变电站支柱瓷绝缘子超声波检测工艺方 法的选择和试验分析.doc

变电站支柱瓷绝缘子超声波检测工艺方 法的选择和试验分析:摘要:在总结分析传统超声爬波法、横波法、普通直探头法、小角度纵波斜探头法和微型并联爬波法等几种常用的支柱瓷绝缘子超声波检测方法优缺点的基础上,通过试验分析了采用小角度纵波斜探头结合微型并联爬波探头对支柱瓷绝缘子进行超声波检测的工艺方法,确定了用该法对瓷绝缘子进行超声波检测的仪器、探头和试块的选用,探伤灵敏度和扫描速度的调整方法以及缺陷判定的原则。支柱瓷绝缘子主要是对变电站和发电厂升压站的母线和开关刀闸起到支撑和隔离绝缘的作用,是发电厂和变电站的重要组成设备。近年来,国家电网公司和各省区供电系统先后发生了数起因支柱绝缘子断裂导致的停电事故以及检修人员被突然断裂的绝缘子砸死和砸伤的事故,不但经济损失巨大,而且严重影响供电系统的安全稳定运行。目前我国电力系统所用的支柱瓷绝缘子都是在高温下烧结而成的无机绝缘电瓷材料,其表面一般覆盖一层玻璃质的平滑薄层釉。陶瓷材料的脆性较大,其断裂特点是在室温拉伸下不出现塑性变形,弹性变形结束后即发生脆性断裂。由于绝缘子断裂破坏的突然性,因此必须在破坏前将其内外部裂纹和空隙贯通等缺陷检测出来,及时消除隐患,以保证电网的安全供电1。由于瓷绝缘子材料与金属材料不同,而且由于其运行工作位置和方式的特殊性,导致许多无损检测方法都不适用。目前国内外采用的红外线、紫外线和激光对绝缘子进行的带电巡查,只对瓷绝缘子串和支柱绝缘子感应电压高的上部的能见部分有效,而且还受到绝缘子表面污秽程度、负荷、辐射角度、方向、距离和天气等因素的综合影响。采用不同探头相结合的超声波检测方法对瓷绝缘子的内外部裂纹和内部空隙缺陷进行检测具有检出率高、方便快捷的优点,而且不受以上诸因素的影响,只需在停电检修时,通过使用不同功能的换能器就可以实现对绝缘子容易失效断裂的部位进行全面质量检测,所以能从根本上杜绝和减少绝缘子断裂失效事故的发生,对整个电网的安全稳定供电意义重大2。1支柱瓷绝缘子超声波检测工艺的选择根据美国西屋研究试验室的Clark和Logsdon用线弹性断裂力学方法研究的绝缘子等陶瓷材料的应力强度因子表达式,可以得出不同形状的表面缺陷的临界裂纹尺寸,经计算其最小临界裂纹尺寸为5 mm。又由于支柱瓷绝缘子透声性能和声速与钢近似,其2.5 MHz的纵波波长约为2.41 mm,纵波检测灵敏度约为1.2 mm。同时,波的纵波声速大于横波声速,满足前述支柱瓷绝缘子断裂临界尺寸5 mm的检出要求。这就为对绝缘子进行超声波检测时选择探伤方法和确定灵敏度提供了技术依据支柱瓷绝缘子的断裂失效原因较为复杂,主要有产品的质量、设计、安装运输、支柱瓷绝缘子老化和运行维护等问题。青海省电力试验研究所有关技术人员对现场断裂的支柱瓷绝缘子进行了大量的统计分析,发现支柱瓷绝缘子的断裂主要发生在底座金具(铸铁法兰)和瓷绝缘子结合部位,因为该部位受力最大,是整个绝缘子的应力集中区。该部位是由陶瓷、水泥和金具紧密粘结在一起,而三种材料的线性膨胀系数和导热系数都是不同的。所以,除了瓷绝缘子本身制造质量严重不合格以外,绝大部分瓷绝缘子的断裂破坏都是由此处产生的裂纹导致的。所以,瓷绝缘子超声波检测工艺的选择原则就是将绝缘子易发生破坏的应力集中区的内外部缺陷检测出来,其中主要是裂纹缺陷31.1瓷绝缘子常用超声波检测方法优缺点简述41.1.1传统爬波检测法波探头需要的最小跨距至少为20 mm。由于探头的体积较大,所以需要瓷体无变形无砂粒的平滑面积较大,否则将无法实现有效耦合,得不到稳定的缺陷回波信号。1.1.2横波检测法此外还有采用横波对瓷绝缘子进行检测的情况,由于瓷绝缘子的检测面极其有限,探头在绝缘子轴向可移动的距离很小,用横波仅能对极少量的绝缘子的个别部位进行检查,也无法做到全面有效的检测和质量评价。1.1.3普通直探头法采用常规普通直探头对绝缘子进行内部质量检测,其优点是对内部空隙、砂眼等体积型缺陷较为敏感。但是对人们最为关心的裂纹等线性缺陷不是很敏感,尤其是与检测波成一定角度时容易漏检。对于埋藏在铸铁法兰里面的裂纹和缺陷,直探头底波法就无能为力了。此外,直探头检测法主要应用在制造厂瓷体和铸铁法兰未安装前,从瓷体的两侧对瓷体进行检测,在现场安装以后就无法采1.1.4小角度纵波斜探头法近年来,我国青海省和华东地区等电网开始小折射角的纵波斜探头对绝缘子进行超声波检测,效果较好。为了改善探头的耦合条件,依据不同绝缘子曲率,设计了不同曲率的凹型接触面。该方法不仅对绝缘子铸铁法兰下内部孔隙、微裂纹和表面裂纹缺陷进行检测,而且还能对铸铁法兰附近外露的区域内部孔隙、微裂纹和表面裂纹缺陷进行探测。由于小角度纵波探头外形尺寸小,纵波一次声程前无横波干扰。可以检测因一些瓷绝缘子铸铁法兰和最近伞盘之间距离短,爬波探头无法放置的瓷绝缘子5。1.1.5微型并联爬波法1.2支柱瓷绝缘子超声波检测工艺的确定由于现场瓷绝缘子的数量非常大,以内蒙古薛家湾供电局220 kV变电站为例,该站现有三台主变压器,约550个双节串接瓷绝缘子。由于变电站在春季检查和秋季检查期间的停电检修时间有限,这就要求对瓷绝缘子进行超声波检测时必须具有较高的工作效率,而爬波法恰恰具有此优点。所以,在分析总结各种瓷绝缘子超声波检测方法优点的基础上,确定了用小角度纵波斜探头法结合微型并联爬波法的检测工艺方法对瓷绝缘子的铸铁法兰与瓷体的结合部及其附近区域进行全面的超声波检测现场具体检测时,先采用微型爬波法对绝缘的几个结合部位进行初探,其主要目的就是检测有怀疑的或者实际存在的表面和近表面裂纹。由于爬波法的示波屏波形显示较为单一,没有缺陷时屏幕在一定的灵敏度下几乎没有任何显示波型,当示波屏上出现可疑信号波时,将该部位用记号笔划定。然后再用小角度纵波斜探头对绝缘子进行复探,复探时重点复核的部位就是用爬波法初探时的可疑部位。另外由于爬波无法检测内部缺陷,因此采用纵波斜探头法结合爬波法比单一使用纵波斜探头法要成倍提高效率,但因为纵波斜探头法的底波和表面杂波交织显现在示波屏的底波声程附近区域,辨别起来需要耗费较多时间和精力,容易造成检验人员的疲劳和工作效率的下降。2采用小角度纵波法结合爬波法进行瓷绝缘子超声波检测的试验分析2.1微型并联式爬波检测及人工裂纹试验分析6(1)仪器和探头的选择选用德国KK公司生产的USM235DAC型数字超声波探伤仪,该仪器具有分辨力高、动态范围大等优点。并联微型双晶爬波探头为长安无损检测公司生产的专用探头,探头频率为2.5 MHz,入射角为27.5,晶片尺寸为7 mm10 mm。该探头具有一发一收两个接口,分别用箭头标示。探头与仪器接装时,探头连接线的收发与仪器面板的收发接口应一一对应,并将仪器调整到一发一收状态。 调整扫描速度和灵敏度,图2为绝缘子试块及人工裂纹示意图(3)扫描速度和检测灵敏度的确定将爬波探头放置在曲率与被检绝缘子相近的试块上,当距离探头前沿15 mm,深1 mm的人工裂纹反射波最强时,将该回波调整至满屏的80%,再增益10 dB作为检测灵敏度。扫描速度可以调整为11或21。表1中的裂纹波幅均调整至示波屏满幅度的80%,从表1可以看出用爬波检测试块上的人工裂纹,当裂纹深度7 mm时,裂纹反射波高随着深度的增加而呈平稳下降趋势(图3)。这正与爬波的特性相吻合,即它只对表面以下一定距离范围内的缺陷敏感,超过此范围检测灵敏度就会逐渐降低。当裂纹深度7 mm时,用小角度纵波斜探头检测时裂纹波和底波在声程上已经能够较明显地分开。此外,从表中水平跨距来看,最小为17 mm,能够满足检测隐藏在铸铁法兰内部表面裂纹缺陷的需要。爬波法人工裂纹波型特征为示波屏上出现波幅较高的明显单一回波,波形轮廓平滑清晰。而瓷绝缘子表面的凸凹不平和波纹等杂波在灵敏度足够高时才会有回波显示,所以非常容易判别。其典型波形如图4所示。裂纹的深度可以根据实测波幅与试块人工裂纹波幅对比所得,裂纹长度用半波法进行初步测定,精确深度和长度可用小角度纵波斜探头进行测定7。2.2小角度纵波斜探头检测方法及人工裂纹试验分析8(1)仪器、探头和试块的选择仍选用USM235DAC型数字超声波探伤仪。探头选用长安无损检测公司生产的瓷绝缘子专用小角度纵波斜探头,频率为2.5 MHz,折射角为9,晶片尺寸为8 mm8 mm,外形尺寸为10 mm12 mm。试块选用同材质专用对比试块。(2)扫描速度和灵敏度的确定目前华东、东北和西北等地区对绝缘子进行超声波检测的扫描速度的调整基本有两种方法。一是按纵波声程来调节,根据被检支柱瓷绝缘子的直径大小选择对比试块,将小角度纵波探头对准试块圆柱曲面,使两次不同的曲面底面反射波对应示波屏上合适的水平刻度值;二是现场简单快速的调节法,将小角度纵波探头对准现场被检支柱瓷绝缘子,将始波放在“0”位,将底波调节在示波屏水平满屏的80%位置。这样扫描速度就调节好了,但不能精确定位。推荐还是用试块进行精确调整,这样有利于缺陷的准确判定(3)灵敏度的调整国内目前还没有统一的标准,因为电力系统有关支柱瓷绝缘子的超声波检测行业标准还没有出台,这里推荐采用同材质专用试块法,即以试块上人工裂纹为基准进行调节。将探头对准试块上的人工裂纹缺陷,调节仪器使人工裂纹回波达基准高,则为灵敏度基准,实际探伤时再至少提高6 dB为检测灵敏度。当被测件与人工缺陷试样声程不同时,需将已在专用试块上调整好的灵敏度增减S,即当然也可用试块的底波进行调节,此时必须测出同声程底波和人工裂纹波之间的分贝差,以便进行补偿。至于人工裂纹的深度标准可根据检测的严格程度而定,一般推荐用5 mm深人工裂纹为基准,这样既满足检测最小临界裂纹尺寸的要求,又使检测时示波屏上的杂波不是很多,波形容易判定。 对直径100和80 mm两种规格的瓷绝缘子试块上不同深度的人工裂纹进行小角度纵波斜探头检测试验,试验数据如表2所示。从表2可见,裂纹的反射波幅平均比相应位置的底波高48 dB,而且随着裂纹深度的增加,波幅呈平稳上升趋势,但是上升趋势并不很明显。试验中由于耦和条件和试验人员把握探头的力度不同,有时表现出的裂纹深度和回波幅度也不一定成正比关系。图5为检测100 mm绝缘子试块的波形图,图5a为没有裂纹缺陷只有清晰底波显示时的典型波形图。从图5bd可以看出,对于同直径尺寸的绝缘子表面裂纹深度不同,在示波屏上显示的声程是不同的。图5b的1 mm深裂纹显示声程与图5d的10 mm深裂纹明显能够区分开,而且裂纹越深,裂纹波和底波就越能较清晰地区分。总体而言,对于深度1 mm深的表面和近表面裂纹,总是在底波声程之前出现较明显的单个陡直波形,出现在底波之后的回波可视为变形波或杂波。由于深1 mm的裂纹波声程与底波相差太小,所以一般二者的波根不容易区别,在底波声程处出现较明显的双峰,如图5b所示的双峰波形图即为1 mm深裂纹波和底波的双峰。2.3缺陷的判定(1)裂纹缺陷的判定如用爬波法检测出裂纹回波,再用小角度纵波斜探头法从瓷绝缘子的对面方向进行复核,复核的结果是在同样位置出现裂纹回波,就可以肯定地判定为裂纹。因为对于超声波检测,如使用两种不同的方法对同一缺陷进行检测,结果相同,其误判的几率就很低了。所以,这里推荐用爬波法和纵波斜探头法互为补充判定,效果较好。(2)瓷体内部缺陷的判定以小角度纵波斜探头法为主,灵敏度用试块或瓷绝缘子的底波进行调整,底波与同距离平底孔缺陷回波高度之间的分贝差为,则式中X检测面到底面的距离,即绝缘子直径波长要检测的最小平底孔的当量尺寸将底波找出并调整至基准波高,再增益dB即可。检测时,有超出最小平底孔当量的缺陷即为瓷绝缘子内部缺陷9。3结论和建议支柱瓷绝缘子的裂纹产生部位主要在底座铸铁法兰和瓷体之间的结合处,有的裂纹在瓷体外露部位,有的还会产生在隐藏于铸铁法兰里的瓷体上。由于纵波斜探头具有一定的角度,爬波探头具有一定的水平跨距,所以用小角度纵波斜探头法结合爬波法不但对其外露部位进行检测,还能对隐藏的瓷体部位进行有效检测,并且能够较大提高检测工作效率和缺陷判定的准确性。通过试验分析认为,能够较精确地实现对裂纹等瓷体内部缺陷的定性、定位和定量。但是通过在薛家湾供电局220 kV变电站等现场检测后发现,仍然有以下几个问题需要解决和改进:(1)瓷