基于激光超聲峰值重建算法的盆式絕緣子缺陷檢測研究

王 偉， 劉 宏， 董理科， 徐玉東， 吳海飛， 夏 慧， 沈中華

（1.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.中國科學院大學電子電氣與通信工程學院，北京 100190；3.中國科學院電工研究所，北京 100190；4.南京理工大學 理學院，江蘇 南京 210094）

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關（gas insulated metal-en‐closed switchgear，GIS）設備由于其集成化結構、可靠性高、維護方便、占地面積小等優點，廣泛應用于我國的電力系統中[1-5]。盆式絕緣子是GIS中不可缺少的重要部件，起到絕緣、隔離氣室、支撐和固定的作用，主要由金屬嵌件、外法蘭和環氧樹脂材料組成[6-7]。絕緣子的安全性能決定著整個GIS設備能否穩定安全運行，當其結構有損傷時，會出現局部放電的現象，甚至導致絕緣擊穿，危及電力系統安全，嚴重時會造成大面積停電事故，導致不可估量的損失[8-10]。因此對于盆式絕緣子的缺陷檢測對保證電力系統的安全運行、延長電力設備的使用壽命有著重大意義。

目前對于盆式絕緣子的缺陷檢測方法主要分為電學檢測法和非電學檢測法[11-14]，電學檢測法主要包括脈沖電流法和超高頻法，非電學檢測法主要有局部超聲檢測法，出廠檢測也常用X光成像技術檢測[15-17]。脈沖電流法可以對局部放電進行定量檢測，但容易受到外界電磁干擾，因此該方法主要用于實驗室中；超高頻法是通過檢測放電量間接反映缺陷情況，檢測靈敏度雖然可達0.5 pC，而且能夠有效避開外界電磁干擾的影響，但對檢測人員的熟練程度依賴性很強，不僅消耗大量人力物力，在測試精度和效率方面也存在很大劣勢，而且無法發現微裂紋；局部超聲檢測法是通過外置超聲傳感器對盆式絕緣子進行檢測，屬于一種接觸式檢測方法，且超聲換能器激勵受檢測目標表面粗糙度和形狀的影響，因此對現場盆式絕緣子進行檢測存在一定的局限性。激光超聲是一種非接觸式無損檢測方法，具有寬帶、高靈敏度和高空間分辨率等優點，被廣泛應用于檢測表面和內部缺陷[18-19]?？紤]到激光超聲的寬帶和高頻特征，理論上可以檢測毫米級甚至微米級的缺陷，與高速掃描相結合，可以實現超聲波的可視化，突顯缺陷信息[19-21]。

激光超聲技術通過脈沖激光照射到材料表面，由于受熱膨脹產生彈性波，在材料表面產生的表面波有很強的指向性，可對材料表面裂紋進行檢測。曾偉[22]采用掃查式激光超聲檢測技術對奧氏體不銹鋼及鋁合金材料中存在的缺陷進行可視化檢測，利用縱波檢測技術提取縱波最大峰值實現了對不同寬度、不同深度表面缺陷的定量檢測，并提出了Wigner-Ville分析算法和基于快速離散的正弦變換算法對材料缺陷的尺寸分布進行檢測。李海洋等[23]根據激光超聲在表面缺陷處的透射/反射閾值現象，提出了基于臨界頻率測量表面缺陷深度的方法，實現了鋁合金材料的表面波激發與接收，并采用臨界頻率法實現了樣品表面缺陷的深度檢測。賈廣福[24]對金屬表面缺陷深度的定量表征方法和缺陷的定位及可視化方法進行研究，提出了基于反射回波中心頻率、反射回波小波包頻帶能量和透射波頻域畸變特征的缺陷深度定量表征3種分析方法，實現了對金屬表面缺陷深度的信息定量評價。

目前關于激光超聲技術對表面缺陷檢測的研究主要集中在金屬材料，對復合材料的缺陷檢測研究較少，對GIS盆式絕緣子的激光超聲檢測研究更少。本文針對盆式絕緣子用復合材料，研究一種激光超聲表面波峰值重建算法，以實現盆式絕緣子缺陷的定量表征。

1 激光超聲理論基礎

激光超聲檢測的物理過程如圖1所示，為實現被測物體的無損檢測，高強短脈沖激光照射到被測物體表面，由于激光脈沖與被測物體表面的瞬時熱作用，通過熱彈效應在物體表面產生應變和應力場，進而在被測材料內部產生超聲波。其物理過程可以用熱源函數Q(r,t)進行等效，激發過程可用傳熱方程（式（1））和考慮熱效應的位移場方程（式（2））表示。

圖1 激光超聲激發機制Fig.1 Laser ultrasonic excitation mechanism

式（1）～（2）中：ρ為固體密度；C為比熱容；T(r,t)為溫度場；κ為固體的熱傳導率；Q(r,t)定義為單位體積、單位時間吸收的激光能量；r為空間變量；t為時間變量；λ、μ為材料的拉梅常數；u為位移場；α為熱膨脹系數。

由矢量分析中亥姆霍茲定理可知，一個矢量場可以寫成一個標量場的梯度和一個矢量場的旋度之和，因此位移場u(r,t)可以寫成式（3）[25]。

式（3）中：Φ為標量位移勢；Ψ為矢量位移勢，顯然Φ和Ψ不唯一，即Ψ增加一個旋度為零的矢量場不影響u(r,t)的大小。將式（3）代入式（2）中，忽略熱效應可得式（4）。

由式（4）可知，Φ和Ψ分別滿足式（5）～（6）關系。

式（7）、（8）均為固體聲場的波動方程，式（7）為縱波波動方程，傳播速度為縱波波速；式（8）為橫波波動方程，傳播速度為橫波波速，位移偏振方向與傳播方向垂直。與金屬材料相比，盆式絕緣子為環氧樹脂材料，其高頻聲衰減系數大[26]，傳播速度慢。經測試，縱波波速大約為3 500 m/s，表面波波速大約為1 750 m/s，為獲取高分辨率的缺陷信息，需采用MHz的高頻超聲探頭作為接收探頭，但考慮高頻超聲在盆式絕緣子內部的高衰減特性，因此本研究采用100 kHz低頻超聲探頭與激光脈沖激勵掃描相結合方式實現盆式絕緣子檢測。

2 實驗裝置與圖像重建算法

2.1 實驗系統

圖2所示為激光超聲檢測實驗系統，整個系統均由計算機進行控制，控制激光器的發射部分可改變激光的能量、掃描頻率等參數，通過控制二維掃描鏡能夠改變激光掃描區域的位置和大小，采集卡收集到的數據通過計算機進行處理能夠得到直觀的重建圖像。

圖2 激光超聲檢測實驗系統Fig.2 Experimental system of laser ultrasonic detection principle

該系統主要由3部分組成：激光發射單元、超聲信號接收單元和信號處理與控制單元。激光發射單元采用的激光源是美國Photonics Industries公司DS系列的空冷二極管泵浦調Q固態Nd:YLF激光器，利用激光腔內鎖模、激光器陣的定時激發、Bragg聲光調制技術，通過調節偏振控制器實現脈沖的波長調諧，并采用光纖相陣技術實現波長為1 064 nm、最大重復頻率為3 kHz、脈寬為30 ns的激光脈沖，二維掃描鏡用于實現絕緣子表面的區域掃描，超聲接收單元采用日本富士公司的FUJICERA-AE104S型諧振頻率為100 kHz的低頻超聲探頭；信號處理及控制單元一方面用于實現對激光器和二維掃描鏡的同步控制，另一方面利用前置放大器和濾波模塊實現接收信號的高信噪比采集。實際檢測中接收探頭固定，激光掃描區域為被檢測目標的整個區域，理論上該方法不會存在漏掃情況，但是為了提高檢測信號的信噪比，掃描區域與接收探頭之間的距離應保持在激光超聲傳輸信號可接收的信號信噪比范圍內，同時對于已知目標體的檢測可以利用無缺陷的絕緣子作為背景信號，與被測目標絕緣子差分消除環境噪聲的影響。

2.2 峰值重建算法

本研究最大振幅峰值重建算法是基于逐列掃描激勵方式提出的，圖3為激光超聲激勵檢測示意圖，具體掃描方式如圖4所示：從左下角處以（1,1）（1,2）（1,3）……（1,Ny）坐標向上掃描，再向右移動，依次以（2,1）、（2,2）……（2,Ny）坐標向上掃描，如此循環一直掃描到（Nx,Ny）坐標，向上移動間隔為dy，向右移動間隔為dx，可得到總的掃描區域內，x方向長度為xL=(Nx-1)dx，y方向長度為yL=(Ny-1)dy，總掃描的點數為N=Nx×Ny。

圖3 激光超聲激勵檢測示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser ultrasonic excitation detection

圖4 逐列掃描方式Fig.4 Scanning mode by column

諧振式探頭放置在絕緣子表面，并利用耦合劑與被測絕緣子進行耦合，探頭在固定位置檢測。實驗前對整個掃描區域進行粗掃，確定探頭能夠接收到掃描區域內各個激勵點產生的超聲波信號，探頭接收到的信號通過放大、濾波處理，得到掃描區域中每個激勵點的信號波形，當掃描區域內存在缺陷時，接收到的波形峰值會發生變化，根據聲學互易性，激勵點位置處激光激發的超聲波被探頭接收，與探頭位置激發的超聲波被激光激勵點位置接收到的超聲波可以等效，理論上每個激勵位置點在檢測位置處提取的超聲信號可以視為檢測探頭位置處單點激發的超聲波，被掃描區域內不同激勵點位置處的探頭接收，對接收到的超聲波信號依據掃描區間的掃描坐標提取有效范圍內的峰值信號，即可得到被掃描區間的峰值圖像，此圖像可反映缺陷信息。因此理論上當掃描區間覆蓋整個被測目標表面時，就不會存在漏檢現象。

3 人工故障盆式絕緣子檢測研究

圖5為由河北平高電氣股份有限公司絕緣分廠生產的電壓等級為220 kV的GIS盆式絕緣子實物圖，為驗證激光超聲檢測絕緣子表面缺陷的可行性，本研究在盆式絕緣子表面制作了不同類型的缺陷，用于模擬現場運行盆式絕緣子中產生的缺陷，如圖6所示，其中圖6(a)為直徑約為1 mm的氣泡缺陷，圖6(b)為直徑約為2 mm的雜質缺陷，圖6(c)為寬度為5 mm、長度為20 mm、深度為5 mm的裂紋缺陷。

圖5 220 kV單相盆式絕緣子Fig.5 220kV single-phase basin insulator

圖6 盆式絕緣子表面不同類型的缺陷實物圖Fig.6 Physical photographs of different types of defects on the surface of basin insulators

分別對不同類型絕緣子缺陷進行激光掃描檢測，利用耦合劑將100 kHz諧振式探頭與盆式絕緣子表面耦合，并保持探頭固定，將激光器能量設置為2 mJ，重復頻率設置為1 kHz，當缺陷位于矩形掃描區域時，得到包含缺陷信息的掃描區間峰值圖像。

圖7(a)為激光掃描區間包含氣泡缺陷時得到的峰值圖像，圖7(b)為相應的X射線掃描圖像。從圖7可以看出，如果能精確獲取掃描區間的坐標，則可實現掃描范圍內缺陷信息的精確定位，與X射線圖像對比，雖然對比度還有待提高，但是作為一種無損且無輻射技術，通過提高激光能量，有望獲得更高對比度的圖像。圖8(a)為激光掃描區間包含雜質缺陷時得到的峰值圖像，該圖像是與相同位置無缺陷時獲得的超聲波信號進行差分處理后獲得的，與圖7(a)對比，圖像的質量明顯提高。圖9(a)和圖7(a)中的峰值圖像都是沒有經過任何處理的原始圖像，雖然能反映出缺陷信息，但是其直達波的干擾卻很明顯，圖9(a)受干擾尤為明顯。對圖7(a)、8(a)、9(a)中重建的峰值圖像尺寸與實際缺陷尺寸進行對比，結果如表1所示。從表1可以看出，圖像檢測結果顯示氣泡缺陷的直徑約為1.3 mm，雜質缺陷的直徑約為2.5 mm，裂紋缺陷寬度約為6 mm、長度約為17 mm，其中裂紋和雜質缺陷檢測結果的相對誤差均小于30%。氣泡缺陷的相對誤差為30%，氣泡缺陷檢測的相對誤差較大，主要原因在于當超聲信號經過氣泡缺陷時受到氣泡缺陷邊界曲面以及氣泡與絕緣子材料聲阻抗差異性的影響，導致誤差增大。

圖7 盆式絕緣子表面的氣泡缺陷峰值重建圖像Fig.7 Peak reconstruction image of bubble defect on the surface of basin insulator

圖8 盆式絕緣子表面的雜質缺陷峰值重建圖像Fig.8 Peak reconstruction image of impurity defect on the surface of basin insulator

圖9 盆式絕緣子表面的裂紋缺陷峰值重建圖像Fig.9 Peak reconstruction image of crack defect on the surface of basin insulator

表1 盆式絕緣子不同缺陷的峰值重建圖像尺寸與實際尺寸對比Tab.1 Comparison of peak reconstruction image size and actual size of different defects of basin insulators

4 現場故障盆式絕緣子離線驗證

實際運行GIS盆式絕緣子發生故障的主要原因之一是裂紋缺陷，如某500 kV GIS發生事故就是由于內部裂紋導致盆式絕緣子擊穿，從而影響電力系統的運行[26]。裂紋的形成原因比較復雜，包括在生產固化過程中溫度發生變化、運輸過程中受力不均勻或者運輸環境的溫差變化以及使用過程中外界機械的擠壓導致絕緣子的內部承受應力突變等都可能產生內部裂紋[27]，因此對于盆式絕緣子的裂紋缺陷檢測至關重要。

圖10為山西省太原市某變電站220 kV故障盆式絕緣子實物圖，該盆式絕緣子因使用過程中外部受力不均勻導致其表面產生一條寬度約為0.8 mm的長裂紋，裂紋缺陷造成了嚴重的放電現象?，F場拆卸后在實驗室中對該盆式絕緣子進行激光超聲掃描實驗，當掃描區域包含裂紋時，掃描檢測后重建的峰值圖像如圖11所示。由于裂紋導致超聲波在掃描區域裂紋兩側的幅值相差較大，最大振幅圖中出現的顏色分界線即為裂紋。對重建的裂紋圖像進行測量，測得重建裂紋寬度約為1 mm，但因為采用的是平面超聲探頭，而且激勵的激光能量只有2 mJ，所以超聲探頭接收到的有效信號主要是表面波信號，導致檢測到的僅為掃描區域的表面缺陷信息。對于寬度只有0.8 mm的裂紋，考慮到表面波波速大約為1 750 m/s，若采用傳統的超聲回波法要想實現0.8 mm的分辨率，超聲頻率至少要達到1 MHz，而本研究采用微米掃描步長的激勵激光和100 kHz的諧振式探頭相結合方式即可實現了對0.8 mm級別缺陷的檢測。

圖10 故障盆式絕緣子實物圖Fig.10 Physical photograph of faulty basin insulator

圖11 故障盆式絕緣子裂紋缺陷的峰值重建圖像Fig.11 Peak reconstruction image of a crack defect on a basin insulator

5 結 論

（1）利用實驗室人工缺陷進行實驗，驗證了激光超聲峰值重建算法的可行性，該算法可以重建盆式絕緣子表面的氣泡、雜質、裂紋等缺陷，重建的圖像誤差不大于30%。

（2）對實際現場應用中帶有裂紋故障的盆式絕緣子進行離線檢測驗證，結果表明基于激光掃描激勵與諧振式超聲探頭固定檢測相結合的激勵檢測模式，利用峰值圖像算法能夠較好地反映盆式絕緣子掃描區域的缺陷。