基于聲學(xué)性能的發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣熱老化特性研究

劉向東， 李青， 聶靚靚， 楊航， 黃明浩， 凌鵬， 王韋玉， 金海云

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗分公司，廣東 廣州 511400；2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

抽水蓄能機(jī)組以其調(diào)峰填谷的獨特運(yùn)行特性在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)揮著調(diào)節(jié)負(fù)荷、系統(tǒng)性節(jié)能和維護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要功能[1-3]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，發(fā)電機(jī)事故中超過50%是由絕緣系統(tǒng)引起[4]。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，反映定子線棒主絕緣老化狀態(tài)的特征參量越來越多，傳統(tǒng)描述絕緣老化性能的電氣參量、熱學(xué)參量等已不能全面反映定子線棒主絕緣狀態(tài)隨老化時間的變化過程。

超聲檢測法作為常見的無損檢測手段，具有聲束精確可控、圖像顯示直觀、檢測速度快及缺陷檢出率高等特點[5-7]。王捷等[8]提出了一種基于聲電傳感器構(gòu)成的超聲檢測系統(tǒng)，用于高頻局部放電的研究。高英等[9]發(fā)現(xiàn)硅橡膠和水的聲阻抗接近，采用超聲檢測法可以很好地解決超聲檢測中的耦合問題。劉菲菲等[10]采用脈沖超聲波檢測復(fù)合材料的聲學(xué)特性，通過高分辨率超聲技術(shù)對纖維布增強(qiáng)/樹脂基底復(fù)合材料進(jìn)行了高分辨率缺陷探查，結(jié)果表明，該技術(shù)縱向分辨率可達(dá)0.13 mm左右，可實現(xiàn)復(fù)合材料沖擊損傷、分層等缺陷的掃描成像檢測。唐盼等[11]對含人工缺陷的環(huán)氧復(fù)合材料絕緣器材進(jìn)行超聲檢測，并利用COMSOL仿真計算了單探頭空心管和雙探頭實心棒中的缺陷回波，提出了超聲檢測帶電作業(yè)絕緣器材的方法。

目前，超聲檢測法已經(jīng)在材料缺陷檢測方面得到了廣泛的研究應(yīng)用[12-15]，但在抽水蓄能發(fā)電機(jī)線棒主絕緣方面的應(yīng)用較少。本研究以18 kV發(fā)電機(jī)VPI定子線棒為研究目標(biāo)，設(shè)計加速熱老化試驗，對各老化溫度下的試樣進(jìn)行超聲聲速、超聲頻譜、超聲缺陷波形圖分析，研究熱老化前后試樣超聲特性的變化規(guī)律。

1 試 驗

1.1 熱老化方案設(shè)計

試樣選取已累計運(yùn)行9 767.89 h的抽水蓄能機(jī)組線棒，在實驗室用角磨機(jī)將段狀定子線棒切割，然后將主絕緣剝離后切割加工成尺寸為90 mm×50 mm×4 mm的絕緣試樣，如圖1所示。

圖1 絕緣試樣實物圖Fig.1 Physical drawing of insulation sample

該發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣的耐熱等級為155級（F），實際工況中抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子線棒部分區(qū)域的溫度可能會超過200℃。為了實現(xiàn)加速熱老化，本研究將熱老化溫度在最高允許工作溫度（155℃）的基礎(chǔ)上再提高25℃和50℃，即180℃和205℃作為發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣試樣的加速熱老化溫度，分別進(jìn)行6個和4個周期熱老化試驗，具體方案如表1所示。

表1 加速熱老化試驗方案Tab.1 Accelerated thermal ageing test scheme

1.2 聲學(xué)性能測試原理及方法

超聲波在兩種介質(zhì)中傳播時，在界面處會發(fā)生反射或折射，一部分能量原路返回，產(chǎn)生反射波；另一部分能量透過界面進(jìn)入另一種介質(zhì)，產(chǎn)生折射波。超聲波在介質(zhì)中的傳播特性可由聲阻抗Z表示，定義為介質(zhì)的密度ρ與聲波在該介質(zhì)中的聲速c的乘積，如式（1）所示。

由第一介質(zhì)聲阻抗Z1和第二介質(zhì)聲阻抗Z2可計算得到聲透射系數(shù)T和聲反射系數(shù)R，如式（2）～（3）所示。

脈沖回波法檢測試樣過程如圖2所示，當(dāng)換能器生成的超聲波通過耦合劑進(jìn)入缺陷試樣時，先在試樣表面產(chǎn)生表面波T。在介質(zhì)內(nèi)如果遇到氣泡或其他聲阻抗不同的缺陷，部分聲波會反射回來，稱為缺陷波F；部分聲波則繼續(xù)沿原有路線傳播，在遇到試樣底面時反射，即為底面波B。

圖2 脈沖回波法檢測試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of pulse echo method testing sample

超聲波在空氣中傳播的衰減較大，在超聲檢測時需要使用合適的耦合劑以改善超聲波的檢測效果。常用耦合劑有凡士林、黃油和水等，由于檢測試樣整體偏薄，若采用直接接觸的方式將凡士林涂抹在表面進(jìn)行測量，則表面波與底面波都很容易被淹沒在初始脈沖波中。因此，本研究采用水浸法進(jìn)行測試，采用蒸餾水作為耦合劑，探頭不需要壓在試樣表面，可自由調(diào)整探頭與試樣的距離，以找到波形最清晰的位置。

抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣為復(fù)雜的層壓式復(fù)合材料，聲波在材料內(nèi)部衰減嚴(yán)重，因此選用合適頻率的探頭顯得尤為重要。定子線棒主絕緣中的云母常以云母粉的形式分布在環(huán)氧樹脂中，聲波在環(huán)氧-云母界面容易發(fā)生聲散射，同時網(wǎng)狀的玻璃絲帶也會加強(qiáng)聲波散射，導(dǎo)致聲能衰減嚴(yán)重且雜波信號較多。試驗時需要較高頻率的聲波來辨別缺陷信號與雜波信號，但是高頻聲波在介質(zhì)中衰減嚴(yán)重，穿透性也更差，當(dāng)超聲探頭頻率過高時，聲波將可能無法穿透整個試樣。若超聲探頭頻率過低，聲波波形會更寬，當(dāng)試樣厚度較小時，缺陷波之間可能重疊，難以分辨。

為了選擇合適頻率的超聲探頭，在25℃下分別選用中心頻率為0.5、1、2.5、5 MHz的超聲探頭對未熱老化的試樣開展初步試驗。經(jīng)綜合對比，本試驗選用中心頻率為1 MHz的超聲探頭。

1.3 聲學(xué)性能測試平臺

在實驗室搭建了超聲檢測平臺，選用汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司的CTS-9006型超聲信號儀發(fā)射與接收超聲波信號，采用水浸法對線棒絕緣試樣進(jìn)行測試，蒸餾水為耦合劑，超聲探頭中心頻率為1 MHz。為了更高效地進(jìn)行信號采集，選用Pico公司的2207B型數(shù)字示波器，采樣頻率為125 MS/s。檢測平臺由計算機(jī)發(fā)出指示命令，雙軸掃查系統(tǒng)帶動超聲探頭在試樣上方移動，超聲信號收發(fā)儀根據(jù)指示命令發(fā)出和接收超聲信號，將回波信號放大后傳輸?shù)綌?shù)字示波器中，可在計算機(jī)中存儲和查看波形信號。

測試時，將待測試樣放入水槽中，向水槽中加入足量的蒸餾水，并將超聲探頭沒入水面，試樣的厚度已知，根據(jù)式（4）可計算試樣的超聲聲速。

式（4）中：d為試樣在測試點的厚度；tB為底面波B的返回時間；tT為表面波T的返回時間。

2 超聲聲速及頻譜分析

超聲聲速是表征材料聲學(xué)性能的基本參數(shù)之一。聲音在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，即使對于同種介質(zhì)，當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，聲速也會發(fā)生改變。本研究采用脈沖回波法對線棒絕緣試樣進(jìn)行超聲檢測，檢測結(jié)果展示了超聲信號幅值與傳播時間的關(guān)系。

首先，對超聲檢測使用的超聲探頭進(jìn)行標(biāo)定，本試驗綜合考慮測量精度與試樣厚度的要求，選用1 MHz單晶探頭，測試無試樣條件下的脈沖回波波形，如圖3所示。對該波形進(jìn)行傅里葉頻譜（圖3(a)）分析，得出脈沖回波波形的傅里葉頻譜特征峰頻率為1.26 MHz，與實際超聲探頭頻率基本一致。此外，通過對圖3(b)中相鄰兩個聲波信號峰值位置的差值計算得出探頭頻率為1.25 MHz，這與傅里葉頻譜分析結(jié)果相符合。通過對超聲探頭進(jìn)行信號檢測與頻譜分析，為后續(xù)不同熱老化周期試樣的超聲檢測提供了標(biāo)定與對照。

圖3 無試樣時探頭超聲波形與頻譜Fig.3 Ultrasonic shape and frequency spectrum of probe without sample

定子線棒主絕緣為環(huán)氧云母玻璃絲帶構(gòu)成的層壓式結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，首先選取同等厚度（4 mm）的純環(huán)氧材料與未老化的定子線棒主絕緣試樣進(jìn)行測試，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，純環(huán)氧試樣中的超聲波在表面波之后逐漸衰減，而在定子線棒主絕緣試樣中，由于其內(nèi)部為多層層壓結(jié)構(gòu)，超聲波衰減更快，內(nèi)部波形更為復(fù)雜。根據(jù)試樣表面波和底面波的峰值位置可以得到超聲波在試樣內(nèi)部傳播的時間差，然后由式（4）計算得到材料中的聲速，純環(huán)氧試樣中的聲速為2 424.24 m/s，定子線棒主絕緣試樣中的聲速為2 162.16 m/s。進(jìn)一步對二者進(jìn)行傅里葉頻譜分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，對于純環(huán)氧試樣，其頻譜特征峰位置在0.96 MHz，仍處在超聲探頭信號峰位置附近，在探頭特征峰附近出現(xiàn)兩個特征峰，位置分別為0.47 MHz與1.39 MHz，幅值較小。對于定子線棒主絕緣試樣，其超聲頻譜在1.04 MHz與1.38 MHz處多了兩個特征峰，且特征峰間相互重疊，幅值較大，這與試樣的多層結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過進(jìn)一步橫向?qū)Ρ炔煌匣芷谠嚇拥某曨l譜可對試樣的老化程度進(jìn)行評估與判斷。

圖4 純環(huán)氧與定子線棒主絕緣中的超聲波形Fig.4 Ultrasonic waveforms in pure epoxy and stator bar main insulation

圖5 純環(huán)氧與定子線棒主絕緣超聲波頻譜Fig.5 Acoustic frequency spectra of pure epoxy and stator bar main insulation

對180℃和205℃下老化不同周期的定子線棒主絕緣試樣進(jìn)行超聲聲速測試，每個老化周期試樣的超聲聲速均測量10次取平均值，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著老化的進(jìn)行，聲波在定子線棒主絕緣中的傳播速度整體呈下降趨勢。在老化初期，205℃老化試樣的超聲聲速減小幅度較大，之后聲速減小速度變緩，在180℃與205℃下老化最后一個周期后，超聲聲速分別減小至1 556 m/s與1 498 m/s，此時試樣內(nèi)部可能出現(xiàn)分層與氧化，聲波傳遞過程出現(xiàn)折反射與耗散。

圖6 熱老化后定子線棒主絕緣超聲聲速的變化Fig.6 Changes of ultrasonic velocity of stator bar insulation after thermal ageing

進(jìn)一步對不同老化周期下定子線棒主絕緣試樣的聲波頻譜進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，試樣在熱老化前后的超聲頻譜特征峰位置基本不變，變化范圍在10%以內(nèi)，說明試樣在經(jīng)歷不同階段老化后，仍未發(fā)生直接影響試樣頻譜組成的大幅度質(zhì)變。但是相比于初始試樣，不同老化周期試樣的頻譜特征峰幅值均有所降低，且老化時間越長，頻譜特征峰幅值越低。在頻譜中不同頻率對應(yīng)的幅值可近似反映聲波的能量，經(jīng)歷老化的試樣內(nèi)部可能存在分層、空隙甚至脫落等缺陷，導(dǎo)致聲波能量在傳輸過程中被吸收，整體能量降低。

圖7 熱老化后定子線棒主絕緣超聲頻譜的變化Fig.7 Changes of ultrasonic spectra of stator bar main insulation after thermal ageing

3 超聲缺陷圖譜分析

發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣在生產(chǎn)制造過程中容易引入氣泡或分層等缺陷，這些缺陷在高溫環(huán)境中可能會逐漸擴(kuò)大，直接影響材料的場強(qiáng)及應(yīng)力分布，甚至造成絕緣加速老化。傳統(tǒng)的絕緣材料評估手段僅表征材料的整體性能，無法對局部缺陷進(jìn)行檢測，而超聲檢測法則能夠準(zhǔn)確識別材料局部分層、裂紋等缺陷，作為傳統(tǒng)方法的補(bǔ)充，可以更全面地對材料絕緣狀態(tài)進(jìn)行評估。

本研究對發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣試樣制造人為缺陷，先在試樣中制造兩個直徑為2 mm的鉆孔，將左側(cè)鉆孔處用膠密封以便在水中形成孔洞，記為孔洞缺陷，在右側(cè)鉆孔處插入鋼釘，記為雜質(zhì)缺陷，如圖8所示。將上述兩類缺陷與正常試樣進(jìn)行超聲檢測，結(jié)果如圖9所示。

圖8 人為引入缺陷的塊狀定子線棒主絕緣試樣Fig.8 Stator bar main insulation sample with artificial defects

圖9 不同缺陷定子線棒主絕緣的超聲檢測波形圖Fig.9 Ultrasonic testing waveforms of stator bar main insulation with different defects

從圖9可以看出，缺陷的引入對試樣的超聲波形會產(chǎn)生較大影響，這是由于缺陷處介質(zhì)不連續(xù)，導(dǎo)致不同區(qū)域存在聲速的差異以及產(chǎn)生聲波折反射，從而改變了聲波傳播速度。對于孔洞缺陷與雜質(zhì)缺陷，由于聲速在空氣中的傳播速度較小，而在金屬中的傳播速度較大，在原有正常狀態(tài)下的表面波與底面波間會引入新的特征峰，使得部分含孔洞缺陷試樣的聲速略有減小，而含鋼釘缺陷試樣的聲速變大，聲速分別為2 051.28 m/s與2 285.71 m/s。對于上述孔洞缺陷和金屬雜質(zhì)缺陷，根據(jù)公式v=2d/t即可計算得到其所在位置分別在2.91 mm處與1.88 mm處。

4 結(jié) 論

（1）根據(jù)抽水蓄能發(fā)電機(jī)定子線棒主絕緣材料的特性進(jìn)行了超聲探頭的選型，研制并搭建了可用于分析超聲聲速、超聲頻譜、超聲缺陷波形圖的檢測平臺。

（2）定子線棒主絕緣試樣在熱老化過程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分層會導(dǎo)致聲波傳遞過程出現(xiàn)折反射與耗散，這是造成聲波在絕緣試樣內(nèi)部傳遞速度變小的根本原因。

（3）對定子線棒主絕緣試樣引入人為孔洞缺陷和雜質(zhì)缺陷，缺陷的引入對試樣的超聲波形會產(chǎn)生較大影響，這是由于缺陷處介質(zhì)不連續(xù)，導(dǎo)致不同區(qū)域存在聲速的差異以及產(chǎn)生聲波折反射，從而改變了聲波傳播速度，通過超聲回波可以檢測到缺陷并對其進(jìn)行準(zhǔn)確定位。