相控阵超声波检测复合绝缘子内部缺陷

闫军帅

摘要：对于电网的安全维护来说，若要规避由硅橡胶复合绝缘子内部缺陷带来的问题，针对其在常规对接、硅橡胶中端气孔漏缺及断面缺缝、芯棒和伞裙护套相融差等四类状况，通过相控阵超声波探伤设备实施无损测试。然后针对复合绝缘子在三类缺陷形式下超声波脉冲回波反射（A 扫描） 图像与相控阵扇形扫描（S扫描）图像进行比较分析，得出通过超声波相控阵方法可以更精准、有效地确定缺陷信息。再整理出复合绝缘子在常规对接、缺陷状态下的相控阵超声波图像的属性区别，证实了在对复合绝缘子内部缺陷信息进行测试时，相控阵超声波测试法发挥的作用，以此能够明确一个全新的检测方向。

关键词：复合绝缘子；无损检测；超声波；相控阵；超声脉

对于电力系统的安全维护来说，复合绝缘子属于一个非常重要设备，其功能是：悬置导线，将高压线与杆塔进行隔绝。其质量的好坏和电力系统的安全维护存在一定的关联性。从二十世纪五十年代之后，绝缘子得以顺利研制，其优势是：体积小、自重轻、抗污性强、绝缘性高等，对此得到全面应用。不过，考虑到绝缘子加工技术等因素而造成护套内气孔断裂、芯棒和护套分离等现象，对此，隐匿型缺陷则会对电网系统的安全维护带来不利的干扰。所以，必须在对绝缘子内部缺陷进行测试的过程中，一定要找到一个更精准、更有效的测试方法。

1 相控阵超声波检测工作机制

对于超声波检测法来说，假若必须对物体中的特定区域进行显像，那么则可选择声束扫描法。对于相控阵成像来说，则是利用管理阵列换能仪里相关阵元的激励和接收脉冲的时间推后，以此调整相关阵元发射（接收）声波抵至物体中特定位置时的相位关系，达到声束位置、凝聚点的调整，以此来合成相控波束，进行显像。对于常规超声波脉冲回波扫描的换能仪构成元素来说，则是若干个晶振片。而对于相控阵超声换能仪来说，其创建理论是以惠更斯为基础形成的，经若干个彼此独立的压电晶片创建阵列，各晶片代表着一个单元，根据特定时序通过电子系统进行激发管理，让阵列里每个单元发射的超声波进行合成，以此构建一个全新的波阵面。并且，当反射波在接收期间，根据特定时序对接收单元进行管理，且合成信号，然后把合成结果进行显像。

2 相控阵超声波检测试验

2.1 声阻抗匹配

当换能仪的压电晶片透声层的宽度是1/4 波长条件下，透射率最高，则可以让声强实现百分之百透射。把耦合剂均匀地涂抹在硅橡胶和超声探头的对接面处，能够让超声波声强最大程度地运输至硅橡胶护套中，可以降低声强在首界面的反射受损。在进行试验期间，所用到的相控阵超声波探头的透声层宽度是1/4波长，可选择直接碰触方法，所选有的耦合剂是机油（质量密度920kg/m3，声速1.39km/s，声阻抗率1.28MPas/m）

2.2 试验试品

若满足超声探伤设备探头的径度要求，该试验选用试品是：空心复合绝缘子；其中环氧树脂玻璃纤维缠绕管是由芯棒制成的，高温硫化硅橡胶是由伞裙制成的。其绝缘子的径长是1520mm，套筒的外内径各是330mm和300mm，大小伞径长各是484mm和424mm，大小伞距各是96mm和32.5mm，伞裙护套尺寸是3mm。

3 特殊缺陷图像鉴别和研究

3.1 伞裙护套和芯棒融合良好状况

该试验扇扫范围-20—20，纵坐标是指波长度；若要更直观地观察图像，通过调整声速的手段，让纵坐标值变成真实值的十倍。A扫图和扇扫图间的色带从高到低是指回波强度的从高到低，也就是扇扫图像的颜色愈偏向红色，那么代表着此位点的回波幅度愈大。在探头周围存在一个红色高亮区，即被测物表层1mm代表着扫描盲区。当对A扫图像进行分析时，在1-2.5mm范围内是白色，无回波，由此来看，这位点并未缺陷。当长度是2.6mm时，形成幅度极大的回波，这就是玻璃纤维芯棒和伞裙护套的隔绝处，有一个底面回波。而对于扇形扫描图像来说，在2.6mm周围形成红色高亮区，这属于玻璃纤维芯棒和伞裙护套的隔绝点。

3.2 护套中端气孔缺陷

对于芯棒和伞裙护套中间的区域来说，形成一个径长是0.5mm的气孔缺陷。因为硅橡胶是存在弹性的，在检测期间可将针置于缺陷处，以此确保缺陷外型固定。对于相控阵扇形扫描图像来说，能够发现在芯棒和伞裙护套间（0-2.8mm区域）的1.7mm处形成一个色带，其缺陷在图像中极不清晰，其根源是：第一缺陷范围小；第二钢针和硅橡胶的声阻抗值相似。则在此处两端也形成不明显的色带，其根源是因为探头表层是水平，不过被测物的表层形成特定曲率，对此，这并非属于绝对的融合而造成的影响；并且，当人为形成缺陷时，针孔附近形成微弱裂孔，A型扫描图像在1.7mm周围形成极弱的回波幅度，由此来看，其气孔缺陷径长极小。和S扫图像比较发现，A 扫波形幅值不大，很难被察觉。

3.3 硅橡胶中端断面缺陷的相控阵图像特性研究

当硅橡胶中断形成断裂缺陷时，通过相控阵扇扫图得出，在其2.0-2.5mm范围内可形成缺陷图，也就是说形成多层断面缺陷，最显著的属于两层断面，其图像里包括两条显著的色带。考虑到缺陷的形成，在芯棒附近顏色逐渐淡化。不过A扫图像对此也会形成相同波形，且在2.1与 2.4mm处最明显。

3.4 伞裙护套和芯棒融合不良的相控阵图像特性研究

通过相控阵图像分析，能够发现，在试品的2.7-3.0mm周围形成一些脱黏情况，且在2.2-2.5mm周围形成中断断裂缺陷。经过扇扫图像分析，其形成两条色带（其一是亮绿色；其二是亮黄色），并且它们之间的路径在右边扇形区比左边扇形区大，代表着左边区更适应芯棒和伞裙护套融合不良，同时缺陷有片状特点。而右边区域则属于橡胶中端断裂缺陷。

4 结论

（1）相控阵超声法可更精准地发现绝缘子气孔缺陷、中端断裂缺陷、芯棒和护套脱黏缺陷等；

（2）选择相控阵超声法可发现绝缘子径长是0.5mm的极小缺陷，精确度高；

（3）相控阵超声法可以在探头固定时测试复杂物料。其扇扫图像具有二维特征，和A 扫图像对比，可以有效地找到缺陷的径长与位点，能够定量分析缺陷的大小与性状。

（4）相控阵超声法能够精确地发现绝缘子的内在缺陷，不过针对径长极小的悬式绝缘子的测试，需全面分析。

参考文献：

[1]陈原，刘燕生，沈健，等.复合绝缘子隐蔽性缺陷检测方法[J].电网技术，2006，30（12）：58-63.

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[3]谢从珍，刘珊，刘芹，等.交流500kV复合绝缘子内部缺陷对轴向电场分布的影响[J].高电压技术，2012，38（4）：922-928.