灭弧喷口致密度的超声检测

李继承，田 浩，林生军，袁端鹏，郝留成

(平高集团有限公司 国家电网高压开关设备绝缘材料实验室，平顶山 467001)

灭弧喷口致密度的超声检测

李继承，田 浩，林生军，袁端鹏，郝留成

(平高集团有限公司 国家电网高压开关设备绝缘材料实验室，平顶山 467001)

采用超声波声速和幅度谱峰值作为特征参量，对致密度在93.84%～94.63%范围内的5种灭弧喷口进行定量表征。结果表明，声速和幅度谱峰值均随灭弧喷口致密度的增大而增大，两者与灭弧喷口致密度变化趋势具有非常好的一致性。证明了灭弧喷口致密度超声检测的可行性，为喷口质量控制提供了一种切实可行的技术手段。

超声检测；喷口；致密度；声速；幅度谱

灭弧喷口是SF6(六氟化硫)高压断路器灭弧装置中用来控制电弧、创造高速气吹条件的核心部件，其不仅具有优良的电气性能、机械性能和化学稳定性，同时还具有优良的耐电弧烧蚀性能[1]。断路器灭弧时，在电流过零的瞬时，喷口内壁要经受超高温电弧的烧蚀和跨音速高压SF6气体的冲击，工作条件十分苛刻[2]。

目前，灭弧喷口在40，50，63 kA全短路电流开断下的耐烧蚀性能已显不足，特别是在63 kA全短路开断电流下，由于烧蚀量大，灭弧能力下降，严重影响高压开关设备的使用寿命和运行安全[3]。

喷口材料填充改性、喷口制造工艺和喷口耐烧蚀能力是目前喷口研究的三大热点[4]。

灭弧喷口材料由聚四氟乙烯、三氧化二铝、氮化硼(BN)等无机填料组成[5-6]，熔融态聚四氟乙烯的黏度高达1011～1012Pa·s。生产中一般采用冷压烧结法：先将聚四氟乙烯和填料进行混料、压制、烧结，制成形状简单的毛坯；然后通过机加工获得形状复杂、尺寸精度高的喷口零部件[7]。采用上述工艺制造的灭弧喷口，由于填料氧化铝和聚四氟乙烯树脂粉末的密度不同，在混合料加工过程中,如果混料方法、压制力或压制时间控制不当，往往会出现喷口局部部位致密度分布不均的现象。

致密度是影响喷口使用性能的重要指标。致密度低会导致喷口电气强度、拉伸强度、表面硬度降低，在断路器开断过程中出现击穿事故。许杨等[8]的研究表明，喷口材料中填料比例不当是造成5611断路器A相电源侧喷口发生击穿的主要原因。因此加强断路器核心部件灭弧喷口的工艺、材料控制、质量检测，是避免此类故障的根本途径。

对于灭弧喷口的质量检测，常用的无损检测手段是X射线实时成像检测[9]。由于X射线在喷口材料内部的衰减系数较小，喷口致密度的微小变化在X射线成像板上几乎不能造成影像黑度的差异，因而检测灵敏度很低。相反，超声检测因具有被检测对象范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、对人体无害以及便于现场使用等特点，在复合材料检测领域已经获得了广泛应用[10-12]。

笔者将超声波时域波形中的声速和频域信息中的幅度谱峰值作为特征参量，对通过改变成型过程中的压制力得到5种致密度范围在93.84%～94.63%的喷口试样，并对其进行了超声检测。结果表明，超声检测技术可以作为实际生产中灭弧喷口致密度控制的有效手段。

1 试验方法

1.1 试验样品

灭弧喷口零部件的生产流程为：混料→模压→烧结→切削加工→清理→包装。通过改变模压过程中压力机压力，可以得到一系列致密度不同的喷口压制坯料；之后经过烧结、切削加工得到喷口样品。压力机压力分别设定为70，80，90，110，123 kN，最终获得的样品如图1所示。

图1 5种不同加载压力下得到的喷口样品实物图片

图2 用分析天平进行喷口试样密度测试

采用机加工方法在已经加工好的喷口样品上截取尺寸为φ20 mm×10 mm的圆柱形试块，利用分析天平和阿基米德排水法原理进行密度测量，如图2所示。

首先，在空气中测出圆柱形样品的质量m1，之后将水槽放入分析天平中，调零后将样品放入水槽中，测出此时的质量m2，设定水的密度为1.0 g·cm-3，则试样的密度为：

(1)

利用该方法测出5种不同加载压力下(按图1顺序，从左到右)喷口样品的密度分别为2.188 8，2.180 7，2.189 3，2.199，2.198 g·cm-3；每种样品进行5次测量求平均值。致密度为喷口的实测密度与理论密度之比，所用喷口材料为聚四氟乙烯，并添加少量BN，理论密度为2.323 9 g·cm-3。则对应于图1中不同加载压力下喷口样品的致密度分别为94.19%，93.84%，94.21%，94.63%，94.58%。可见，随着加载压力的增大,喷口致密度整体上逐渐增大，但加载压力为80 kN下的致密度略小于70 kN下的致密度，123 kN下的致密度略小于110 kN下的致密度。

1.2 试验系统

图3为检测试验系统外观图片。超声检测设备为数字式超声波检测仪，最高激励频率为15 MHz。采用脉冲回波模式进行试验，即采用单探头同时激发和接收超声信号。采用Tektronix MSO 2014数字示波器进行波形信号的观察和存储，探头晶片直径为14 mm，标称频率为2.5 MHz。采样点数为2 500，相邻采样点之间的时间间隔为0.02 ns。分别采集5种不同致密度喷口试样的上表面和下底面反射波时域波形，每种样品分别进行10次采样。图4为5种不同致密度喷口样品的时域波形(图4中1～10表示10次采样)。

图3 喷口密度检测试验系统外观

2 试验结果与讨论

2.1 超声波声速表征喷口致密度

声速是声波在介质中的传播速度。对于各向同性均匀材料，纵波声速c为：

(2)

式中：E为材料的弹性模量， GPa；ρ为材料密度，g·cm-3。

在图4中测量出喷口试块上表面和下底面超声波反射信号之间的时间间隔Δt，用游标卡尺分别测量5种不同致密度喷口试样的厚度d，则喷口的声速c可由下式计算：

(3)

图5为不同致密度喷口试样声速的计算结果，图6为喷口致密度和声速平均值对比结果。

图4 5种不同压力下喷口试样超声波信号采集结果

图5 不同致密度喷口声速计算结果

图6 喷口致密度和声速平均值对比结果

观察图5发现，喷口试样的声速整体上随着致密度的增大而增大，同一试样不同位置测量所得到的声速存在一定范围的波动，其中80kN加载压力下声速的波动最大，对应于试样不同位置处致密度的差异更大。

观察图6发现，在80kN～123kN压力范围内，喷口致密度与声速变化趋势完全一致，两者具有非常好的相似性，仅在70kN压力下两者偏离稍大。

2.2 超声波幅度谱峰值表征喷口致密度

任何形状的信号都可以表示为无限个不同频率的正弦信号的叠加，在数学上用Fourier序列表述。对于周期信号f(t)，其周期为T，则其Fourier序列为：

(4)

式中：a0，an，bn为傅里叶系数；fn为各次谐波的频率。

对于常规的超声信号，一般可认为是有限时间的瞬态信号，其周期T趋向于无穷大，则：

(5)

则傅里叶变换的定义为：

(6)

F(w)为复函数，其幅-频和相-频关系为：

(7)

(8)

根据式(7)和(8)可以计算出给定时间信号f(t)的幅度谱和相位谱。

截取图4中超声波时域信号中的底面反射波，分别进行Fourier变换，得到5种不同致密度喷口试样幅度谱，如图7所示。观察发现，不同试样幅度谱的外形基本一致，峰值对应频率均为1.5 MHz，仅在峰值对应幅度上存在比较明显的差别。

图7 5种不同致密度喷口试样超声波幅度谱

图8所示为不同致密度喷口试样超声波幅度谱峰值的统计结果。观察发现，随着喷口致密度的增大，幅度谱峰值整体上也呈现增大的趋势。与图5中声速的变化相比，70 kN和80 kN压力条件下幅度谱峰值的区分更加明显，同时，这两种压力条件下幅度谱峰值的波动也大于其余压力条件下的喷口试样。

图8 不同致密度喷口幅度谱峰值

图9 喷口致密度和幅度谱峰值平均值对比结果

图9所示为5种不同压力喷口试样致密度和幅度谱峰值变化规律的对比结果。与图6所示结果对比可知，幅度谱峰值与致密度之间的对应性更强；与声速相比，利用幅度谱峰值来表征喷口致密度差异的准确性更高。

幅度谱峰值的高低反映了喷口试样底面反射波能量的大小。在试样厚度和成分相同的条件下，材料内部的声衰减系数是影响底面反射波能量的主要因素。对于喷口这种采用粉末烧结方式制成的复合材料制品，其致密度的降低对应于内部微小气孔的增加，而气孔含量是影响声衰减系数的主要因素，且声衰减系数随着孔隙率的增大而增大。

类似的研究还有大连理工大学林莉等[13-14]对碳纤维增强复合材料中孔隙率与衰减系数之间的关系进行了详细研究。

整体而言，衰减系数随孔隙率的增大而增加。当孔隙率P<0.5%时，随着孔隙率的增加，衰减系数增加很快。当孔隙率增加至0.5%以后，衰减系数增加速度有所降低。

因此，喷口底面反射波能量随致密度的降低而降低，进而表现为幅度谱峰值随致密度的降低而降低。

图10所示为80，110 kN压力条件下喷口试样断面SEM形貌，可以观察到不同致密度条件下喷口内部气孔形态的变化。对应于80 kN压力下致密度为93.84%的试样，其内部能够观察到约90 μm长的大气孔。对应于90 kN压力下致密度为94.21%的试样，其内部气孔尺度减小到20 μm范围。对应于110 kN压力下致密度为94.63%的试样，其内部气孔在尺寸和数量上进一步减少。

图10 不同致密度喷口试样截面SEM形貌

3 结论

随着喷口致密度的增加，超声底面反射波声速和幅度谱峰值均呈现单调增大的变化趋势；借助这两个特征参量可以实现灭弧喷口致密度变化的超声检测。应用幅度谱峰值进行喷口致密度检测时相对于声速参数具有更高的准确度；可以将两者结合起来共同用于喷口致密度检测。实际应用时，需要预先制作致密度标准试样对声速和幅度谱峰值进行标定。借助文中所用方法可以实现喷口零部件致密度的质量控制。

[1] 李仰平,张建宏,刘泽响,等. 高压SF6断路器喷口烧蚀特性的模拟研究[J]. 西安交通大学学报,2002,36(8):785-788.

[2] 杨洪啸,刘晓明,胡宝林. 550kV超高压SF6断路器喷口研究[J]. 沈阳工业大学学报,2006,28(3):269-272.

[3] 李仰平,周庆,刘翔. 复合聚四氟乙烯耐电弧烧蚀及其介电性能的试验研究[J]. 绝缘材料,2006,39(2):36-38.

[4] 焦彦俊,邢照亮,李卫国,等. 断路器喷口材料PTFE研究现状及发展方向[J]. 绝缘材料,2016,49(1):7-10.

[5] 李仰平,耿波,刘泽响,等. SF6断路器喷口用复合PTFE电气性能的研究[J]. 高压电器,2006,42(2):122-124.

[6] 许洪春,陈琬琦. 灭弧室喷口的材料选用及装配方法的探讨[J]. 高压电器, 2003, 39(2):63-65.

[7] 袁端鹏,林生军,郝留成,等. 混料方式对聚四氟乙烯灭弧喷口性能的影响研究[J]. 绝缘材料,2015,48(3):55-59.

[8] 许杨,陈小军,李锋锋,等. 550kV断路器典型故障分析[J]. 高压电器,2013,49(12):80-87.

[9] 郝留成,袁端鹏, 冯焕丽. BN填充PTFE冷等静压压制烧结喷口工艺研究[J]. 电气制造，2009(12):58-59.

[10] 付汝龙,陈建华, 林丹源,等. 复合材料的相控阵超声C扫描成像检测[J]. 无损检测，2015,37(5):38-41.

[11] 史俊伟,刘松平, 程文礼. 复合材料蜂窝夹层结构制件的超声可视化无损检测[J]. 无损检测，2015,37(3):39-43.

[12] 王柄方,韩赞东, 原可义,等. 复合材料喷水超声检测工艺[J]. 无损检测，2010,32(8):616-619.

[13] 牟云飞,张翔, 林莉,等. 基于随机孔隙模型的CFRP孔隙率超声检测研究[J]. 机械工程学报,2010,46(4):22-26.

[14] 张翔,陈军, 林莉,等. 复合材料孔隙形貌特征对超声波散射衰减影响分析[J]. 中国机械工程,2010,21(14):1735-1741.

The Ultrasonic Testing of Arc Extinguishing Nozzle Density

LI Ji-cheng, TIAN Hao, LIN Sheng-jun, YUAN Duan-peng, HAO Liu-cheng

(High Voltage Switchgear Insulating Materials Laboratory of State Grid, Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan 467001, China)

The arc extinguishing nozzle density of five kinds of nozzle samples ranging in 93.84%～94.63% was quantitatively characterized with two parameters of ultrasonic velocity and amplitude spectral peak. The results indicate that the velocity and amplitude spectral peak increase with the nozzle density, the changing trend of the two indicators has good consistency with the density. This study demonstrates the feasibility of using ultrasonic testing technique to detect the density of nozzle, and also provides a practical quality control method for nozzle.

Ultrasonic testing; Nozzle; Density; Ultrasonic velocity; Amplitude spectrum

2016-07-08

国家高技术研究发展计划(“863”计划)资助项目(2013AA031803)

李继承(1981-)，男，工程师，博士，主要从事高压开关设备零部件的无损检测研究工作。

李继承，E-mail：lijicheng1981@163.com。

10.11973/wsjc201703014

TM215；TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0055-05