支柱瓷绝缘子的爬波检测方法研究

弋 楠

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳，712000）

支柱瓷绝缘子的爬波检测方法研究

弋 楠

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳，712000）

在检测方法研究中针对绝缘子及瓷套缺陷产生的特点设计多种探伤方式，国内外现有的检测方法使用超声波检测未得到推广。而其他检测方法因为检测环境的限制，对在役使用的绝缘子检测结果偏差较大。结果表明，支柱瓷绝缘子在超声波探伤时选择爬波探头对法兰口裂纹的检测非常有效。

支柱瓷绝缘子；瓷套；爬波；折射角；距离波幅曲线

0 引言

自1978年改革开放以来，国民经济进入一个高速稳定的发展时期。电力工业作为国民经济的支柱产业，也以较快的速度稳步增长，到了20世纪90年代末，我国的电力工业进入了一个高速发展的时期，根据规划，到了2020年，将达到10-12亿KW。由此可见，保障电网的安全对于电压等级不断提高、规模和容量持续增大的电力系统和国家快速增长的经济建设来说显得至关重要。

长期以来在电网中出现的高压支柱瓷绝缘子的突然断裂，一直困扰着电网的安全运行，特别是近年来高压支柱瓷绝缘子在运行中突然断裂的事故频频发生。严重影响到电网安全及其稳定的运行。为了加强对高压支柱瓷绝缘子的技术监督工作，明确规定了采用超声波检测方法对高压支柱瓷绝缘子及瓷套进行检测的要求。

1 支柱瓷绝缘子断裂分析

经过对大量绝缘子检验发现，支柱瓷绝缘子及瓷套的裂纹产生的原因与绝缘子的加工工艺及工作特性有着直接的关系。支柱瓷绝缘子主要由分布在玻璃状机体里的刚玉，莫来石，石英和长石等组成，其中结晶成分越高则绝缘子的机械强度就越强，制造绝缘子的过程中，这些结晶粒子承受着明显的拉伸应力的作用，在瓷制品煅烧后的冷却情况下会出现这种应力，究其原因为线性膨胀系数在不同材料中也是不相同的，在这些应力影响下，玻璃状基体，结晶粒子和他们的边界上可能滋生出来微裂纹，这一过程，在有时候也出现于质量优等的支柱瓷绝缘子上，因此有些绝缘子在出厂的时候就可能存在有我们无法观察到的微裂纹等瑕疵。绝缘子在使用过程中，由于存在环境温差，使绝缘子可能承受巨大的内应力，因而在使用过程中断裂的部位也是机械力比较集中的部位，在这些部位集中出现裂纹等缺陷。

支柱瓷绝缘子裂纹具有以下特征：

（1）裂纹尺寸很小，例如表面产生的裂纹深度约1mm，大多存在于在绝缘子底端法兰面上，当内应力过大，或者在恶劣环境中使用时，即使如此细小的裂纹也能使得绝缘子损坏。

（2）裂纹从其滋生到瓷件破损，在瓷件上生长的时间难以预测，有时候裂纹刚滋生几秒就导致支柱瓷绝缘子的断裂损毁。也存在裂纹滋生后在几年内都在服役的没有发生破损的绝缘子。

（3）瓷件的内部裂纹不可能用肉眼去发现，包括位于绝缘子法兰面下边的裂纹，而且表面裂纹用肉眼去发现也是相当困难的事情。

（4）对绝缘子受到外力作用时出现的附加应力会使新的结晶粒子收到损伤，导致微裂纹出现跳跃式的增长。

2 支柱瓷绝缘子及瓷套的爬波检测研究

爬波的产生是利用超声波在两种异质中传播时在界面处发生折射和波型转变。根据超声波传播的特性，当超声波垂直于界面从一种介质向另一种介质中传播时，只有反射波和透射波。但是超声波倾斜入射时，除了反射波以外，还会产生波形转变，生成一列纵波C和一列横波S。纵波和横波的折射角取决于第一介质和第二介质的声阻抗。而第一介质一般是有机玻璃楔块，第二介质则取决于被检工件的材质，对于陶瓷来说，第二介质的声阻抗大于第一介质声阻抗，因此纵波折射角大于纵波入射角。倘若纵波的折射角恰好等于90°，那么此时在第二介质中产生的横波和折射角为90°的纵波叠加形成的声波就叫做爬波。

由于纵波在有机玻璃中的声速平均为2700m/s，在陶瓷中的声速跨度较大在5800m/s-6900m/s之间，因此，在第二介质中传播时，经过折射后能量主要都集中在表面下的某一范围内，所以对表面和近表面的缺陷有较高的检测灵敏度。由于爬波折射产生的是一列纵波其声场的最大幅值方向跟表面构成一个很小的角度，该折射纵波仅在表面下传播且在表面上声场散射较小，因此爬波不像表面波那样对于被检工件的表面是否粗糙非常敏感，因而爬波可以很好的使用与支柱瓷绝缘和瓷套的检测。

在检测支柱瓷绝缘子所用的爬波探头的第一临界角由公式1，2，3算出。

式中：CL1--超声纵波在延迟块中的声速，取2700m/s；CL2--超声纵波在支柱瓷绝缘子中的声速，根据绝缘子材质不同，普通陶瓷纵波声束5800m/s，高压陶瓷纵波声束6900m/s之间；CS2--超声横波在支柱瓷绝缘子中的声束。

计算得

根据算出超声波爬波探头晶片第一临界角约为23.04°到27.74°之间。从角度区间上可见跨度范围相对较大。为了增进精准度，因此有必要对实际探测时的爬波的晶片角度。将探头做成晶片角度可调节的探头如图2，通过改变探头上角度刻度盘上的指针角度，就可以改变晶片入射角。

算出直探头在支柱瓷绝缘子试块上测得纵波声速为6330m/ s，计算晶片角度为25.24°，在探头上将晶片角度可调的探头晶片调节到26°，并将探头放置于测定爬波探头性能的试块上，找到距探头前端面10mm，深度是5mm的模拟裂纹，测得最强反射波调到80%屏高记录下该波高强度分贝值（dB）读数，然后依次测出距离分别为20mm，30mm，40mm，50mm处的模拟裂纹的波高，分别记录各自分贝值（dB）读数，在示波屏上绘制出一条距离波幅曲线，分别制作做晶片角度为23°，24°，25°，27°，28°，29°，30°的单晶爬波探头，测出距离波幅曲线。

对测试结果看入射角为23°与24°时，距离波幅曲线的高度比25°，26°与27°时刻的偏低，但是偏低的趋势不明显，数据接近。而将入射角增大到28°和29°时，距离波幅曲线明显降低，说明，此时的入射角度会极大地降低爬波探伤的灵敏度，因此从这些曲线变化来看，说明爬波产生的区间为23°到27°为宜。尽管从理论上计算的25.24°是爬波产生的理论角度，但是从灵敏度的测试来看，此角度并不是最佳角度，从距离波幅曲线数据中看，通过实验使用26°和27°的晶片角度较为理想，这说明爬波纵波以计算出的第一临界角数值入射时，爬波声场在检测工件的准确程度上并非为最好的。而角度较小的23°和24°也能有不错的波高。

因此，在爬波检测时，入射角对于在第一临界角入射时前后变化，发出声波的波型很趋近爬波波型，但是头波的能量在爬波探头入射角不同的时候，对于头波的能量有待于进一步研究。

3 爬波检测支柱瓷绝缘子的检测工艺

3.1频率和晶片尺寸的选择

超声波检测时，对于检测灵敏度与波长大小是密不可分的，对于爬波探头来说主要是依靠折射之后产生的纵波和横波相互叠的区域进行对缺陷的检出的，在检测缺陷时，探头靠近缺陷，可以将此过程看做纵波与横波分别检测缺陷的过程。从公式4来看

式中，λ—波长，mm；c—波速，m/s；f—频率，MHz。

当选择频率相同纵波与横波斜探头时，探头发出超声波的声速越大波长也就越大。而超声波检测时，检测的灵敏度是与波长有直接关系，为波长的1/2。当波长越大时，灵敏度也就越低，纵波声束大于横波因此纵波检测的灵敏度要低于横波灵敏度低于表面波的灵敏度。

在研究超声波晶片尺寸之与灵敏度的关系的时候，利用超声波扩散角进行分析，超声波的扩散角满足公式5

式中，K—斜率；λ—波长，mm；D—直径，mm。

从该式中可以看出，晶片的声速一致的情况下，晶片尺寸越小，扩散角越大，声场的指向性会变差，导致在传播时的扩散衰减严重，不适合检测厚度大的工件。对于尺寸相同的单晶探头和多晶探头，显然，单晶片探头扩散角小，指向性好，适合检测厚度大的工件，而多晶探头由于有较大的扩散角，因此在厚度不大的工件探伤中可以很好的应用。所以单晶片探头的扩散角小，适合测量厚度大的部位，多晶片探头的扩散角大，用来探测薄的部位。在使用多晶探头探伤时为了增加灵敏度并且减小多晶片探头的声束扩散角的影响，可以将多晶探头做成聚焦探头来使用，利用聚焦重叠区来检测覆盖于焦点厚度范围内分布的缺陷。

总之，在检测时，单晶片探头的指向性好，多晶探头的灵敏度高。在检测支柱瓷绝缘子时，为了尽可能多的发现缺陷，则应该综合考虑检测部位的特点，采用纵波，横波和爬波检测共同来完成。

3.2检测区域的划定

从第二章绝缘子的断裂特点上得到，支柱瓷绝缘子及瓷套受其结构在运行中的受力等因素，一般断裂都发生在上下端法兰与第一伞裙之间的瓷体上。因此主要检测区域是上下瓷件端头与胶装的整个区域。检测重点是瓷体相交的区域与法兰口内外5mm处。如图1所示。

图1 爬波检测支柱瓷绝缘子区域的划分

3.3检测方法的确定

对于直探头无法探到的已经胶装的支柱瓷绝缘子的端面位置是否会有裂纹，采用爬波对其进行探测，因为爬波是在表面以下进行传播，对表面的各种状态不敏感。但是对于不同材质的支柱瓷绝缘子，普通瓷和高强瓷往往在声速上从5800m/s-6700m/s之间，声速跨度约900m/s，则对于不同声速的支柱瓷绝缘子的检测，必须匹配相应的探头，探头中晶片角度由计算法和实测法得出。

用爬波对瓷支柱绝缘子进行检验是受的影响因素相对也复杂，其中之一的就是作为支柱瓷绝缘子的最主要的材料，烧结条件等息息相关，裂纹的深度也会对爬波检测时产生一定的影响。采用在支柱绝缘子和瓷套试块上加工1mm、2mm、3mm、4mm的模拟裂纹，分别在距离模拟裂纹5mm-20mm处依此进行试验，试验结果见下图2所示。

Study on creeping wave detection of post insulators

Yi Nan
（Shanxi Polytechnic Institute，Xianyang Shanxi,712000）

Design various inspection method in detecting method for insulator and porcelain cover defects at home and abroad, the existing detection method of ultrasonic testing has not been popularized. And other detection methods because the detection of environmental constraints, the larger of test results in the insulator inspection service with deviation. The results show that the post insulator in ultrasonic flaw selection of creeping wave probe on the flange crack detection is very effective.

Strut porcelain insulator; Porcelain sleeve; Creeping wave; Angle of refraction; Distance amplitude curve