固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統及其檢測方法

2023-05-15 22:01:21

專利名稱：固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明屬於電力設備製造與檢測技術領域，使用超聲的方法檢測固體絕緣材料內
電極表面形態。
背景技術：
電容式絕緣結構電力設備是指電力設備中使用電容式結構方式構成其絕緣，以達 到分壓、劃分電場等作用。 常見的有電容式電流互感器、高壓套管、耦合電容器、電容式電壓互感器、電力電 容器等。以電容式電壓互感器為例，電容式電壓互感器實際上是由一個電容分壓器與電磁 裝置部分組成。其關鍵的分壓部分由若干個電容器串聯，一端接高壓線路，另一端接地。將 需要測量的電壓根據電容分壓原理通過一個小電容器提取出來。電容式電壓互感器，在我 國的110 500kV電力網中得到了廣泛的應用。 另外電力系統中常見的電力電容器芯子由若干個元件和絕緣件疊壓而成，元件用 電容器紙或膜紙複合，或用純薄膜作介質和鋁鉑作極板巻制而成。其結構圖如圖2-l，其中 陰影部分A、 B都為金屬極板( 一般為鋁箔)。 再如電力系統中的電容式套管是高壓系統最常使用的，電容式套管在導杆和法蘭 之間加一個電容芯子作為內絕緣，電容芯子中有多層金屬極板，以強迫控制其內部電場和 表面電場的均勻化。其性能主要取決於電容芯子。以常見的乾式套管為例，其芯子結構圖 如圖1-2。芯子是以電纜紙包繞在導杆上，當包繞到一定直徑時包上鋁箔極板，極板尺寸需 經過詳細計算，並嚴格控制。然後用合成樹脂浸漬，再通過加熱固化而成。
雖然電力系統中存在許多類似的電容式絕緣結構電力設備，但其基本結構都為電 容器式結構，即在某種材料製成的電極間填充絕緣材料。 關於金屬極板形態對於內部電場的影響，研究較少，但其對電容式絕緣可靠性的 影響還是很大的。大量材料指出，在很多的電容式絕緣結構中，有大量設備都選用鋁箔等金 屬箔作為電極，而且對其形狀和位置要求都相當嚴格，如前所提到的套管內各層電極， 一般 他們之間的距離和長度都要求精確度都小於0. Olmm。 近年來由於電力電容器、套管等元件、芯子的尺寸比較大，必須用長軸巻制機。但 是由於巻制機個軸平行度差、拉力不一致、轉動時震動較大、鋁箔可能錯動、甚至紙中所含 水份的變化過等因素都可能導致鋁箔起皺。而鋁箔一旦起皺，則會造成內部電場分布不均， 使擊穿場強降低，起始放電電壓降低。 對於電容式絕緣結構，金屬電極的位置通常在絕緣介質內部某一特定位置，絕緣 材料通常是不透明的，無法直接進行檢測。同時由於光學的方法只能觀察到褶皺，卻無法對 褶皺的程度進行量化，因此不能使用簡單的光學測量方法來實現。隨著科學技術的發展以 及新材料的出現，聲學應用的範圍越來越廣，在電力系統種已有相當多的應用，技術已經比 較成熟，因此選用超聲的方法來進行環氧複合材料內電極形態的檢測。
在發電機長期的運行過程中，主絕緣遭受到電場、熱場、機械應力、熱應力和環境
應力的聯合作用，其絕緣性能逐漸下降，最終導致絕緣失效。由於大型發電機費用投入大， 產出經濟效益高，一旦出現非計劃停機造成的損失大、波及範圍廣，其運行可靠性極為重 要。隨著電力體制的改革不斷深入，廠網分開、競價上網的新格局即將形成，發電機絕緣狀 態直接成為發電企業經營決策的重要依據之一。 大型發電機的絕緣檢測由定期檢修和定期維護向狀態檢修方向發展。狀態檢修在
保證發電機運行可靠性的基礎上，減少檢修次數，防止在不必要的檢修過程中對設備造成 直接和間接損壞，大大降低檢修和維護成本。根據日本四國電力株式會社的資料統計，在不
完全實行狀態檢修的條件下可以節約檢修費用的20 30%。大電機定子絕緣的絕緣狀態診 斷和剩餘壽命評估具有重要意義。 圍繞這一問題，絕緣老化特徵參量、老化規律和剩餘壽命評估已成為國內外絕緣 領域的重要研究內容。國外已將運行15年以上發電機的剩餘壽命預測列為重點研究課題。 我國七十年代及以前投運的100麗及更大容量的發電機有110臺，已運行20年以上。若能 通過絕緣老化特徵量的檢測，對絕緣狀態進行有效診斷，對絕緣剩餘壽命進行有效評估，合 理安排發電機的維護維修，延長其使用壽命，將取得巨大的經濟效益。 超聲方法是通過對材料聲學參量的測量確定材料的老化狀態，超聲檢測方法由於 其諸多優點成為今年來研究的熱點。

發明內容
本發明提出了用超聲聚焦探頭測量不可見固體材料內電極的表面形態的檢測系 統及其檢測方法，本發明的技術方案如下。 —種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統，該系統由超聲探頭、超聲收 發裝置、數據採集卡、計算機、機械定位裝置和載物池構成；所述計算機通過數據採集卡與 超聲收發裝置連接，超聲收發裝置上連接有超聲探頭，超聲探頭固定在機械定位裝置上，機 械定位裝置下方設置有載物池，載物池內充滿耦合劑，在載物池底部放置絕緣材料內電極； 所述機械定位裝置用於使超聲探頭在垂直和水平兩個方向移動。 所述超聲收發裝置是脈衝反射式超聲探傷儀；所述超聲探頭是水浸式聚焦探頭。
所述機械定位裝置包括載物臺和機械臂，超聲探頭固定在機械臂上並可在二維平 面上任意精確移動。 —種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測方法
(1)將絕緣材料內電極置於載物池底部； (2)調節超聲收發裝置參數，調整超聲收發裝置的參數，使接收到的波形清晰穩 定，保證整個檢測系統正常運行； (3)通過機械定位裝置調整超聲探頭在載物池內的位置，使超聲探頭對準絕緣材 料內電極，並且保證超聲探頭和絕緣材料內電極間距在超聲探頭焦距附近；
(4)通過計算機計算出超聲探頭和絕緣材料內電極之間的距離，並將計算出的距 離作為初始數據存儲； (5)通過機械定位裝置垂直移動超聲探頭到下一個位置，然後重複步驟(4);當超 聲探頭遍歷絕緣材料內電極時，執行步驟(6);
(6)將存儲在計算機內的數據集合繪製成三維圖形顯示或輸出。
發明的效果 根據典型電容式絕緣結構的特點，試樣中一小銅片環緊貼鋁箔表面被封在環氧 中，小圓環厚度為0. 5mm，環寬度為0. 5mm，平均直徑為2. 8mm。以檢驗對含有曲線的輪廓線 起伏的檢測以及檢測步長對檢測精度的影響。
採用0. lmm作為檢測步長其檢測結果。其中試樣b其寬度範圍為0. 5mm±0. 2mm，厚度範圍為0. 5±0. 02mm，直徑為 2. 8mm士0. 2mm，與試樣b情況也相符最大誤差為0. 2mm。邊界及表面輪廓較清晰。
通過以上方法，可以檢測電容式絕緣結構中的金屬極板形態。 對於電容式絕緣結構，鋁箔電極的位置通常在絕緣介質內部某一特定位置，如上 所述，將8層厚度約為0. 2mm的絕緣紙層疊，在絕緣紙層中間(即第4， 5層中間)放置一鋁 箔層，鋁箔平均厚度約為0.01mm，然後進行環氧真空澆注以及固化。鋁箔的摺痕，則是由切 向斜應力產生，以模擬巻制機拉力不平衡或個軸平行度差而引起的褶皺。對選擇的區域進 行超聲掃描後，將其原始數據輸入計算機，用matlab進行三維還原。 選擇合適的檢測步長和擁有適當頻率以及焦區的探頭則可以實現高精度檢測。當 採用lOMHz聚焦探頭，機械臂精度為0. lmm時，界面形態檢測橫向精度可達0. 14mm ;檢測縱 向精度可達O. 02mm。 該檢測方法可用於檢測電容式絕緣結構內電極表面形態的檢測，同時也可以用於
發電機主絕緣老化的檢測。 本發明的優點 1、首次提出了固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測方法，並設計了檢測系 統，為分析電極形態對電場的影響提供了重要依據。 2、提出使用水浸式聚焦探頭用於絕緣材料的檢測，與以往廣泛研究的直探頭檢測 方式相比，對電極表面微小起伏的分辨能力更強；
3、探頭可在二維平面上任意移動，定位精確。


圖1為本發明的測試系統組成示意圖； 其中1、超聲探頭；2、水槽；3、機械定位裝置；4、超聲收發裝置；5、數採卡；6、PC。
圖2為本發明的機械定位裝置及載物池結構俯視具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述 —種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統，該系統由超聲探頭、超聲收 發裝置、數據採集卡、計算機、機械定位裝置和載物池構成；所述計算機通過數據採集卡與 超聲收發裝置連接，超聲收發裝置上連接有超聲探頭，超聲探頭固定在機械定位裝置上，機 械定位裝置下方設置有載物池，載物池內充滿耦合劑，在載物池底部放置絕緣材料內電極； 所述機械定位裝置用於使超聲探頭在垂直和水平兩個方向移動。 所述超聲收發裝置是脈衝反射式超聲探傷儀；所述超聲探頭是水浸式聚焦探頭。
所述機械定位裝置包括載物臺和機械臂，超聲探頭固定在機械臂上並可在二維平 面上任意精確移動。
—種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測方法
(1)將絕緣材料內電極置於載物池底部； (2)調節超聲收發裝置參數，調整超聲收發裝置的參數，使接收到的波形清晰穩 定，保證整個檢測系統正常運行； (3)通過機械定位裝置調整超聲探頭在載物池內的位置，使超聲探頭對準絕緣材 料內電極，並且保證超聲探頭和絕緣材料內電極間距在超聲探頭焦距附近；
(4)通過計算機計算出超聲探頭和絕緣材料內電極之間的距離，並將計算出的距 離作為初始數據存儲； (5)通過機械定位裝置垂直移動超聲探頭到下一個位置，然後重複步驟(4);當超 聲探頭遍歷絕緣材料內電極時，執行步驟(6); (6)將存儲在計算機內的數據集合繪製成三維圖形顯示或輸出。
選擇了恰當的探頭類型。
1、探頭類型的選擇 超聲檢測常用探頭有直探頭、斜探頭、聚焦探頭等。為了選擇合適的探頭，特製備 一標準試樣，試樣為乾式套管中使用的環氧浸紙絕緣材料，厚度4. 8mm。 在眾多探頭中應用最多的直探頭是使超聲波垂直入射被檢體的探頭，主要用來發 射和接受縱波，所以也稱為縱波探頭。而聚焦探頭是能將超聲波會聚成細束狀或線裝、點狀 的探頭。聚焦探頭的特點是能將能量集中的焦區，可以提高探傷分辨力。聚焦探頭經常在 液浸法中使用。值得指出的是，聚焦探頭是將聲場聚焦到一個很小的區域中，經常用焦區直 徑小和焦區長度L來度量聚焦聲場。如聚焦探頭的頻率為h，在介質中的聲速為v，焦距為 F，晶片直徑為D，則
AD (3一1)
A D (3-2)
水浸探頭是可浸在液體中探傷，不與材料接觸，不需要保護膜，其結構與直探頭相似。 而對於電容式絕緣結構，電極的位置通常在表面或者夾在絕緣介質中某一特定位 置。這就非常適合於聚焦探頭將聲場集中在聚焦點上即電極所在面上來進行超聲檢測。而 且針對上述很多複合絕緣材料，由於材料分子大，粘彈性強，材料不均勻等因素，使聲波衰 減大，因此使用聚焦探頭還可以使聲場集中，提高分辨力和穿透力。 從圖中可以看出，當將聚焦探頭焦距放在表面上時，表面、底面回波清晰，而雜波 幅度回波相比要小很多，這就有效解決了其它界面層對於檢測界面層的幹擾。因此，聚焦探 頭是非常適合檢測電容式絕緣結構電極表面形態的。
2、探頭頻率對超聲回波的影響 由於聲波在不同介質中傳播時，不可避免的會發生散射，頻率越高，波長越短，超 聲波容易被散射，衰減越大，因此對於被檢對象必須選擇適當頻率的探頭，不能盲目選擇大
6頻率探頭，以免使回波信號太小以至難次辨別。但是探頭頻率也過小。為了保證足夠的分 辨力，探頭頻率又必須足夠高。 根據超聲理論，超聲波發現缺陷的理論分辨力為^義-^x;如果選用不同頻率
的探頭，其理論分辨力如表3-1。明顯的對於電容式絕緣結構電極表面形態檢測來說，當然 選擇越高的頻率越好。用10MHz的聚焦探頭其理論分辨力可以達到0. lmm以下，對標準試 樣的檢測回波信號如圖3-1中所示，證明用10MHz的聚焦探頭不僅可以得到0. lmm的分辨 力，還可以得到足夠大的回波。因此可以使用10MHz的聚焦探頭來對電極表面形態進行檢 表3-1不同頻率探頭理論精度
頻率/MHz精度/mm
10.75 1.20
50. 15~0. 24
100. 075~0. 12 3、檢測系統組成 在確定了超聲檢測的各種參數後，構建了相應的超聲檢測系統，該系統包括機械 定位裝置、探頭、超聲收發裝置、數採卡以及計算機系統。 系統的工作原理為超聲波發生裝置發射同步電脈衝，激發探頭內的壓電晶片振 動產生超聲波，同時同步電脈衝經觸發延遲後作為數據採集卡的掃描觸發信號。超聲傳感 器產生的超聲波在試樣內傳播，遇到界面在界面上發生發射，反射波反向傳播，並由發射超 聲波的超聲探頭接收並轉換成電脈衝信號，經超聲波接收裝置耦合、衰減、放大及濾波等信 號調理後，由數據採集卡數位化，輸入計算機內的專用軟體，實現超聲檢測信號的採集、顯 示，通過對數據進行處理可以進行環氧有機複合材料內電極表面形態的測量及顯示。
機械定位裝置及水槽為了實現探頭在二維方向定量可調，設計了機械定位裝 置。如圖所示。採用兩個相互移動的光學軌道搭建了二維可調的機械臂，超聲探頭固定在 機械臂上並可在二維平面上任意移動，兩個方向的移動範圍均為150mm，最小移動步長為 0. lmm。自行設計的探頭固定裝置由一個緊固螺栓固定在載物臺上，且探頭高度可調。由於 聚焦探頭的耦合劑為水，因此根據試樣的大小設計了載物池，底面為一邊長為150mm的正 方形。 2、超聲探頭 使用水浸式聚焦探頭，頻率為10MHz，晶片尺寸14mm，焦距20mm
3、超聲收發裝置 採用汕頭超聲電子有限公司CTS-26脈衝反射式超聲探傷儀，該探傷儀工作頻率 覆蓋O. 5M-20MHz，總衰減量為90dB，各種類型的探頭基本都可與其配套使用。
4、數採卡 選用了美國NI (National Instruments)公司的USB-5133數據採集卡，其性能指 標如表3-l所示。
7
表3-1數據採集卡的主要性能指標
A/D轉換精度8位
帶寬50 MHz
採集通道2路同步採樣
最大採樣率100 MS/s
緩存每通道16 MB
輸入電壓範圍±40 mV到±40 V
緩存4M
輸入阻抗1 MQ
系統集成USB接口 本發明的效果 1、提出了固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測方法，並設計了檢測系統；
2、研究了直探頭和聚焦探頭的性能，確定了檢測使用探頭的類型及頻率；
3、整套檢測系統的對電極表面形態檢測的精度可達0. 1mm ;
設計了機械定位裝置，使探頭可在二維平面上以0. 1mm的步長精確移動。
系統軟體 本系統基於計算機和數據採集卡構成的硬體平臺，採用LabVIEW圖形化開發語言
設計了系統軟體。系統軟體通過對數字採集卡的控制，實現超聲檢測信號的採集、顯示，通
過對數據進行處理可以進行環氧有機複合材料內電極表面形態的測量及顯示。 數據採集功能模塊主要完成數據的採集及波形的實時顯示功能； 數據處理模塊的功能是根據一次測量的波形數據計算被測物體到探頭之間的距
離； 三維圖形顯示模塊是將數據處理模塊得到的數據進行顯示，以便直觀地觀察被測 物體的表面形態。 濾波模塊採用了小波濾波和巴特沃斯濾波，首先進行信號小波濾波以去除各種途 徑產生的白噪聲，再進行巴特沃思濾波，去除高頻和低頻信號，對波形數據進行濾波可使數 據處理模塊的計算更加準確。
權利要求
一種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統，其特徵在於該系統由超聲探頭、超聲收發裝置、數據採集卡、計算機、機械定位裝置和載物池構成；所述計算機通過數據採集卡與超聲收發裝置連接，超聲收發裝置上連接有超聲探頭，超聲探頭固定在機械定位裝置上，機械定位裝置下方設置有載物池，載物池內充滿耦合劑，在載物池底部放置絕緣材料內電極；所述機械定位裝置用於使超聲探頭在垂直和水平兩個方向移動。
2. 如權利要求1所述固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統，其特徵在於所 述超聲收發裝置是脈衝反射式超聲探傷儀；所述超聲探頭是聚焦探頭；所述耦合劑是水。
3. 如權利要求1所述固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統，其特徵在於所 述機械定位裝置包括載物臺和機械臂，超聲探頭固定在機械臂上並可在二維平面上任意精 確移動。
4. 根據權利要求1、2或3所述一種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測方法，其 特徵在於(1) 將絕緣材料內電極置於載物池底部；(2) 調節超聲收發裝置參數，調整超聲收發裝置的參數，使接收到的波形清晰穩定，保 證整個檢測系統正常運行；(3) 通過機械定位裝置調整超聲探頭在載物池內的位置，使超聲探頭對準絕緣材料內 電極，並且保證超聲探頭和絕緣材料內電極間距在超聲探頭焦距附近；(4) 通過計算機計算出超聲探頭和絕緣材料內電極之間的距離，並將計算出的距離作 為初始數據存儲；(5) 通過機械定位裝置垂直移動超聲探頭到下一個位置，然後重複步驟(4);當超聲探 頭遍歷絕緣材料內電極時，執行步驟(6);(6) 將存儲在計算機內的數據集合繪製成三維圖形顯示或輸出。
全文摘要
本發明公開了一種固體絕緣材料內電極表面形態的超聲檢測系統及其檢測方法，該系統由超聲探頭、超聲收發裝置、數據採集卡、計算機、機械定位裝置和載物池構成；所述計算機通過數據採集卡與超聲收發裝置連接，超聲收發裝置上連接有超聲探頭，超聲探頭固定在機械定位裝置上，機械定位裝置下方設置有載物池，載物池內充滿耦合劑，在載物池底部放置絕緣材料內電極；所述機械定位裝置用於使超聲探頭在垂直和水平兩個方向移動。該檢測方法可用於檢測電容式絕緣結構內電極表面形態的檢測，同時也可以用於發電機主絕緣老化的檢測。
文檔編號G01N29/06GK101694481SQ200910024399
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者吳鍇, 孟永鵬, 常遠, 成永紅, 申巍, 閆立 申請人:西安交通大學;