復(fù)合絕緣子超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研制

丁旭升，鄭燕峰，譚中慧，詹紅慶，張福增

（1.廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司，汕頭 515041；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510080）

復(fù)合絕緣子自20世紀(jì)50年代研制成功以來(lái)，以其體積小、密度小、力學(xué)強(qiáng)度高、耐污性能優(yōu)異、絕緣強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用［1－3］。在復(fù)合絕緣子制造工藝中，傘裙護(hù)套與芯棒之間界面的粘接質(zhì)量是保證內(nèi)絕緣強(qiáng)度的重要因素。當(dāng)復(fù)合絕緣子的傘裙護(hù)套與芯棒之間界面因工藝或材料原因造成粘接不良或存在氣泡時(shí)，這些隱蔽性缺陷將成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患［4］。

目前可對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)的儀器有很多，但絕大部分都是直接使用便攜式超聲探傷儀進(jìn)行人工檢測(cè)，受人為因素的影響很大，不利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此外，特別是逐年增多的國(guó)內(nèi)需求，對(duì)復(fù)合絕緣子的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，迫切需要自動(dòng)化的探傷設(shè)備。針對(duì)此現(xiàn)狀和需求，廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司與南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司聯(lián)合研制出一套水噴式復(fù)合絕緣子超聲檢測(cè)系統(tǒng)，大大提高了檢測(cè)效率并降低人力成本。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，維護(hù)方便，并且檢測(cè)效果好，以及對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的復(fù)合絕緣子具有良好適應(yīng)性和可重復(fù)性。

1 檢測(cè)原理

超聲波在復(fù)合絕緣子的異質(zhì)材料中傳播方式如圖1所示，其中介質(zhì)1為硅橡膠傘裙護(hù)套，介質(zhì)2為玻璃鋼芯棒。超聲探傷儀發(fā)射高頻脈沖信號(hào)給超聲波探頭，讓超聲波探頭發(fā)出超聲波，通過(guò)耦合介質(zhì)（如水）傳播到介質(zhì)1，一部分聲波在介質(zhì)1界面發(fā)生反射沿原路經(jīng)探頭返回，另一部分聲波透射進(jìn)入介質(zhì)1并向前傳播，透射進(jìn)入介質(zhì)1的聲波向前傳播到達(dá)與介質(zhì)2之間的界面處，一部分透射聲波會(huì)在界面處發(fā)生反射并沿原路徑返回探頭。若介質(zhì)1與介質(zhì)2界面好粘，則透射進(jìn)入介質(zhì)1的一部分聲波將會(huì)向前傳播透射進(jìn)入介質(zhì)2并向前傳播。若介質(zhì)1與介質(zhì)2界面脫粘，到達(dá)界面的聲波將沿原路徑全部返回探頭。超聲探傷儀接收探頭的回波信號(hào)，分析回波相位和幅值變化可以了解復(fù)合絕緣子內(nèi)部粘結(jié)層的具體情況。因硅橡膠本身是一種絕緣材料，選用水浸的方式對(duì)絕緣性能有所影響，而且復(fù)合絕緣子的橡膠層厚度一般在4～10mm，采用聲束會(huì)聚技術(shù)，綜合考慮采用水噴平面聚焦法。

圖1 異質(zhì)界面好粘和脫粘超聲波檢測(cè)原理

2 檢測(cè)方法

復(fù)合絕緣子一般由硅橡膠傘裙護(hù)套、玻璃鋼芯棒和端部金具（球窩和球頭）三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。復(fù)合絕緣子的傘裙護(hù)套和芯棒聲學(xué)特性差異較大，可以通過(guò)掃查傘裙護(hù)套與芯棒之間的界面特征，識(shí)別回波相位和幅值的變化差異來(lái)判定其是否存在缺陷。

圖2 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 相位差異

當(dāng)超聲波垂直入射到復(fù)合絕緣子檢測(cè)表面時(shí)，超聲波的反射情況可由聲壓反射系數(shù)表征［5］：

式中：r為聲壓反射系數(shù)；Z1為介質(zhì)1聲阻抗；Z2為介質(zhì)2聲阻抗。

若傘裙護(hù)套與芯棒的界面好粘，則傘裙護(hù)套的聲阻抗Z1＝1.659Pa·s／m3，芯棒的聲阻抗Z2＝6.609Pa·s／m3，代入式（1）中，得好粘聲壓反射系數(shù)：

若傘裙護(hù)套與芯棒的界面脫粘（即含有空氣），則傘裙護(hù)套的聲阻抗Z1＝1.66Pa·s／m3，空氣的聲阻抗Z2＝0.0004Pa·s／m3，代入式（1）中，得脫粘聲壓反射系數(shù)：

上述的計(jì)算結(jié)果表明兩種不同情況下的聲壓反射系數(shù)差異。在好粘時(shí)，反射系數(shù)為正數(shù)；在脫粘的，反射系數(shù)為負(fù)數(shù)。表現(xiàn)到儀器波形上的顯示，一個(gè)為正相位（首波為正電平），一個(gè)為負(fù)相位（首波為負(fù)電平）。

2.2 幅度差異

在超聲波檢測(cè)中，檢測(cè)到的超聲波信號(hào)幅度與聲壓反射系數(shù)成正比，用常用對(duì)數(shù)值來(lái)表示：

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

由此可以看出兩種不同的情況下，反射系數(shù)絕對(duì)值的差異為4.5dB。表現(xiàn)在儀器的波形上，兩者之間存在著約4.5dB的幅度差異。

3 復(fù)合絕緣子檢測(cè)系統(tǒng)的研制

3.1 研制方案

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行連續(xù)的自動(dòng)化檢測(cè)。復(fù)合絕緣子自動(dòng)化檢測(cè)的掃查方式主要有兩種：一種是復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，探頭升降不移動(dòng)的方式；另一種是復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)不移動(dòng)，探頭升降步進(jìn)的方式。無(wú)論選用哪種掃查方式，都必須確保被檢測(cè)復(fù)合絕緣子的護(hù)套與芯棒之間界面被全部掃查到。由于所檢測(cè)復(fù)合絕緣子的最大長(zhǎng)度超過(guò)12m，而且傘裙護(hù)套的形狀、大小和間距等規(guī)格繁多。若采用復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)步進(jìn)而探頭升降不移動(dòng)的掃查方式，機(jī)械結(jié)構(gòu)將較為復(fù)雜，成本較高。因此，采用復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)不移動(dòng)而探頭升降步進(jìn)的掃查方式。根據(jù)超聲檢測(cè)原理和探傷工藝要求，系統(tǒng)選擇水噴式平面聚焦法實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子的自動(dòng)檢測(cè)。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、儀器檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四部分組成。

3.2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中1為旋轉(zhuǎn)裝置；2為掃查裝置；3為鎖緊裝置；4為軸向位移傳感裝置；5為移動(dòng)裝置；6為儀器檢測(cè)系統(tǒng)；7為耦合輸送裝置；8為機(jī)架；9為標(biāo)尺；10為復(fù)合絕緣子；11為回收槽；12為托輪裝置。基本工作原理為：電機(jī)經(jīng)減速機(jī)減速后帶動(dòng)卡盤旋轉(zhuǎn)，復(fù)合絕緣子一端夾持在卡盤上，另一端及中間多處位置安放托輪裝置，用于支撐復(fù)合絕緣子的中心軸，再通過(guò)掃查裝置對(duì)復(fù)合絕緣子的每一節(jié)進(jìn)行全周向掃查，然后探頭升降并步進(jìn)到下一節(jié)護(hù)套進(jìn)行掃查，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)不移動(dòng)而探頭升降步進(jìn)的掃查方式。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)組件主要作用是帶動(dòng)復(fù)合絕緣子在原位置平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，其核心部件為旋轉(zhuǎn)裝置和托輪裝置。旋轉(zhuǎn)裝置包括機(jī)柜、電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)軸和卡盤，卡盤安裝在轉(zhuǎn)軸的內(nèi)端上，各個(gè)托輪裝置沿導(dǎo)軌的長(zhǎng)度方向安裝在機(jī)架上，并且各個(gè)托輪裝置均處于卡盤的下方。旋轉(zhuǎn)裝置采用同步帶的傳動(dòng)方式，確保復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)、低噪音、低振動(dòng)。托輪裝置能夠進(jìn)行前后、左右、上下、平面轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，適合不同規(guī)格型號(hào)的復(fù)合絕緣子傘裙護(hù)套的桿徑弧面，以及其傘裙之間的不同間距，是實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

掃查組件主要作用是帶動(dòng)探頭升降并且移動(dòng)。其核心部件為移動(dòng)裝置和掃查裝置。移動(dòng)裝置主要是裝載掃查裝置、鎖緊裝置、軸向位移傳感裝置和檢測(cè)裝置這四個(gè)部件后可沿著滑軌直線移動(dòng)。掃查裝置主要由機(jī)頭、升降機(jī)構(gòu)、探頭架、探頭夾具和探頭等構(gòu)成。掃查裝置在絕緣子正上方，轉(zhuǎn)動(dòng)其手輪，可操作探頭架帶動(dòng)探頭升降對(duì)絕緣子進(jìn)行超聲檢測(cè)與否，拖曳其懸臂拉手，則可將其移動(dòng)到下一節(jié)（或是其他適合位置）進(jìn)行超聲檢測(cè)。探頭架上可以設(shè)置多個(gè)探頭夾具，每個(gè)探頭夾具對(duì)應(yīng)設(shè)有一個(gè)超聲探頭，根據(jù)需要可采用多個(gè)超聲探頭同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)探傷，提高檢測(cè)效率。探頭夾具采用雙滑輪定位，以兩個(gè)不銹鋼軸承作為滾輪，輕壓在絕緣子的硅橡膠表面，隨著復(fù)合絕緣子旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)論是絕緣子的跳動(dòng)、上下起伏、左右扭曲等等變化，始終保持與絕緣子的接觸良好。探頭固定在探頭夾具上，其中心軸線垂直于兩個(gè)滾輪的中心連線中點(diǎn)，保證了探頭在絕緣子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終與絕緣子表面距離保持恒定，使探頭的聲束中心線始終垂直于檢測(cè)表面，既保證了良好耦合，又減少了探頭的磨損，并避免了試樣表面被探頭破壞。此外，探頭相對(duì)檢測(cè)表面的距離可調(diào)，確保聲束在傘裙護(hù)套與芯棒之間的粘結(jié)界面附近聚焦，增強(qiáng)反射波強(qiáng)度。

探傷時(shí)在不考慮耦合液回收情況下，檢測(cè)12m長(zhǎng)復(fù)合絕緣子的耦合液需求量非常大。首創(chuàng)采用彈簧管作為耦合劑的輸送管，并且設(shè)置了導(dǎo)軌、吊環(huán)。彈簧管的固定端與導(dǎo)軌的一端連接，各個(gè)吊環(huán)均與彈簧管的相應(yīng)部位連接，拉動(dòng)彈簧管的自由端，彈簧管自由伸縮，非常適合長(zhǎng)距離輸送耦合液。

軸向位移傳感組件能實(shí)時(shí)提供掃查裝置在復(fù)合絕緣子軸向（長(zhǎng)度方向）的位移坐標(biāo)信號(hào)給CTS－2008型便攜式多通道超聲波探傷儀進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子缺陷位置標(biāo)定功能。

3.2.2 儀器檢測(cè)系統(tǒng)

儀器檢測(cè)系統(tǒng)主要由超聲探傷儀、可調(diào)吊架、夾架、遙控開(kāi)關(guān)器等組成。系統(tǒng)的檢測(cè)核心選用汕頭“超聲電子”最新推出的CTS－2008型便攜式多通道超聲波探傷儀，發(fā)射接收掃查裝置的探頭檢測(cè)信號(hào)和軸向位移傳感裝置的位移信號(hào)。探傷儀的每個(gè)通道都可以獨(dú)立工作，分別設(shè)置不同的參數(shù)。每個(gè)通道有3個(gè)閘門，可以跟蹤不同的檢測(cè)區(qū)域。脈沖重復(fù)頻率為25～1000Hz，自動(dòng)、手動(dòng)兩種調(diào)節(jié)方式；工作頻率分寬帶、窄帶兩檔，寬帶為0.6～12MHz，窄帶為1.6～3.8MHz；水平線性誤差不大于0.4%；垂直線性誤差不大于3%；靈敏度余量不小于52dB（200φ2平底孔）；分辨率不小于34dB（配用5P14探頭）；抑制為0～90%，不影響線性與增益；動(dòng)態(tài)范圍不小于30dB。

此外，采用人機(jī)工程學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得操作者能夠在舒適和便捷的條件下工作。如：可調(diào)吊架能實(shí)現(xiàn)儀器檢測(cè)系統(tǒng)的視角可調(diào)（高度、傾角和轉(zhuǎn)角等可調(diào)），不管操作者高矮都可以調(diào)節(jié)探傷儀器的屏幕正對(duì)著操作者眼睛，遙控開(kāi)關(guān)器放置探傷儀旁邊，方便用戶操作。

3.2.3 控制系統(tǒng)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)需要完成對(duì)復(fù)合絕緣子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程控制。

（1）主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用變頻恒力矩電機(jī)控制傳動(dòng)系統(tǒng)。具有系統(tǒng)通電、斷電和電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和調(diào)速等控制功能。此外，主控系統(tǒng)還接收遙控系統(tǒng)發(fā)射過(guò)來(lái)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)遙控操作功能。

（2）遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)的核心部件采用工業(yè)遙控器，超長(zhǎng)距離遙控380V交流電機(jī)。當(dāng)檢測(cè)、調(diào)試、檢修或突發(fā)事件時(shí)，可根據(jù)需要選擇遙控開(kāi)關(guān)器上啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、停止等按鈕，進(jìn)行遙控操作。

3.2.4 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)所需的所有功能。包括檢測(cè)功能、參數(shù)設(shè)置功能、標(biāo)定功能、DAC、擴(kuò)展功能、峰值搜索功能、包絡(luò)功能、自動(dòng)幅度、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放、編碼器校準(zhǔn)功能和全屏參數(shù)等。

檢測(cè)時(shí)，通過(guò)識(shí)別反射回波相位和幅度的變化差異，判定出粘結(jié)層是否存在著硅橡膠護(hù)套和玻璃鋼芯棒之間的剝離、氣泡、空洞、橡膠層厚度變薄等問(wèn)題，并且實(shí)時(shí)顯示缺陷位置，其檢測(cè)界面如圖4所示。因幅度值受到耦合、絕緣子表面狀態(tài)等因素的影響，而相位的結(jié)果不受耦合、絕緣子表面狀態(tài)等因素的影響。因此檢測(cè)的結(jié)果以相位差異為缺陷的判定依據(jù)，而幅度差異作為一個(gè)輔助的手段。當(dāng)護(hù)套與芯棒界面回波相位極性反轉(zhuǎn)時(shí)，即判定該位置內(nèi)部存在缺陷。但由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，可能存在各種各樣的干擾，很可能出現(xiàn)誤判的情況，因此對(duì)于初步認(rèn)定有缺陷的復(fù)合絕緣子推薦再進(jìn)行復(fù)檢，并按供需雙方協(xié)定的探傷報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，生成相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。

4 結(jié)語(yǔ)

圖4 復(fù)合絕緣子自動(dòng)檢測(cè)界面

水噴式復(fù)合絕緣子超聲檢測(cè)系統(tǒng)是一臺(tái)綜合運(yùn)用機(jī)械、聲、光、無(wú)線遙控等多種技術(shù)的新型機(jī)電一體化超聲波檢測(cè)設(shè)備。解決了長(zhǎng)期以來(lái)復(fù)合絕緣子普遍采用手工探傷而不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)、超聲探頭與絕緣子的定位和聲耦合等難題，克服了復(fù)合絕緣子形狀各異、規(guī)格多、長(zhǎng)度長(zhǎng)、非剛性等諸多難點(diǎn)，創(chuàng)新采用雙滑輪定位、平面聚焦的弧面探頭等技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣子自動(dòng)檢測(cè)。雖然還有許多問(wèn)題需進(jìn)一步完善，但它的研制成功為進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)、完善這種高科技產(chǎn)品積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］劉澤洪.復(fù)合絕緣子使用現(xiàn)狀及其在特高壓輸電線路中的應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：1－7.

［2］陳原，劉燕生，沈健，等.復(fù)合絕緣子隱蔽性缺陷檢測(cè)方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：58－63.

［3］謝從珍，張堯，郝艷捧，等.應(yīng)用超聲波探傷儀檢測(cè)復(fù)合絕緣子的內(nèi)部缺陷［J］.高電壓技術(shù)，2009，35（10）：2464－2469.

［4］關(guān)志成，劉瑛巖，周遠(yuǎn)翔，等.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［5］夏紀(jì)真.工業(yè)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］.廣州：廣東科技出版社，2009.