浅析超声波相控阵技术对电网支柱瓷绝缘子检测的应用

曹翀 南钰 郑罡

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引言

超声相控阵指的是一种超声电子扫描方法，它根据特定的规则和时间序列激发探头驱动器组，并通过调节刺激板的顺序、数量和时间来控制光束形状、轴偏转角度和聚焦位置等参数。探头超声相位阵列由大多数按照特定顺序排列的晶片组成，仪器通过调整单个晶片的激发时间来监控诸如超声光束形状、轴偏转角度和聚焦位置等参数。它有两种性质，不同于以前的超声波探头:阵列多芯片和电子控制的超声波场性质。超声相阵列检测技术是一种特殊的超声检测技术，它利用复杂的相控阵和强大的超声束控制软件，使其覆盖检测到的材料，并生成修改后的材料结构内部图像。分阶段阵列检测技术不仅可以检测缺陷，而且在船舶和压力管道腐蚀检测和腐蚀图谱绘制方面有其独特的应用。

1 我国支柱绝缘子检测的常见方式

1.1 常规超声波检测法

超声波检测，依据超声波种类可以分为两种，一种为爬波方式，另一种为纵波斜探头入射方式。

首先，爬波方式在检测过程中，所呈现的折射角为90°，被称之为压缩纵波。在操作过程中，爬波探头的相关入射角被固定在临界角，属于第一临界角，依据检测举例对晶片面积进行选择，从而构成并联式结构。

但是此方式，仅仅对检测表面深度为8mm有效，如再深入探测则无法进行有效反应。因此在检测过程中，应及时对晶片以及探测面积中的夹角进行调整，从而增加探测的相关深度。

1.2 超声波相控阵技术

此方式为超声波相控阵检测方式，此方式与上述检测方式不同，此方式是利用电子系统对换能器各个阵元的一种控制，利用此控制系统，在延迟时间内，发射以及接收超声波。分阶段阵列检测技术并不改变超声波的物理性质，而是更多地利用超声波的物理性质来控制光束。与以往超声检测方法相比，它具有独特的优势，可以使检测速度更快，检测结果更客观、更可信。

在工件聚焦以及偏转过程中，利用动态控制超声束对材料进行无损检测。

例如：在上述常规超声波检测过程中，一般多使用声束扩散的单晶探测头，如单晶片分成许多相同的晶片，这些晶片的宽度要远远小于实际长度，因此每个被分割的晶片可以作为辐射柱面波的线状波源，这些波源波阵面可以产生新的波阵面[1]。

一般常用的晶片数量为16～64片，包含128以及256片的晶片探头，但是晶片的排列几何形状相关种类也较多。依据所选择的晶片数量，以及相关的几何形状，在超声波相控阵技术的应用初期，主要是应用在医疗器械领域内，因相关使用系统较为复杂，固体中的波动传播复杂性较大，相关成本使用的费用较高，导致在工业无损检测中的应用范围较小，应用受到一定的限制。

近几年，随着电力行业的不断发展，电厂以及电网内部，需要许多参数较高，容量较大的设备，因此对这些设备的检测要求也较高，相控阵检测技术也逐步进入电力领域中，下文列举出超声波相控阵技术的优缺点。

其优点为：其一，探头覆盖的角度较为广泛；其二，探头的分辨率精确度较高；其三，信号较强，噪音较小；其四，穿透力度以及检测的相关灵敏度较好；其五，探测的图像较为清晰。

其缺点为：其一，此检测技术的探头体积较大，对一些表面需要定制的楔块无法进行检测；其二，相关探头以及相关连接线较为精密，但是容易损坏；其三，设备使用以及参数的设置较为复杂；其四，检验的相关标准并不完善；其五，设备比较昂贵，检测的成本较高[2]。

2 支柱瓷绝缘子

支柱瓷绝缘子，以及瓷套的一般缺陷分为：制造缺陷、工艺缺陷、运行缺陷等，具体表现如下：

首先，制造缺陷。一般是指瓷件在制造中形成的本身性缺陷，一般由气孔、裂纹、晶界偏析层面、层状以及粒状突兀造成的问题，这类问题主要出现在瓷件内部。其次，工艺缺陷。一般是指支柱瓷绝缘子以及瓷套，在相关维修安装、维护过程中导致的缺陷，被称为工艺缺陷，分为表面碰损、胶状缺陷、压力增加导致的裂纹[3]。最后，运行缺陷。一般是指设备运行过程中产生的一定缺陷，一般现象为内部裂纹以及表面裂纹等。

3 对比试块

对比试块分析，对加工要求进行研究：实心的瓷棒相关规格为φ100×250mm。间断为90°，深度加工为：1mm、3mm、5mm、7mm的槽，见图1。

图1 瓷质对比试块

相关铝合金，对比试块一般使用JYZ-BX型试块，见图2。

图2 铝合金型对比试块

4 相控阵检测结果与常规检测结果对比分析

使用超声波相控阵检测设备分别对瓷质进行对比试块测试，以及对铝合金对比试块上的机械刻槽进行相关测试，具体见图3。

图3 七检测瓷质与铝合金对比试块

相关结果显示，常规超声波A，显示模式为横波以及距离坐标，相应的探头晶片入射角应为固定值数。检测的位置，主要位于主声束范围内灵敏度测试，如果缺陷偏离主声束的轴线则相关检测的灵敏度会大幅度下降。

如图4所示，左边的扇形区域，应为相控阵扫查的成像区域，右边为选定入射角对应的A型，水平方向表示与探头水平距离，垂直方向表示从探测点计算的深度值。该扇区中间的红线表示此方向的主光束角度，可根据需要调整该线的角度[4]。

如图5显示，此颜色表示波动的幅度，中间扇区左侧的色域用于比较幅值。图4和图5分别显示了瓷块和铝合金块的相模扫描图像，测试对象均处于相同深度。两个图像非常相似，因为瓷和铝合金的超声波传播速度非常接近。铝合金的声速约为1m/s，陶瓷的声速约为1.2m/s。它还表明，铝合金参考块可以代替瓷块用于定性分析。

图4 资质试块相控阵成像

图5 瓷质试块与铝合金相控阵成像