GIS盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測技術(shù)應(yīng)用與展望

何偉明，郝艷捧，鄒舟詣奧，陽林，王國利，高超，周福升，李立浧

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)具有可靠性高、安全性強、受外界環(huán)境因素影響小、檢修維護方便、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝周期短、配置靈活、可擴展性強等優(yōu)點，特別適合大城市場地擁擠地區(qū)的變電站、地下變電站，以及山區(qū)地勢險峻的水電站。

盆式絕緣子是GIS的關(guān)鍵部件，由金屬嵌件、環(huán)氧絕緣和金屬法蘭環(huán)組成，具有電氣絕緣、隔離氣室、支撐導(dǎo)體等作用，其電氣、機械和導(dǎo)熱性能直接關(guān)系到GIS安全運行。盆式絕緣子應(yīng)力分布不均勻，運行時在電場、機械載荷和溫度等綜合作用下容易應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，嚴重時導(dǎo)致漏氣、局部放電、絕緣閃絡(luò)和燒蝕等故障。某電網(wǎng)2010—2017年GIS由絕緣問題引起的故障率高達69%，其中盆式絕緣子應(yīng)力集中是導(dǎo)致絕緣問題的根本原因之一。近年來，因盆式絕緣子力學(xué)性能欠佳造成破裂故障時有發(fā)生，嚴重影響GIS安全運行[1]。盆式絕緣子應(yīng)力包括制造過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及運輸、安裝和運行過程中因外界載荷引起的應(yīng)力改變。

GIS盆式絕緣子由液體環(huán)氧樹脂、固化劑和無機粉末填料混合，與中心鋁導(dǎo)體嵌件一體澆注高溫固化而成。澆注固化過程殘余應(yīng)力的來源有：

a)環(huán)氧樹脂固化收縮：環(huán)氧樹脂收縮率約為1%～2%，包括固化溫度下的反應(yīng)收縮、從固化溫度經(jīng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度到室溫過程中的冷卻收縮[2]。

b)界面殘余應(yīng)力：環(huán)氧樹脂和鋁嵌件的溫度線膨脹系數(shù)分別為2.6×10-5K-1、2.39×10-5K-1[3]，固化過程溫度變化時2種材料的熱脹冷縮不一致，鋁合金彈性模量70 GPa、泊松比0.33，環(huán)氧樹脂在室溫下的拉伸彈性模量13 GPa、泊松比0.36、拉伸強度73.01 MPa，而兩者界面剪切強度僅11.24 MPa，界面殘余應(yīng)力較大，嚴重者在粘接處剝離[4]。

c)澆注固化不均勻：固化時絕緣子內(nèi)部與表面局部溫度不均勻，環(huán)氧樹脂、固化劑和填料顆?；旌喜痪鶆?，填料在澆注固化過程中沉降分布不均勻，尤其是嵌件周圍填料含量差異較大[5]，殘余應(yīng)力增強。

外部載荷會引起GIS盆式絕緣子應(yīng)力分布改變。這種外部載荷除了GIS盆式絕緣子運輸中顛簸振動和機械摩擦、安裝中導(dǎo)電桿安裝傾斜、螺栓緊固力不均勻等，還包括盆式絕緣子運行時承受的自身和部分導(dǎo)體重量[6]、兩側(cè)的SF6壓力差[7]、開關(guān)引起的機械振動[8]、外殼和導(dǎo)體在電流交變電磁場中的電動力[9]等。

目前，一般通過水壓試驗考核GIS盆式絕緣子機械強度，尚無GIS盆式絕緣子應(yīng)力檢測方法[10]。盆式絕緣子研究集中在表面電荷積累、微小缺陷對電場分布影響、中心嵌件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用介電功能梯度材料改善電場分布等電氣性能，以及盆式絕緣子工藝質(zhì)量的改進和提升等[11-12]，只有少量文獻報道了盆式絕緣子機械性能研究[4-5,13-15]。

2014年上海雷博司電氣公司和西安交通大學(xué)在126 kV三相共箱型GIS盆式絕緣子表面貼應(yīng)變片測量表面應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)了2種應(yīng)變(應(yīng)力)突變點：金屬嵌件周圍的應(yīng)變會發(fā)生突變且降低，為破壞起源之一；兩金屬嵌件連線中點曲面處為另一突變點，應(yīng)變最大，為破壞起源的另一種形式[5]。

2015年西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司和深圳供電局有限公司利用箔式電阻應(yīng)變片測量凹面水壓試驗的220 kV盆式絕緣子破裂起始位置、時間和發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)破壞起始點接近法蘭處[13]。

2017年中國電力科學(xué)院有限公司利用直角雙向應(yīng)變片測量水壓試驗的252 kV盆式絕緣子表面周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，利用材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計算各部位應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：3 MPa水壓以下，盆式絕緣子具有較好的線彈性，其凹面受壓時，凸面離嵌件距離越遠應(yīng)力越大，曲面弧線段末端應(yīng)力集中，易發(fā)生脆性斷裂；水壓較大時，盆式絕緣子局部區(qū)域徑向拉應(yīng)力超過環(huán)氧樹脂拉伸強度，發(fā)生脆性斷裂[14]。

2018年西安交通大學(xué)采用布拉格光纖光柵測量水壓試驗盆式絕緣子多個位置的表面徑向和環(huán)向應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力沿盆面切向和法向分布，第一表面主應(yīng)力為盆面徑向切應(yīng)力，徑向應(yīng)變沿中心導(dǎo)體到法蘭方向逐漸增大，最薄弱處靠近法蘭曲率半徑較小的盆邊沿附近[15]。

2019年西安理工大學(xué)和西安交通大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，特高壓盆式絕緣子在國產(chǎn)化初期，其機械破壞主要是中心導(dǎo)體嵌件剝離，裂紋根部在中心導(dǎo)體附近，呈樹枝狀向盆邊發(fā)展，中心導(dǎo)體與絕緣盆體界面殘余切應(yīng)力是水壓試驗界面大面積剝離的主要因素。隨著工藝的改進，盆式絕緣子破壞變?yōu)榕柽?接近法蘭處)絕緣子中心整體脫落[4]。

上述文獻均是通過應(yīng)變片測量GIS盆式絕緣子水壓試驗表面形變，實現(xiàn)表面應(yīng)力檢測。本文基于GIS盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測技術(shù)，闡述聲彈性理論及超聲檢測方法，分析其特點，探討縱波法和臨界折射縱波法在GIS盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測中的應(yīng)用前景，展望未來研究的方向。

1 超聲波與聲彈性原理

1.1 超聲波

超聲波是指振動頻率高于20 kHz的機械波，能在不同介質(zhì)界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波型轉(zhuǎn)換，其頻率高，波長短，方向性好，能量高，穿透力強，被廣泛用于無損檢測[16]。超聲檢測常用的波型有縱波和臨界折射縱波?？v波是指介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向互相平行，能在固體、液體和氣體中傳播。臨界折射縱波是指當超聲波以大于第一臨界角、小于第二臨界角的角度從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時沿界面?zhèn)鞑サ目v波。無限大固體介質(zhì)的縱波聲速[16]

(1)

式中：E為介質(zhì)的彈性模量，為單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變；ρ為介質(zhì)的密度；v為介質(zhì)的泊松比，為材料在單向受拉或受壓時，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，也會隨著介質(zhì)的溫度、壓力而改變。

1.2 聲彈性原理

聲彈性理論研究彈性波的傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系。彈性波在有應(yīng)力的固體材料中傳播的速度不僅取決于材料的二階彈性常數(shù)和密度，還與高階彈性常數(shù)和應(yīng)力有關(guān)。這種聲速與應(yīng)力的關(guān)系稱為聲彈性效應(yīng)，是聲彈性應(yīng)力測定的依據(jù)[17]。

彈性常數(shù)是表征材料彈性的量，用于聯(lián)系介質(zhì)中應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。常用的彈性常數(shù)有彈性模量E和泊松比v。對于小形變而言胡克定律成立，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，遵守胡克定律的各向同性材料的彈性性質(zhì)由彈性模量來說明。上述彈性常數(shù)是二階彈性常數(shù)，在材料力學(xué)性能表征中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2.1 單軸應(yīng)力聲彈性方程

1.2.1.1 縱波及其聲彈性效應(yīng)方程

縱波在單軸應(yīng)力的各向同性固體介質(zhì)中的傳播如圖1所示。

圖1 空間直角坐標系中超聲縱波與單軸應(yīng)力場的關(guān)系Fig.1 Relationship between ultrasonic and uniaxial stress field in space rectangular coordinate system

根據(jù)縱波傳播與應(yīng)力的方向關(guān)系，其聲彈性方程分為2種，平行應(yīng)力、垂直應(yīng)力傳播的縱波聲速與應(yīng)力[18]的關(guān)系分別為：

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式中：ρ0為固體介質(zhì)發(fā)生變形前的密度；σ為施加的單軸應(yīng)力；Vijk(i,j,k=1,2,3)為縱波聲速，下標i表示聲波的傳播方向，j表示介質(zhì)中質(zhì)點的偏振方向，k表示單軸應(yīng)力的方向；λ、μ為可以分別用彈性模量E和泊松比v表達的二階彈性常數(shù)；l、m為三階彈性常數(shù)。

1.2.1.2 臨界折射縱波及其聲彈性效應(yīng)方程

當超聲縱波L從介質(zhì)1斜入射到介質(zhì)2時，界面處不僅發(fā)生縱波的反射，在介質(zhì)2中還會折射出縱波L′和橫波S′，隨著縱波入射角的增大，還會發(fā)生波型轉(zhuǎn)換[19]，如圖2所示。圖2中：θ為縱波入射角；θ01為第1臨界角；θ02為第2臨界角；θL為縱波折射角；θS為橫波折射角。

圖2 超聲縱波斜入射界面時的波型轉(zhuǎn)換Fig.2 Wave mode conversion of ultrasonic longitudinal waves with oblique incidence

入射縱波聲速V0、折射縱波聲速VL、折射橫波聲速VS、縱波入射角θ、縱波折射角θL、橫波折射角θS符合Snell定律[19]，即

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由式(4)可知，折射縱波和折射橫波的折射角隨著縱波入射角增大而增大，當折射縱波的折射角為90°時，界面上出現(xiàn)臨界折射縱波，此入射角為第1臨界角θ01。當縱波入射角增大到介質(zhì)2中，折射縱波和折射橫波都消失，此入射角為第2臨界角θ02。

當縱波入射角θ=0°時，介質(zhì)2中只有折射縱波；當0<θ<θ01時，介質(zhì)2中有折射縱波和折射橫波，見圖2(a)；當θ01≤θ<θ02時，介質(zhì)2中只有折射橫波，界面有臨界折射縱波，見圖2(b)；當θ≥θ02時，介質(zhì)中折射橫波和折射縱波都消失，界面有折射縱波和折射橫波干涉而成的表面波[18]，見圖2(c)，其質(zhì)點運動軌跡在均勻介質(zhì)中為逆時針方向，成橢圓極化。

設(shè)臨界折射縱波在固體中聲程固定為S時，傳播時間為T，其(或傳播聲速)與應(yīng)力關(guān)系[20]為

(5)

式中：σ0為初始應(yīng)力；T0為初始應(yīng)力σ0作用下的傳播時間；K為聲彈性系數(shù)，表示聲彈性效應(yīng)中超聲傳播時間對應(yīng)力的敏感度，與材料彈性常數(shù)、超聲波類型和頻率有關(guān)。

1.2.2 平面應(yīng)力聲彈性方程

空間直角坐標系中超聲波與平面應(yīng)力場關(guān)系如圖3所示。

圖3 空間直角坐標系中超聲波與平面應(yīng)力場關(guān)系Fig.3 Relationship between ultrasonic wave and plane stress field in space rectangular coordinate system

考慮平面應(yīng)力狀態(tài)下弱正交異性板，在空間直角坐標系中X、Y為主應(yīng)力σx、σy方向，Z為板厚度方向，VZZ為質(zhì)點振動方向與波的傳播方向均為Z軸的縱波聲速，其聲彈性方程有3種，分別是縱波聲彈性方程、橫波聲彈性雙折射方程和表面波聲彈性方程。其中，平面應(yīng)力下的縱波聲彈性方程[17]為

(6)

2 應(yīng)力超聲檢測方法

目前，應(yīng)力檢測主要有機械測定法和物理測定法。機械測定法會損傷被測工件，不適用于盆式絕緣子應(yīng)力檢測，而物理測定法利用材料的物理性質(zhì)無損測量其應(yīng)力，包括X射線法、中子衍射法、掃描電子聲顯微鏡法、磁性測定法、巴克豪森噪聲法和超聲波法等[18-19,21]。X射線法利用波的衍射得到晶面間距變化，確定彈性形變測量應(yīng)力，但僅能用于薄膜或材料表面5～20 μm的應(yīng)力檢測，受材料表面粗糙度、晶粒尺寸和表面曲率等影響較大[18,22]。中子衍射法原理與X射線法相似，不同的是中子穿透力強，可測量材料應(yīng)力，但樣品體積較大，空間分辨率較差，中子反應(yīng)堆建造和運行費用昂貴[22]。掃描電子聲顯微鏡基于熱波成像原理，對材料熱學(xué)或熱彈性質(zhì)的微小變化進行成像，但檢測深度受限，只能用于材料表面和亞表面的應(yīng)力檢測[23]。磁性測定法測量的材料必須是鐵磁性的，且對微結(jié)構(gòu)和各向異性敏感[18]。巴克豪森噪聲法通過測量鐵磁性材料疇壁不可逆移動發(fā)生躍變磁化現(xiàn)象時產(chǎn)生的電脈沖信號獲得應(yīng)力，但僅適用于鐵磁性材料[18]。與上述方法相比較，超聲波法檢測速度快，人體無輻射傷害，成本低，設(shè)備簡單，方便攜帶，可用于材料應(yīng)力的現(xiàn)場或在役檢測[24]。

超聲檢測方法按波型有縱波法和臨界折射縱波法，按原理有脈沖反射法和穿透法，按探頭數(shù)目有單探頭法和雙探頭法，按顯示方式分為A型顯示和超聲成像顯示(包括B、C、D、S、P型等)[16]。本文按波型及其傳播原理分析應(yīng)力超聲檢測方法的特點，探討縱波法、臨界折射縱波法在盆式絕緣子應(yīng)力檢測中的應(yīng)用。

2.1 縱波法

根據(jù)縱波聲彈性方程，通過測量物體中縱波聲速變化可得到其應(yīng)力，縱波法可分為穿透法和反射法，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力超聲縱波檢測方法Fig.4 Stress detection method by ultrasonic longitudinal wave

中國物理研究所利用縱波反射法，測量復(fù)合材料高聚物炸藥的超聲一次和二次底面回波的時間差，通過計算聲速來檢測其內(nèi)部壓縮應(yīng)力[25]。

華南理工大學(xué)利用超聲縱波法檢測GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料垂直壓應(yīng)力，結(jié)果表明，環(huán)氧復(fù)合材料平均聲彈性系數(shù)為4.556×10-5MPa-1，測量相對誤差在應(yīng)力10～15 MPa時較大，最大為85.78%，在應(yīng)力40～70 MPa時小于19.87%[20]。

該方法用于有平行平面、厚度不大的物體，通過測量物體的聲彈性系數(shù)和無應(yīng)力下的聲程、聲時以及應(yīng)力下的形變等參數(shù)檢測物體應(yīng)力，是測量材料聲彈性系數(shù)的主要方法。

2.2 臨界折射縱波法

圖2中，當θ01≤θ<θ02時，介質(zhì)2淺表面有臨界折射縱波，應(yīng)力臨界折射縱波檢測原理如圖5所示。發(fā)射探頭發(fā)出縱波經(jīng)過楔塊與試樣界面折射，在試樣中產(chǎn)生臨界折射縱波，由另一個接收探頭接收。

圖5 應(yīng)力超聲臨界折射縱波法檢測示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress detection by critically refracted longitudinal wave

發(fā)射探頭和接收探頭之間初始距離L的選取與材料性質(zhì)有關(guān)，同種材料，L的增大會導(dǎo)致測量準確性降低[26]。臨界折射縱波能有效穿入材料一定深度，該深度與換能器頻率有關(guān)，選擇不同的激勵頻率可改變檢測深度范圍，能反映均勻材料深度方向的應(yīng)力梯度以及計算不均勻材料的不同深度各向異性彈性常數(shù)[27]。

應(yīng)力臨界折射縱波檢測還與應(yīng)力作用方向有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，臨界折射縱波傳播方向與內(nèi)應(yīng)力方向一致時聲彈性效應(yīng)最顯著，當應(yīng)力方向與臨界折射縱波傳播方向夾角越大，臨界折射縱波聲速受應(yīng)力影響越小，垂直應(yīng)力方向傳播時臨界折射縱波聲速不受應(yīng)力影響[28]。

超聲臨界折射縱波無損檢測技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛。Ambiel等人利用臨界折射縱波研究了摻有碳纖維的環(huán)氧樹脂材料中聲彈性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在碳纖維與超聲傳播方向的夾角呈0°時，聲時變化最大[24]。華南理工大學(xué)利用臨界折射縱波檢測了GIS盆式絕緣子環(huán)氧材料0～50 MPa壓應(yīng)力下的次表面應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當超聲傳播方向平行次表面應(yīng)力時，環(huán)氧材料臨界折射縱波聲速隨著應(yīng)力增大而線性增大，線性相關(guān)系數(shù)0.988，聲彈性系數(shù)-4.95×10-5MPa-1，相對誤差13.12%[20]。

相較于其他超聲檢測方法，臨界折射縱波法對應(yīng)力敏感，檢測精度較高，可反映物體應(yīng)力梯度，能夠檢測曲面應(yīng)力[29]和雙軸應(yīng)力[30]，適用于凸凹曲面形狀復(fù)雜的盆式絕緣子和三支柱絕緣子。

3 盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測方法應(yīng)用

盆式絕緣子應(yīng)力分布不均勻，在外部載荷下易引起應(yīng)力集中，機械強度遭到破壞，從而導(dǎo)致絕緣子開裂，引起絕緣失效。盆式絕緣子機械性能的考核對GIS安全運行至關(guān)重要。本文探討各種超聲波法檢測盆式絕緣子應(yīng)力，見表1。

表1 應(yīng)力超聲檢測方法Tab.1 Ultrasonic detection methods for stress

目前，華南理工大學(xué)嘗試了各種超聲波法檢測盆式絕緣子應(yīng)力，例如：①用超聲縱波穿透法檢測GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料應(yīng)力[31]，在0～70 MPa垂直壓應(yīng)力下2.5 MHz縱波聲彈性系數(shù)為4.556×10-5MPa-1，但測量誤差較大；②用超聲縱波反射法檢測GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料平行壓應(yīng)力[20]，在0～60 MPa平行壓應(yīng)力下，1 MHz和1.5 MHz縱波聲彈性系數(shù)分別為3.916×10-4MPa-1和3.124×10-4MPa-1，傳播方向平行于應(yīng)力方向的超聲縱波對應(yīng)力較靈敏；③利用臨界折射縱波測量GIS盆式絕緣子環(huán)氧材料0～50 MPa壓應(yīng)力下次表面應(yīng)力[20]，發(fā)現(xiàn)當傳播方向平行于次表面應(yīng)力時，臨界折射縱波的速度隨著應(yīng)力增大而線性增大，線性相關(guān)系數(shù)0.988，聲彈性系數(shù)-4.95×10-5MPa-1，相對誤差13.12%，在幾種超聲檢測方法中準確性最高。

綜上可知：超聲縱波是測量盆式絕緣子材料內(nèi)部應(yīng)力及其聲彈性系數(shù)的主要方法；臨界折射縱波法與表面波法適合曲面物體，特別適合盆式絕緣子這種凸凹面物體的表面應(yīng)力檢測，有標準[32]可以參考。

針對盆式絕緣子應(yīng)力集中可能導(dǎo)致的裂紋以及制作過程中產(chǎn)生的內(nèi)部氣泡，國內(nèi)許多單位試驗研究了各種超聲檢測方法。2013年平高電氣公司用超聲頻譜分析技術(shù)定量檢測了厚度52 mm的1 100 kV盆式絕緣子底面下直徑0.8～0.25 mm的鋁合金夾雜物[33]。2015年陜西電力科學(xué)研究院和西安交通大學(xué)用超聲頻譜檢測環(huán)氧試樣深度20 mm處0.3 mm孔徑的氣隙和寬2 mm的裂紋[34]。2017年天津理工大學(xué)用蘭姆波檢測盆式絕緣子表面深度1 mm的微裂紋及微小附著物[35]，蘭姆波是一種在板材厚度與激勵聲波波長為相同數(shù)量級的聲波導(dǎo)中，由縱波和橫波合成的特殊形式的應(yīng)力波。2019年，江蘇方天電力技術(shù)公司和浙江大學(xué)利用超聲導(dǎo)波定位檢測了盆式絕緣子0.2 mm表面裂紋和直徑2 mm內(nèi)部氣孔[36]；超聲導(dǎo)波是超聲波在介質(zhì)中不連續(xù)界面產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的機械波，關(guān)于其在平板、管道等規(guī)則介質(zhì)中傳播特性的研究已很完善。2019年，華南理工大學(xué)用1 MHz超聲縱波反射法檢測了盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料1 mm裂紋和2 mm氣泡[37]，還利用2.5 MHz超聲臨界折射縱波法檢測了環(huán)氧復(fù)合材料表面0.5～2.0 mm微裂紋[38]。

超聲檢測技術(shù)有望用于GIS盆式絕緣子的設(shè)計試驗、型式試驗、質(zhì)量抽檢和事故原因分析等，應(yīng)用前有待解決的問題或未來可研究的方向有以下幾個方面：

a)環(huán)氧復(fù)合材料聲彈性效應(yīng)。盆式絕緣子應(yīng)力各種超聲檢測方法的基礎(chǔ)是聲彈性效應(yīng)，材料的成分、物性等參數(shù)，以及制作過程、工藝等眾多因素對其聲彈性效應(yīng)都有影響，可以通過檢測聲彈性效應(yīng)來獲得盆式絕緣子材料和工藝及其相關(guān)性能。

例如，目前常用“片析檢查”來驗證盆式絕緣子不同部位材料的均勻性[38]。這種均勻性可能是制造固化過程中無機粉末填料沉降不均勻、固化溫度不均勻，以及長期運行后材料老化程度不同等造成的。片析試驗需要在盆式絕緣子水壓破壞試驗后，對其取樣進行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、密度和填料含量檢測分析等[39]，是破壞性試驗。而超聲無損檢測技術(shù)可充分利用環(huán)氧材料聲彈性效應(yīng)與其材料、工藝等密切相關(guān)的原理，用超聲探頭檢測任意位置下傳播時間等參數(shù)即可無損、簡便地比較盆式絕緣子均勻性。該方法需要研究超聲傳播時間能分辨的填料質(zhì)量分數(shù)、密度等最小差異。對于盆式絕緣子均勻性的檢測，超聲檢測可能是一種替代破壞性片析檢查的無損、簡便的試驗方法。

b)盆式絕緣子應(yīng)力分布。研究盆式絕緣子表面應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用這種關(guān)聯(lián)通過表面應(yīng)力檢測間接測量內(nèi)部應(yīng)力。臨界折射縱波法是最有應(yīng)用潛力的盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測方法。這種方法相對誤差較小，靈敏度較好，可檢測曲面，尤其是盆式絕緣子曲面處的表面應(yīng)力。這種方法還可以通過改變頻率來改變滲透深度，實現(xiàn)淺表面應(yīng)力梯度分布測量，結(jié)合仿真研究搭建起內(nèi)應(yīng)力與表面應(yīng)力關(guān)聯(lián)的橋梁。

可以研究盆式絕緣子的不同外力載荷下三正交應(yīng)力分量及其分布，外力載荷包括GIS盆式絕緣子應(yīng)力的各種來源。通過檢測盆式絕緣子應(yīng)力分布規(guī)律，尋找應(yīng)力集中部位以及影響因素、缺陷周圍應(yīng)力分布等，跟蹤缺陷的產(chǎn)生、發(fā)展以及對電氣性能和機械性能的影響，尤其是結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、應(yīng)力更突出的氣體絕緣輸電線路(gas insulated transmission lines，GIL)三支柱絕緣子，是未來應(yīng)用研究的主要方向。

c)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測靈敏度。聲彈性效應(yīng)是一種弱效應(yīng)，初步研究發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測的靈敏度還較差，相對誤差較大，臨界折射縱波法相對誤差最小，但仍有13.12%[20]。要提高盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測靈敏度，必須研制高靈敏度的復(fù)合材料專用探頭，提高檢測頻率，減小探頭直徑和脈沖寬度(不大于2個周期[40])，精確測量聲速微小變化等等。

d)盆式絕緣子應(yīng)力超聲自動成像。應(yīng)力的人工超聲檢測效率較低，將自動化檢測與位置傳感器結(jié)合，對立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盆式絕緣子，尤其是支柱絕緣子進行超聲三維掃描成像等智能化顯示是應(yīng)力超聲檢測發(fā)展為簡便有效試驗方法的必經(jīng)之路。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了GIS盆式絕緣子應(yīng)力的來源，綜述了GIS盆式絕緣子表面應(yīng)力應(yīng)變測量研究現(xiàn)狀，闡述了材料在單軸應(yīng)力、平面應(yīng)力狀態(tài)下的聲彈性方程，對比了超聲法與其他方法的優(yōu)缺點，分析了超聲縱波法和臨界折射縱波法應(yīng)力超聲檢測技術(shù)的特點，探討了縱波法和臨界折射縱波法在GIS盆式絕緣子應(yīng)力檢測中的應(yīng)用。本文結(jié)論如下：

a)盆式絕緣子材料聲彈性效應(yīng)及其影響因素的研究宜采用縱波法；

b)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測方法中最有應(yīng)用前景的是臨界折射縱波法。