复合绝缘子超声检测系统的研制

丁旭升，郑燕峰，谭中慧，詹红庆，张福增

（1.广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司，汕头 515041；2.南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510080）

复合绝缘子自20世纪50年代研制成功以来，以其体积小、密度小、力学强度高、耐污性能优异、绝缘强度高等优点被广泛运用［1－3］。在复合绝缘子制造工艺中，伞裙护套与芯棒之间界面的粘接质量是保证内绝缘强度的重要因素。当复合绝缘子的伞裙护套与芯棒之间界面因工艺或材料原因造成粘接不良或存在气泡时，这些隐蔽性缺陷将成为电网安全运行的隐患［4］。

目前可对复合绝缘子进行超声无损检测的仪器有很多，但绝大部分都是直接使用便携式超声探伤仪进行人工检测，受人为因素的影响很大，不利于提高产品质量和生产效率。此外，特别是逐年增多的国内需求，对复合绝缘子的质量要求也越来越高，迫切需要自动化的探伤设备。针对此现状和需求，广东汕头超声电子股份有限公司超声仪器分公司与南方电网科学研究院有限责任公司联合研制出一套水喷式复合绝缘子超声检测系统，大大提高了检测效率并降低人力成本。经过实际运行证明，该系统稳定可靠，维护方便，并且检测效果好，以及对不同规格型号的复合绝缘子具有良好适应性和可重复性。

1 检测原理

超声波在复合绝缘子的异质材料中传播方式如图1所示，其中介质1为硅橡胶伞裙护套，介质2为玻璃钢芯棒。超声探伤仪发射高频脉冲信号给超声波探头，让超声波探头发出超声波，通过耦合介质（如水）传播到介质1，一部分声波在介质1界面发生反射沿原路经探头返回，另一部分声波透射进入介质1并向前传播，透射进入介质1的声波向前传播到达与介质2之间的界面处，一部分透射声波会在界面处发生反射并沿原路径返回探头。若介质1与介质2界面好粘，则透射进入介质1的一部分声波将会向前传播透射进入介质2并向前传播。若介质1与介质2界面脱粘，到达界面的声波将沿原路径全部返回探头。超声探伤仪接收探头的回波信号，分析回波相位和幅值变化可以了解复合绝缘子内部粘结层的具体情况。因硅橡胶本身是一种绝缘材料，选用水浸的方式对绝缘性能有所影响，而且复合绝缘子的橡胶层厚度一般在4～10mm，采用声束会聚技术，综合考虑采用水喷平面聚焦法。

图1 异质界面好粘和脱粘超声波检测原理

2 检测方法

复合绝缘子一般由硅橡胶伞裙护套、玻璃钢芯棒和端部金具（球窝和球头）三部分组成，结构简图见图2。复合绝缘子的伞裙护套和芯棒声学特性差异较大，可以通过扫查伞裙护套与芯棒之间的界面特征，识别回波相位和幅值的变化差异来判定其是否存在缺陷。

图2 复合绝缘子结构简图

2.1 相位差异

当超声波垂直入射到复合绝缘子检测表面时，超声波的反射情况可由声压反射系数表征［5］：

式中：r为声压反射系数；Z1为介质1声阻抗；Z2为介质2声阻抗。

若伞裙护套与芯棒的界面好粘，则伞裙护套的声阻抗Z1＝1.659Pa·s／m3，芯棒的声阻抗Z2＝6.609Pa·s／m3，代入式（1）中，得好粘声压反射系数：

若伞裙护套与芯棒的界面脱粘（即含有空气），则伞裙护套的声阻抗Z1＝1.66Pa·s／m3，空气的声阻抗Z2＝0.0004Pa·s／m3，代入式（1）中，得脱粘声压反射系数：

上述的计算结果表明两种不同情况下的声压反射系数差异。在好粘时，反射系数为正数；在脱粘的，反射系数为负数。表现到仪器波形上的显示，一个为正相位（首波为正电平），一个为负相位（首波为负电平）。

2.2 幅度差异

在超声波检测中，检测到的超声波信号幅度与声压反射系数成正比，用常用对数值来表示：

把r1＝r脱＝－0.99952Pa·s／m3，r2＝r好＝0.59869Pa·s／m3代入式（2）中，得幅度差异：

由此可以看出两种不同的情况下，反射系数绝对值的差异为4.5dB。表现在仪器的波形上，两者之间存在着约4.5dB的幅度差异。

3 复合绝缘子检测系统的研制

3.1 研制方案

系统需要实现对复合绝缘子进行连续的自动化检测。复合绝缘子自动化检测的扫查方式主要有两种：一种是复合绝缘子旋转步进，探头升降不移动的方式；另一种是复合绝缘子旋转不移动，探头升降步进的方式。无论选用哪种扫查方式，都必须确保被检测复合绝缘子的护套与芯棒之间界面被全部扫查到。由于所检测复合绝缘子的最大长度超过12m，而且伞裙护套的形状、大小和间距等规格繁多。若采用复合绝缘子旋转步进而探头升降不移动的扫查方式，机械结构将较为复杂，成本较高。因此，采用复合绝缘子旋转不移动而探头升降步进的扫查方式。根据超声检测原理和探伤工艺要求，系统选择水喷式平面聚焦法实现复合绝缘子的自动检测。

3.2 系统组成

系统主要由机械系统、仪器检测系统、控制系统和软件系统四部分组成。

3.2.1 机械系统

机械系统结构如图3所示。图中1为旋转装置；2为扫查装置；3为锁紧装置；4为轴向位移传感装置；5为移动装置；6为仪器检测系统；7为耦合输送装置；8为机架；9为标尺；10为复合绝缘子；11为回收槽；12为托轮装置。基本工作原理为：电机经减速机减速后带动卡盘旋转，复合绝缘子一端夹持在卡盘上，另一端及中间多处位置安放托轮装置，用于支撑复合绝缘子的中心轴，再通过扫查装置对复合绝缘子的每一节进行全周向扫查，然后探头升降并步进到下一节护套进行扫查，从而实现了复合绝缘子旋转不移动而探头升降步进的扫查方式。

图3 机械系统结构图

旋转组件主要作用是带动复合绝缘子在原位置平稳旋转，其核心部件为旋转装置和托轮装置。旋转装置包括机柜、电动机、转轴和卡盘，卡盘安装在转轴的内端上，各个托轮装置沿导轨的长度方向安装在机架上，并且各个托轮装置均处于卡盘的下方。旋转装置采用同步带的传动方式，确保复合绝缘子旋转平稳、低噪音、低振动。托轮装置能够进行前后、左右、上下、平面转动四个自由度的调节，适合不同规格型号的复合绝缘子伞裙护套的杆径弧面，以及其伞裙之间的不同间距，是实现复合绝缘子平稳旋转的关键。

扫查组件主要作用是带动探头升降并且移动。其核心部件为移动装置和扫查装置。移动装置主要是装载扫查装置、锁紧装置、轴向位移传感装置和检测装置这四个部件后可沿着滑轨直线移动。扫查装置主要由机头、升降机构、探头架、探头夹具和探头等构成。扫查装置在绝缘子正上方，转动其手轮，可操作探头架带动探头升降对绝缘子进行超声检测与否，拖曳其悬臂拉手，则可将其移动到下一节（或是其他适合位置）进行超声检测。探头架上可以设置多个探头夹具，每个探头夹具对应设有一个超声探头，根据需要可采用多个超声探头同时进行检测探伤，提高检测效率。探头夹具采用双滑轮定位，以两个不锈钢轴承作为滚轮，轻压在绝缘子的硅橡胶表面，随着复合绝缘子旋转而转动，无论是绝缘子的跳动、上下起伏、左右扭曲等等变化，始终保持与绝缘子的接触良好。探头固定在探头夹具上，其中心轴线垂直于两个滚轮的中心连线中点，保证了探头在绝缘子旋转过程中始终与绝缘子表面距离保持恒定，使探头的声束中心线始终垂直于检测表面，既保证了良好耦合，又减少了探头的磨损，并避免了试样表面被探头破坏。此外，探头相对检测表面的距离可调，确保声束在伞裙护套与芯棒之间的粘结界面附近聚焦，增强反射波强度。

探伤时在不考虑耦合液回收情况下，检测12m长复合绝缘子的耦合液需求量非常大。首创采用弹簧管作为耦合剂的输送管，并且设置了导轨、吊环。弹簧管的固定端与导轨的一端连接，各个吊环均与弹簧管的相应部位连接，拉动弹簧管的自由端，弹簧管自由伸缩，非常适合长距离输送耦合液。

轴向位移传感组件能实时提供扫查装置在复合绝缘子轴向（长度方向）的位移坐标信号给CTS－2008型便携式多通道超声波探伤仪进行处理，实现复合绝缘子缺陷位置标定功能。

3.2.2 仪器检测系统

仪器检测系统主要由超声探伤仪、可调吊架、夹架、遥控开关器等组成。系统的检测核心选用汕头“超声电子”最新推出的CTS－2008型便携式多通道超声波探伤仪，发射接收扫查装置的探头检测信号和轴向位移传感装置的位移信号。探伤仪的每个通道都可以独立工作，分别设置不同的参数。每个通道有3个闸门，可以跟踪不同的检测区域。脉冲重复频率为25～1000Hz，自动、手动两种调节方式；工作频率分宽带、窄带两档，宽带为0.6～12MHz，窄带为1.6～3.8MHz；水平线性误差不大于0.4%；垂直线性误差不大于3%；灵敏度余量不小于52dB（200φ2平底孔）；分辨率不小于34dB（配用5P14探头）；抑制为0～90%，不影响线性与增益；动态范围不小于30dB。

此外，采用人机工程学优化设计，使得操作者能够在舒适和便捷的条件下工作。如：可调吊架能实现仪器检测系统的视角可调（高度、倾角和转角等可调），不管操作者高矮都可以调节探伤仪器的屏幕正对着操作者眼睛，遥控开关器放置探伤仪旁边，方便用户操作。

3.2.3 控制系统

根据系统总体设计要求，控制系统需要完成对复合绝缘子的运动过程控制。

（1）主控系统

主控系统采用变频恒力矩电机控制传动系统。具有系统通电、断电和电机正转、反转、停止和调速等控制功能。此外，主控系统还接收遥控系统发射过来的信号，实现相关遥控操作功能。

（2）遥控系统

遥控系统的核心部件采用工业遥控器，超长距离遥控380V交流电机。当检测、调试、检修或突发事件时，可根据需要选择遥控开关器上启动、点动、停止等按钮，进行遥控操作。

3.2.4 软件系统

软件系统需要实现检测所需的所有功能。包括检测功能、参数设置功能、标定功能、DAC、扩展功能、峰值搜索功能、包络功能、自动幅度、数据保存、数据回放、编码器校准功能和全屏参数等。

检测时，通过识别反射回波相位和幅度的变化差异，判定出粘结层是否存在着硅橡胶护套和玻璃钢芯棒之间的剥离、气泡、空洞、橡胶层厚度变薄等问题，并且实时显示缺陷位置，其检测界面如图4所示。因幅度值受到耦合、绝缘子表面状态等因素的影响，而相位的结果不受耦合、绝缘子表面状态等因素的影响。因此检测的结果以相位差异为缺陷的判定依据，而幅度差异作为一个辅助的手段。当护套与芯棒界面回波相位极性反转时，即判定该位置内部存在缺陷。但由于工业现场情况复杂，可能存在各种各样的干扰，很可能出现误判的情况，因此对于初步认定有缺陷的复合绝缘子推荐再进行复检，并按供需双方协定的探伤报告标准，生成相应的检测报告。

4 结语

图4 复合绝缘子自动检测界面

水喷式复合绝缘子超声检测系统是一台综合运用机械、声、光、无线遥控等多种技术的新型机电一体化超声波检测设备。解决了长期以来复合绝缘子普遍采用手工探伤而不能实现自动化检测、超声探头与绝缘子的定位和声耦合等难题，克服了复合绝缘子形状各异、规格多、长度长、非刚性等诸多难点，创新采用双滑轮定位、平面聚焦的弧面探头等技术，成功实现复合绝缘子自动检测。虽然还有许多问题需进一步完善，但它的研制成功为进一步研究、开发、完善这种高科技产品积累了经验。

［1］刘泽洪.复合绝缘子使用现状及其在特高压输电线路中的应用前景［J］.电网技术，2006，30（12）：1－7.

［2］陈原，刘燕生，沈健，等.复合绝缘子隐蔽性缺陷检测方法［J］.电网技术，2006，30（12）：58－63.

［3］谢从珍，张尧，郝艳捧，等.应用超声波探伤仪检测复合绝缘子的内部缺陷［J］.高电压技术，2009，35（10）：2464－2469.

［4］关志成，刘瑛岩，周远翔，等.绝缘子及输变电设备外绝缘［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［5］夏纪真.工业超声波无损检测技术［M］.广州：广东科技出版社，2009.