一种GIS盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统与流程

一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统
技术领域
1.本发明涉及输变电绝缘设备领域，尤其涉及一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统。


背景技术：

2.物体温度变化时，其体积会产生改变的趋势，但物体受外在约束及其自身各材料分子之间的相互约束，这种体积改变趋势不能自由发生而引发的应力，称之为热应力，又称为温度应力。
3.盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备(gas
‑
insulated metal
‑
enclosed switchgear，简称gis)中的重要绝缘部件，起到支撑、绝缘和隔离气室的重要作用。盆式绝缘子环氧材料应力分布不均匀，运行时在电场、机械荷载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。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，严重威胁电网安全可靠运行。
4.盆式绝缘子除了在制造过程中，因浇注工艺质量控制不理想而产生较大残余应力、安装运输过程中受到装配应力作用外，在长期带电运行过程中，不同导体电流对应不同温度分布，当温度变化较大时，盆式绝缘子固体绝缘材料由于法兰约束以及内部各材料分子之间的相互约束，导致其不能完全自由胀缩而产生较大热应力，也是盆式绝缘子机械性能劣化的原因之一，对盆式绝缘子安全可靠运行产生威胁，因此，对盆式绝缘子的热应力进行检测对保障电网安全运行起着至关重要的作用。
5.目前，针对盆式绝缘子的热应力，大多采用有限元仿真分析法来研究盆式绝缘子温度场的应力应变分布情况，尚未有有效检测手段。


技术实现要素：

6.超声波法因具有检测速度快、对人体无害、成本低、便于携带、检测深度范围大等优点而成为了一种很重要的无损检测手段。基于声弹性效应理论基础，超声无损检测技术在盆式绝缘子应力无损检测方面具有较大发展潜力。
7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统，属于超声临界折射纵波检测方法，能够高效无损地检测到gis盆式绝缘子次表面热应力值。
8.本发明提供一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法，具体步骤包括：
9.设置盆式绝缘子检测路径及检测点；
10.设定超声传播距离；
11.向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
12.测量各检测点温度，获取所述盆式绝缘子温度分布；
13.获取各超声传播距离对应的超声临界折射纵波通过各检测点次表面的超声传播时间；
14.利用声程差法计算各检测点实际超声传播距离以及对应的超声传播时间；
15.根据应力超声临界折射纵波声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；
16.根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的热应力分布。
17.优选地，所述设置盆式绝缘子检测路径及检测点，具体包括：
18.选取盆式绝缘子径向区域为检测区域；
19.各径向检测区域沿径向等圆心角均布；
20.同一径向检测区域内，相邻两个检测点的间距相同。
21.优选地，所述设定超声传播距离，具体包括：
22.确定超声传播距离为5mm，并选用厚度为5mm、10mm的垫片；
23.固定所述超声传播距离；
24.所述垫片为与所述盆式绝缘子材料相同的环氧材料。
25.更进一步地，所述固定所述超声传播距离，具体包括：
26.将所述垫片夹在两个可变角超声纵波探头之间，以固定所述两个可变角超声纵波探头之间的距离；
27.改变所述垫片厚度，可改变所述两个可变角超声纵波探头之间的距离，所述超声传播距离随之改变。
28.优选地，所述向所述盆式绝缘子施加温度载荷，具体包括：
29.将中心导体与所述盆式绝缘子通过螺栓连接；
30.通过加热所述中心导体向所述盆式绝缘子施加温度载荷，向所述盆式绝缘子施加温度载荷的温度载荷增量为20℃；
31.施加温度载荷后的静置时间为施加温度载荷后8小时以上，以使所述盆式绝缘子各部位温度稳定。
32.优选地，所述声弹性系数为：
[0033][0034]
式中，k
l
为声弹性系数，单位为μs/mpa；λ、μ为材料的二阶弹性系数(lam
é
常数)，l、m为材料的三阶弹性系数(murnaghan常数)。
[0035]
优选地，所述声弹性公式为：
[0036][0037]
式中，σ为l
cr
波传播区域内应力，单位mpa；t为某一温度载荷下l
cr
波在盆式绝缘子中的传播时间，单位μs；t0为初始温度下l
cr
波在盆式绝缘子的传播时间，单位μs；l
cr
波又称超声临界折射纵波。
[0038]
更进一步地，利用声程差法计算各检测点实际超声传播距离以及对应的超声传播时间，具体包括：
[0039]
在获取到其中一个厚度垫片对应的所述超声临界折射纵波通过各检测点次表面
的超声传播时间后，更换不同厚度的垫片，并获取更换后的垫片对应的所述超声临界折射纵波通过各检测点次表面的超声传播时间；
[0040]
所述垫片的厚度差值，即为各检测点实际超声传播距离；
[0041]
所述垫片更换前和更换后，分别获取到的各检测点次表面的超声传播时间的差值，即为各检测点相应的次表面超声传播时间。
[0042]
本发明的第二个目的是提供一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法的系统，包括：
[0043]
发射纵波的超声纵波可变角度探头、接收纵波的可变角度超声探头、探头连接线、信号传输线、超声脉冲发射接收仪、示波器、计算机、红外测温仪、数显温控加热带；
[0044]
所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接；
[0045]
所述数显温控加热带用于加热所述中心导体，经过热传导进而加热所述gis盆式绝缘子；
[0046]
所述红外测温仪，用于测量所述gis盆式绝缘子各检测点的温度；
[0047]
所述计算机，用于计算超声传播时间和各检测点热应力，获取所述gis盆式绝缘子的各检测点温度值，进行数据处理，绘制所述gis盆式绝缘子次表面热应力云图。
[0048]
优选地，所述超声纵波可变角探头为一对频率为2.5mhz的长方体型可变角探头，入射角度调节范围0～90
°
，声轴(声波传播方向的轴线)偏移≤2
°
，探头尺寸长16mm、宽10mm；
[0049]
优选地，所述超声脉冲发射接收仪是数字式脉冲发生接收器；
[0050]
优选地，所述示波器用于对超声波形进行采集和分析，采样率为500ms/s，采样周期为2ns，带宽20mhz，示波器频带宽度为20mhz，测量精度最小为0.1ns；
[0051]
优选地，所述红外测温仪测量范围为
‑
50～1150℃，在0～100℃范围内测量精度为2℃，分辨率为0.1℃，重复性为
±
1％，物距比为20:1，该测温仪体积较小，可抗干扰且易于操作，能快速读取被测物体温度。
[0052]
优选地，所述数显温控加热带由温度传感器、数字显示仪以及硅胶加热带构成，加热温度可控，实时监测物体温度，加热时在所述中心导体外部设置由隔热材料制作的隔热罩，减小待测物体与空气的热通量。
[0053]
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
[0054]
本发明提供了一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统，本发明根据应力超声临界折射纵波声弹性理论，利用声速与应力的关系，得到固定传播距离内超声临界折射纵波传播时间与应力的声弹性公式，利用环氧绝缘材料的声弹性系数，通过测量超声临界折射纵波传播时间，计算得到gis盆式绝缘子次表面热应力，并获取热应力分布情况。
附图说明
[0055]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0056]
图1为本发明具体实施方式提供的一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法的流程示意图；
[0057]
图2为本发明具体实施方式提供的一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声临界折射纵波检测的系统示意图；
[0058]
图3为本发明具体实施方式提供的盆式绝缘子检测路径及检测点示意图；
[0059]
图4为本发明具体实施方式提供的利用声程差法测量超声传播时间的系统示意图；
[0060]
图5为本发明具体实施方式提供的将中心导体加热至70℃时盆式绝缘子次表面热应力分布云图；
[0061]
图6为本发明具体实施方式提供的将中心导体加热至70℃时盆式绝缘子次表面热应力分布云图(彩色)
具体实施方式
[0062]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]
除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解，例如，可以是通电连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0064]
本发明实施例提供了一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法及系统，具体请参阅图1至图6。
[0065]
本实施例中的一种gis盆式绝缘子次表面热应力超声检测方法，具体步骤包括：
[0066]
s11、设置盆式绝缘子检测路径及检测点；
[0067]
s12、设定超声传播距离；
[0068]
s13、向所述盆式绝缘子施加温度载荷；
[0069]
s14、测量各检测点温度，获取所述盆式绝缘子温度分布；
[0070]
s15、获取各超声传播距离对应的超声临界折射纵波通过各检测点次表面的超声传播时间；
[0071]
s16、利用声程差法计算各检测点实际超声传播距离以及对应的超声传播时间；
[0072]
s17、根据应力超声临界折射纵波声弹性公式和环氧绝缘材料的声弹性系数，计算各检测点热应力；
[0073]
s18、根据所述检测路径和所述各检测点热应力，获取所述盆式绝缘子的热应力分布。
[0074]
具体地，在步骤s11中，各径向检测区域沿径向等圆心角均布，同一径向检测区域内，相邻两个检测点的间距相同。本实施例以252kv盆式绝缘子为例，选取252kv盆式绝缘子4个径向检测区域进行应力检测，分别为no.1、no.2、no.3、no.4方向，上述4个方向依次相互呈90度夹角，由于盆式绝缘子中心嵌件附近表面曲率较大，超声探头与盆式绝缘子地耦合效果较差，回波信号较弱，故检测起始位置为距离中心导体70mm处。
[0075]
具体地，在步骤s12中，具体包括：
[0076]
确定超声传播距离为5mm，并选用厚度为5mm、10mm的垫片；
[0077]
固定所述超声传播距离，即固定探头间距固定为5mm；
[0078]
所述垫片为与所述252kv盆式绝缘子材料相同的环氧材料。
[0079]
进一步地，所述固定所述超声传播距离，具体包括：
[0080]
将所述垫片夹在两个可变角超声纵波探头之间，从而固定所述两个可变角超声纵波探头之间的距离；
[0081]
改变所述垫片厚度，可改变所述两个可变角超声纵波探头之间的距离，所述超声传播距离随之改变。
[0082]
固定超声传播距离，可以减小探头耦合剂等带来的超声传播距离测量误差，提高测量精度。
[0083]
具体地，在步骤s13中，具体包括：
[0084]
将中心导体与所述盆式绝缘子通过螺栓连接，通过加热所述中心导体向所述252kv盆式绝缘子施加温度载荷；
[0085]
向所述252kv盆式绝缘子以20℃为温度载荷增量，施加温度载荷，将中心导体分别加热至50℃、70℃、90℃、110℃，盆式绝缘子内部发生热膨胀相应产生热应力，达到预定加热温度后静置稳定8小时以上，待整个系统温度稳定后进行步骤s14。
[0086]
具体地，在步骤s14中，测量各检测点温度，获取所述252kv盆式绝缘子温度分布。
[0087]
具体地，本实施例以将中心导体加热至70℃为例，说明步骤s15，具体包括：待中心导体加热至70℃，静置并满足稳定时间后，将可变角超声纵波探头沿所述252kv盆式绝缘子的环向布置，将厚度为5mm的垫片夹在两个可变角超声纵波探头之间，获取超声临界折射纵波通过各检测点次表面的超声传播时间；用厚度为10mm的垫片更换掉厚度为5mm的垫片，夹在两个可变角超声纵波探头之间，获取超声临界折射纵波通过各检测点次表面的超声传播时间。
[0088]
具体地，在步骤s16中，具体包括：将上述垫片厚度10mm和5mm相减，即将所述两个可变角超声纵波探头的间距相减，得到实际的超声传播距离为5mm，各检测点次表面的超声传播时间也相应作差，得到中心导体加热至70℃时各检测点次表面的超声传播时间。
[0089]
具体地，在步骤s17中，所述声弹性系数为：
[0090][0091]
式中，k
l
为声弹性系数，单位为μs/mpa，当温度恒定或变化不大时，k
l
基本不变，本实施例中k
l
取值为
‑
1.646
×
10
‑
2μs/mpa；λ、μ为材料的二阶弹性系数(lam
é
常数)，l、m为材料的三阶弹性系数(murnaghan常数)。
[0092]
所述声弹性公式为：
[0093][0094]
式中，σ为l
cr
波传播区域内应力，单位mpa；t为某一温度载荷下l
cr
波在盆式绝缘子中的传播时间，单位μs；t0为初始温度下l
cr
波在盆式绝缘子的传播时间，单位μs，本实施例中初始温度设为25℃；l
cr
波又称超声临界折射纵波。
[0095]
具体地，在步骤s18中，根据测得的所述gis盆式绝缘子的各检测点温度值、所述检测路径和各检测点热应力，绘制所述gis盆式绝缘子次表面热应力分布图。
[0096]
在步骤s13中，用上述相同方式将中心导体分别加热至50℃、90℃、110℃，重复步骤s14～s18，即可计算得到中心导体在50℃、90℃、110℃时盆式绝缘子次表面的热应力及分布。
[0097]
在具体实施例中，本发明实施例提供了一种实现gis盆式绝缘子次表面热应力超声临界折射纵波检测方法的系统，包括：
[0098]
发射纵波的超声纵波可变角度探头、接收纵波的可变角度超声探头、探头连接线、信号传输线、超声脉冲发射接收仪、示波器、计算机、红外测温仪、数显温控加热带；
[0099]
所述探头连接线的一端与所述发射纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的输出端连接；另一个探头连接线的一端与所述接收纵波的可变角度超声探头连接，另一端与所述超声脉冲发生接收仪的接收端连接；所述信号传输线的一端与所述超声脉冲发生接收仪的同步端连接，另一端与所述示波器连接；
[0100]
所述发射纵波的超声纵波可变角度探头和接收纵波的可变角度超声探头为频率为2.5mhz的长方体型可变角探头，入射角度调节范围0～90
°
，声轴(声波传播方向的轴线)偏移≤2
°
，探头尺寸长16mm、宽10mm；探头间距较小时，l
cr
波对应力变化不敏感，而探头间距较大时，l
cr
波衰减较大，幅值较小。
[0101]
所述超声脉冲发射接收仪是数字式脉冲发生接收器，通过发射和接收超声波来测量盆式绝缘子每次温度载荷施加后的各检测点的l
cr
波传播时间。
[0102]
所述示波器，用于对超声波形进行采集和分析，采样率为500ms/s，采样周期为2ns，带宽20mhz，示波器频带宽度为20mhz，测量精度最小为0.1ns。
[0103]
所述红外测温仪用于测量所述gis盆式绝缘子各检测点的温度，测量范围为
‑
50～1150℃，在0～100℃范围内测量精度为2℃，分辨率为0.1℃，重复性为
±
1％，物距比为20:1，该测温仪体积较小，可抗干扰且易于操作，能快速读取被测物体温度；
[0104]
所述计算机，用于计算超声传播时间和各检测点热应力，获取测得的所述gis盆式绝缘子的各检测点温度值，进行数据处理，绘制所述gis盆式绝缘子次表面热应力云图；
[0105]
所述数显温控加热带用于加热所述中心导体，经过热传导进而加热所述gis盆式绝缘子，由温度传感器、数字显示仪以及硅胶加热带构成，加热温度可控，实时监测物体温度，加热时在所述中心导体外部设置由隔热材料制作的隔热罩，减小待测物体与空气的热通量。
[0106]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前
述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。