本發(fā)明涉及電氣設(shè)備無損檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波的復(fù)合絕緣子脫粘檢測方法。

背景技術(shù)：

絕緣子是電力系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵設(shè)備之一，在架空輸電線路中起著懸掛導(dǎo)線的重要作用。20世紀80年代以來，復(fù)合絕緣子因其體積小、質(zhì)量輕、機械強度高、防污性能好等優(yōu)良性能，在高壓輸電中的到廣泛應(yīng)用，與此同時，由于復(fù)合絕緣子損壞而引發(fā)的安全事故也日趨增加，對電網(wǎng)安全運行造成極大威脅。因此如何快速、準(zhǔn)確的檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷就極為重要。

目前，對于復(fù)合絕緣子的檢測，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，常用的檢測方法有：紫外線成像法、紅外線成像法、電場分布法、漏電流法、超聲波法等。但這些方法或比較復(fù)雜耗時或具有破壞性，或?qū)z測環(huán)境要求高。比如紅外線成像法用于復(fù)合絕緣子局部異常發(fā)熱檢測，其檢測結(jié)果受環(huán)境溫度影響嚴重；紫外線成像法用于觀測復(fù)合絕緣子表面微小局部放電，對檢測環(huán)境濕度要求高，采集的信號也容易受到干擾；而利用超聲波檢測法檢測復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷時，需要對絕緣子逐點進行掃面，直觀性較差而且檢測花費時間較長，檢測存在盲區(qū)。

超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)作為一種新型的無損檢測方法，由于能夠快速、準(zhǔn)確、低成本、大范圍檢測等原因，在近年來得到很大程度的發(fā)展。相比于超聲波檢測的點掃描而言，超聲導(dǎo)波是線掃描，內(nèi)外缺陷均能檢測到，該技術(shù)目前已被廣泛應(yīng)用于管道、錨桿的無損檢測中。而利用超聲導(dǎo)波檢測復(fù)合絕緣子脫粘缺陷卻鮮有報道。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波的復(fù)合絕緣子脫粘檢測方法，利用扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波可在復(fù)合絕緣子內(nèi)層玻璃鋼芯棒和外層硅橡膠上傳播的特性，實現(xiàn)復(fù)合絕緣子脫粘缺陷的快速、準(zhǔn)確的檢測。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波的復(fù)合絕緣子脫粘檢測方法，包括如下步驟：

s1、根據(jù)所檢測復(fù)合絕緣子和硅橡膠的材料參數(shù)、幾何尺寸，建立雙層桿復(fù)合絕緣子模型的頻散方程；

s2、求解頻散方程，得到雙層桿復(fù)合絕緣子模型的相速度頻散曲線、群速度頻散曲線，根據(jù)相速度頻散曲線和群速度頻散曲線選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)、導(dǎo)波頻率和導(dǎo)波周期；

s3、根據(jù)導(dǎo)波模態(tài)、導(dǎo)波頻率和導(dǎo)波周期，編程調(diào)制得到激勵信號；所述激勵信號經(jīng)使用函數(shù)信號發(fā)生器讀取和功率放大器放大后，加載于粘貼在復(fù)合絕緣子表面的壓電片上；

s4、選擇復(fù)合絕緣子的合適檢測長度，并對其分段進行檢測，在所檢測分段的首端加載超聲導(dǎo)波信號，在所檢測分段的尾端連接數(shù)字示波器，數(shù)字示波器接收并顯示尾端超聲導(dǎo)波信號以及加載在首端壓電片上的激勵信號；

s5、對尾端接收到的超聲導(dǎo)波信號的幅值與激勵信號的幅值作比值，并定義為衰減系數(shù)，所述衰減系數(shù)表征傳播過程的衰減；

s6、將步驟s5所得到的衰減系數(shù)與完好復(fù)合絕緣子的衰減系數(shù)作比較，判斷所檢測區(qū)域內(nèi)是否有脫粘現(xiàn)象，并估計脫粘大小。

進一步的，所述步驟s1的材料參數(shù)包括密度、楊氏模量和泊松比，所述幾何尺寸包括玻璃鋼芯棒直徑和硅橡膠厚度。

進一步的，所述步驟s1，其具體為：

復(fù)合絕緣子由于其傘裙大小對導(dǎo)波傳播的衰減影響不大，因此將其簡化為內(nèi)層為玻璃鋼芯棒、外層為硅橡膠的雙層桿模型；而導(dǎo)波無論是在單層彈性、粘彈性和圓柱體(殼)結(jié)構(gòu)中傳播時，均滿足navier位移運動方程：

式中，λ、μ均為材料lame常數(shù)，u為廣義位移矢量，ρ為材料密度，t為時間；

將廣義位移矢量u分解為標(biāo)量勢φ的梯度和矢量勢h的旋度，且▽·h＝0,即得：

u＝▽φ+▽×h

當(dāng)只考慮扭轉(zhuǎn)模態(tài)時，則標(biāo)量勢φ必須為0，并且矢量勢h的徑向分量和周向分量均為0，只保留軸向分量hz，該分量為r、z和t的函數(shù)，則得：

綜合扭轉(zhuǎn)模態(tài)復(fù)合絕緣子的應(yīng)力和位移邊界條件，包括：

硅橡膠外邊界(r＝r2)：

(σrθ)r＝r2＝0

硅橡膠與芯棒層的交界面(r＝r1)：

(uθ1)r＝r1＝(uθ2)r＝r1，(σrθ1)r＝r1＝(σrθ2)r＝r1

利用上述雙層桿結(jié)構(gòu)中邊界條件和方程u＝▽φ+▽×h，建立頻散方程：

[d]{a1a2b1b2a3b3}^t＝0

式中，[d]為6×6的系數(shù)矩陣，為使上式有非零解，其系數(shù)行列式必須為零，即[d]＝0。

進一步的，所述步驟s2，在選擇導(dǎo)波模態(tài)和導(dǎo)波頻率時，要參考相速度頻散曲線，確保導(dǎo)波模態(tài)在該導(dǎo)波頻率下是非頻散或者頻散很小的，再依據(jù)群速度頻散曲線選擇該頻率下群速度變化不大、傳播速度最快的導(dǎo)波模態(tài)；其中，群速度是由相速度計算得出的，具體關(guān)系如下：

式中：cg為群速度，cp為相速度，f為導(dǎo)波的頻率，d為桿的半徑。

進一步的，所述步驟s2中合適的導(dǎo)波模態(tài)、導(dǎo)波頻率，其標(biāo)準(zhǔn)為：在該導(dǎo)波頻率下對應(yīng)的導(dǎo)波模態(tài)有最大的傳播速度，且在一定導(dǎo)波頻率范圍內(nèi)該導(dǎo)波模態(tài)群速度變化不大，而其他導(dǎo)波模態(tài)傳播速度??；

所述合適的導(dǎo)波周期，其標(biāo)準(zhǔn)為：選擇傳播衰減小、沒有模態(tài)分離現(xiàn)象并且波包波形清晰、幅值易于觀察的導(dǎo)波周期。

進一步的，所述步驟s3的激勵信號，其方程式為：

式中，f為超聲導(dǎo)波信號的中心頻率，n為超聲導(dǎo)波信號的周期數(shù)。

進一步的，所述步驟s6的判斷所檢測區(qū)域內(nèi)是否有脫粘現(xiàn)象，其依據(jù)為：在所檢測分段的范圍內(nèi)有脫粘缺陷時，其衰減系數(shù)小于完好復(fù)合絕緣子。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

本發(fā)明采用扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測復(fù)合絕緣子克服了許多傳統(tǒng)檢測技術(shù)的不足，比如存在檢測盲區(qū)、具有破壞性、效率低、易受環(huán)境影響等缺點；相較于常規(guī)超聲波檢測的點掃描而言，超聲導(dǎo)波是一種線掃描，芯棒和硅橡膠層中均有導(dǎo)波傳播，聲場遍布整個檢測區(qū)域，所以內(nèi)外缺陷均能檢測到；此外，超聲導(dǎo)波壓電片均貼于硅橡膠外表層，沒有破壞復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)無損檢測，檢測技術(shù)對環(huán)境條件要求低，具有很大的便利性；因此它是一種檢測效率高、環(huán)境要求低、檢測范圍大、漏檢風(fēng)險低的無損檢測技術(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波的復(fù)合絕緣子脫粘檢測方法的步驟流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例中復(fù)合絕緣子模型圖；

圖3是本發(fā)明實施例中理論分析用復(fù)合絕緣子簡化模型圖；

圖4是本發(fā)明實施例中復(fù)合絕緣子t扭轉(zhuǎn)模態(tài)相速度頻散曲線；

圖5是本發(fā)明實施例中復(fù)合絕緣子t扭轉(zhuǎn)模態(tài)群速度頻散曲線；

圖6是本發(fā)明實施例中超聲導(dǎo)波檢測復(fù)合絕緣子脫粘缺陷系統(tǒng)圖；

圖7是本發(fā)明實施例中15khzt(0,2)模態(tài)軸向脫粘檢測圖；

圖8是本發(fā)明實施例中50khzt(0,4)模態(tài)軸向脫粘檢測圖；

圖9是本發(fā)明實施例中15khzt(0,2)模態(tài)周向脫粘檢測圖；

圖10是本發(fā)明實施例中50khzt(0,4)模態(tài)周向脫粘檢測圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于扭轉(zhuǎn)模態(tài)超聲導(dǎo)波的復(fù)合絕緣子脫粘檢測方法，下面清晰描述了本方法步驟流程及每個步驟的詳細內(nèi)容。

1)根據(jù)所檢測復(fù)合絕緣子玻璃鋼芯棒和硅橡膠的材料參數(shù)(密度、楊氏模量、泊松比)、幾何尺寸(玻璃鋼芯棒直徑、硅橡膠厚度)，建立雙層桿復(fù)合絕緣子模型的頻散方程，具體為：

復(fù)合絕緣子在實驗中發(fā)現(xiàn)其傘裙大小對導(dǎo)波傳播的衰減影響不大，因此可將其簡化為內(nèi)層為玻璃鋼芯棒、外層為硅橡膠的雙層桿模型；而導(dǎo)波無論是在單層彈性、粘彈性和圓柱體(殼)結(jié)構(gòu)中傳播時，均滿足式(1)的navier位移運動方程，將位移場u分解為標(biāo)量勢φ的梯度和矢量勢h的旋度，并且▽·h＝0，即得：u＝▽φ+▽×h(3)；當(dāng)只考慮扭轉(zhuǎn)模態(tài)時，則標(biāo)量勢φ必須為0，并且矢量勢h的徑向分量和周向分量均為0，只保留軸向分量hz，該分量為r，z和t的函數(shù)，則得：

綜合扭轉(zhuǎn)模態(tài)復(fù)合絕緣子的應(yīng)力和位移邊界條件：

硅橡膠外邊界(r＝r2)：

(σrθ)r＝r2＝0(5)

硅橡膠與芯棒層的交界面(r＝r1)：

(uθ1)r＝r1＝(uθ2)r＝r1，(σrθ1)r＝r1＝(σrθ2)r＝r1(6)

利用上述雙層桿結(jié)構(gòu)中邊界條件和方程(3)建立矩陣形式為式(7)、(8)的方程，求解即為導(dǎo)波在簡化絕緣子雙層桿結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散方程：

[d]{a1a2b1b2a3b3}^t＝0(7)

式中，[d]為6×6的系數(shù)矩陣，為使上式有非零解，其系數(shù)行列式必須為零：

[d]＝0(8)

上式即為復(fù)合絕緣子雙層桿模型扭轉(zhuǎn)模態(tài)的頻散方程，求解即可畫出簡化絕緣子雙層桿結(jié)構(gòu)縱向模態(tài)導(dǎo)波的頻散曲線。

2)依據(jù)頻散方程求解得到雙層桿復(fù)合絕緣子模型的相速度頻散曲線和群速度頻散曲線，依據(jù)頻散曲線選擇合適的導(dǎo)波模態(tài)和頻率；所述的導(dǎo)波頻率和模態(tài)應(yīng)利用得到的群速度頻散曲線，選擇該頻率下有最大的傳播速度的導(dǎo)波模態(tài)，且其他導(dǎo)波模態(tài)傳播速度小，導(dǎo)波傳播一段距離之后容易區(qū)分，在一定頻率范圍內(nèi)該模態(tài)群速度變化不大。

3)利用實驗選擇傳播衰減小、沒有模態(tài)分離現(xiàn)象并且波包波形清晰、幅值易于觀察的導(dǎo)波周期；選取激勵信號周期時，當(dāng)周期數(shù)較小的時候，波包較小，傳播距離增大時，容易發(fā)生頻散；周期數(shù)較大時，主頻率附近能量比較集中，傳播過程頻散較小，但波包過大，不利于觀察。。

4)利用計算機編程調(diào)制得到所需頻率、周期的激勵信號，存儲在u盤中，并利用函數(shù)信號發(fā)生器讀取產(chǎn)生，經(jīng)功率放大器放大，加載于粘貼在復(fù)合絕緣子表面的壓電片上，作為激勵信號；用于激勵的超聲導(dǎo)波信號是經(jīng)過hanning窗調(diào)制的正弦信號，其表達式如下：

式中f為超聲導(dǎo)波信號的中心頻率，n為超聲導(dǎo)波信號的周期數(shù)。

5)選擇合適的檢測長度，分段進行檢測，在所檢測范圍的首端加載超聲導(dǎo)波，尾端接收到的導(dǎo)波信號連接在數(shù)字示波器上顯示；所述的合適的檢測長度，是由于復(fù)合絕緣子中玻璃芯棒屬于彈性介質(zhì)，而硅橡膠屬于粘彈性介質(zhì)，彈性介質(zhì)中波的能量損失主要為波的擴散和散射，粘彈性介質(zhì)中能量損失除上述兩種外，還包括介質(zhì)吸收造成的；因此，在硅橡膠上激勵接收時，導(dǎo)波傳播1m左右幅值就很小了，容易受到噪聲干擾；在保證其波形清晰可見，受噪聲影響小的前提下，選取盡可能長的距離，以提供檢測效率，一般可以選取相距4個傘裙組(40cm)時來激勵和接收。

6)將尾端接收到的導(dǎo)波信號幅值與激勵波幅值做比值，定義為衰減系數(shù)，表征傳播過程的衰減。

7)將所檢測試件的衰減系數(shù)與完好絕緣子的衰減系數(shù)相比較，來判斷所檢測區(qū)域內(nèi)是否有脫粘現(xiàn)象，并估計脫粘大?。粰z測范圍內(nèi)有脫粘缺陷時，其衰減系數(shù)小于完好復(fù)合絕緣子，據(jù)此即可判斷所檢測范圍內(nèi)是否有脫粘缺陷；由于存在脫粘缺陷時，導(dǎo)波會發(fā)生反射和散射，因此其接收信號幅值會減小，通過對比導(dǎo)播在完整復(fù)合絕緣子中傳播的衰減系數(shù)，即可判斷檢測區(qū)域內(nèi)是否存在脫粘現(xiàn)象，并估計脫粘大小。

實施例

本例中的試件為廣州市邁克林電力有限公司生產(chǎn)的絕緣子，型號為fxbw4-220/160(電壓等級220kv，長度2.27m)，如圖2所示，其中，玻璃鋼芯棒直徑24mm、楊氏模量57gpa、泊松比0.3、密度2176.17kg/m3，硅橡膠厚度5.5mm、楊氏模量0.1245gpa、泊松比0.25、密度1241.7kg/m3。圖2所示的復(fù)合絕緣子模型可簡化為圖3所示的雙層桿模型，其中坐標(biāo)軸z軸為玻璃鋼芯棒和硅橡膠中心軸線，r1為玻璃鋼芯棒半徑，r2為硅橡膠外半徑。將復(fù)合絕緣子幾何尺寸和材料參數(shù)代入其頻散方程中，利用軟件guiguw可求解畫出絕緣子的相速度和群速度頻散曲線，如圖4、5所示，從頻散曲線圖可以看出在0-100khz，除了t(0，1)模態(tài)外，其他模態(tài)均存在截止頻率，由于實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率過大(大于100khz)時，實驗過程中波形容易發(fā)生模態(tài)分離現(xiàn)象，接收波出現(xiàn)多個小波包，影響檢測效果，因此只畫出了0-100khz范圍內(nèi)的頻散曲線。由圖4、圖5可以看出，在15khz、30khz、50khz、65khz、80khz頻率附近，對應(yīng)的t(0，2)、t(0，3)、t(0，4)、t(0，5)和t(0，6)模態(tài)群速度均最大，而對應(yīng)的其他模態(tài)群速度很小，可用于缺陷檢測。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，針對本次實驗所用試件，采用hanning窗調(diào)制的10個周期正弦信號為激勵，即可清晰辨認波形，又不易發(fā)生頻散現(xiàn)象，同時每次檢測區(qū)間長度為4個傘裙組(40cm)時，能保證波形清晰可見且檢測效率高。

如圖6所示為超聲導(dǎo)波檢測復(fù)合絕緣子脫粘缺陷系統(tǒng)圖，將經(jīng)hanning窗調(diào)制的導(dǎo)波激勵信號通過計算機編程存儲到u盤中，由函數(shù)信號發(fā)生器讀取產(chǎn)生，經(jīng)功率放大器進行放大后加載到壓電片上，分別激勵15khz、30khz、50khz、65khz、80khz頻率的超聲導(dǎo)波，用不同的導(dǎo)波模態(tài)對脫粘缺陷進行檢測。由于壓電片既具有正壓電效應(yīng)又具有負壓電效應(yīng)，所以其可作為信號發(fā)生器和接收器。超聲導(dǎo)波在絕緣子中傳播一段距離后，經(jīng)過壓電片，在數(shù)字示波器上顯示，作為接收波。

本例中先挖掉硅橡膠內(nèi)部貼著芯棒處一定厚度的的硅橡膠，然后再將其余部分粘連在絕緣子上，從而讓硅橡膠與芯棒之間產(chǎn)生一定空隙來模擬絕緣子脫粘缺陷。將接收波幅值與激勵波幅值做比值定義為衰減系數(shù)，來表征傳播過程的衰減。通過確定周向脫粘大小，改變軸向脫粘長度和確定軸向脫粘長度，改變周向脫粘大小來分別觀察軸向缺陷和周向缺陷變化對衰減系數(shù)的影響。

圖7和圖8為周向脫粘長度是15.8mm的情況下，分別利用15khzt(0，2)和50khzt(0，4)模態(tài)導(dǎo)波激勵時，對軸向長度為23.34mm、37.82mm、45.96mm、61.46mm、72.13mm、87.27mm、93.21mm和110.10mm的脫粘缺陷進行的檢測。從圖中我們可以看出：當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)存在脫粘缺陷時，其衰減系數(shù)會小于無缺陷時的；并且當(dāng)缺陷長度增加時，衰減系數(shù)會進一步減少。

圖9和圖10為在軸向脫粘長度為110.10mm的情況下，分別利用15khzt(0，2)和50khzt(0，4)模態(tài)導(dǎo)波激勵時，對周向芯棒表面脫粘長度為15.8mm、25.14mm、36.81mm、48.17mm、60.27mm、71.91mm和脫粘一周進行的檢測。從圖中可以看出：當(dāng)檢測區(qū)域存在脫粘缺陷時，衰減系數(shù)會小于無缺陷時；不同的是當(dāng)周向缺陷長度增加時，衰減系數(shù)會增加，不過始終沒有無缺陷時衰減系數(shù)大。因此可以通過衰減系數(shù)的大小來判斷檢測區(qū)域內(nèi)是否存在脫粘缺陷，同時也可以利用軸向和周向缺陷的衰減曲線來估計脫粘的大小。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。