基于微波反射法的复合绝缘子无损检测方法

基于微波反射法的复合绝缘子无损检测方法
摘要：复合绝缘子发生事故有一类重要原因是由于内部缺陷导致。

针对复合绝
缘子的无损检测技术很有必要，但目前尚无理想的方法。

复合绝缘子的材料结构
较为复杂，许多延续自玻璃和陶瓷绝缘子的检测方法和其他行业成熟的无损检测
方法不适用于复合绝缘子的检测。

关键词：复合绝缘子；无损检测；微波反射法；导通性缺陷；检测距离；
为了对运行复合绝缘子内部缺陷进行无损探伤(NDT)，提出一种基于高频微波
的检测方法，利用微波在硅橡胶与缺陷以及缺陷与芯棒交界面处的折反射进行缺
陷检测。

一、实验装置与实验方法
1.实验系统。

直流电源为微波源提供工作电压，微波源采用耿氏振荡器，产
生24 GHz的微波。

通过波导管将微波传导到试样表面或者附近，微波从波导管中发射出来，在试样的各个表面发生折射和反射，反射波的一部分被波导管接收，
定向耦合器将反射波提取出来，经过微波检测器转换成电压强度信号，经过低频
放大器处理，进入数据采集卡，最后进入计算机读数并处理。

使用的探头只能进
行近场检测，由于波导是金属材质，无法近距离接触运行绝缘子，所以目前阶段
的实验装置只能用于离线检测。

进一步考虑在线检测需要改用微波天线探头。

2.微波频率的选择。

本实验中使用的微波频率为24 GHz，主要来自于对检测
精度的要求和微波传输理论中波导管与电磁波的匹配要求。

要检测毫米尺度的缺陷，微波频率应在几十GHz量级。

根据由频率带来的趋肤效应、介质损耗、辐射
损耗、工艺难度等因素，10 GHz频段的微波适宜选用矩形金属波导管。

由波导传
输线理论，矩形波导管内部电磁波具有以下性质：尺寸确定的矩形波导管只能传
递频率离散的特定几种波型，并且存在截止波长，只有波长小于2倍内边长的微
波才能在波导管内形成稳定的传输波形。

另外，不同频率的微波所传输的功率不同，确定尺寸的波导管有对应的最大传输功率。

综合以上因素，选择矩形金属波
导的过程如下：先根据使用需要(本实验中即测量精度)选择大致的微波频率范围，再根据不同型波的截止频率选择能够滤出唯一型波的波导尺寸范围，最后根据最
大传输功率的要求选定工作频率。

3.实验样品。

（1）人为添加缺陷样品。

复合绝缘子内部如存在隐蔽型缺陷，
将为其安全运行带来严重的威胁。

在生产过程中的如质量控制不佳，可能造成芯
棒与硅橡胶材料脱粘以及硅橡胶内部存在气泡等局部非导通性缺陷。

同时，在复
合绝缘子运行中，水分可以穿透过硅橡胶护套材料，理论上说，在高湿度环境下，水分有可能到达内部缺陷处并在缺陷处凝结，产生液态水。

同时内部缺陷还将导
致缺陷处产生电场的畸变，甚至导致局部放电的出现。

局部放电带来的电子崩以
及电子脉冲将破坏芯棒以及护套材料的化学结构，使材料碳化，大幅降低故障区
域的局部电阻，产生导通性缺陷。

微波在介质中的传播情况取决于介质内介电常
数和磁导率的分布，本实验相关的样品磁导率都近似为1，采用介电常数相近的
材质可以模拟绝缘子内的缺陷对于微波检测的反应。

复合绝缘子内的缺陷随着其
发展过程，介电常数由很小(略潮湿的空气)逐渐过渡到极大(碳化通道)。

本实验中，用木质材料模拟非导通性缺陷，用含水的芯纸模拟半导通性缺陷，用金属模拟导
通性缺陷。

在复合绝缘子制作过程中人为加入杂质作为缺陷。

在玻璃纤维芯棒表
面嵌入杂质物质，然后进行硅橡胶注射，成形后截取，得到圆柱形样品。

根据添
加缺陷不同有3类样品：①加入厚度为0.2 mm，长60 mm，宽20 mm的铜片，
以模拟导通性缺陷。

②加入厚度为1 mm，长60 mm，宽20 mm的木片，以模拟非导通性缺陷。

③加入厚度为1mm，长20mm，宽10 mm的芯纸纸片，芯纸具
有良好的吸水性，实验前在芯纸中滴入水，以模拟半导通性缺陷。

（2）现场温
升样品。

现场温升复合绝缘子样品：岭深乙线N46塔，中相后串，现场温升
8.6℃。

绝缘子取回后在特高压工程技术国家工程实验室进行加压实验，施加交流
电压318 kV，即1.1倍运行电压，加压时间2 h。

通过FTIR SC600红外摄像仪观察，高压端出现了明显的发热，发热部位处于第1个与第3个大伞裙之间。

二、结果及讨论
1.非导通性缺陷。

在样品的表面划分24等分，测量对应位置处的微波反射信
号强度。

非导通性缺陷的检测结果如图1所示，植入缺陷的坐标在4、5、6、7
检测点，可以看到有1个峰。

图1非导通性缺陷样品检测结果
在缺陷所在位置对面(即相距12个坐标点的位置)的信号强度有所波动，这是
由于微波对于护套和芯棒材料都有一定的穿透性，在缺陷正对探头和背对探头的
时候读数信号都会有一定的反应。

由于缺陷处介质不均匀对微波造成一定的散射，导致在正对缺陷处的读数波动。

进一步利用这个性质加强缺陷识别能力的方法有
待后续研究。

由图1可见，植入缺陷位置的微波反射信号强度与无缺陷位置有明
显区别。

对于本样品，无缺陷位置的反射微波强度在8.5~10 V，在有缺陷的位置，反射波强度发生明显变化，在峰值处达到7 V，相比于无缺陷正常信号范围，偏
离量为1.5 V，约为无缺陷波动范围宽度的1倍。

2.导通性缺陷。

导通性缺陷样品同样在样品的表面划分24等分，测量对应位
置处的微波反射信号强度。

样品中无缺陷位置的反射波强度大约在8.5~10 V，在
有缺陷的位置，反射波强度变化很大，峰值处超出正常范围4.5 V，约为无缺陷波动的范围宽度的3倍。

3.半导通性缺陷。

半导通性缺陷样品同样测量24等分点处的反射信号强度。

由于测量中发现部分数据超出数据采集卡量程10.5 V，调整探头与样品之间的距
离s为约3 mm(其可行性在3.5节中进行讨论)，进行测量。

样品中植入缺陷的位
置是4、5、6坐标处。

样品中无缺陷位置的反射波强度大约在2~3.5 V，在有缺陷的位置，反射波强度变化很大，峰值处超出正常范围3.7 V，约为无缺陷波动的范围宽度的2.4倍。

综合分析对人为缺陷样品的检测过程，在对多个样品的检测中
表现出相似的规律：①无缺陷位置的反射波强度不是定值，有一定的波动，但是有一个范围；②非导通性缺陷的读数波动相对较大，超出无缺陷读数范围，超出幅度大约与正常波动范围的宽度相当，故对于所采用的样品，微波反射法可以检
测到非导通性缺陷；③半导通性缺陷和导通性缺陷的波动比非导通性缺陷更加明显，远远超出正常范围，可识别度极高。

4.平板样品对检测精度的验证。

在现场温升绝缘子中检测到了厚度为0.4 mm
的缺陷，为了验证这个检测精度，制作平板形状的样品进行实验。

4 mm厚的硅
橡胶平板(为了能够显示出里面的缺陷，选取硅橡胶颜色为半透明)，2 mm厚的环
氧树脂平板，在环氧树脂板表面铣出0.3 mm深、8 mm宽的浅槽。

将硅橡胶板和
环氧树脂板贴在一起，模拟实际复合绝缘子的护套和芯棒。

5.不同检测距离的检测可行性。

微波检测的一个重要优点是不需要耦合剂、
不需要表面接触，所以在研究微波检测的可行性的过程中，探头与样品表面接触
与否、不接触时相离距离是否会对检测造成影响是一个需要回答的问题。

采用不
同距离进行实验。

调整探头与样品表面之间的距离s，在每一个距离下测量上文
所述测试结果曲线，得到一组曲线。

为了直观观察，对这组曲线进行如下处理：
将每一条曲线中无缺陷位置的读数所在范围映射到新图中的一条短线，将有缺陷
位置的读数映射到新图中的一个空心圆点，短线和圆点所在的横坐标为原曲线所
对应的检测距离。

距离因素实验的结果是：①微波检测可以使用大部分距离，都可以对缺陷有反应；②不同距离的检测效果不尽相同，最佳检测距离周期性出现；
③检测结果曲线分布呈周期性，同周期中相互补的距离的检测曲线呈现上下颠倒的对称分布。

总之，复合绝缘子的厚度不均匀性在整只绝缘子上具有相似的分布规律，利
用这个规律对检测结果进行处理可以显著提高缺陷检测识别度。

参考文献：
[1]贾正，浅谈基于微波反射法的复合绝缘子无损检测方法.2017.
[2]王东.复合绝缘子隐蔽性缺陷检测方法.2017.。