应用超声波探伤仪检测复合绝缘子的内部缺陷谢从珍1,张 尧1,郝艳捧1,原学军2,魏强华3(1.华南理工大学电力学院,广州510640;2.武汉中科创新技术有限公司,武汉430079;3.东莞市高能电气股份有限公司,东莞523012)摘 要:为消除硅橡胶复合绝缘子缺陷对电网安全运行造成的隐患,提出了一种利用超声波探伤仪检测硅橡胶绝缘子护套脱粘和气孔缺陷的方法,该方法根据0.5～10M Hz的超声波在不同介质中传播时的异质界面回波特性判定绝缘子缺陷。
研究表明,在全检波、正检波、负检波、射频波4种超声检波方式中射频波方式优于其它方式。
用压电晶片、透声层、硅橡胶护套3种介质实测表明:当透声层厚度等于1/4波长时形成声阻抗匹配而产生全透射并达到最优检测效果;对绝缘子大面积护套脱粘采用射频幅度法检测,对绝缘介质气孔、夹渣采用射频反射法检测方式。
该方法为复合绝缘子内部缺陷检测提供了一种有效手段。
关键词:复合绝缘子;脱粘;气孔;超声波;射频波;无损检测中图分类号:TM216+.3;T G115.28文献标志码:A文章编号:100326520(2009)1022464206Application of U ltrasonic Fla w Detector to Internal Defectsin Composite InsulatorsXIE Co ng2zhen1,ZHAN G Yao1,HAO Yan2peng1,YUAN Xue2jun2,WEI Qiang2hua3(1.Elect ric Power College,Sout h China U niversity of Technology,Guangzhou510640,China;2.Wuhan Zhongke Innovation Technology Co.,Lt d.,Wuhan430079,China;3.Dongguan Gaoneng Elect ric Co.,Lt d.,Dongguan523012,China)Abstract:In order to eliminate the danger for the safe operation of composite insulator,this paper presented one method to detect the flaw of the bonding between sheath and rod by using the ultrasonic flaw detector.This method determines the flaw on the base of the echo quality of the ultrasonic wave with0.5～10M Hz in different material. Much research indicated that the method of radio frequency detection was better than the methods of full detection, positive detection and negative detection.Test results for three materials of piezoelectric chip,Sound2Transparent2 layer and silicone rubber sheath demonstrate that f ull transmission was occur by the matching of the acoustic imped2 ance when the thickness of the Sound2Transparent2layer is one quarter of the wave.The method of the radio f re2 quency wave amplitude was used to detect the large area bonding between housing and core.The other method by the echo of the radio f requency was used to detect the bubble and the dregs in the insulation material.It is an effec2 tive non-destructive technology for detecting the inner defects of composite insulator.K ey w ords:composite insulator;bad2bonding;bubble;ultrasonic wave;RF(radio f requency)wave;non2destructive technology0 引言复合绝缘子的主要结构一般由伞裙护套、玻璃钢芯棒和端部金具三部分制成。
在过去的15年里,硅橡胶复合绝缘子的使用数量日益增加,全世界已有超过30个国家和地区使用复合绝缘子,中国已有超过400万支复合绝缘子应用于输电线路上,尤其是中等和重污秽地区[1]。
目前我国的特高压输电工程包括1000kV晋东南-南阳-荆门特高压试验示范工程和±800kV云南-广东特高压直流输电工程都大量采用了复合绝缘子。
在复合绝缘子制造工艺中,伞裙护套与芯棒之间界面的粘接质量是保证内绝缘强度的重要因素。
当复合绝缘子的伞裙护套与芯棒之间界面因工艺或材料原因造成粘接不良或存在气泡时,这些隐蔽性缺陷将造成了电网安全运行的隐患[2]。
绝缘子投入运行后用户可采用红外热像在线监测、电场分布测量等方法对绝缘子在带电状况下的缺陷进行在线检测,但检测的灵敏度较低。
绝缘子投运前伞裙护套与芯棒界面粘接强度目前尚无规范的检测方法。
目前主要是用剖查法通过目测进行,但这种方法需将产品伞裙护套剖开,且只能通过人工肉眼判断,随机性较大,存在较大的局限性。
华北电力科学研究院有限公司陈原在IEC61109的基础上提出了改进的水扩散试验方法,将30mm长的绝缘子短样放入氯化钠的质量分数为0.1%的盐水中煮沸100h后检测试样的泄漏电流,界面粘接良好的绝缘子,对于直径≤35mm的芯棒,带护套芯棒4642第35卷 第10期2009年10月31日高 电 压 技 术High Voltage EngineeringVol.35No.10Oct.31,2009图1 异质界面脱粘超声波检测原理Fig.1 Theory of detecting the b ad 2bonding of interface betw een different m aterials by ultra 2sonic绝缘子的泄漏电流≤75μA ,无护套芯棒时其泄漏电流≤50μA ,且带护套芯棒绝缘子泄漏电流的平均值与不带护套芯棒电流的平均值差值≤25μA [3]。
这种改进的水扩散试验方法提出了用量化的方法判断复合绝缘子伞裙护套粘接质量的方法,较剖查法更为科学,但这种方法需在绝缘子成品上截取试样,是一种破坏性的试验,样本数量受到限制,而且试验周期较长,难以满足现场快速检测的要求。
因此,随着复合绝缘子在特高压输电线路的大量使用,如何通过无损检测的手段进行伞裙护套与芯棒粘接强度的检测是目前电力用户、科研院所及制造厂家亟待解决的问题。
哈尔滨理工大学、北京航空航天大学、北京卫星制造厂等单位对复合材料无损检测的现状进行了研究,几种主要无损检测方法包括:涡流法、射线检测法、光学检测法、声发射检测法及超声波检测法[4214]。
其中超声波检测法是广泛应用于材料探伤的常用方法,也是最早用于复合材料无损评价的方法之一。
其原理是利用复合材料本身或其缺陷的声学性质对超声波传播的影响来检测材料内部和表面的缺陷,如气泡、分层、裂纹、脱粘、贫胶等。
超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检验速度快、成本低和对人体无害等优点。
清华大学高英等将水作为耦合剂用超声脉冲回波法检测硅橡胶内部缺陷,通过对浸泡在水中的绝缘子进行超声检测,测出了伞裙中直径3mm 的人造缺陷[15]。
但因硅橡胶本身是一种绝缘材料,采用水浸的方式对绝缘性能有所影响,而且检测时需将产品浸入水中给现场检测带来困难。
针对上述问题,本文提出一种便于现场检测的超声波检测方法。
1 超声波检测原理超声波是频率>20k Hz 的弹性振动波,最常用的频率是0.5～10M Hz 。
超声波在异质材料之间传播时,由于异质材料的声学性质不同,超声波从一种物质透射进入另一种物质时,会在异质界面处返回一个界面回波,即异质界面特征回波。
超声波在界面被反射的程度决定于两种介质的声阻差(介质的声阻等于介质的密度和声速的乘积),声阻差越大则反射程度越大。
声波在空气中的传播速度为340m/s ,在玻璃纤维芯棒中为2570m/s ,在硅橡胶护套中(密度为1.56g/cm 3)为1060m/s 。
声波的传播速度随介质温度的上升而加快,气温增高1°C ,声速增加0.6m/s 。
超声波在异质材料中传播方式如图1所示。
图1(a )为异质材料界面好粘情况,图1(b )为异质材料界面脱粘情况,图1(c )为超声波脉冲回波示意。
超声波探头发出超声波,通过耦合介质传播到介质1,一部分声波在介质1界面发生反射沿原路经返回探头(声线如黑色),产生第1界面特征回波;另一部分声波透射进入介质1并向前传播,透射进入介质1的声波向前传播到达与介质2之间的界面处,一部分透射声波会在界面处发生反射并沿原路径返回探头(声线如红色),产生第2界面回波。
若介质1与介质2界面好粘如图1(a ),则透射进入介质1的一部分声波将会向前传播透射进入介质2并向前传播(声线如蓝色),此时,因部分声波透射进入介质2从而使得第2界面特征能量减小;若介质1与介质2界面脱粘,到达界面的声波将沿原路径全部返回探头,此时的第2界面特征回波能量相对于好粘情况时的第2界面特征回波能量较大。
声波在介质中传播的返回时间和能量的不同,特征回波位5642 2009年10月高 电 压 技 术第35卷第10期置和幅值不同(见图1(c ))。
复合绝缘子(结构图见图2)试件的伞裙护套和芯棒声学性质差异较大,伞裙护套与芯棒之间的界面特征回波明显,可以应用上述检测原理进行检测。
2 测量方法数字超声波探伤仪对于接收到的回波有4种检波方式:全检波、正检波、负检波和射频波。
常规探伤一般是使用全检波的方法,但因复合材料粘接层粘接结构复杂,采用全检波法根本无法分辨脱粘缺陷反射波形。