CN114323375A - 一种gis盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统，涉及电力装备状态监测领域，步骤如下：制备零应力试块和探头楔块组合，首先获得零应力试块获得零应力下的声弹性模型，进而进行标准预紧力、按固定值梯度递增的扭力时的应力检测，根据根据实际测量到的超声传播声时差获得法兰处的应力，对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。本发明能够快速无损的检测到盆式绝缘子法兰处的应力，进而分析螺栓紧固状态，有效解决了盆式绝缘子紧固过程中欠拧或者过拧导致的应力分布不均匀的问题。

Description

一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力装备状态监测技术领域，尤其涉及一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统。

背景技术

随着国民经济的发展，气体绝缘金属封闭组合式电气设备(GIS)与常规敞开式变电站相比具有结构紧凑、占地面积小、检修周期长、环境适应能力强、可靠性高、配置灵活等优点，在高压、超高压和特高压领域的应用越来越广泛。GIS设备由盆式绝缘子进行隔离，盆式绝缘子由螺栓和GIS腔体法兰进行固定。在长期运行过程中，盆式绝缘子断路器分合闸机械振动导致螺栓松动；在检修等过程中，螺栓紧固环节未正确执行力矩预紧，存在欠拧或过拧的现象，造成该部位应力集中，导致绝缘子变形、开裂，进而导致GIS漏气、局部放电甚至绝缘子沿面闪络放电等故障。

临界折射纵波，由于其波型为纵波且沿介质表面传播所以具有传播速度快，相比其他沿表面传播的波型能量衰减小且对应力敏感，对应力有较高灵敏度。考虑使用临界折射纵波进行应力检测操作方便、无损以及测量速度快等优点，可用于解决螺栓导致的盆式绝缘子应力分布不均的问题。

因此，提供一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统，将临界折射纵波应用到应力检测中，来解决螺栓导致的盆式绝缘子应力分布不均的问题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统，能够快速准确的使用超声法检测盆式绝缘子法兰上的应力，进而判断螺栓松紧状态。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

1、一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，包括以下步骤：

S1、获得零应力状态下临界折射纵波L_CR通过盆式绝缘子法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

S2、获得螺栓标准预紧力下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解标准螺栓预紧力下法兰处的应力；

S3、通过扭矩扳手按照固定扭矩梯度增量给盆式绝缘子法兰施力，通过超声发射接收仪获得对应于每一次应力加载下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解不同应力加载情况下法兰处的应力；

S4、根据实际测量到的超声传播声时差获得法兰处的应力，对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

优选的，在步骤S1之前还包括：

1)制备与盆式绝缘子法兰材料、工艺完全相同的零应力试块；

2)根据Snell定律获得临界折射纵波L_CR在盆式绝缘子法兰中的入射角，并根据入射角设计一发一收探头楔块组合；

3)通过拉伸实验获得零应力试块应力变化量和临界折射纵波L_CR传播声时差之间的声弹性模型；

4)将探头楔块组合设置于盆式绝缘子法兰内部，并与超声发射接收仪的输入、输出端连接。

优选的，步骤1)中，根据Snell定律求解临界折射纵波L_CR在法兰中的入射角公式如下：

α＝arcsin(c₁/c₂) (1)

其中，c₁为有机玻璃楔块的纵波速度，c₂为法兰的纵波速度。

优选的，步骤3)中声弹性模型为：

Δσ＝KΔt (2)

其中，K为声弹性系数，Δt为超声发射波与超声接收波之间的声时差。

优选的，步骤4)中，探头楔块组合的发射探头与超声发射接收仪的输出端连接，接收探头与超声发射接收仪的输入端连接。

优选的，声时差计算，先进行线性插值法增加采样点数目，再利用互相关算法求解声时差。

一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测系统，包括：

依次连接的临界折射纵波L_CR波形图获取模块、声时差计算模块、应力计算模块和螺栓松紧状态判断模块；

临界折射纵波L_CR波形图获取模块，用于获取零应力状态、标准预紧力下和固定扭矩梯度增量条件下，临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图；

声时差计算模块，用于根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差；

应力计算模块，用于根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

螺栓松紧状态判断模块，用于对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法及系统：能够快速无损的检测到盆式绝缘子法兰处的应力，进而分析螺栓紧固状态，有效解决了盆式绝缘子紧固过程中欠拧或者过拧导致的应力分布不均匀的问题。

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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测装置结构示意图；

图2为本发明探头楔块组合结构示意图；

图3为本发明零应力试块及探头示意图；

图4为本发明零应力波形图；

图5为本发明应力加载波形图；

图6为本发明互相关分析波形图；

其中，1-计算机，2-超声发射接收仪，3-盆式绝缘子法兰，4-套筒法兰，5-GIS试验腔体，6-螺栓，7-探头楔块组合，71-发射探头，72-接收探头，73-探头支撑块，8-零应力试块。

具体实施方式

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，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，公开了一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测装置，包括计算机1、超声发射接收仪2、盆式绝缘子法兰3、套筒法兰4、GIS试验腔体5、螺栓6和探头楔块组合7；还包括零应力试块。其中，探头楔块组合7包括：发射探头71、接收探头72和探头支撑块73。

螺栓6位于GIS实验腔体5中，盆式绝缘子法兰3位于套筒法兰4内部，探头楔块组合7置于盆式绝缘子法兰3内部，与螺栓6的位置平行，发射探头71与超声发射接收仪2的输出端连接，接收探头72与超声发射接收仪2的输入端连接，计算机1读取超声发射接收仪2采集的数据信息，进行螺栓6的松紧判断。

其具体方法如下：

一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，包括以下步骤：

S1、获得零应力状态下临界折射纵波L_CR通过盆式绝缘子法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，如图4所示，根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

S2、获得螺栓标准预紧力下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，如图5所示，根据声弹性模型求解标准螺栓预紧力下法兰处的应力；

S3、通过扭矩扳手按照固定扭矩梯度增量给盆式绝缘子法兰施力，通过超声发射接收仪获得对应于每一次应力加载下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解不同应力加载情况下法兰处的应力；

S4、根据实际测量到的超声传播声时差获得法兰处的应力，对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

在一个具体实施例中，在步骤S1之前还包括：

1)制备与盆式绝缘子法兰材料、工艺完全相同的零应力试块，如图3中附图标记8所示；

2)根据Snell定律获得临界折射纵波L_CR在盆式绝缘子法兰中的入射角，并根据入射角设计一发一收探头楔块组合；

3)通过拉伸实验获得零应力试块应力变化量和临界折射纵波L_CR传播声时差之间的声弹性模型；

4)将探头楔块组合设置于盆式绝缘子法兰内部，并与超声发射接收仪的输入、输出端连接。

在一个具体实施例中，步骤1)中，根据Snell定律求解临界折射纵波L_CR在法兰中的入射角公式如下：

α＝arcsin(c₁/c₂) (1)

其中，c₁为有机玻璃楔块的纵波速度，c₂为法兰的纵波速度。

在一个具体实施例中，步骤3)中声弹性模型为：

Δσ＝KΔt (2)

其中，K为声弹性系数，Δt为超声发射波与超声接收波之间的声时差。

在一个具体实施例中，

步骤4)中，探头楔块组合的发射探头与超声发射接收仪的输出端连接，接收探头与超声发射接收仪的输入端连接。

在一个具体实施例中，声时差计算，先进行线性插值法增加采样点数目，再利用互相关算法求解声时差，如图6所示。

一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测系统，包括：

依次连接的临界折射纵波L_CR波形图获取模块、声时差计算模块、应力计算模块和螺栓松紧状态判断模块；

临界折射纵波L_CR波形图获取模块，用于获取零应力状态、标准预紧力下和固定扭矩梯度增量条件下，临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图；

声时差计算模块，用于根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差；

应力计算模块，用于根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

螺栓松紧状态判断模块，用于对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

在一个具体实施例中，探头楔块组合之间固定间距为3cm，采用5MHz，6mm直径的纵波探头，楔块角度为25°，如图2所示；零应力试块长为100mm，宽为50mm，高为40mm，如图3中的8所示；252kV GIS盆式绝缘子螺栓标准扭矩为110N·m；按10N·m扭矩梯度增量增大螺栓预紧力，最大扭矩为200N·m。应力导致的声时差在纳秒级别，先使用线性插值法增加采样点数目，使用时间精度提高到0.5ns，再利用互相关算法求解声时差。

通过超声发射接收仪得零应力状态下L_CR波通过盆式绝缘子法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差Δt₀，代入声弹性模型Δσ＝KΔt中，得到零应力情况下法兰处的应力Δσ₀；

通过扭矩扳手给盆式绝缘子施加标准扭矩110N·m，通过超声发射接收仪获得螺栓标准扭矩下L_CR波通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差Δt₁，代入声弹性模型Δσ＝KΔt，得到螺栓标准扭矩下法兰处的应力Δσ₁；

通过扭矩扳手按照一定扭矩梯度增量给盆式绝缘子法兰施力，通过超声发射接收仪获得对应于每一次应力加载下L_CR波通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差Δt_i，代入声弹性模型Δσ＝KΔt，得到不同应力加载下法兰处的应力Δσ_i；

根据实际测量到的超声传播声时差获得法兰处的应力Δσ_i，对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力Δσ₁，当Δσ_i＜Δσ₁时，表示螺栓松动。

对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获得零应力状态下临界折射纵波L_CR通过盆式绝缘子法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

S2、获得螺栓标准预紧力下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解标准螺栓预紧力下法兰处的应力；

S3、通过扭矩扳手按照固定扭矩梯度增量给盆式绝缘子法兰施力，通过超声发射接收仪获得对应于每一次应力加载下临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图，根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差，根据声弹性模型求解不同应力加载情况下法兰处的应力；

S4、根据实际测量到的超声传播声时差获得法兰处的应力，对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

2.根据权利要求1所述的一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，其特征在于，

在步骤S1之前还包括：

1)制备与盆式绝缘子法兰材料、工艺完全相同的零应力试块；

2)根据Snell定律获得临界折射纵波L_CR在盆式绝缘子法兰中的入射角，并根据入射角设计一发一收探头楔块组合；

3)通过拉伸实验获得零应力试块应力变化量和临界折射纵波L_CR传播声时差之间的声弹性模型；

4)将探头楔块组合设置于盆式绝缘子法兰内部，并与超声发射接收仪的输入、输出端连接。

3.根据权利要求2所述的一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，其特征在于，

步骤1)中，根据Snell定律求解临界折射纵波L_CR在法兰中的入射角公式如下：

α＝arcsin(c₁/c₂) (1)

其中，c₁为有机玻璃楔块的纵波速度，c₂为法兰的纵波速度。

4.根据权利要求2所述的一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，其特征在于，

步骤3)中声弹性模型为：

Δσ＝KΔt (2)

其中，K为声弹性系数，Δt为超声发射波与超声接收波之间的声时差。

5.根据权利要求1所述的基于超声波的GIS盆式绝缘子法兰螺栓松动监测方法，其特征在于，

步骤4)中，探头楔块组合的发射探头与超声发射接收仪的输出端连接，接收探头与超声发射接收仪的输入端连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测方法，其特征在于，

声时差计算，先进行线性插值法增加采样点数目，再利用互相关算法求解声时差。

7.一种GIS盆式绝缘子法兰应力检测系统，其特征在于，包括：

依次连接的临界折射纵波L_CR波形图获取模块、声时差计算模块、应力计算模块和螺栓松紧状态判断模块；

临界折射纵波L_CR波形图获取模块，用于获取零应力状态、标准预紧力下和固定扭矩梯度增量条件下，临界折射纵波L_CR通过法兰的波形图；

声时差计算模块，用于根据波形图获得超声发射波与超声接收波之间的声时差；

应力计算模块，用于根据声弹性模型求解零应力情况下法兰处的应力；

螺栓松紧状态判断模块，用于对比螺栓标准预紧力下法兰处的应力，判断螺栓松紧状态。

Images