超声波无损探伤在托电支柱绝缘子中应用
支柱瓷绝缘子缺陷分析与检测方法概述
支柱瓷绝缘子缺陷分析与检测方法概述摘要电力系统中的支柱瓷绝缘子起着支撑导线和绝缘作用，其健康状态关系到发电厂和变电站的安全运行。
笔者对支柱式瓷绝缘子老化与发生缺陷的原因和特征进行研究，从机械、电气性能方面分析了缺陷发生的机理；然后介绍支柱瓷绝缘子当前常用的三种检测方法，红外测温，超声波探伤以及振动声学检测，阐述了三种方法各自的优劣。
关键词支柱瓷绝缘子；振动声学；红外测温前言变电站电力设备中支柱瓷绝缘子起着支撑导线和绝缘的作用，支柱瓷绝缘子由于质量劣化及自然老化发生断裂等事故会严重威胁电力日常生产安全。
支柱绝缘子的断裂是一种突发现象，其发生既有绝缘子本身的原因，又有运行过程中外部因素的影响，从现场探测的结果来看，支柱瓷绝缘子在运行和操作中受伤是产生缺陷和断裂的主要原因。
但是同时从事故案例中可以发现，有部分是由于制造工艺落后，产品质量不高等内在原因引发。
因此很有必要开展针对支柱瓷绝缘子的老化、破损等缺陷的有效检测方法的机理与应用研究。
目前，检测变电站支柱瓷绝缘子的方法有超声波探伤、红外检测与振动声学检测方法等。
其中超声波探伤不仅要求在停电状态下进行，并且超声爬波法和纵波法检测效率极低。
在爬波探伤中，由于探头制作质量差，耦合不良，法兰结合部位的沙砾等均会产生大量的干扰信号，而纵波法要求检测人员具有很高的技术水平和丰富的经验。
而红外测温则存在一定的漏检率，支柱瓷绝缘子存在缺陷时并不是全部都会出现泄漏电流导致温升的情况，而且红外检测容易受到现场环境温湿度干扰导致缺陷检出率不高。
振动声学探伤方法通过检测瓷支柱绝缘子固有频率，根据物体固有频率不变的特性来判断该支柱瓷绝缘子的健康状况是否发生变化。
1 支柱瓷绝缘子缺陷分析瓷柱断裂和裂纹主要原因：一是瓷柱在制造过程中残留的内在缺陷。
常规敲击等出厂检测难以检出瓷件的微小裂缝，在运行中易发展成裂纹或断裂，二是由于瓷件与两端金属附件间水泥胶装的工艺存在问题，不严格执行工艺操作和控制，程序忽略缓冲层、水泥致密性、上砂高度等措施。
超声波传感技术在电力系统中的应用研究
超声波传感技术在电力系统中的应用研究近年来，超声波技术在电力系统中的应用越来越受到重视。
这种无损检测技术可通过超声波传感器接收物体发出的超声波信号，然后根据信号的变化来检测物体的状态和性能。
超声波传感技术在电力系统中的应用主要包括变压器检测、电缆故障检测以及绝缘材料检测等方面。
一、变压器检测变压器是电力系统中非常重要的设备，其正常运行对电力系统的稳定性和安全性有着至关重要的作用。
现在，超声波传感技术可以用来检测变压器绕组中的缺陷和损失，如松动导线、绝缘层剥离、短路、局部放电等。
通过对变压器进行超声波检测，可以有效排除变压器的隐患，保障电力系统的稳定运行。
二、电缆故障检测电缆是电力系统中的另一个重要部分，而且在现代电力系统中，电缆的使用越来越广泛。
然而，电缆的损坏问题随之而来。
超声波传感技术在电缆故障检测中的应用则可以帮助检测电缆的损伤程度，并确定电缆损伤的位置。
这种技术还可以检测电缆接头的连接状况，并判断连接点是否需要更换或者修理。
而且，电力系统的一些地下电缆难以修理，采用超声波技术可以避免拆除地面的部分，降低了维修成本。
三、绝缘材料检测在电力系统中，绝缘材料的质量也是至关重要的。
目前，一些新型的绝缘材料和技术正在被广泛应用。
超声波传感技术可用于检测各种绝缘材料的质量和可靠性，如电气设备绝缘材料、变压器油、电缆绝缘材料和导电粘合剂等。
通过这种检测技术，可以将缺陷和损伤排除，增强绝缘材料的可靠性，提高电力系统的性能和安全性。
四、结论随着大数据、物联网等技术的快速发展，传感技术的应用也将愈加广泛。
而超声波传感技术的应用也将愈加重要。
在电力系统中，超声波技术可以用来检测变压器、电缆和各种绝缘材料的损伤和缺陷，提高电力系统的可靠性、稳定性和安全性。
所以，超声波传感技术在电力系统中的应用值得深入研究，以推动其更广泛的应用。
电网在役支柱瓷绝缘子的超声波检测标准讲解共74页
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电网在役支柱瓷绝缘子的超 声波检测标准讲解
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
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浅谈声振动检测技术在瓷支柱绝缘子中的应用
浅谈声振动检测技术在瓷支柱绝缘子中的应用针对在役绝缘子的性能特点和运行环境，本文采用声振动检测技术进行检测，讲述了声振动检测技术的原理，通过超声波探伤对其检测效果进行验证，并结合切割试验，进一步验证了该技术的可行性和有效性。
标签：瓷支柱绝缘子;声振动检测;实验0 引言瓷支柱绝缘子广泛应用于火力发电厂、变电站等场所，主要在配电设备或架空输电线路中起着支撑导线和防止电流回地的作用，绝缘子不应该产生由于环境和电负荷条件发生变化导致的表面放电而失效，导致机械强度及性能下降，对整条线路的使用和运行造成损害。
绝缘子作为电网系统的关键零部件，其质量关系着电网的安全运行。
由于在役绝缘子长期处于运行高压的作业环境下，又受露天环境的侵蚀，运行条件比较恶劣。
因此了解并掌握在役瓷支柱绝缘子的机械状态尤为重要，必须加强对其检测，本文主要采用振动声学的方法进行试验分析。
1 瓷支柱绝缘子结构性能1.1 组成成分瓷支柱绝缘子主要由粘土、长石、石英等硅酸盐按一定比例混合搭配[1]，经过加工并施于高温后烧结成的无机绝缘材料，主要成分为玻璃状的石英离子;其中结晶越高则绝缘子的机械强度就越好。
1.2 缺陷产生原因绝缘子主要是通过高温烧成的无机绝缘材料[2]，属于脆性材料，本身韧性较低，由于制作工艺比较复杂，加工不当很容易出现我们肉眼無法观察到的微裂纹等缺陷，加上强度不足，就很可能在表面缺陷处产生应力集中，造成微裂纹扩展，最终导致断裂失效。
在绝缘子使用过程中，由于本身工作环境比较恶劣，加上外界比如大风、雨雪、覆冰等诸多因素的影响，而且在检修操作过程中其端部存在拉伸等应力，以上原因也可能引起运行中出现裂纹等缺陷。
2 瓷支柱绝缘子声振动检测方法概述2.1 检测依据声振动检测方法主要运用物体力学测试理论，绝缘子的机械强度跟频率关系密切，通过激发绝缘子振动，检测本身的谐振频率，通过观察自身的振动频谱来评价其机械强度。
其保持机械状态的基本判据是其振幅-频率特性的不变性（其表现形式是杆件系统振动功率谱密度评估图）。
支柱绝缘子超声波检验报告
无缺陷
无缺陷
合格
备注:
1、缺陥记录时，应详细记录缺陷在周向和轴向的位置以及缺陷的波高。
2、缺陥周向定位时，以绝缘子上出厂编号首字母的左边缘为0点；
3、缺陥轴向定位时，以法兰面为0点。
检验人员
校核
変电站
装用设备型号
535系列
装用设备生产厂家
测试仪器
厂家
支柱绝缘子生产厂家
支柱绝缘子出厂日期
/
测试仪器 型号
测试仪器编号
/
探头型号
试块型号
耦合剂
机油
瓷件声速
检验部位及检验记录
序号
调度编号及装用位置
纵波检测
爬波检测
评定
1
无缺陷
无缺陷
合格
无缺陷
无缺陷
合格
无缺陷
无缺陷
合格
无缺陷
无缺陷
采用超声波探测高压瓷绝缘子内部缺陷
场检查发现，发生故障的高压瓷绝缘子一般都存在
胶装工艺质量不过关（如存在空隙、开裂或偏心
引起的，故障点一般在法兰口内３ ｍｍ到第一片瓷
裙之间。 支柱瓷绝缘子结构如图１所示。
等）的问题。高压瓷绝缘子的故障已严重影响电
网的安全运行。因此，我们根据中华人民共和国机 械行业标准ＪＢ／Ｔ ９６７４－－１９９９《超声波探测瓷件内 部缺陷》对停电检修的高压瓷绝缘子进行超声波 探测，现介绍如下。 １仪器的选用 超声波探伤仪是利用声速脉冲反射原理来判断
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图２正常波形 ５
故障波形如图３所示。该图是在某变电站ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ个
２２０
结语 利用超声波探测瓷绝缘子内部缺陷是近几年电
ｋＶ隔离开关法兰和瓷绝缘子接合处（图１中
检测点４）ｉ贝０得的。由图中波形可见，测量时的缺 陷回波幅值急剧增大到了８０ ｄＢ。换下该瓷绝缘 子，人工切开后发现瓷绝缘子内部存在裂纹。 我们在检测瓷绝缘子内部缺陷的过程中，还碰 到过如图４所示的波形。该波形的回波幅值一度达 到２５ ｄＢ。发现这种波形时，不能马上判定瓷绝缘 需要注意的是，在设计中不可一味追求供电可 靠性。如提高线路绝缘子绝缘水平可减少雷击时的 闪络，提高供电可靠性，但该做法会导致雷电流无处 泄放，只能沿线路向下游用电设备传递，会损害下游 用电设备的绝缘，造成供电中断及经济损失。因此， 在实际工程中，需要综合考虑供电稳定性及设备安 全性，从而达到最佳的防雷效果。
引用本文格式：陈文穗.苏东青.王祥林 采用超声波探测高压瓷绝缘子内部缺陷[期刊论文]-电世界 2014(9)
检测点１
瓷绝缘子是否存在内部缺陷的仪器。根据声速的快
高压支柱瓷绝缘子超声波检测及应用研究
瓷质绝缘子超声波探伤检测技术的应用
技术应用/TechnologyApplication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。
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超声波无损探伤在托电支柱绝缘子中的应用
摘要：分析了支柱绝缘子缺陷产生的主要原因，介绍了超声波无损探伤的基本原理，利用超声波检测支柱绝缘子内部缺陷的方法。
列举了利用爬波方法对支柱绝缘子内部的缺陷进行检测的实例。
关键词：支柱绝缘子；末裙；超声波无损探伤；纵波；爬波；dac 曲线
0、引言
托克托电厂有一个500kv变电站和两个220kv变电站，支柱绝缘子是变电站重要的组成设备，如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均匀，容易形成瓷件内部缺陷，由于没有固有的形变能力且韧性极低，运行中长期承受机械负荷、强电场、强机械应力，从而使附加应力增大。
若支柱绝缘子存在微小缺陷，可能造成严重的设备损坏和设备停电事故，影响安全供电，同时对工作人员的人身安全构成极大的威胁，成为升压站安全运行的一大隐患。
因此必须在事故前检测出缺陷并进行处理。
1、支柱瓷绝缘子的组织结构
支柱瓷绝缘子是采用陶瓷、金具和水泥等多种材料组合而成的，瓷体主要有粘土、长石石英等铝硅酸盐原料混合配制，加工成一定形状后，在高温下烧结成的无机绝缘材料，瓷表面覆盖了一层玻璃质平滑薄层釉。
陶瓷一般是通过将粉末原料成型，烧结而成的。
经过这些工艺所制得的陶瓷，是由许多微晶聚集的多晶体构成，这就
不可避免的存在着晶界。
晶界不仅在陶瓷烧结过程中起着重要作用，而且还对烧结体物理、化学性能有很大影响。
陶瓷晶界有错位、空孔等晶格缺陷和晶格畸变存在，杂质就容易集中，形成晶界偏析层、层状析出物、粒状析出物。
由此可知陶瓷材料的特点是显微组织且不均匀。
2、支柱瓷绝缘子断裂的原因
支柱瓷绝缘子劣化因素既与制造厂的材料、配方、工艺流程有关，也与环境及运行中承受的负荷有关。
2.1、运行中的支柱瓷绝缘子大都在法兰处断裂，支柱瓷绝缘子如果在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均，焙烧火力不足等，易形成瓷件内部缺陷，在长期承受运行中的机械负荷，以及风、雨等因素影响，从而使末裙与法兰交界处附加应力增大，导致支柱瓷绝缘子产生裂纹、气隙，以至断裂。
2.2、陶瓷、金具和水泥紧密粘合在一起，组成支柱瓷绝缘子，而三种材料的膨胀系数和导热系数都是不同的，当环境温度发生骤变时，使得法兰内瓷体承受的应力过大和集中，应力无法释放，就会作用在有缺陷的绝缘子端部，使支柱瓷绝缘子产生裂纹等缺陷，最终在外部环境作用下导致瓷件断裂。
2.3、在隔离开关安装过程中，错位别劲，这样在温度变化时，由于热胀冷缩作用，产生机械应力，长时间作用也可能导致支柱瓷绝缘子断裂。
2.4、由于检修维护不到位，隔离开关出现锈蚀、卡涩等现象，
由于温度变化作用，产生长时间的高变应力，最终导致支柱瓷绝缘子疲劳断裂。
2.5、隔离开关操作次数频繁，操作不当，产生很大的短时机械负荷，导致支柱瓷绝缘子断裂。
3、超声波无损探伤的基本原理
超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、检测速度快、对被测试品和人员均无害。
目前托克托电厂使用的是美国泛美的epoch-lt超声波探伤仪和南京卓实的专业探头，现在超声波探伤仪大部分是a 扫描方式的，即显示器的横坐标是超声波在被测试品中的传播距离或传播时间，纵坐标是超声波反射波的幅值。
由反射波的位置可以确定缺陷位置，由反射波的幅值可以估算缺陷大小。
超声波探伤是通过探头产生和接收超声波的，探头的核心元件是薄片状压电晶体，通常称为压电晶片。
探伤仪发射电路产生的高频电脉冲加于探头时，激励压电晶片发生高频振动，产生超声波。
产生的超声波经耦合后传入被测试品中，遇到异质界面处，就会全部或部分被反射，反射回来的超声波又被探头接收，通过仪器内部的电路处理，在仪器的显示屏上就显示出不同高度和有一定间距的波形，根据波形的变化特征，判断缺陷在被测试品中的深度、长度和类型。
4、支柱瓷绝缘子爬波探伤方法的研究
4.1、支柱瓷绝缘子检测的重点
从支柱瓷绝缘子损坏情况来看，通常在铸铁法兰和瓷绝缘子的结合部。
这里也是支柱瓷绝缘子应力最集中、最容易产生裂纹和发生
断裂的区域。
该区域的显著特点是水平跨距较小，约为20mm-50mm。
此处一般有部分砂层覆盖，扣除探头无法放置的砂层过渡区后，跨距至多为20mm所以本此研究检测的重点是支柱瓷绝缘子在埋藏在法兰口内侧2-3mm或与瓷体相交的表层下的裂纹。
4.2、爬波探头功能
爬波仅仅对距表面深度1-8mm内缺陷有效。
应调整e角度尽可能找出最大索范围。
试验表明回波声速快距离始脉冲较近，同时横波声速仅为爬波的1/2，由横波产生的信号在时间基线上位置明显滞后，因此不会干扰检测。
4.3、爬波探头的选择及位置
探头的弧度划分为φ100、φ120、φ140、φ160、φ180、φ200、φ240以及平面等8种规格。
选择探头的原则是根据被探支柱瓷绝缘子的外径选择，探头接触面的弧度应略大于瓷件的外径。
同时要注意被检测瓷件的材质，选择同类别的试块和探头。
4.4、耦合剂的规定
应采用良好的耦合剂，必须保持耦合剂的清洁，且耦合剂不得对支柱绝缘子造成腐蚀等不良影响。
4.5、探伤试块的规定
探伤试块材质的致密性应良好，应具有与被检测的支柱绝缘子相同或相近的声学性能。
探伤试块形状为圆形实心瓷件，其上有均布四个方向的深度分别为1mm、3mm、5mm、7mm的人工割口缺陷。
4.6、测试方法
首先选择合适的探头，利用标准试块，用1mm人工割口绘制dac 曲线，dac曲线将作为标准和所测波形来判断被测试品中是否有缺陷。
在检测过程，探头与瓷件之间必须填充耦合介质以实现声能的传递。
耦合剂在瓷件与探头接触面上具有排除空气，填充不平的凹坑和间隙，此外耦合剂还有减少摩擦、方便移动的功能。
若支柱瓷绝缘子出现缺陷时，缺陷波前基本无杂波，移动探头时，随着缺陷距离的迫近，缺陷波高显著增强，此时可采用绝对灵敏度测定其指示长度。
4.7、爬波探伤灵敏度的确定
将探头置于试块，找出距探头前沿20mm深度2mm模拟裂纹的最强反射波，调整至80%波高，将探头置于支柱绝缘子的探测面，如果是普通瓷应在此基础上衰减6-8db，中强瓷衰减8-10db，高强瓷衰减12-14db，即为探伤灵敏度（探伤部位如果已经涂刷防水胶时应在确定探伤灵敏度后再增益5-6db）。
4.8、扫查方式
环绕支柱绝缘子径向旋转扫查。
4.9、爬波探伤缺陷的评定
采用爬波检查外壁缺陷时，显示屏始脉冲后基本无杂波，缺陷信号容易识别，指示长度易测定，扫查时会出现两种情况：第一种情况是外壁缺陷反射波高≤深度1mm模拟裂纹反射波高，此时应以用于指示长度，当指示长度＞10mm时应判定为裂纹，＜10mm时应判定为点状缺陷。
第二种情况是当缺陷反射波高＞深度１mm模拟裂纹
反射波高时，当长度＜mm应判定为裂纹。
爬波检查外壁缺陷判定为裂纹时，必要时可以采用纵波斜入射探头进行验证。
以便最终确定缺陷性质。
图5是正常瓷瓶的波形图；而图6波的幅值超过了标准dac曲线（标准曲线用深度1mm人工割口的试块制作的），说明该裂纹的深度超过了1mm，从裂纹出现的距离判断，该裂纹距离探头前沿0.6cm处，该瓷瓶被判报废；图7波的幅值也是超过了标准dac曲线，说明该裂纹深度超过了1mm，裂纹距离探头前沿2.7cm处，该瓷瓶被判报废；
图8裂纹波形图
5、支柱瓷绝缘子的运行维护
5.1、判断瓷瓶质量好坏正确与否，很大程度上取决于探伤人员的实际经验，除了加强工作人员的探伤技术培训，还必须清楚绝缘子的制造工艺，熟悉缺陷的产生机理。
5.2、在停电时间允许的情况下，要结合爬波和纵波两种方法对支柱瓷绝缘子内部的缺陷进行全面检测。
5.3、对运行中的高压支柱瓷绝缘子，在设备检修和运行中，应认真检查，正确操作，严禁蛮力操作。
5.4、为了进一步了解支柱瓷绝缘子的状况，应建立测试台帐及相关管理制度，确定合理的测试周期，做到心中有数，为升压站的安全稳定运行提供了可靠的保证。
5.5、支柱瓷绝缘子的超声探伤检测周期：一是更换支柱瓷绝缘子时。
二是对新投运的支柱瓷绝缘子，在投运一年内进行一次普测，
测试报告存档。
三是运行15年及以上的支柱瓷绝缘子检测周期为3年。
四是运行15年以下的支柱瓷绝缘子检测周期为6年。
五是对停电困难的母线的支柱瓷绝缘子、母线侧隔离开关支柱瓷绝应创造停电条件对支柱绝缘子进行检测。
参考文献
[1] 国家质量技术监督局．高压支柱瓷绝缘子第ｉ部分：技术条gb8287.1-1998。
[2] 国家电网生技（2005）173号．关于印发输变电设备检修规范的通知，2005。
[3] 超声波探伤无损检测人员考核培训教材.。