超声波无损探伤在托电支柱绝缘子中的应用

裴玉东

摘 要：分析了支柱绝缘子缺陷产生的主要原因，介绍了超声波无损探伤的基本原理，利用超声波检测支柱绝缘子内部缺陷的方法。列举了利用爬波方法对支柱绝缘子内部的缺陷进行检测的实例。

关键词：支柱绝缘子；末裙；超声波无损探伤；纵波；爬波；DAC曲线

0 引言

托克托电厂有一个500kV变电站和两个220kV变电站，支柱绝缘子是变电站重要的组成设备，如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均匀，容易形成瓷件内部缺陷，由于没有固有的形变能力且韧性极低，运行中长期承受机械负荷、强电场、强机械应力，从而使附加应力增大。若支柱绝缘子存在微小缺陷，可能造成严重的设备损坏和设备停电事故，影响安全供电，同时对工作人员的人身安全构成极大的威胁，成为升压站安全运行的一大隐患。因此必须在事故前检测出缺陷并进行处理。

1 支柱瓷绝缘子的组织结构

支柱瓷绝缘子是采用陶瓷、金具和水泥等多种材料组合而成的，瓷体主要有粘土、长石石英等铝硅酸盐原料混合配制，加工成一定形状后，在高温下烧结成的无机绝缘材料，瓷表面覆盖了一层玻璃质平滑薄层釉。陶瓷一般是通过将粉末原料成型，烧结而成的。经过这些工艺所制得的陶瓷，是由许多微晶聚集的多晶体构成，这就不可避免的存在着晶界。晶界不仅在陶瓷烧结过程中起着重要作用，而且还对烧结体物理、化学性能有很大影响。陶瓷晶界有错位、空孔等晶格缺陷和晶格畸变存在，杂质就容易集中，形成晶界偏析层、层状析出物、粒状析出物。由此可知陶瓷材料的特点是显微组织且不均匀。

2 支柱瓷绝缘子断裂的原因

支柱瓷绝缘子劣化因素既与制造厂的材料、配方、工艺流程有关，也与环境及运行中承受的负荷有关。

（1）运行中的支柱瓷绝缘子大都在法兰处断裂，支柱瓷绝缘子如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均，焙烧火力不足等，易形成瓷件内部缺陷，在长期承受运行中的机械负荷，以及风、雨等因素影响，从而使末裙与法兰交界处附加应力增大，导致支柱瓷绝缘子产生裂纹、气隙，以至断裂。

（2）陶瓷、金具和水泥紧密粘合在一起，组成支柱瓷绝缘子，而三种材料的膨胀系数和导热系数都是不同的，当环境温度发生骤变时，使得法兰内瓷体承受的应力过大和集中，应力无法释放，就会作用在有缺陷的绝缘子端部，使支柱瓷绝缘子产生裂纹等缺陷，最终在外部环境作用下导致瓷件断裂。

（3）在隔离开关安装过程中，错位别劲，这样在温度变化时，由于热胀冷缩作用，产生机械应力，长时间作用也可能导致支柱瓷绝缘子断裂。

（4）由于检修维护不到位，隔离开关出现锈蚀、卡涩等现象，由于温度变化作用，产生长时间的高变应力，最终导致支柱瓷绝缘子疲劳断裂。

（5）隔离开关操作次数频繁，操作不当，产生很大的短时机械负荷，导致支柱瓷绝缘子断裂。

3 超声波无损探伤的基本原理

超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、检测速度快、对被测试品和人员均无害。目前托克托电厂使用的是美国泛美的EPOCH-LT超声波探伤仪和南京卓实的专业探头，现在超声波探伤仪大部分是A扫描方式的，即显示器的横坐标是超声波在被测试品中的传播距离或传播时间，纵坐标是超声波反射波的幅值。由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅值可以估算缺陷大小。超声波探伤是通过探头产生和接收超声波的，探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波。产生的超声波经耦合后传入被测试品中，遇到异质界面处，就会全部或部分被反射，反射回来的超声波又被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的显示屏上就显示出不同高度和有一定间距的波形，根据波形的变化特征，判断缺陷在被测试品中的深度、长度和类型。

4 支柱瓷绝缘子爬波探伤方法的研究

4.1 支柱瓷绝缘子检测的重点

从支柱瓷绝缘子损坏情况来看，通常在铸铁法兰和瓷绝缘子的结合部。这里也是支柱瓷绝缘子应力最集中、最容易产生裂纹和发生断裂的区域。该区域的显著特点是水平跨距较小，约为20mm～50mm。此处一般有部分砂层覆盖，扣除探头无法放置的砂层过渡区后，跨距至多为20mm所以本此研究检测的重点是支柱瓷绝缘子在埋藏在法兰口内侧2～3mm或与瓷体相交的表层下的裂纹。

4.2 爬波探头功能

爬波仅仅对距表面深度1～8mm内缺陷有效。应调整e角度尽可能找出最大索范围。试验表明回波声速快距离始脉冲较近，同时横波声速仅为爬波的1/2，由横波产生的信号在时间基线上位置明显滞后，因此不会干扰检测。

4.3 爬波探头的选择及位置

探头的弧度划分为φ100、φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ240以及平面等8种规格。选择探头的原则是根据被探支柱瓷绝缘子的外径选择，探头接触面的弧度应略大于瓷件的外径。同时要注意被检测瓷件的材质，选择同类别的试块和探头。

4.4 耦合剂的规定

应采用良好的耦合剂，必须保持耦合剂的清洁，且耦合剂不得对支柱绝缘子造成腐蚀等不良影响。

4.5 探伤试块的规定

探伤试块材质的致密性应良好，应具有与被检测的支柱绝缘子相同或相近的声学性能。探伤试块形状为圆形实心瓷件，其上有均布4个方向的深度分别为1mm、3mm、5mm、7mm的人工割口缺陷。

4.6 测试方法

首先选择合适的探头，利用标准试块，用1mm人工割口绘制DAC曲线，DAC曲线将作为标准和所测波形来判断被测试品中是否有缺陷。在检测过程，探头与瓷件之间必须填充耦合介质以实现声能的传递。耦合剂在瓷件与探头接触面上具有排除空气，填充不平的凹坑和间隙，此外耦合剂还有减少摩擦、方便移动的功能。若支柱瓷绝缘子出现缺陷时，缺陷波前基本无杂波，移动探头时，随着缺陷距离的迫近，缺陷波高显著增强，此时可采用绝对灵敏度测定其指示长度。

4.7 爬波探伤灵敏度的确定

将探头置于试块，找出距探头前沿20mm深度2mm模拟裂纹的最强反射波，调整至80%波高，将探头置于支柱绝缘子的探测面，如果是普通瓷应在此基础上衰减6～8dB，中强瓷衰减8～10dB，高强瓷衰减12～14dB，即为探伤灵敏度（探伤部位如果已经涂刷防水胶时应在确定探伤灵敏度后再增益5～6dB）。

4.8 扫查方式

环绕支柱绝缘子径向旋转扫查。

4.9 爬波探伤缺陷的评定

采用爬波檢查外壁缺陷时，显示屏始脉冲后基本无杂波，缺陷信号容易识别，指示长度易测定，扫查时会出现两种情况：第一种情况是外壁缺陷反射波高≤深度1mm模拟裂纹反射波高，此时应以用于指示长度，当指示长度>10mm时应判定为裂纹，<10mm时应判定为点状缺陷。第二种情况是当缺陷反射波高>深度1mm模拟裂纹反射波高时，当长度5 支柱瓷绝缘子的运行维护

（1）判断瓷瓶质量好坏正确与否，很大程度上取决于探伤人员的实际经验，除了加强工作人员的探伤技术培训，还必须清楚绝缘子的制造工艺，熟悉缺陷的产生机理。

（2）在停电时间允许的情况下，要结合爬波和纵波两种方法对支柱瓷绝缘子内部的缺陷进行全面检测。

（3）对运行中的高压支柱瓷绝缘子，在设备检修和运行中，应认真检查，正确操作，严禁蛮力操作。

（4）为了进一步了解支柱瓷绝缘子的状况，应建立测试台帐及相关管理制度，确定合理的测试周期，做到心中有数，为升压站的安全稳定运行提供了可靠的保证。

（5）支柱瓷绝缘子的超声探伤检测周期：一是更换支柱瓷绝缘子时。二是对新投运的支柱瓷绝缘子，在投运一年内进行一次普测，测试报告存档。三是运行15年及以上的支柱瓷绝缘子检测周期为3年。四是运行15年以下的支柱瓷绝缘子检测周期为6年。五是对停电困难的母线的支柱瓷绝缘子、母线侧隔离开关支柱瓷绝应创造停电条件对支柱绝缘子进行检测。

参考文献

[1]唐琨.超声波无损探伤在托电支柱绝缘子中的应用[J].科学时代，2012，（14）：98.

[2]李晓红，丁杰，陈汉明，等.电网绝缘子的无损检测技术[J].无损检测，2004，26（3）：129-131.

（作者单位：大唐国际发电股份有限公司）