基于低頻雙探頭超聲波的盆式絕緣子缺陷檢測方法研究

孫賀斌， 周治伊， 呂巖婷， 吳金花， 周延科

（1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

隨著電網建設的快速發展，變電站建設中因地質狀況、場地條件和環境等因素的影響，使用GIS全封閉組合電器的情況日益增多。與常規敞開式變電站電氣設備不同，GIS設備的結構精密，所占空間較小，運行過程中能夠適應多種環境，并能夠穩定運行，且安裝方便，配置靈活。因此，GIS設備在高壓、超高壓甚至特高壓領域中都得到了廣泛應用。但如果在GIS內部存在導電雜質、水分或者絕緣設備發生故障時，就會產生局部放電，甚至導致絕緣事故發生，產生嚴重的后果。

運行經驗表明，GIS設備中因盆式絕緣子導致的故障率約為26.6%，其中裂紋缺陷故障又占絕緣子故障的80%。鑒于盆式絕緣子在GIS中的重要作用，為減少因絕緣子失效而導致的GIS故障或更大的事故損失，有必要對盆式絕緣子的健康狀況進行檢測。通常采用脈沖電流法、超高頻法、X射線檢測、氣體分析法、超聲導波法[2-6]對盆式絕緣子進行檢測。脈沖電流法是利用局部放電在介質兩端產生電荷，同時在介質的兩端建立電流回路，則該回路上會產生脈沖電流，通過測量該回路上檢測阻抗的脈沖電壓，可以實現局部放電的測量。脈沖電流法可對局部放電的發生及強弱進行檢測，但容易受外界電磁干擾的影響。超高頻法是利用寬帶高頻接收局部放電陡脈沖激發的電磁波來判斷放電狀況，其靈敏度較高且具有較好的抗干擾能力，其中300 MHz以下頻段是抗干擾能力較好的頻率集中點，缺點是不能實現對放電量的標定。X射線檢測可以對缺陷進行實時成像，但檢測過程復雜，現場輻射較大，受現場檢測條件限制，無法實現全方位100%檢測，且靈敏度較低，檢測時間較長。氣體分析法是通過檢測放電產生的分解氣體進行分析，但其檢測靈敏度比較低，這是由于分解氣體擴散需要的時間較長，而且要達到具有可檢測性的濃度較困難。超聲導波法是利用材料中導波的傳播特性，檢測材料的宏觀缺陷、組織結構和力學性能的變化，具有靈敏度高并且衰減較小等優點，但該方法檢測工作復雜、效率較低，現場檢測的可行性受限。

本研究提出一種針對盆式絕緣子螺栓孔附近缺陷的超聲波檢測方法，分析超聲波在盆式絕緣子中的傳播特性，利用低頻雙探頭檢測技術，對盆式絕緣子螺栓孔附近的開裂缺陷進行檢測。同時，利用滲透檢測及射線檢測，驗證利用雙探頭低頻超聲波進行檢測的可行性。

1 盆式絕緣子中超聲波傳播特性分析

1.1 超聲波檢測原理

超聲波是指頻率大于20 kHz的機械波，可在不同介質界面上產生折射、衍射、反射和波型轉換，具有頻率高、方向性較好、波長短、能量高、穿透力較強的特點，其中縱波和折射橫波可應用于材料檢測領域。折射橫波是指當超聲縱波入射角在第一臨界角與第二臨界角之間時，入射后經波形轉換得到的橫波[7]。具體波形轉換過程如圖1所示，當縱波（L）從介質Z1入射到介質Z2時，會產生反射縱波（L′）、折射縱波（L″）、反射橫波（S′）和折射橫波（S″）[8-10]，各類型波均符合折射、反射定律，如式（1）所示。

圖1 波形轉換圖Fig.1 Waveform conversion image

式（1）中：CL1、CS1為Z1中縱波、反射橫波的波速，m/s；CL2、CS2為Z2中折射縱波、折射橫波的波速，m/s；αL、α′L為Z1中縱波的入射角、反射角；βL、βS為Z2中縱波、橫波的折射角；α′S為Z1中橫波反射角。

在相同介質中縱波波速不變，即縱波入射角（α′L）等于縱波反射角（αL）。在相同介質中縱波波速大于橫波波速，即縱波折射角（βL）大于橫波折射角（βS），縱波反射角（α′L）大于橫波反射角（α′S）。

第一臨界角αⅠ：由式（1）得出，隨著αL增大，βL也隨之增大，當αL增大到某個角度時βL增大到90°，此時的縱波入射角即為第一臨界角αⅠ，如圖2(a)所示。

第二臨界角αⅡ：由式（1）得出，當CL1小于CS2時，βS大于αL，當αL增大時，βS也隨之增大，當αL增大到某一角度時，βS為90°，此時的縱波入射角為第二臨界角αⅡ，如圖2(b)所示。

圖2 臨界角示意圖Fig.2 Diagram of critical angle

由αⅠ和αⅡ可知，當αL小于αⅠ時，Z2介質中折射縱波（L″）和折射橫波（S″）同時存在；當αL介于αⅠ與αⅡ之間時，Z2介質中存在單一折射橫波（S″），超聲波橫波檢測是利用介質Z2中只有單一橫波進行檢測的。

當被檢樣品存在裂紋缺陷時，儀器顯示屏一次波與二次波會出現特征缺陷波幅，二次波幅會因缺陷波的存在有所下降，超聲波通過被檢樣品時，如果遇到不連續缺陷，一部分超聲波會反射至探頭被探頭接收，反射的超聲波優先到達探頭，故在二次波之前顯示在儀器屏幕上；另一部分超聲波通過缺陷到達底面，通過底面界面反射到達探頭，故到達底面的超聲波傳播時間較長，出現在缺陷波之后。檢測前可通過預先了解盆式絕緣子外圓弧至密封圈的距離來判斷一次波、二次波及缺陷波的特征顯示。

1.2 超聲波探頭參數選擇

超聲波探頭的機電耦合系數、機械品質因子、壓電電壓常數、介電常數、居里溫度和聲阻抗等參數與其晶片有關，超聲波在盆式絕緣子材料中衰減大，探頭應具有好的發射和接收靈敏度，并且應具有分辨率高、盲區小等優點。通過對比常規單晶材料和多晶材料特性，最終選擇多晶材料PZT-5制作壓電晶片。

為進一步提高探頭分辨率，需采用聚焦探頭，由文獻[11]可知，焦距F必須小于近場區長度N，聚焦效果才明顯。一般盆式絕緣子外圓弧至密封圈處的距離為60 mm左右，探頭晶片尺寸和頻率直接關乎探頭近場區的大小，應盡可能使探頭近場區的長度大于焦距。近場區的長度N可通過式（2）～（3）進行計算。

式（2）～（3）中：a、b分別為探頭晶片的長和寬，mm；λ為波長，mm；C為盆式絕緣子中橫波的波速，m/s；f為探頭頻率，MHz。

由式（2）～（3）可知，若探頭頻率增大，波長減小，則近場區長度增大，但頻率增大，衰減增大，不利于檢測；反之，若探頭頻率減小，波長增大，則近場區長度減小，相應的焦距也必須減小，檢測范圍減小，會存在漏檢；盆式絕緣子外圓弧寬度有限，若晶片尺寸過大會耦合不好，根據式（2）～（3）若采用1 MHz 18 mm×18 mm的探頭，則近場區N長度約為27.75 mm；若采用2 MHz 18 mm×18 mm的探頭，則近場區N長度約為42.89 mm；綜合考慮選用2 MHz 18 mm×18 mm的探頭。

為了更好地達到聚焦效果，晶片前安裝一個半徑為r的聲透鏡，探頭內部中空，即聲透鏡接觸面為中空，探頭與工件接觸面為有機玻璃的弧面，弧面能與工件檢測面相適應，中空腔內裝入聲速小于聲透鏡的水。聲透鏡中的聲速為2 500 m/s，有機玻璃中的聲速為2 370 m/s，水中的聲速為1 480 m/s左右，待測盆式絕緣子中經實測橫波聲速為3 272 m/s左右，縱波聲速為5 677 m/s左右，則根據式（4）計算得出焦距F。

式（4）中：F為焦距，mm；C1為聲透鏡中的聲速，m/s；C2為水中的聲速，m/s；r為聲透鏡半徑，mm。

同時為達到更好的聚焦效果，焦距F必須選在近場區以內，即F＜N=42.89 mm，經計算采用半徑r為17 mm的聲透鏡可以滿足F＜N的要求。

由于全橫波折射獲得的波形單一，對缺陷的判定相對容易，為了滿足盆式絕緣子純橫波檢測條件，只能存在單一折射橫波（S″），并保證斜楔材料與待測工件具有較高的超聲往復透射率，使聲壓轉化效率提高。根據公式arcsin（CL3/CL4）－arcsin（r′CL3/RCS4）計算得出只有單一橫波的探頭入射角，其中，CL3為斜楔中縱波的聲速，CL4為待測工件中縱波的聲速，CS4待測工件中橫波的聲速，r′為盆式絕緣子密封圈處半徑，R為盆式絕緣子外半徑。計算得出發射聲束的軸線與工件界面的法線夾角αL為24.8°～35.4°，則根據計算結果設計探頭結構如圖3所示。

圖3 探頭結構圖Fig.3 Probe structure diagram

使用圖3所示結構探頭時，斜楔的圓弧面與盆式絕緣子的外圓弧面貼合，晶片通電后產生超聲縱波，該超聲縱波經過聲透鏡聚焦后射入斜楔，入射角處于盆式絕緣子的第一臨界角與第二臨界角之間。超聲波在盆式絕緣子的接觸面同時產生反射和折射，斜楔表面凸起的牛角，可以減少雜波的影響，使反射波進入牛角不返回晶片，最后被吸聲材料吸收；由于聲透鏡的聲速C1＞水中的聲速C2，平面波入射到凸透鏡上使其折射波聚焦，再入射到聲速C3＞C2的盆式絕緣子中，其折射波在工件內進一步聚焦；折射后的聲波轉變成橫波，從而達到檢測效果。

2 雙探頭超聲波檢測實施

2.1 檢測準備

探頭前沿及探頭延遲利用CSK-IA試塊進行測定。利用式（5）在與待測盆式絕緣子材料聲學特性相近的材料中測定材料衰減系數α。

式（5）中：F1、F2分別為顯示屏第一、二次底波的分貝值；6為擴散衰減引起的分貝差；μ為發射損失量，單次損失量為0.5～1.0 dB；h為工件厚度，mm。

根據待測盆式絕緣子的聲學特征計算檢測所用橫波聲速，橫波聲速測量方法：將兩只同型號、同規格探頭放置在與待測盆式絕緣子材料物理特性相近的平面中，調節兩探頭，使接受探頭底面波波幅顯示深度與底面實際厚度h一致，此時對應聲速為橫波在待測盆式絕緣子中的聲速，如圖4所示。測量兩探頭之間的距離L，用于計算實際K值（tanβ），K值（tanβ）表示為式（6）。

圖4 K值計算圖Fig.4 K value calculation chart

2.2 檢測實施

盆式絕緣子安裝在密閉的GIS金屬殼內，只有盆式絕緣子側面外露在金屬殼外部，現場安裝如圖5所示，圖中紅色帶子部分為盆式絕緣子外露部分，現場檢測時，可將紅色帶子去掉進行檢測。斷面示意圖如圖6所示。

圖5 現場安裝圖Fig.5 On-site installation drawing

圖6 斷面示意圖Fig.6 Schematic diagram of section

采用美國GE公司的USM36型便攜式超聲波探傷儀進行測試。該儀器具有較高的信噪比，能避免因材料衰減過大引起的噪聲波影響。采用研制的低頻超聲波探頭，在原始盆式絕緣子表面上進行儀器校準，采用雙探頭一發一收檢測方法，將探頭置于螺栓孔兩側（如圖7所示），調整探頭在盆式絕緣子材質中的聲速，找到反射波回波的最高顯示波，并調整分貝值至滿屏的80%，將該調整后的分貝值作為基準靈敏度，提高4 dB作為檢測靈敏度。

圖7 探頭位置Fig.7 Probe position

受盆式絕緣子的結構特性及檢測條件限制，超聲波檢測只能從螺栓孔兩側進行檢測；檢測過程中，調整好檢測靈敏度，前后移動探頭，觀察屏幕一次波與二次波之間的特征波幅顯示。對3組盆式絕緣子進行現場試驗檢測，結果發現兩種不同信號顯示，如圖8所示。因盆式絕緣子內部接地線與螺栓孔相對預埋位置不同，螺栓孔處接地線成隔孔布置，即在接地線的兩個螺栓孔中間布置一個無接地線螺栓孔。從圖8可以看出，螺栓孔附近出現不同波幅的缺陷反射回波，受內部接地線影響，螺栓孔附近存在兩種形態：一種形態為螺栓孔通過接地線直接與密封圈處接地線連接得到，如圖8(a)所示；另一種形態為螺栓孔未與接地線連接得到，如8(b)所示。為驗證檢測準確性，對其中一組盆式絕緣子開展實驗室論證檢測。

圖8 檢測結果圖Fig.8 Test result graph

3 實驗室檢測

3.1 滲透檢測

對檢測發現缺陷的盆式絕緣子凸面及凹面分別進行滲透檢測，采用清洗劑、滲透劑、顯像劑（型號均為DPT-5）進行檢測，滲透時間不少于10 min，清洗后干燥時間為5 min，采用自顯像，檢測結果如圖9所示。從圖9可以看出，螺栓孔附近出現明顯的滲透劑回滲現象，裂紋清晰可見。

圖9 絕緣子的滲透檢測圖Fig.9 Penetration inspection images of insulator

3.2 射線檢測

利用DR實時成像技術，搭載Rhythm Review數據采集操作系統及Rhythm Acquire圖像處理軟件對發現缺陷的盆式絕緣子開展檢測。

DR檢測成像系統主要由X射線發射器、成像板、圖像處理系統、設備連接線等元件組成。其工作原理是依靠X射線穿過不同厚度、不同密度的樣品后，成像板中的接收器捕捉高壓信號，并將高壓信號轉換為圖像信號，從而得到不同灰度、黑度的圖像，經過有線或無線接收器傳輸到計算機，再通過計算機軟件進行圖像處理，可以直觀地觀察到被檢工件內部缺陷的性質、尺寸和相對位置等[12-16]，檢測結果如圖10所示。從圖10可以清晰地看到，DR射線圖像中螺栓孔附近出現明顯的缺陷影像。

圖10 絕緣子的DR檢測圖Fig.10 DR testing image of insulator

綜上所述，滲透檢測及射線檢測均發現螺栓孔附近有開裂缺陷，射線照片中螺栓孔與接地線直接連接成隔孔分布，驗證了超聲波兩種缺陷波形顯示的準確性，表明基于低頻雙探頭超聲波方法可用于盆式絕緣子缺陷的檢測。

4 結 論

（1）采用型號為2 MHz 18×18 mm、晶片發射聲束的軸線與工件界面的法線夾角αL為24.8°～35.4°的雙探頭可以在盆式絕緣子中激發出信噪比較高的超聲折射橫波。

（2）由于缺陷處超聲波的反射，通過觀察底波與始波之間波幅的變化，可以檢測出盆式絕緣子螺栓孔附近是否存在缺陷。

（3）通過滲透檢測和射線檢測，驗證了基于低頻雙探頭超聲波的盆式絕緣子缺陷檢測方法的有效性。