瓷质绝缘子超声波探伤检测技术的应用

宋靖瑶（大庆油田中油电能供电公司）

对于变电站的运行而言，瓷绝缘子及瓷套是其中关键的设备，可以起到绝缘以及支撑导线的作用。瓷绝缘子是以石英等硅酸盐原料根据特定比例混合加工后形成相应形状，并于高温状态下进行烧结所制得的无机绝缘材料，其机械强度取决于各晶体成分高低，晶体成分越高，则其机械强度越强[1]。在瓷绝缘子制造过程中，上述晶体粒子在瓷制品煅烧后冷却时受到强大的拉伸应力作用，该力可能造成各玻璃状机体以及晶体粒子与其边界形成微裂纹，这一过程，在某种程度上甚至也表现于优质的瓷绝缘子上，所以不少瓷绝缘子可能早已在出厂前就已经存在微裂纹等瑕疵[2]。由于设备在运行阶段需要承受各种机械负荷，同时还要经受一定的冰冻风雪以及风吹日晒，所以导致瓷绝缘子与瓷套局部应力逐渐增加，这种细微的缺陷也许会导致瓷绝缘子及瓷套的损坏，最终导致重大事故的出现。为此，国家电网多次就此进行申明，严格要求各单位做好相应的监督检查工作。瓷绝缘子的破坏与缺陷危害程度、材料性能以及应力水平有关。超声波探伤技术的瓷绝缘子无损检测指的是，在开展应力以及材料性能分析的基础上，对材料的缺陷进行判断，并对可以引起的危害进行辨别，最终确保供电设备的稳定运行。

1 发展概况

超声波检测法指的是通过超声波来对绝缘介质的裂纹缺陷进行检测。早在上世纪三十年代，超声波的无损检测就已然出现。1929年，前苏联的Sokolov第一次提出通过超声波来对金属物体内部的缺陷进行探测。但这只停留在想法阶段，没有付诸实践。六年后，在其发表的穿透法进行超声波检测试验的结果中最终将这一想法付诸实践，这也成为了其个人的专利。按照Sokolov的试验装置的基本原理，最终生产出了穿透法检测仪器，第二次世界大战之后，这一仪器得到了广泛的运用[3]。超声检测技术具体的发展包括以下三个时期：分别是模拟式超声波探伤仪时期、数字式超声波探伤仪时期以及计算机支持下的超声检测系统时期。传统意义上的模拟式超声波探伤仪指的是A型扫描仪，这种扫描仪在扫描完成之后，需要专业的人员对扫描结果进行分析，这就需要检测以及分析人员自身具备足够的水平。也就是说，最终扫描以及检测的结果会受到人为因素的干扰，波形的保存以及记录也面临极大的困难。数字式超声波探伤仪的功能十分强大，其可以进行数据的采集、存储以及分析，同时也可以执行探伤报告的打印等工作，而且能够彻底处理超声检测记录的难题，有利于规避人为的误差，进一步促进探伤结果可靠性的提升。近期，由于计算机技术、传感技术、自动控制技术以及电子技术的发展，超声检测技术的控制手段也更加的先进。

2 技术原理

2.1 超声波探伤的基本原理

首先超声波在介质内传播时一旦遭遇缺陷等异质界面则会发生发射，此时若超声波波长比缺陷尺寸小，则超声波会被缺陷反射，同时在探伤仪中将反射波显示出来；如果缺陷尺寸小于波长，则不会出现反射，原因在于超声波将缺陷忽略了[4]。其次，超声波波声指向性良好，随着频率提升其指向性会进一步提升，它可以通过极窄波束辐射至介质内，从而确定缺陷部位；最后，超声波所传播的能量极大。

2.2 超声波探伤仪工作原理

由脉冲发生器的探头将超声波短脉冲送至器件内，在回波从器件边界或缺陷处返回后，经信号处理系统将信号传播时间、幅度显示在示波器上[5]。由于器件声速已知，此时只用结合示波器读数得出脉冲之间的传输时间即可得出最终的缺陷深度，超声波探伤仪原理图见图1。

图1 超声波探伤仪原理图

从本质上而言，超声波的产生和接收均为典型的能量转换过程，该能量转化发生在探头上[6]。探头可以实现电能与超声能之间的转化，同时也能促使超声波发生，并接收超声波。目前超声波专用探头以及瓷瓶探伤仪等技术已经相对成熟，能够用于满足不同场景的需要，并且得到广泛应用。一旦从探伤探头发生了超声波，则其经瓷瓶表面迅速进入到其内部，此时在瓷瓶背面以及瓷瓶内空隙中与超声波相遇，则会发生反射波，并且该反射波脉冲波形会显示在DAC曲线屏幕上。通过对发射波波形、试块波形进行对比便可确定缺陷的大小、位置。

2.3 超声波瓷瓶探伤的检测方法

1）爬波检测方法。爬波是一种纵波，其传播位置在目标检测工件的表面，可以用于评估工件表面的平滑程度，它能够对工件表面和近表面的缺陷进行准确检测，也叫做表面下纵波，若有物质置于工件表面，那么爬波可能会穿过物体，物体的存在基本不会影响爬波的传播，爬波还能检测到工件表面的微小裂纹，可检测出0.5～15 mm深的表面开口裂纹，爬波还能对支柱绝缘子表面及近表面裂纹的缺陷进行检测。

2）纵波斜探头检测。武汉大学、青海电力试验研究院是开发纵波斜探头检测方法的主体，这是一种继爬波检测方法后能够准确检测瓷套缺陷和支柱绝缘子的方法，被检工件内因其表面平行的晶片所发出的超声波作用而产生垂直入射的超声波，当被检工件的表面与晶片的角度达到一定程度时，只要第一临界角大于入射角，那么按照波的折射原理可知，工件既会产生折射横波，也会产生折射纵波，纵波斜入射检测法就是这种用工件折射波进行检测的方法。研究结果显示，纵波斜探头检测方法拥有1.2 mm的检验灵敏度[7]。受自然裂纹反射条件差与瓷体表面黏结瓷砂的影响，小角度纵波检测在役支柱瓷绝缘子表面小裂纹的信噪比很低[8]，毫无疑问，从检验灵敏度方面对比，此种检测方法在检测支柱绝缘子外表面缺陷的能力不如爬波检测方法。

3 现场应用

3.1 超声波探伤技术应用

目前油田电网以爬波探伤为主要检测方法。单位试验室内将已断裂的丰收一次变35 kV 01441乙刀闸B相支持瓷瓶进行复原。对复原后的瓷瓶缺陷部位进行爬波检测的研究，检测结果与预测的结果完全相同，进一步验证绝缘子超声波探伤技术的有效性。爬波检测暨法兰胶装区支柱瓷绝缘子及瓷套表面和近表面缺陷的检测，也是在油田电网发生最多的缺陷。图2为完好瓷瓶探伤曲线，图3为丰收一次变35 kV 01441乙刀闸B相支持瓷瓶断裂后探伤曲线。

图2 完好瓷瓶探伤曲线

图3 瓷瓶断裂探伤曲线

两图比较可以看出，有问题的绝缘子波形非常明显的超出参考曲线。爬波检测的同时，绝缘监督专业还对断路器瓷套内部和内壁进行横波测试，测试过程未发现异常。

截至目前完成丰收、马鞍山等18座变电所支柱绝缘子检测，开关、刀闸共计800多支。

3.2 检测注意事项

超声波本身就具有很强的探伤穿透力，同时具有设备轻便、检测成本低、检测效率高等优点。对于危害性较强的裂纹缺陷，超声波的探伤效果更是十分显著。但是这种检测方法也具有一定的局限性，为此在检测过程中应注意以下几个方面：

1）超声波检测一般针对材料中的平面状缺陷比较敏感，在具体的检测阶段，在缺陷十分显著的时候，检测阶段即可得到较高水平的缺陷反射回波。然而针对瓷绝缘子及瓷套内部体积状和条状以及球状的缺陷，由于超声波声束在扩散阶段存在一定的局限性，因此仅仅在缺陷足够明显或者反射角度相对较大的时候，方可得到相应的缺陷反射回波。

2）探伤试验的过程中，一旦没有清理工具，没有选择恰当的方法、环境，或者探伤表面不够平滑，那么试验结果就会缺失准确性。这些因素中任何一项都会影响试验结果的准确性，导致检验者操作当中出现误差，因此要严格监管探伤试验的整个操作过程，这样才能得到可靠、准确、完整的试验结果。

3）探伤试验过程中，应该严格把关检验主体综合能力的关口，认真检查其试验的经验和资格，确保其操作规范、经验丰富，能够出具恰当且准确的试验结果[9]，而且要详细记录下每一次的试验数据和信息，方便今后回顾检查，也是保证试验结果准确性的基本要求。

4 结语

瓷瓶缺陷目前已经威胁到了电力安全生产，因此要制定相关规定对其资产进行管理，提升瓷瓶的耐用性，增加其安全性能，超声波探伤检测技术作为一种无损检测技术，可以在瓷质绝缘子设计、安装及运行中出现的缺陷和故障的检测中发挥积极作用。油田电网由于开展时间较短，所以该项技术还有很多需要完善的地方。随着研究的深入和现场运用经验的积累，该项技术的应用必将大大提高瓷质绝缘子缺陷的检测能力，同时在电气设备的状态检修中发挥重要的作用。