淺析特高壓變電站絕緣子超聲波檢測(cè)

鄭罡 南鈺

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司開(kāi)封供電公司 河南 開(kāi)封 475000

引言

我國(guó)的特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，主要建設(shè)不到十年，但是已經(jīng)具備了世界最先進(jìn)水準(zhǔn)。例如：晉東南部的南陽(yáng)地區(qū)中的荊門線路是世界中第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的特高壓交流輸變電工程；向家壩是上海特高壓直流的輸電工程，是世界同類工程中的容量最大，相關(guān)距離最遠(yuǎn)，相關(guān)技術(shù)最先進(jìn)的工程[1]。具體分析見(jiàn)下文：

1 意義分析

在高壓變電站復(fù)合絕緣子制造過(guò)程中，主要是利用傘裙中的保護(hù)套以及芯棒直接的相關(guān)界面進(jìn)行制作，但是制作過(guò)程中直接的界面主要是因?yàn)橄嚓P(guān)工藝以及相關(guān)材料的黏結(jié)不良或存在氣泡，導(dǎo)致這些缺陷對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成一定的影響。

紅外熱象的檢測(cè)方式是絕緣子檢測(cè)的重要途徑之一，相關(guān)技術(shù)人員在對(duì)絕緣子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)關(guān)注到紅外熱象的重要作用，利用紅外熱像實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)分布的有效測(cè)量，同時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部存在的缺陷，以便于保證后續(xù)研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)有效的紅外熱像檢測(cè)，技術(shù)人員能夠?qū)^緣子制作過(guò)程中產(chǎn)生的一系列問(wèn)題進(jìn)行深入的分析，確保電網(wǎng)的安全性。絕緣子在投入以及建設(shè)過(guò)程中，相關(guān)用戶可以根據(jù)紅外熱像進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)電場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，對(duì)帶電狀況下絕緣子內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但是檢測(cè)的靈敏度較低。絕緣子在投入運(yùn)行前期，傘裙的保護(hù)套以及芯棒界面連接的強(qiáng)度無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。由此可見(jiàn)，對(duì)特高壓變電站絕緣子超聲波的檢測(cè)，能夠促進(jìn)絕緣子工作的持續(xù)運(yùn)行，也能夠改變絕緣子制作過(guò)程中存在的缺陷，避免對(duì)電網(wǎng)安全造成不良影響。

目前對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)，一般是利用剖查法進(jìn)行目測(cè)，這種方式一般是將產(chǎn)品內(nèi)部中的傘裙保護(hù)套進(jìn)行剖開(kāi)，之后利用肉眼進(jìn)行判斷，此方式的隨機(jī)性較大，存在一定的局限性。這就決定了在新的時(shí)代背景下，相應(yīng)人員應(yīng)當(dāng)著力減小或消除剖查法的不足，利用科學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，改變以往單純用肉眼進(jìn)行判斷的模式，盡可能減小檢測(cè)過(guò)程的隨機(jī)性和局限性，將剖查法的作用發(fā)揮到極致，利用數(shù)據(jù)的分析與工具的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)檢查過(guò)程的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析的精確度，充分發(fā)揮科學(xué)技術(shù)的實(shí)用性特征，讓現(xiàn)代信息技術(shù)能夠在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中起到更重要的推動(dòng)作用，在體現(xiàn)科學(xué)技術(shù)實(shí)用性特征的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精確性和準(zhǔn)確性，從而為復(fù)合絕緣子的檢測(cè)提供新的發(fā)展途徑。

例如：華北的電力科學(xué)研究院的陳原同志，在相關(guān)基礎(chǔ)上，提出水?dāng)U散的試驗(yàn)方式，利用30mm長(zhǎng)度的絕緣子短樣置入氯化鈉內(nèi)部，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1，用鹽水進(jìn)行煮沸，時(shí)間為100h,之后進(jìn)行泄漏電流的試驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)界面良好的絕緣子進(jìn)行粘接[2]。

直徑應(yīng)為≤35mm芯棒，質(zhì)量外殼泄漏絕緣體的流量為≤75’A，非殼體質(zhì)量為≤50”A，質(zhì)量外殼泄漏絕緣體的平均流量與非殼體質(zhì)量的平均流量為25”a≤”之間的差值。

這種改進(jìn)的水?dāng)U散試驗(yàn)方法為判斷復(fù)合絕緣體傘裙上黏膜質(zhì)量定量方法，比剖面法更科學(xué)。但是，這種方法應(yīng)切掉絕緣體產(chǎn)品的樣品，這是一次毀滅性的試驗(yàn)，樣品數(shù)量有限，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求，盡管這種方法在以往的研究過(guò)程中得到過(guò)應(yīng)用，但是由于損耗多以及所需時(shí)間較長(zhǎng)，這種檢測(cè)方法在應(yīng)用的過(guò)程中存在著許多的不足。因此，在超高壓輸電線路中廣泛使用復(fù)合絕緣體，通過(guò)無(wú)損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傘裙殼與質(zhì)量之間的聯(lián)系強(qiáng)度。

泄漏絕緣體的流量為75瓦≤，目前沒(méi)有質(zhì)量外殼的絕緣體泄漏為50kA≤，質(zhì)量外殼泄漏絕緣體的平均流量與無(wú)質(zhì)量外殼的平均流量之間的差值為25”a≤。這種改進(jìn)型水?dāng)U散試驗(yàn)方法提出了一種比分法更科學(xué)的復(fù)合絕緣子傘裙殼黏結(jié)質(zhì)量的定量判斷方法。事實(shí)證明，這種實(shí)驗(yàn)方法在研究領(lǐng)域中的推廣為復(fù)合絕緣子的檢測(cè)提供了新的途徑，但是，這種方法也存在著弊端。這種方法應(yīng)該切割絕緣產(chǎn)品上的樣品，這是毀滅性的試驗(yàn)，樣品數(shù)量有限，試驗(yàn)期長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的要求[3]。

2 變電站絕緣子超聲波檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析，變電站絕緣子的斷裂之處一般都在鑄鐵法蘭口內(nèi)部，一般是與瓷體相交附近的30mm內(nèi)部，此區(qū)域的特點(diǎn)是水平跨度以及距離較小，一般在20~50mm。一般包含一部分的砂層進(jìn)行覆蓋，除去探頭內(nèi)部無(wú)法放置的砂層進(jìn)行過(guò)度，跨度距離至少為20mm，此部分檢測(cè)一般常用超聲波檢測(cè)方式，包含直探頭縱波檢測(cè)方式，斜探頭橫波檢測(cè)方式，爬波檢測(cè)方式，小角度縱波檢測(cè)方式，雙晶橫波檢測(cè)方式，等等。在電網(wǎng)中最常見(jiàn)的是，爬波檢測(cè)方式，小角度縱波檢測(cè)方式，以及雙晶橫波檢測(cè)方式[4]。

2.1 爬波檢測(cè)法

絕緣子法蘭的膠裝區(qū)域的表面以及表面的缺陷，檢測(cè)一般使用爬波方式進(jìn)行檢測(cè)。爬波檢測(cè)法通過(guò)超聲縱波和介質(zhì)入射的方式對(duì)絕緣子法蘭的膠裝區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，爬坡檢測(cè)法得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用爬波檢測(cè)法的過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員要對(duì)介質(zhì)表面非均勻波的數(shù)量進(jìn)行細(xì)致的分析，只有這樣才能夠盡可能減少絕緣子超聲檢測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)誤差和技術(shù)誤差，確保絕緣子檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

爬波檢測(cè)方式是利用超聲縱波以第一臨界角度對(duì)入射角進(jìn)行入射，從第一介質(zhì)的入射范圍入射到第二介質(zhì)，在第二介質(zhì)中表面產(chǎn)生的一種非均勻波，除相關(guān)縱波外還應(yīng)伴隨到其他的波型。但是總比傳播的速度比較快，其主要成分為“頭波”。主要能量集中在界面的某一范圍內(nèi)部，主要集中在表面內(nèi)部的10mm內(nèi)，對(duì)缺陷問(wèn)題具有較高的靈敏度。經(jīng)過(guò)廣泛的實(shí)踐證明，爬波檢測(cè)方式在利用超聲縱波的過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)絕緣子超聲檢測(cè)的科學(xué)性和有效性，盡可能減少誤差，利用第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的入射，以及第二介質(zhì)表面中產(chǎn)生的非均勻播實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)，保障絕緣子的安全性[5]。

然而，爬坡檢測(cè)方式并不是十全十美的，由于受到檢測(cè)特點(diǎn)的影響，華博檢測(cè)也有一定的不足之處。爬波的特點(diǎn)主要是在表面下進(jìn)行傳播，對(duì)表面的一些狀況不太敏感，利用爬波檢測(cè)的方式對(duì)絕緣子法蘭內(nèi)部的瓷體進(jìn)行檢測(cè)，瓷體表面進(jìn)行傳播，減少瓷砂，膠裝水泥，表面等粗糙物的影響，減少表面?zhèn)鞑ビ绊慬6]。

2.2 小角度縱波檢測(cè)

絕緣子法蘭的膠裝區(qū)域內(nèi)部瓷體的缺陷，探頭對(duì)稱表面以及進(jìn)近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，使用小角度縱波斜入射方法進(jìn)行檢測(cè)，探頭則使用小角度縱波單晶斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，使用小角度縱波斜入射方法進(jìn)行檢測(cè)，能夠最大程度的確保檢測(cè)的科學(xué)性和結(jié)果的有效性，也能夠克服爬坡檢測(cè)中存在的弱點(diǎn)，因此在磁體表面比較粗糙的情況下，小角度縱波檢測(cè)能夠發(fā)揮重要的作用。近些年來(lái)，小角度縱波檢測(cè)在絕緣子檢測(cè)過(guò)程中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，通過(guò)這種簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方式，絕緣子的安全性得到了有效的保障，小角度縱波檢測(cè)的相關(guān)原理以及相關(guān)特點(diǎn)分為以下幾種：

超聲波的縱波以很小的斜入角入射，從第一介質(zhì)入射到第二介質(zhì)，第二介質(zhì)產(chǎn)生折射波，從而進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，將折射角β的度數(shù)控制在20°，小探頭被稱之為縱波入射探頭，又稱之為小角度縱波探頭[7]。

但是小角度縱波檢測(cè)在絕緣子檢測(cè)過(guò)程中并不是十全十美的。由于折射角度小和小角度縱波檢測(cè)應(yīng)用過(guò)程中的其他原因，在對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行掃查時(shí)容易出現(xiàn)誤差，要想避免出現(xiàn)誤差，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)小角度縱波檢測(cè)的應(yīng)用方式有準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，在實(shí)踐的過(guò)程中也需要完全避免影響實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確和精度的一系列因素，由此可見(jiàn)，小角度縱波檢測(cè)也是有一定缺陷的。小角度的縱波在絕緣子內(nèi)部中的折射角度比較小，探頭一般置于法蘭外部，從而與第一傘裙進(jìn)行結(jié)合，置于探測(cè)面之上。超聲波束可以對(duì)內(nèi)部深埋的法蘭瓷體的缺陷進(jìn)行檢測(cè)以及分析，同時(shí)探頭可以對(duì)瓷體內(nèi)部側(cè)面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)相關(guān)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行掃查，掃查的面積要遠(yuǎn)大于橫波斜探頭以及直探頭的檢測(cè)，只有掃查的面積大于橫波斜探頭以及直探頭的檢測(cè)范圍時(shí)，才能夠確保小角度縱波檢測(cè)結(jié)論的可靠性，對(duì)利用探頭對(duì)磁體內(nèi)部側(cè)面的缺陷進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的全面掃查。因此從理論上講，小角度縱波的探頭對(duì)絕緣子法蘭內(nèi)部瓷體缺陷檢測(cè)有很好的結(jié)果。近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，小角度縱波檢測(cè)在相關(guān)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，在對(duì)絕緣子法蘭內(nèi)部瓷器缺陷檢測(cè)的過(guò)程中，也充分發(fā)揮了價(jià)值。

2.3 雙晶橫波檢測(cè)法

雙晶檢測(cè)方式一般多用于瓷套內(nèi)部以及內(nèi)壁缺陷，其相關(guān)特點(diǎn)是利用一個(gè)探頭使用兩個(gè)晶片，用于發(fā)射超聲波，另一個(gè)晶片用于接收信號(hào)。

兩個(gè)晶片，可以對(duì)稱的粘貼在透聲楔的斜面上，粘貼兩個(gè)斜面，用于放置晶片，除了普通斜探頭入射角α以外，同時(shí)具備傾斜角θ。相關(guān)入射角α是由折射角的β進(jìn)行相關(guān)決定，傾角θ視瓷套的厚度和折射角β而定，一般在4°～8°范圍[8]。

3 爬波檢測(cè)法試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)選擇

3.1 探頭的選擇

探針的選擇原理是選擇外保溫直徑進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)這種選擇，外保溫直徑進(jìn)行測(cè)試的方式探針，能夠在探測(cè)形成范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，最大程度的減少誤差。探針的輻射接觸面必須略大于瓷的外徑。如果探測(cè)行程范圍允許，則必須選擇較大的探測(cè)。當(dāng)前，行波雙晶并聯(lián)探頭廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)瓷后絕緣子的超聲波檢測(cè)。

晶片頻率為2.5MHz，大小為10×12(mm)，距離小時(shí)可選用8×10或6×10(mm)探頭。為了減少?gòu)澢砻鎻?fù)合材料的損耗，探針通常按照瓷后壓力機(jī)的規(guī)范纏繞在適當(dāng)?shù)膹澢砻嫔?。根?jù)瓷絕緣子和瓷套規(guī)范，探頭的曲面直徑分別為Ф100、Ф120、Ф140、Ф160、Ф180、Ф200、Ф240和平面等8種規(guī)格[9]。

3.2 探傷靈敏度的確定

使用校準(zhǔn)單元調(diào)整掃描靈敏度。將探針?lè)胖迷跍y(cè)試單元上，發(fā)現(xiàn)模擬裂紋最強(qiáng)的反射波，深度為5mm，距探針前端10mm，并將探針調(diào)節(jié)至屏幕高度的80%作為參考靈敏度。然后根據(jù)測(cè)得的聲速確定掃描靈敏度，相當(dāng)于瓷絕緣子或瓷套1mm深度的裂紋檢測(cè)精準(zhǔn)度。

3.3 缺陷的定位、定量

3.3.1 缺陷的定量。超過(guò)波長(zhǎng)曲線高度的所有反射波均稱為瑕疵波。缺陷反射的最大寬度與距離寬曲線高度之間的差異記錄為DAC±()dB。距離寬曲線高度以下的指定波長(zhǎng)是用半波高度法(6dB法)測(cè)量的[10]。

3.3.2 缺陷的位置。依據(jù)頭在探測(cè)表面上的位置和最高反射波在示波屏幕上的水平位置，確定并記錄缺陷的圓周位置和軸向位置。