超声波垂直于盆式绝缘子盆壁入射，遇到底面后反射，测量该检测位置的超声传播时间，基于超声波传播时间与应力声弹性公式，求得盆式绝缘子法向内部热应力值，获取法向热应力分布。
Description
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盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统。
背景技术
物体温度变化时，其体积会产生改变的趋势，但物体受外在约束及其自身各材料分子之间的相互约束，这种体积改变趋势不能自由发生而引发的应力，称之为热应力，又称为温度应力。
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。
盆式绝缘子除了在制造过程中，因浇注工艺质量控制不理想而产生较大残余应力、安装运输过程中受到装配应力作用外，在长期带电运行过程中，不同导体电流对应不同温度分布，当温度变化较大时，盆式绝缘子固体绝缘材料由于法兰约束以及内部各材料分子之间的相互约束，导致其不能完全自由胀缩而产生较大热应力，也是盆式绝缘子机械性能劣化的原因之一，对盆式绝缘子安全可靠运行产生威胁，因此，对盆式绝缘子的热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，针对盆式绝缘子的热应力，大多采用有限元仿真分析法来研究盆式绝缘子温度场的应力应变分布情况，尚未有有效检测手段，而针对盆式绝缘子的法向内部热应力也尚未有有效检测手段。
发明内容
超声波法因具有检测速度快、对人体无害、成本低、便于携带、检测深度范围大等优点而成为了一种很重要的无损检测手段。基于声弹性效应理论基础，超声无损检测技术在盆式绝缘子应力无损检测方面具有较大发展潜力。
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统，超声波垂直于盆式绝缘子盆壁入射，并遇到底面后反射，测量该检测位置的超声传播时间，基于超声纵波传播时间与应力声弹性公式，求解得到GIS盆式绝缘子法向内部热应力值。
本发明提供一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，具体步骤包括：
设置盆式绝缘子检测路径及检测点；
向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
测量所述检测点的温度，获取所述检测点超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻；
获取所述盆式绝缘子温度分布，计算各检测点超声传播时间；
根据声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；
根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的法向热应力分布。
优选地，所述超声探头垂直于所述盆式绝缘子检测面布置，使所述超声探头激励地超声波垂直于该检测面传播。
优选地，所述超声探头底面与所述盆式绝缘子检测位置表面采用超声专用耦合剂进行耦合。
优选地，所述计算各检测点超声传播时间，具体包括：
采用底面回波时间差法，即所述检测点的超声传播时间为所述检测点测得的所述超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻的差值。
优选地，所述声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数为：
式中，T表示检测点施加任意温度载荷下的超声纵波传播时间，单位为μs；T0表示检测点未施加温度载荷下的超声纵波初始传播时间，单位为μs；K表示声弹性系数，单位为μs/MPa；σ表示检测点施加任意温度载荷下的热应力，单位为MPa；ΔS为盆式绝缘子施加温度载荷下引起的形变量，单位为mm；S0为盆式绝缘子盆壁初始厚度，单位为mm。
优选地，所述超声探头为超声纵波直探头。
更进一步地，所述设置盆式绝缘子检测路径及检测点，具体包括：
选取盆式绝缘子径向区域为检测区域；
各径向检测区域沿径向等圆心角均布；
同一径向检测区域内，相邻两个检测点的间距相同。
更进一步地，所述向所述盆式绝缘子施加温度载荷，具体包括：
将中心导体与所述盆式绝缘子通过螺栓连接，通过加热所述中心导体向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
以相同温度载荷增量向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
施加温度载荷后，静置预置时间后再进行所述检测点的温度测量。
本发明的另一个目的是提供一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统，包括：
超声纵波直探头、探头适配线、超声脉冲发射接收仪、示波器、信号传输线、计算机、红外测温仪、数显温控加热带；
所述探头适配线的一端与所述超声纵波直探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；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；
所述数显温控加热带用于加热所述中心导体，经过热传导进而加热所述GIS盆式绝缘子；
所述红外测温仪，用于测量所述GIS盆式绝缘子各检测点的温度；
所述计算机，用于计算超声传播时间和各检测点热应力，获取所述GIS盆式绝缘子的各检测点温度值，进行数据处理，绘制所述GIS盆式绝缘子热应力分布云图。
更进一步地，所述超声纵波直探头，型号为2.5P6，中心频率为2.5MHz，直径为6mm；所述超声探头为复合材料探头，其探头压电晶片由锆钛酸铅(PZT)与环氧树脂复合材料制作而成；
所述超声脉冲发射接收仪是模拟式脉冲发生接收器；
所述示波器为Tektronix型号DPO4104，用于对超声波形进行采集和分析，采样率为500MS/s，采样周期为2ns，带宽20MHz，示波器频带宽度为20MHz，测量精度最小为0.1ns；
所述红外测温仪测量范围为-50～1150℃，在0～100℃范围内测量精度为2℃，分辨率为0.1℃，重复性为±1％，物距比为20:1；
所述数显温控加热带由温度传感器、数字显示仪以及硅胶加热带构成，加热温度可控，实时监测物体温度。
更进一步地，还包括隔热罩，所述隔热罩用于当所述数显温控加热带加热所述中心导体时，设置在所述中心导体外部，减小待测物体与空气的热流通。
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盆式绝缘子法向内部热应力检测方法及系统，本发明向盆式绝缘子施加温度荷载后，通过将超声波垂直于盆式绝缘子盆壁入射、遇到底面后反射，通过底面回波时间差法测量超声传播时间，利用超声纵波传播时间与应力声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，求解得到GIS盆式绝缘子法向内部热应力值，获取法向内部热应力分布情况。
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盆式绝缘子法向内部热应力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一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统示意图；
图3为本发明具体实施方式提供的252kV GIS盆式绝缘子No.1径向区域检测路径及检测点示意图；
图4为本发明具体实施方式提供的252kV GIS盆式绝缘子检测的超声传播时间汇总图。
图5为本发明具体实施方式提供的252kV GIS盆式绝缘子检测的超声传播时间汇总图(彩色)。
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。
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“设置”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。
本发明实施例提供了一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，具体请参阅图1至图5。
本实施例中的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，具体步骤包括：
S11、设置盆式绝缘子检测路径及检测点；
S12、向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
S13、测量所述检测点的温度，获取所述检测点超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻；
S14、获取所述盆式绝缘子温度分布，计算各检测点超声传播时间；
S15、根据声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；
S16、根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的法向热应力分布。
进一步地，将所述超声探头底面与所述盆式绝缘子检测位置表面采用超声专用耦合剂进行耦合。
进一步地，在步骤S13中，将所述超声探头垂直于所述盆式绝缘子检测面布置，使所述超声探头激励地超声波垂直于该检测面传播，获取超声探头接收的第一次反射回波时刻记作t1，第二次反射回波时刻记作t2。
进一步地，在步骤S14中，所述计算各检测点超声传播时间，具体包括：
采用底面回波时间差法，即所述检测点的超声传播时间为所述检测点测得的所述超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻的差值T＝t2-t1。采用底面回波时间差法测量超声传播时间，消除了耦合层厚度离散对超声传播时间测量的影响，提高了测量精度。
进一步地，在步骤S15中，所述声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数为：
式中，T表示检测点施加任意温度载荷下的超声纵波传播时间，单位为μs；T0表示检测点未施加温度载荷下的超声纵波初始传播时间，单位为μs；K表示声弹性系数，单位为μs/MPa，本实施例中取值K＝4.336×10-4μs/MPa；σ表示检测点施加任意温度载荷下的热应力，单位为MPa；ΔS为盆式绝缘子施加温度载荷下引起的形变量，单位为mm，本实施例中取值为0；S0为盆式绝缘子盆壁初始厚度，单位为mm。
进一步地，所述超声探头为超声纵波直探头。
更进一步地，本实施例以252kV盆式绝缘子为例，说明在步骤S11中，所述设置盆式绝缘子检测路径及检测点，具体包括：
选取252kV盆式绝缘子4个径向检测区域进行应力检测，相邻方向之间的角度为90°，分别为No.1、No.2、No.3、No.4，由于盆式绝缘子中心嵌件附近表面曲率较大，超声探头与盆式绝缘子耦合较差，回波信号较弱，故选择曲率较小的面开始检测，本实施例检测起始位置为距离中心嵌件70mm处；同一方向内的各检测点等间距布置，本实施例间距为10mm，检测区域为盆式绝缘子盆壁，252kV盆式绝缘子盆壁厚度为19mm。
更进一步地，在步骤S12中，所述向所述盆式绝缘子施加温度载荷，具体包括：
盆式绝缘子由中心嵌件、铝法兰及环氧树脂盆体组成，试验时将所述中心导体与所述盆式绝缘子通过螺栓连接，通过加热中心导体向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
将中心导体分别加热至50℃、70℃、90℃、110℃，并静置预置时间，待所述252kV盆式绝缘子各部分温度稳定后，再进行所述检测点的温度测量。
本发明的另一个目的是提供一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统，包括：
超声纵波直探头、探头适配线、超声脉冲发射接收仪、示波器、信号传输线、计算机、红外测温仪、数显温控加热带；
所述探头适配线的一端与所述超声纵波直探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；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；
更进一步地，所述超声纵波直探头，型号为2.5P6，中心频率为2.5MHz，直径为6mm；所述超声探头为复合材料探头，其探头压电晶片由锆钛酸铅(PZT)与环氧树脂复合材料制作而成；
更进一步地，所述超声脉冲发射接收仪是模拟式脉冲发生接收器，通过发射和接收超声波来测量盆式绝缘子每次温度载荷施加后，各检测点的超声传播时间；
更进一步地，所述示波器为Tektronix型号DPO4104，用于对超声波波形进行采集和分析，采样率为500MS/s，采样周期为2ns，带宽20MHz，示波器频带宽度为20MHz，测量精度最小为0.1ns；
更进一步地，所述计算机用于计算超声传播时间和各检测点热应力，并获取所述GIS盆式绝缘子的各检测点温度值，进行数据处理，绘制所述GIS盆式绝缘子热应力分布云图。
更进一步地，所述红外测温仪用于测量所述GIS盆式绝缘子各检测点的温度，测量范围为-50～1150℃，在0～100℃范围内测量精度为2℃，分辨率为0.1℃，重复性为±1％，物距比为20:1，该测温仪体积较小，可抗干扰且易于操作，能快速读取被测物体温度；
更进一步地，所述数显温控加热带用于加热所述中心导体，经过热传导进而加热所述GIS盆式绝缘子，所述数显温控加热带由温度传感器、数字显示仪以及硅胶加热带构成，加热温度可控，实时监测物体温度。
在更优选的实施例中，还包括隔热罩，所述隔热罩用于当所述数显温控加热带加热所述中心导体时，设置在所述中心导体外部，减小待测物体与空气的热流通。
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 (10)
1.一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于，具体步骤包括：
设置盆式绝缘子检测路径及检测点；
向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
测量所述检测点的温度，获取所述检测点超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻；
获取所述盆式绝缘子温度分布，计算各检测点超声传播时间；
根据声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；
根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的法向热应力分布。
2.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于：
所述超声探头垂直于所述盆式绝缘子检测面布置，使所述超声探头激励的超声波垂直于该检测面传播；
所述超声探头底面与所述盆式绝缘子检测位置表面采用超声专用耦合剂进行耦合。
3.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于，所述计算各检测点超声传播时间，具体包括：
采用底面回波时间差法，即所述检测点的超声传播时间为所述检测点测得的所述超声探头接收的第一次反射回波时刻和第二次反射回波时刻的差值。
4.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于，所述声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数为：
式中，T表示检测点施加任意温度载荷下的超声纵波传播时间，单位为μs；T0表示检测点未施加温度载荷下的超声纵波初始传播时间，单位为μs；K表示声弹性系数，单位为μs/MPa；σ表示检测点施加任意温度载荷下的热应力，单位为MPa；ΔS为盆式绝缘子施加温度载荷下引起的形变量，单位为mm；S0为盆式绝缘子盆壁初始厚度，单位为mm。
5.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于：所述超声探头为超声纵波直探头。
6.根据权利要求5所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于，所述设置盆式绝缘子检测路径及检测点，具体包括：
选取盆式绝缘子径向区域为检测区域；
各径向检测区域沿径向等圆心角均布；
同一径向检测区域内，相邻两个检测点的间距相同。
7.根据权利要求6所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法，其特征在于，所述向所述盆式绝缘子施加温度载荷，具体包括：
将中心导体与所述盆式绝缘子通过螺栓连接，通过加热所述中心导体向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
以相同温度载荷增量向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
施加温度载荷后，静置预置时间后再进行所述检测点的温度测量。
8.一种用于实现权利要求1-7中任意一项所述的一种GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统，其特征在于，包括：
超声纵波直探头、探头适配线、超声脉冲发射接收仪、示波器、信号传输线、计算机、红外测温仪、数显温控加热带；
所述探头适配线的一端与所述超声纵波直探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；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；
所述数显温控加热带用于加热所述中心导体，经过热传导进而加热所述GIS盆式绝缘子；
所述红外测温仪，用于测量所述GIS盆式绝缘子各检测点的温度；
所述计算机，用于计算超声传播时间和各检测点热应力，获取所述GIS盆式绝缘子的各检测点温度值，进行数据处理，绘制所述GIS盆式绝缘子法向热应力分布云图。
9.根据权利要求8所述的一种用于实现GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统，其特征在于：
所述超声纵波直探头，型号为2.5P6，中心频率为2.5MHz，直径为6mm；所述超声探头为复合材料探头，其探头压电晶片由锆钛酸铅(PZT)与环氧树脂复合材料制作而成；
所述超声脉冲发射接收仪是模拟式脉冲发生接收器；
所述示波器，为Tektronix型号DPO4104，用于对超声波形进行采集和分析，采样率为500MS/s，采样周期为2ns，带宽20MHz，示波器频带宽度为20MHz，测量精度最小为0.1ns；
所述红外测温仪测量范围为-50～1150℃，在0～100℃范围内测量精度为2℃，分辨率为0.1℃，重复性为±1％，物距比为20:1；
所述数显温控加热带由温度传感器、数字显示仪以及硅胶加热带构成，加热温度可控，实时监测物体温度。
10.根据权利要求9所述的一种用于实现GIS盆式绝缘子法向内部热应力检测方法的系统，其特征在于：还包括隔热罩，所述隔热罩用于当所述数显温控加热带加热所述中心导体时，设置在所述中心导体外部，减小待测物体与空气的热流通。
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