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

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（gas insulated metal-en‐closed switchgear，GIS）設(shè)備由于其集成化結(jié)構(gòu)、可靠性高、維護(hù)方便、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國的電力系統(tǒng)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(huán)氧樹脂材料組成[6-7]。絕緣子的安全性能決定著整個(gè)GIS設(shè)備能否穩(wěn)定安全運(yùn)行，當(dāng)其結(jié)構(gòu)有損傷時(shí)，會出現(xiàn)局部放電的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致絕緣擊穿，危及電力系統(tǒng)安全，嚴(yán)重時(shí)會造成大面積停電事故，導(dǎo)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(tǒng)的安全運(yùn)行、延長電力設(shè)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(xué)檢測法和非電學(xué)檢測法[11-14]，電學(xué)檢測法主要包括脈沖電流法和超高頻法，非電學(xué)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(shù)檢測[15-17]。脈沖電流法可以對局部放電進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(qiáng)，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(fā)現(xiàn)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(jìn)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(biāo)表面粗糙度和形狀的影響，因此對現(xiàn)場盆式絕緣子進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于檢測表面和內(nèi)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(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)超聲波的可視化，突顯缺陷信息[19-21]。

激光超聲技術(shù)通過脈沖激光照射到材料表面，由于受熱膨脹產(chǎn)生彈性波，在材料表面產(chǎn)生的表面波有很強(qiáng)的指向性，可對材料表面裂紋進(jìn)行檢測。曾偉[22]采用掃查式激光超聲檢測技術(shù)對奧氏體不銹鋼及鋁合金材料中存在的缺陷進(jìn)行可視化檢測，利用縱波檢測技術(shù)提取縱波最大峰值實(shí)現(xiàn)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(jìn)行檢測。李海洋等[23]根據(jù)激光超聲在表面缺陷處的透射/反射閾值現(xiàn)象，提出了基于臨界頻率測量表面缺陷深度的方法，實(shí)現(xiàn)了鋁合金材料的表面波激發(fā)與接收，并采用臨界頻率法實(shí)現(xiàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了對金屬表面缺陷深度的信息定量評價(jià)。

目前關(guān)于激光超聲技術(shù)對表面缺陷檢測的研究主要集中在金屬材料，對復(fù)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(fù)合材料，研究一種激光超聲表面波峰值重建算法，以實(shí)現(xiàn)盆式絕緣子缺陷的定量表征。

1 激光超聲理論基礎(chǔ)

激光超聲檢測的物理過程如圖1所示，為實(shí)現(xiàn)被測物體的無損檢測，高強(qiáng)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(shí)熱作用，通過熱彈效應(yīng)在物體表面產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力場，進(jìn)而在被測材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲波。其物理過程可以用熱源函數(shù)Q(r,t)進(jìn)行等效，激發(fā)過程可用傳熱方程（式（1））和考慮熱效應(yīng)的位移場方程（式（2））表示。

圖1 激光超聲激發(fā)機(jī)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(dǎo)率；Q(r,t)定義為單位體積、單位時(shí)間吸收的激光能量；r為空間變量；t為時(shí)間變量；λ、μ為材料的拉梅常數(shù)；u為位移場；α為熱膨脹系數(shù)。

由矢量分析中亥姆霍茲定理可知，一個(gè)矢量場可以寫成一個(gè)標(biāo)量場的梯度和一個(gè)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(biāo)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(gè)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(yīng)可得式（4）。

由式（4）可知，Φ和Ψ分別滿足式（5）～（6）關(guān)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(huán)氧樹脂材料，其高頻聲衰減系數(shù)大[26]，傳播速度慢。經(jīng)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(nèi)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(jié)合方式實(shí)現(xiàn)盆式絕緣子檢測。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與圖像重建算法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2所示為激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，控制激光器的發(fā)射部分可改變激光的能量、掃描頻率等參數(shù)，通過控制二維掃描鏡能夠改變激光掃描區(qū)域的位置和大小，采集卡收集到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理能夠得到直觀的重建圖像。

圖2 激光超聲檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of laser ultrasonic detection principle

該系統(tǒng)主要由3部分組成：激光發(fā)射單元、超聲信號接收單元和信號處理與控制單元。激光發(fā)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(diào)Q固態(tài)Nd:YLF激光器，利用激光腔內(nèi)鎖模、激光器陣的定時(shí)激發(fā)、Bragg聲光調(diào)制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)偏振控制器實(shí)現(xiàn)脈沖的波長調(diào)諧，并采用光纖相陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)波長為1 064 nm、最大重復(fù)頻率為3 kHz、脈寬為30 ns的激光脈沖，二維掃描鏡用于實(shí)現(xiàn)絕緣子表面的區(qū)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)接收信號的高信噪比采集。實(shí)際檢測中接收探頭固定，激光掃描區(qū)域?yàn)楸粰z測目標(biāo)的整個(gè)區(qū)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(qū)域與接收探頭之間的距離應(yīng)保持在激光超聲傳輸信號可接收的信號信噪比范圍內(nèi)，同時(shí)對于已知目標(biāo)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(biāo)絕緣子差分消除環(huán)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(biāo)向上掃描，再向右移動，依次以（2,1）、（2,2）……（2,Ny）坐標(biāo)向上掃描，如此循環(huán)一直掃描到（Nx,Ny）坐標(biāo)，向上移動間隔為dy，向右移動間隔為dx，可得到總的掃描區(qū)域內(nèi)，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(diǎn)數(shù)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(jìn)行耦合，探頭在固定位置檢測。實(shí)驗(yàn)前對整個(gè)掃描區(qū)域進(jìn)行粗掃，確定探頭能夠接收到掃描區(qū)域內(nèi)各個(gè)激勵點(diǎn)產(chǎn)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(qū)域中每個(gè)激勵點(diǎn)的信號波形，當(dāng)掃描區(qū)域內(nèi)存在缺陷時(shí)，接收到的波形峰值會發(fā)生變化，根據(jù)聲學(xué)互易性，激勵點(diǎn)位置處激光激發(fā)的超聲波被探頭接收，與探頭位置激發(fā)的超聲波被激光激勵點(diǎn)位置接收到的超聲波可以等效，理論上每個(gè)激勵位置點(diǎn)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(diǎn)激發(fā)的超聲波，被掃描區(qū)域內(nèi)不同激勵點(diǎn)位置處的探頭接收，對接收到的超聲波信號依據(jù)掃描區(qū)間的掃描坐標(biāo)提取有效范圍內(nèi)的峰值信號，即可得到被掃描區(qū)間的峰值圖像，此圖像可反映缺陷信息。因此理論上當(dāng)掃描區(qū)間覆蓋整個(gè)被測目標(biāo)表面時(shí)，就不會存在漏檢現(xiàn)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(chǎn)的電壓等級為220 kV的GIS盆式絕緣子實(shí)物圖，為驗(yàn)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(xiàn)場運(yùn)行盆式絕緣子中產(chǎn)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(zhì)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(shí)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(jìn)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(shè)置為2 mJ，重復(fù)頻率設(shè)置為1 kHz，當(dāng)缺陷位于矩形掃描區(qū)域時(shí)，得到包含缺陷信息的掃描區(qū)間峰值圖像。

圖7(a)為激光掃描區(qū)間包含氣泡缺陷時(shí)得到的峰值圖像，圖7(b)為相應(yīng)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(qū)間的坐標(biāo)，則可實(shí)現(xiàn)掃描范圍內(nèi)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(shù)，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(qū)間包含雜質(zhì)缺陷時(shí)得到的峰值圖像，該圖像是與相同位置無缺陷時(shí)獲得的超聲波信號進(jìn)行差分處理后獲得的，與圖7(a)對比，圖像的質(zhì)量明顯提高。圖9(a)和圖7(a)中的峰值圖像都是沒有經(jīng)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(dá)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(shí)際缺陷尺寸進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，圖像檢測結(jié)果顯示氣泡缺陷的直徑約為1.3 mm，雜質(zhì)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(zhì)缺陷檢測結(jié)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(dāng)超聲信號經(jīng)過氣泡缺陷時(shí)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(dǎo)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(zhì)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(shí)際尺寸對比Tab.1 Comparison of peak reconstruction image size and actual size of different defects of basin insulators

4 現(xiàn)場故障盆式絕緣子離線驗(yàn)證

實(shí)際運(yùn)行GIS盆式絕緣子發(fā)生故障的主要原因之一是裂紋缺陷，如某500 kV GIS發(fā)生事故就是由于內(nèi)部裂紋導(dǎo)致盆式絕緣子擊穿，從而影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行[26]。裂紋的形成原因比較復(fù)雜，包括在生產(chǎn)固化過程中溫度發(fā)生變化、運(yùn)輸過程中受力不均勻或者運(yùn)輸環(huán)境的溫差變化以及使用過程中外界機(jī)械的擠壓導(dǎo)致絕緣子的內(nèi)部承受應(yīng)力突變等都可能產(chǎn)生內(nèi)部裂紋[27]，因此對于盆式絕緣子的裂紋缺陷檢測至關(guān)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(shí)物圖，該盆式絕緣子因使用過程中外部受力不均勻?qū)е缕浔砻娈a(chǎn)生一條寬度約為0.8 mm的長裂紋，裂紋缺陷造成了嚴(yán)重的放電現(xiàn)象。現(xiàn)場拆卸后在實(shí)驗(yàn)室中對該盆式絕緣子進(jìn)行激光超聲掃描實(shí)驗(yàn)，當(dāng)掃描區(qū)域包含裂紋時(shí)，掃描檢測后重建的峰值圖像如圖11所示。由于裂紋導(dǎo)致超聲波在掃描區(qū)域裂紋兩側(cè)的幅值相差較大，最大振幅圖中出現(xiàn)的顏色分界線即為裂紋。對重建的裂紋圖像進(jìn)行測量，測得重建裂紋寬度約為1 mm，但因?yàn)椴捎玫氖瞧矫娉曁筋^，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(dǎo)致檢測到的僅為掃描區(qū)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(tǒng)的超聲回波法要想實(shí)現(xiàn)0.8 mm的分辨率，超聲頻率至少要達(dá)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(jié)合方式即可實(shí)現(xiàn)了對0.8 mm級別缺陷的檢測。

圖10 故障盆式絕緣子實(shí)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(jié) 論

（1）利用實(shí)驗(yàn)室人工缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(zhì)、裂紋等缺陷，重建的圖像誤差不大于30%。

（2）對實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用中帶有裂紋故障的盆式絕緣子進(jìn)行離線檢測驗(yàn)證，結(jié)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(jié)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(qū)域的缺陷。