GIS盆式绝缘子应力超声检测技术应用与展望

何伟明，郝艳捧，邹舟诣奥，阳林，王国利，高超，周福升，李立浧

(1.华南理工大学 电力学院，广东 广州 510641；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)具有可靠性高、安全性强、受外界环境因素影响小、检修维护方便、结构紧凑、占地面积小、安装周期短、配置灵活、可扩展性强等优点，特别适合大城市场地拥挤地区的变电站、地下变电站，以及山区地势险峻的水电站。

盆式绝缘子是GIS的关键部件，由金属嵌件、环氧绝缘和金属法兰环组成，具有电气绝缘、隔离气室、支撑导体等作用，其电气、机械和导热性能直接关系到GIS安全运行。盆式绝缘子应力分布不均匀，运行时在电场、机械载荷和温度等综合作用下容易应力集中产生微裂纹，严重时导致漏气、局部放电、绝缘闪络和烧蚀等故障。某电网2010—2017年GIS由绝缘问题引起的故障率高达69%，其中盆式绝缘子应力集中是导致绝缘问题的根本原因之一。近年来，因盆式绝缘子力学性能欠佳造成破裂故障时有发生，严重影响GIS安全运行[1]。盆式绝缘子应力包括制造过程产生的残余应力，以及运输、安装和运行过程中因外界载荷引起的应力改变。

GIS盆式绝缘子由液体环氧树脂、固化剂和无机粉末填料混合，与中心铝导体嵌件一体浇注高温固化而成。浇注固化过程残余应力的来源有：

a)环氧树脂固化收缩：环氧树脂收缩率约为1%～2%，包括固化温度下的反应收缩、从固化温度经玻璃化转变温度到室温过程中的冷却收缩[2]。

b)界面残余应力：环氧树脂和铝嵌件的温度线膨胀系数分别为2.6×10-5K-1、2.39×10-5K-1[3]，固化过程温度变化时2种材料的热胀冷缩不一致，铝合金弹性模量70 GPa、泊松比0.33，环氧树脂在室温下的拉伸弹性模量13 GPa、泊松比0.36、拉伸强度73.01 MPa，而两者界面剪切强度仅11.24 MPa，界面残余应力较大，严重者在粘接处剥离[4]。

c)浇注固化不均匀：固化时绝缘子内部与表面局部温度不均匀，环氧树脂、固化剂和填料颗粒混合不均匀，填料在浇注固化过程中沉降分布不均匀，尤其是嵌件周围填料含量差异较大[5]，残余应力增强。

外部载荷会引起GIS盆式绝缘子应力分布改变。这种外部载荷除了GIS盆式绝缘子运输中颠簸振动和机械摩擦、安装中导电杆安装倾斜、螺栓紧固力不均匀等，还包括盆式绝缘子运行时承受的自身和部分导体重量[6]、两侧的SF6压力差[7]、开关引起的机械振动[8]、外壳和导体在电流交变电磁场中的电动力[9]等。

目前，一般通过水压试验考核GIS盆式绝缘子机械强度，尚无GIS盆式绝缘子应力检测方法[10]。盆式绝缘子研究集中在表面电荷积累、微小缺陷对电场分布影响、中心嵌件结构优化、使用介电功能梯度材料改善电场分布等电气性能，以及盆式绝缘子工艺质量的改进和提升等[11-12]，只有少量文献报道了盆式绝缘子机械性能研究[4-5,13-15]。

2014年上海雷博司电气公司和西安交通大学在126 kV三相共箱型GIS盆式绝缘子表面贴应变片测量表面应力，发现了2种应变(应力)突变点：金属嵌件周围的应变会发生突变且降低，为破坏起源之一；两金属嵌件连线中点曲面处为另一突变点，应变最大，为破坏起源的另一种形式[5]。

2015年西安高压电器研究院有限责任公司和深圳供电局有限公司利用箔式电阻应变片测量凹面水压试验的220 kV盆式绝缘子破裂起始位置、时间和发展趋势，发现破坏起始点接近法兰处[13]。

2017年中国电力科学院有限公司利用直角双向应变片测量水压试验的252 kV盆式绝缘子表面周向应变和径向应变，利用材料应力应变关系计算各部位应力发现：3 MPa水压以下，盆式绝缘子具有较好的线弹性，其凹面受压时，凸面离嵌件距离越远应力越大，曲面弧线段末端应力集中，易发生脆性断裂；水压较大时，盆式绝缘子局部区域径向拉应力超过环氧树脂拉伸强度，发生脆性断裂[14]。

2018年西安交通大学采用布拉格光纤光栅测量水压试验盆式绝缘子多个位置的表面径向和环向应变，发现主应力沿盆面切向和法向分布，第一表面主应力为盆面径向切应力，径向应变沿中心导体到法兰方向逐渐增大，最薄弱处靠近法兰曲率半径较小的盆边沿附近[15]。

2019年西安理工大学和西安交通大学研究发现，特高压盆式绝缘子在国产化初期，其机械破坏主要是中心导体嵌件剥离，裂纹根部在中心导体附近，呈树枝状向盆边发展，中心导体与绝缘盆体界面残余切应力是水压试验界面大面积剥离的主要因素。随着工艺的改进，盆式绝缘子破坏变为盆边(接近法兰处)绝缘子中心整体脱落[4]。

上述文献均是通过应变片测量GIS盆式绝缘子水压试验表面形变，实现表面应力检测。本文基于GIS盆式绝缘子应力超声检测技术，阐述声弹性理论及超声检测方法，分析其特点，探讨纵波法和临界折射纵波法在GIS盆式绝缘子应力超声检测中的应用前景，展望未来研究的方向。

1 超声波与声弹性原理

1.1 超声波

超声波是指振动频率高于20 kHz的机械波，能在不同介质界面上产生反射、折射、衍射和波型转换，其频率高，波长短，方向性好，能量高，穿透力强，被广泛用于无损检测[16]。超声检测常用的波型有纵波和临界折射纵波。纵波是指介质中质点的振动方向与波的传播方向互相平行，能在固体、液体和气体中传播。临界折射纵波是指当超声波以大于第一临界角、小于第二临界角的角度从一种介质入射到另一种介质时沿界面传播的纵波。无限大固体介质的纵波声速[16]

(1)

式中：E为介质的弹性模量，为单向应力状态下应力除以该方向的应变；ρ为介质的密度；v为介质的泊松比，为材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值，也叫横向变形系数，是反映材料横向变形的弹性常数。声波在不同介质中传播速度不同，也会随着介质的温度、压力而改变。

1.2 声弹性原理

声弹性理论研究弹性波的传播速度与应力之间的关系。弹性波在有应力的固体材料中传播的速度不仅取决于材料的二阶弹性常数和密度，还与高阶弹性常数和应力有关。这种声速与应力的关系称为声弹性效应，是声弹性应力测定的依据[17]。

弹性常数是表征材料弹性的量，用于联系介质中应力与应变关系。常用的弹性常数有弹性模量E和泊松比v。对于小形变而言胡克定律成立，应变与应力成正比，遵守胡克定律的各向同性材料的弹性性质由弹性模量来说明。上述弹性常数是二阶弹性常数，在材料力学性能表征中得到了广泛应用。

1.2.1 单轴应力声弹性方程

1.2.1.1 纵波及其声弹性效应方程

纵波在单轴应力的各向同性固体介质中的传播如图1所示。

图1 空间直角坐标系中超声纵波与单轴应力场的关系Fig.1 Relationship between ultrasonic and uniaxial stress field in space rectangular coordinate system

根据纵波传播与应力的方向关系，其声弹性方程分为2种，平行应力、垂直应力传播的纵波声速与应力[18]的关系分别为：

(2)

(3)

式中：ρ0为固体介质发生变形前的密度；σ为施加的单轴应力；Vijk(i,j,k=1,2,3)为纵波声速，下标i表示声波的传播方向，j表示介质中质点的偏振方向，k表示单轴应力的方向；λ、μ为可以分别用弹性模量E和泊松比v表达的二阶弹性常数；l、m为三阶弹性常数。

1.2.1.2 临界折射纵波及其声弹性效应方程

当超声纵波L从介质1斜入射到介质2时，界面处不仅发生纵波的反射，在介质2中还会折射出纵波L′和横波S′，随着纵波入射角的增大，还会发生波型转换[19]，如图2所示。图2中：θ为纵波入射角；θ01为第1临界角；θ02为第2临界角；θL为纵波折射角；θS为横波折射角。

图2 超声纵波斜入射界面时的波型转换Fig.2 Wave mode conversion of ultrasonic longitudinal waves with oblique incidence

入射纵波声速V0、折射纵波声速VL、折射横波声速VS、纵波入射角θ、纵波折射角θL、横波折射角θS符合Snell定律[19]，即

(4)

由式(4)可知，折射纵波和折射横波的折射角随着纵波入射角增大而增大，当折射纵波的折射角为90°时，界面上出现临界折射纵波，此入射角为第1临界角θ01。当纵波入射角增大到介质2中，折射纵波和折射横波都消失，此入射角为第2临界角θ02。

当纵波入射角θ=0°时，介质2中只有折射纵波；当0<θ<θ01时，介质2中有折射纵波和折射横波，见图2(a)；当θ01≤θ<θ02时，介质2中只有折射横波，界面有临界折射纵波，见图2(b)；当θ≥θ02时，介质中折射横波和折射纵波都消失，界面有折射纵波和折射横波干涉而成的表面波[18]，见图2(c)，其质点运动轨迹在均匀介质中为逆时针方向，成椭圆极化。

设临界折射纵波在固体中声程固定为S时，传播时间为T，其(或传播声速)与应力关系[20]为

(5)

式中：σ0为初始应力；T0为初始应力σ0作用下的传播时间；K为声弹性系数，表示声弹性效应中超声传播时间对应力的敏感度，与材料弹性常数、超声波类型和频率有关。

1.2.2 平面应力声弹性方程

空间直角坐标系中超声波与平面应力场关系如图3所示。

图3 空间直角坐标系中超声波与平面应力场关系Fig.3 Relationship between ultrasonic wave and plane stress field in space rectangular coordinate system

考虑平面应力状态下弱正交异性板，在空间直角坐标系中X、Y为主应力σx、σy方向，Z为板厚度方向，VZZ为质点振动方向与波的传播方向均为Z轴的纵波声速，其声弹性方程有3种，分别是纵波声弹性方程、横波声弹性双折射方程和表面波声弹性方程。其中，平面应力下的纵波声弹性方程[17]为

(6)

2 应力超声检测方法

目前，应力检测主要有机械测定法和物理测定法。机械测定法会损伤被测工件，不适用于盆式绝缘子应力检测，而物理测定法利用材料的物理性质无损测量其应力，包括X射线法、中子衍射法、扫描电子声显微镜法、磁性测定法、巴克豪森噪声法和超声波法等[18-19,21]。X射线法利用波的衍射得到晶面间距变化，确定弹性形变测量应力，但仅能用于薄膜或材料表面5～20 μm的应力检测，受材料表面粗糙度、晶粒尺寸和表面曲率等影响较大[18,22]。中子衍射法原理与X射线法相似，不同的是中子穿透力强，可测量材料应力，但样品体积较大，空间分辨率较差，中子反应堆建造和运行费用昂贵[22]。扫描电子声显微镜基于热波成像原理，对材料热学或热弹性质的微小变化进行成像，但检测深度受限，只能用于材料表面和亚表面的应力检测[23]。磁性测定法测量的材料必须是铁磁性的，且对微结构和各向异性敏感[18]。巴克豪森噪声法通过测量铁磁性材料畴壁不可逆移动发生跃变磁化现象时产生的电脉冲信号获得应力，但仅适用于铁磁性材料[18]。与上述方法相比较，超声波法检测速度快，人体无辐射伤害，成本低，设备简单，方便携带，可用于材料应力的现场或在役检测[24]。

超声检测方法按波型有纵波法和临界折射纵波法，按原理有脉冲反射法和穿透法，按探头数目有单探头法和双探头法，按显示方式分为A型显示和超声成像显示(包括B、C、D、S、P型等)[16]。本文按波型及其传播原理分析应力超声检测方法的特点，探讨纵波法、临界折射纵波法在盆式绝缘子应力检测中的应用。

2.1 纵波法

根据纵波声弹性方程，通过测量物体中纵波声速变化可得到其应力，纵波法可分为穿透法和反射法，如图4所示。

图4 应力超声纵波检测方法Fig.4 Stress detection method by ultrasonic longitudinal wave

中国物理研究所利用纵波反射法，测量复合材料高聚物炸药的超声一次和二次底面回波的时间差，通过计算声速来检测其内部压缩应力[25]。

华南理工大学利用超声纵波法检测GIS盆式绝缘子环氧复合材料垂直压应力，结果表明，环氧复合材料平均声弹性系数为4.556×10-5MPa-1，测量相对误差在应力10～15 MPa时较大，最大为85.78%，在应力40～70 MPa时小于19.87%[20]。

该方法用于有平行平面、厚度不大的物体，通过测量物体的声弹性系数和无应力下的声程、声时以及应力下的形变等参数检测物体应力，是测量材料声弹性系数的主要方法。

2.2 临界折射纵波法

图2中，当θ01≤θ<θ02时，介质2浅表面有临界折射纵波，应力临界折射纵波检测原理如图5所示。发射探头发出纵波经过楔块与试样界面折射，在试样中产生临界折射纵波，由另一个接收探头接收。

图5 应力超声临界折射纵波法检测示意图Fig.5 Schematic diagram of stress detection by critically refracted longitudinal wave

发射探头和接收探头之间初始距离L的选取与材料性质有关，同种材料，L的增大会导致测量准确性降低[26]。临界折射纵波能有效穿入材料一定深度，该深度与换能器频率有关，选择不同的激励频率可改变检测深度范围，能反映均匀材料深度方向的应力梯度以及计算不均匀材料的不同深度各向异性弹性常数[27]。

应力临界折射纵波检测还与应力作用方向有关。研究发现，临界折射纵波传播方向与内应力方向一致时声弹性效应最显著，当应力方向与临界折射纵波传播方向夹角越大，临界折射纵波声速受应力影响越小，垂直应力方向传播时临界折射纵波声速不受应力影响[28]。

超声临界折射纵波无损检测技术成熟、应用广泛。Ambiel等人利用临界折射纵波研究了掺有碳纤维的环氧树脂材料中声弹性效应，发现在碳纤维与超声传播方向的夹角呈0°时，声时变化最大[24]。华南理工大学利用临界折射纵波检测了GIS盆式绝缘子环氧材料0～50 MPa压应力下的次表面应力，发现当超声传播方向平行次表面应力时，环氧材料临界折射纵波声速随着应力增大而线性增大，线性相关系数0.988，声弹性系数-4.95×10-5MPa-1，相对误差13.12%[20]。

相较于其他超声检测方法，临界折射纵波法对应力敏感，检测精度较高，可反映物体应力梯度，能够检测曲面应力[29]和双轴应力[30]，适用于凸凹曲面形状复杂的盆式绝缘子和三支柱绝缘子。

3 盆式绝缘子应力超声检测方法应用

盆式绝缘子应力分布不均匀，在外部载荷下易引起应力集中，机械强度遭到破坏，从而导致绝缘子开裂，引起绝缘失效。盆式绝缘子机械性能的考核对GIS安全运行至关重要。本文探讨各种超声波法检测盆式绝缘子应力，见表1。

表1 应力超声检测方法Tab.1 Ultrasonic detection methods for stress

目前，华南理工大学尝试了各种超声波法检测盆式绝缘子应力，例如：①用超声纵波穿透法检测GIS盆式绝缘子环氧复合材料应力[31]，在0～70 MPa垂直压应力下2.5 MHz纵波声弹性系数为4.556×10-5MPa-1，但测量误差较大；②用超声纵波反射法检测GIS盆式绝缘子环氧复合材料平行压应力[20]，在0～60 MPa平行压应力下，1 MHz和1.5 MHz纵波声弹性系数分别为3.916×10-4MPa-1和3.124×10-4MPa-1，传播方向平行于应力方向的超声纵波对应力较灵敏；③利用临界折射纵波测量GIS盆式绝缘子环氧材料0～50 MPa压应力下次表面应力[20]，发现当传播方向平行于次表面应力时，临界折射纵波的速度随着应力增大而线性增大，线性相关系数0.988，声弹性系数-4.95×10-5MPa-1，相对误差13.12%，在几种超声检测方法中准确性最高。

综上可知：超声纵波是测量盆式绝缘子材料内部应力及其声弹性系数的主要方法；临界折射纵波法与表面波法适合曲面物体，特别适合盆式绝缘子这种凸凹面物体的表面应力检测，有标准[32]可以参考。

针对盆式绝缘子应力集中可能导致的裂纹以及制作过程中产生的内部气泡，国内许多单位试验研究了各种超声检测方法。2013年平高电气公司用超声频谱分析技术定量检测了厚度52 mm的1 100 kV盆式绝缘子底面下直径0.8～0.25 mm的铝合金夹杂物[33]。2015年陕西电力科学研究院和西安交通大学用超声频谱检测环氧试样深度20 mm处0.3 mm孔径的气隙和宽2 mm的裂纹[34]。2017年天津理工大学用兰姆波检测盆式绝缘子表面深度1 mm的微裂纹及微小附着物[35]，兰姆波是一种在板材厚度与激励声波波长为相同数量级的声波导中，由纵波和横波合成的特殊形式的应力波。2019年，江苏方天电力技术公司和浙江大学利用超声导波定位检测了盆式绝缘子0.2 mm表面裂纹和直径2 mm内部气孔[36]；超声导波是超声波在介质中不连续界面产生多次往复反射，并进一步产生复杂的干涉和几何弥散而形成的机械波，关于其在平板、管道等规则介质中传播特性的研究已很完善。2019年，华南理工大学用1 MHz超声纵波反射法检测了盆式绝缘子环氧复合材料1 mm裂纹和2 mm气泡[37]，还利用2.5 MHz超声临界折射纵波法检测了环氧复合材料表面0.5～2.0 mm微裂纹[38]。

超声检测技术有望用于GIS盆式绝缘子的设计试验、型式试验、质量抽检和事故原因分析等，应用前有待解决的问题或未来可研究的方向有以下几个方面：

a)环氧复合材料声弹性效应。盆式绝缘子应力各种超声检测方法的基础是声弹性效应，材料的成分、物性等参数，以及制作过程、工艺等众多因素对其声弹性效应都有影响，可以通过检测声弹性效应来获得盆式绝缘子材料和工艺及其相关性能。

例如，目前常用“片析检查”来验证盆式绝缘子不同部位材料的均匀性[38]。这种均匀性可能是制造固化过程中无机粉末填料沉降不均匀、固化温度不均匀，以及长期运行后材料老化程度不同等造成的。片析试验需要在盆式绝缘子水压破坏试验后，对其取样进行玻璃化转变温度、密度和填料含量检测分析等[39]，是破坏性试验。而超声无损检测技术可充分利用环氧材料声弹性效应与其材料、工艺等密切相关的原理，用超声探头检测任意位置下传播时间等参数即可无损、简便地比较盆式绝缘子均匀性。该方法需要研究超声传播时间能分辨的填料质量分数、密度等最小差异。对于盆式绝缘子均匀性的检测，超声检测可能是一种替代破坏性片析检查的无损、简便的试验方法。

b)盆式绝缘子应力分布。研究盆式绝缘子表面应力与内部应力的关联关系，利用这种关联通过表面应力检测间接测量内部应力。临界折射纵波法是最有应用潜力的盆式绝缘子应力超声检测方法。这种方法相对误差较小，灵敏度较好，可检测曲面，尤其是盆式绝缘子曲面处的表面应力。这种方法还可以通过改变频率来改变渗透深度，实现浅表面应力梯度分布测量，结合仿真研究搭建起内应力与表面应力关联的桥梁。

可以研究盆式绝缘子的不同外力载荷下三正交应力分量及其分布，外力载荷包括GIS盆式绝缘子应力的各种来源。通过检测盆式绝缘子应力分布规律，寻找应力集中部位以及影响因素、缺陷周围应力分布等，跟踪缺陷的产生、发展以及对电气性能和机械性能的影响，尤其是结构更复杂、应力更突出的气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines，GIL)三支柱绝缘子，是未来应用研究的主要方向。

c)盆式绝缘子应力超声检测灵敏度。声弹性效应是一种弱效应，初步研究发现盆式绝缘子应力超声检测的灵敏度还较差，相对误差较大，临界折射纵波法相对误差最小，但仍有13.12%[20]。要提高盆式绝缘子应力超声检测灵敏度，必须研制高灵敏度的复合材料专用探头，提高检测频率，减小探头直径和脉冲宽度(不大于2个周期[40])，精确测量声速微小变化等等。

d)盆式绝缘子应力超声自动成像。应力的人工超声检测效率较低，将自动化检测与位置传感器结合，对立体结构复杂的盆式绝缘子，尤其是支柱绝缘子进行超声三维扫描成像等智能化显示是应力超声检测发展为简便有效试验方法的必经之路。

4 结论

本文总结了GIS盆式绝缘子应力的来源，综述了GIS盆式绝缘子表面应力应变测量研究现状，阐述了材料在单轴应力、平面应力状态下的声弹性方程，对比了超声法与其他方法的优缺点，分析了超声纵波法和临界折射纵波法应力超声检测技术的特点，探讨了纵波法和临界折射纵波法在GIS盆式绝缘子应力检测中的应用。本文结论如下：

a)盆式绝缘子材料声弹性效应及其影响因素的研究宜采用纵波法；

b)盆式绝缘子应力超声检测方法中最有应用前景的是临界折射纵波法。