考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法及系统与流程

1.本发明属于电气绝缘设备应力超声检测技术领域，尤其涉及考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.气体绝缘金属封闭开关设备(gis)与气体绝缘金属封闭输电线路(gil)具有结构紧凑、占地面积小等特点而在特高压建设中的应用愈发广泛。盆式绝缘子作为gis与gil内部的绝缘子具有较多作用：电气绝缘、支撑导体、隔离气室等，其健康程度决定了gis/gil的运行状态。
4.目前，因盆式绝缘子出现裂纹而引起的故障在gis/gil故障总数中占有较大的比重。而盆式绝缘子出现裂纹的原因是其承受的应力超过允许的最大负荷，因此有必要对盆式绝缘子的应力状态与分布进行检测，这对保障gis/gil的安全，以及电网的稳定运行具有重要意义。
5.现在，针对盆式绝缘子的应力检测大多使用应力应变传感器，这类方法只能获得基于形变产生的应力，无法获得方向信息；此外，还有公开号为cn113654702a、cn114295265a的发明专利利用超声波检测绝缘子热应力、残余应力，此类方法所得结果只能单个方向下的应力分量，无法准确表征绝缘子的应力状态；而能够测量两个应力分量的方法，如公开号为cn110231116b的发明专利，只能应用在平板结构的工件上，不适用于存在曲率半径的弧面结构工件上。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法及系统，基于声弹性效应，并充分考虑盆式绝缘子的结构特点，针对不同曲率半径区域设计不同楔块，实现对盆式绝缘子弧面处应力状态的检测。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法，其包括：
9.对于盆式绝缘子的每个区域，获取由超声楔块与盆式绝缘子耦合时激发出的临界折射纵波在各个测点、各方向下的传播距离，并获取应力状态下盆式绝缘子在各测点、各方向下的临界折射纵波数据，确定临界折射纵波的传播时间；
10.将临界折射纵波的传播距离和传播时间代入至声弹性方程，并联立同一测点在不同方向下的关系式，得到表征弧面处应力的分量；
11.其中，具有不同曲率半径的区域对应的超声楔块的形状不同，超声楔块可以实现对测点的完全耦合。
12.进一步地，所述超声楔块是一个具有三通道的六边形楔块，可以实现沿多个方向的探测。
13.进一步地，每个区域的超声楔块在各测点和各方向下均满足：
[0014]v1
/v2＝sinθ
lcr
[0015]
其中，v1和v2分别是超声纵波在楔块和盆式绝缘子中的速度，θ
lcr
是入射角。
[0016]
进一步地，在有限元软件中搭建超声楔块模型与盆式绝缘子耦合的模型，利用mems、声学模块分析得到临界折射纵波在弧面各测点、各方向下的传播距离。
[0017]
进一步地，所述临界折射纵波数据通过超声检测装置采集；
[0018]
所述超声检测装置包括所述超声楔块、以及通过螺纹与超声楔块固定的三个超声发射探头和三个超声接收探头；
[0019]
所述超声楔块放置在盆式绝缘子的凸面，并通过酒精作为耦合剂。
[0020]
进一步地，所述超声检测装置还包括信号发生器、高压放大器和第一多路分配器；
[0021]
所述信号发生器与高压放大器的输入端相连，高压放大器的输出连接第一多路分配器，第一多路分配器的另一端与三个超声发射探头相连。
[0022]
进一步地，所述超声检测装置还包括第二多路分配器、信号放大器和示波器；
[0023]
三个超声接收探头与第二多路分配器相连，第二多路分配器的另一端与信号放大器的输入端相连，示波器与信号放大器的输出端相连。
[0024]
本发明的第二个方面提供考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测系统，其包括：
[0025]
数据获取模块，其被配置为：对于盆式绝缘子的每个区域，获取由超声楔块与盆式绝缘子耦合时激发出的临界折射纵波在各个测点、各方向下的传播距离，并获取应力状态下盆式绝缘子在各测点、各方向下的临界折射纵波数据，确定临界折射纵波的传播时间；
[0026]
计算模块，其被配置为：将临界折射纵波的传播距离和传播时间代入至声弹性方程，并联立同一测点在不同方向下的关系式，得到表征弧面处应力的分量；
[0027]
其中，具有不同曲率半径的区域对应的超声楔块的形状不同，超声楔块可以实现对测点的完全耦合。
[0028]
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法中的步骤。
[0029]
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法中的步骤。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0031]
本发明提供了考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法，其基于声弹性效应、充分考虑盆式绝缘子的结构特点，通过设计不同形状的超声楔块、考虑传播路径的盆式绝缘子弧面处应力的检测方法，实现了盆式绝缘子在某一测点处两个主应力方向与大小：δ1、δ2与θ的探测。
[0032]
本发明提供了考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法，其可移植性强，适用于各种电压等级下的各种规格的盆式绝缘子。
附图说明
[0033]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0034]
图1是本发明实施例一的考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法的部分流程图；
[0035]
图2(a)是本发明实施例一的盆式绝缘子弧面划分的区域示意图；
[0036]
图2(b)是本发明实施例一的测点示意图；
[0037]
图3(a)是本发明实施例一的区域1与超声楔块1耦合的示意图；
[0038]
图3(b)是本发明实施例一的区域2与超声楔块2耦合的示意图；
[0039]
图3(c)是本发明实施例一的区域3与超声楔块3耦合的示意图；
[0040]
图3(d)是本发明实施例一的区域4与超声楔块4耦合的示意图；
[0041]
图4(a)是本发明实施例一的超声楔块1的结构图；
[0042]
图4(b)是本发明实施例一的超声楔块2的结构图；
[0043]
图4(c)是本发明实施例一的超声楔块3的结构图；
[0044]
图4(d)是本发明实施例一的超声楔块4的结构图；
[0045]
图5是本发明实施例一的临界折射纵波在弧面其中一个测点、某方向下的传播路径示意图；
[0046]
图6是本发明实施例一的盆式绝缘子应力的超声检测装置示意图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0048]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0049]
实施例一
[0050]
本实施例提供了考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法，如图1所示，其具体包括如下步骤：
[0051]
步骤1：对盆式绝缘子进行测点的选择与划分，具体为，将盆式绝缘子凸面侧的嵌件下方所处水平面对应的区域记为区域1、区域2、区域3、区域4，并在每个区域所对应的圆周上均匀地选择m个测点，如图2(a)和图2(b)所示，其中，h是盆式绝缘子凸面侧的嵌件与法兰之间的绝对高度。
[0052]
以对凹面承受0.4mpa压力的126kv单相盆式绝缘子弧面处应力检测为例，在本实施例中，h为101mm，m为30。
[0053]
步骤2：设计超声楔块，具体为，利用solidworks针对步骤1中的具有不同曲率半径的四个区域设计相应形状的四个超声楔块模型，楔块与盆式绝缘子之间完全耦合，如图3(a)、图3(b)、图3(c)和图3(d)所示。区域1、区域2、区域3、区域4对应的超声楔块分别记为超声楔块1、超声楔块2、超声楔块3、超声楔块4。其中，超声楔块是一个具有三通道的六边形楔块，可以实现对某测点沿多个方向(可以为三个方向)的探测，如图4(a)、图4(b)、图4(c)和
图4(d)所示，记三个方向分别为方向1、方向2和方向3。
[0054]
在本实施例中，方向1为基准方向，方向2，方向3依次位于方向1顺时针旋转的60
°
、120
°
处。
[0055]
步骤3：加工超声楔块，具体为，将步骤2设计的不同形状的超声楔块模型导入至simplify3d软件中，并利用3d打印机打印。打印出的楔块在相应区域的各个测点、三个方向下均满足v1/v2＝sinθ
lcr
的关系，其中，v1、v2分别是超声纵波在楔块、盆式绝缘子中的速度，θ
lcr
是入射角。
[0056]
在本实施例中，超声纵波在所选的楔块材料、盆式绝缘子中的声速v1、v2分别是2350m/s、2869m/s；θ
lcr
为55
°
。
[0057]
步骤4：确定由不同形状超声楔块与盆式绝缘子耦合时激发出的临界折射纵波(critically refracted longitudinalwave，lcr)在各个测点、各方向下的传播距离，具体为，基于选用的盆式绝缘子与步骤2中设计的楔块，在有限元软件comsol中搭建不同超声楔块模型与盆式绝缘子耦合的四个模型，利用微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)、声学模块分析临界折射纵波在弧面各测点、各方向下的传播距离，如图5所示。记区域i的第j个测点的方向k下的传播距离为其中i＝1,2,3,4；j＝1,2,
···
,m；k＝1,2,3。
[0058]
在本实施例中，部分测点数据如表1所示。
[0059]
表1、部分测点下的临界折射纵波传播距离
[0060][0061]
步骤5：搭建盆式绝缘子应力的超声检测装置，依次获取应力状态下盆式绝缘子在各测点、各方向下的lcr波数据，确定lcr波的传播时间。记区域i的第j个测点的方向k下的传播时间为
[0062]
在本实施例中，部分测点数据如表2所示。
[0063]
表2、部分测点下的临界折射纵波传播时间
[0064][0065][0066]
其中，所述超声检测装置包括信号发生器、高压放大器、三个超声发射探头、三个超声接收探头、多路分配器1、多路分配器2、超声楔块(检测区域1时采用超声楔块1，检测区域2时采用超声楔块2，检测区域3时采用超声楔块3，检测区域4时采用超声楔块4)、信号放大器、示波器、pc，如图6所示。
[0067]
超声楔块放置在盆式绝缘子的凸面，并通过酒精作为耦合剂。
[0068]
三个超声发射探头、三个超声接收探头通过螺纹与超声楔块固定，可拆卸。三对超声发射探头、超声接收探头在检测盆子区域i时固定在超声楔块i上。
[0069]
信号发生器与高压放大器的输入端相连，高压放大器的输出连接多路分配器1，多路分配器1的另一端与三个超声发射探头相连，三个超声接收探头与多路分配器2相连，多路分配器2的另一端与信号放大器的输入端相连，示波器与信号放大器的输出端相连，示波器与信号发生器间连接信号同步线，示波器还要与pc端相连实现lcr波数据传输与处理。
[0070]
步骤6：计算盆式绝缘子弧面处的应力，具体为，将步骤4确定的lcr波的传播距离和步骤5确定的lcr波的传播时间代入至声弹性方程，并联立同一测点在三个方向下的关系式，求取表征弧面处应力三个分量δ1、δ2与θ。
[0071]
在本实施例中，部分测点数据如表3所示。
[0072]
表3、部分测点下表征应力的参量
[0073]
[0074]
其中，声弹性方程如下所示，
[0075][0076]
其中，v0是零应力状态下临界折射纵波在盆式绝缘子中的速度，a1、a2是应力系数。实际测量时，v0、a1、a2需要实验标定。δ1、δ2分别是是盆式绝缘子受的第一、第二主应力，θ是δ1与步骤2中超声楔块的方向1之间的夹角。
[0077]
在本实施例中，经实验标定v0是1764m/s，a1、a2分别是0.241、-0.045。
[0078]
本实施例基于临界折射纵波提出一种针对盆式绝缘子的应力超声检测方法，实现对盆式绝缘子弧面处应力分布的探究，实现了对盆式绝缘子弧面处应力状态的检测。
[0079]
本实施例基于声弹性效应、充分考虑盆式绝缘子的结构特点，提出通过设计不同形状的超声楔块、考虑传播路径的盆式绝缘子弧面处应力的检测方法。实现了盆式绝缘子在某一测点处两个主应力方向与大小：δ1、δ2与θ的探测。
[0080]
本实施例可移植性强，适用于各种电压等级下的各种规格的盆式绝缘子。
[0081]
实施例二
[0082]
本实施例提供了考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测系统，其具体包括如下模块：
[0083]
数据获取模块，其被配置为：对于盆式绝缘子的每个区域，获取由超声楔块与盆式绝缘子耦合时激发出的临界折射纵波在各个测点、各方向下的传播距离，并获取应力状态下盆式绝缘子在各测点、各方向下的临界折射纵波数据，确定临界折射纵波的传播时间；
[0084]
计算模块，其被配置为：将临界折射纵波的传播距离和传播时间代入至声弹性方程，并联立同一测点在不同方向下的关系式，得到表征弧面处应力的分量；
[0085]
其中，具有不同曲率半径的区域对应的超声楔块的形状不同，超声楔块可以实现对测点的完全耦合。
[0086]
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
[0087]
实施例三
[0088]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法中的步骤。
[0089]
实施例四
[0090]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的考虑传播路径的绝缘子弧面处应力超声检测方法中的步骤。
[0091]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0092]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0093]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0094]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0095]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0096]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。