高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法和装置与流程

本发明涉及一种高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法和装置，属于绝缘材料无损检测与评价技术领域。

背景技术：

盆式绝缘子是高压开关设备的关键零部件之一，起到绝缘、支撑和分割气室等重要作用，其性能将直接决定开关设备的绝缘性能及运行可靠性。随着电网电压等级向特高压方向发展，高压开关设备用盆式绝缘子尺寸不断增大，运行过程中对其耐压能力的要求越来越高。大型盆式绝缘子生产工艺复杂，生产周期长，电气和力学性能要求高。盆式绝缘子在高压开关设备内部长期处于高压电场和复杂应力场的联合作用下，要承受SF6气体压力、开关设备开断过程中的冲击力、中心导体和其他部件的静压力等力学作用。耐压能力是盆式绝缘子机械性能的综合体现，对于耐压能力不足的绝缘子，在承受较大机械应力时会在内部产生裂痕或气隙引起局部放电，从而大大加速绝缘子的老化。

高压开关设备用盆式绝缘子的主要成分为环氧树脂、固化剂和氧化铝填料组成的复合材料，固化度定义为复合材料中树脂发生固化交联反应的程度，即树脂基体中已发生交联反应的官能团数目占可固化的官能团总数的百分比。固化度受绝缘件放置方式、加热设备性能、固化阶段和固化时间等因素的影响，实际生产中工艺过程控制不当容易出现固化不均匀现象，其中固化度较低部位往往是整个绝缘件电气性能和机械性能的薄弱环节。

差示扫描量热法是目前比较常用的固化度测量方法，该方法的原理是：固化反应属于放热反应，放热量的多少与树脂官能团的类型、参加反应官能团的数量、固化剂的种类及其使用量等有关。对于配方确定的树脂体系，固化反应热是一定的，因此，固化度α可以用下式计算：

其中，ΔH₀是树脂体系进行完全固化时所放出的总热量，单位J/g，ΔH_R是固化后剩余反应热，单位J/g。差示扫描量热法的缺点是该方法属于破坏性检测手段，需要在被测件的检测区域内进行破坏性取样，不适用于大批量成品件出厂前的性能测试。同时受取样数量的限制，很难充分反映出大型盆式绝缘子整体的固化度情况。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法和装置，用于解决大型盆式绝缘子整体固化度缺少可用无损检测手段的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法，包括以下方案：

方法方案一：包括

步骤1，对待测绝缘子发射超声波脉冲；

步骤2，获取待测绝缘子下底面超声波反射信号；

步骤3，对所述超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出所述超声波反射信号的功率谱；

步骤4，将所述功率谱的峰值与关系库进行比对，进而获取所述待测绝缘子的固化度；所述关系库是通过对各种固化度不同的绝缘子试品进行超声波测试得到的绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系。

方法方案二：在方法方案一的基础上，步骤2中通过多次检测求均值法来获取待测绝缘子下底面超声波反射信号。

方法方案三：在方法方案一或方法方案二的基础上，步骤4中获取所述关系库的步骤包括：

(1)获取固化度不均匀的盆式绝缘子检测样品；

(2)对所述盆式绝缘子检测样品发射超声波脉冲，获取盆式绝缘子检测样品下底面超声波反射信号；

(3)对所述超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出所述超声波反射信号的功率谱；

(4)采用差示扫描量热仪测量所述盆式绝缘子检测样品的固化度；

(5)根据所述盆式绝缘子检测样品的固化度和超声波反射信号的功率谱，建立绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库。

本发明还提供了一种高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测装置，包括以下方案：

装置方案一：包括

用于对待测绝缘子发射超声波脉冲的单元；

用于获取待测绝缘子下底面超声波反射信号的单元；

用于对所述超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出所述超声波反射信号的功率谱的单元；

用于将所述功率谱的峰值与关系库进行比对，进而获取所述待测绝缘子的固化度的单元；所述关系库是通过对各种固化度不同的绝缘子试品进行超声波测试得到的绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系。

装置方案二：在装置方案一的基础上，用于获取待测绝缘子下底面超声波反射信号的单元通过多次检测求均值法来获取待测绝缘子下底面超声波反射信号。

装置方案三：在在装置方案一或装置方案二的基础上，用于获取所述关系库的装置包括：

用于获取固化度不均匀的盆式绝缘子检测样品的单元；

用于对所述盆式绝缘子检测样品发射超声波脉冲，获取盆式绝缘子检测样品下底面超声波反射信号的单元；

用于对所述超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出所述超声波反射信号的功率谱的单元；

用于采用差示扫描量热仪测量所述盆式绝缘子检测样品的固化度的单元；

用于根据所述盆式绝缘子检测样品的固化度和超声波反射信号的功率谱，建立绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库的单元。

本发明的有益效果是：通过获取待测绝缘子下底面超声波反射信号，并对该反射信号进行快速傅里叶变换，进而计算出超声波反射信号的功率谱，比对绝缘子固化度和绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库，最终获取待测绝缘子的固化度，实现盆式绝缘子整体固化度的无损检测，进一步提高了大型盆式绝缘子的出厂质量。

附图说明

图1是盆式绝缘子检测位置；

图2是便携式超声波检测系统的结构图；

图3是盆式绝缘子检测样品上表面和下底面反射波；

图4是盆式绝缘子检测样品4个不同位置处下底面反射波的FFT变换结果；

图5是盆式绝缘子检测样品4个不同位置处超声波反射波的功率谱峰值；

图6是盆式绝缘子试验样品4个不同位置处的固化度测量结果；

图7是盆式绝缘子检测样品4个不同位置处的固化度与功率谱峰值平均值的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法的实施例：

首先，获取绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库，主要包括以下步骤：

(1)获取固化度不均匀的盆式绝缘子检测样品。

为了在同一盆式绝缘子检测样品上获得不同的固化度分布，采用垂直放置的方式进行1100kV盆式绝缘子浇注，获得的盆式绝缘子检测样品的主视图如图1所示。在图1中盆式绝缘子检测样品的位置1-4中，位置1为首先固化区域，随后的固化区域是位置2和位置3，位置4为最后固化区域。固化时间长短是影响固化度的重要因素，不改变其他影响因素的条件下，固化时间越长，得到样品的固化度越高。因此，位置1的固化度最高，位置4的固化度最低。

(2)对所述盆式绝缘子检测样品发射超声波脉冲，获取盆式绝缘子检测样品下底面超声波反射信号。

本实施例中采用构建的便携式超声波检测系统进行相应的超声波测量，其中该便携式超声波检测系统的结构图如图2所示。该套检测系统由便携式超声波探伤仪、数据线、三通连接器、超声波探头、耦合剂、数字示波器、USB闪存盘和计算机组成。本实施例中的便携式超声波探伤仪1选用的是美国GE公司生产的USM Go超声波探伤仪，超声波探头的型号为2.5Z10N，数字示波器使用美国泰克公司生产的TDS2012C数字示波器。整套检测装置的成本费用控制在5万元以内。利用数据线将便携式超声波探伤仪和三通连接器之间实现电气连接，三通连接器的一端通过数据线与超声波探头之间实现电气连接，三通连接器的另一端通过数据线与数字示波器之间实现电气连接，将耦合剂涂抹到盆式绝缘子试块的待检测部位，利用超声波探头对盆式绝缘子试块上涂抹耦合剂的部位进行检测。采用脉冲反射式检测方式进行固化度检测，超声波探头的发射信号和接收信号通过三通连接器传送到数字示波器进行波形记录。利用USB闪存盘将数字示波器记录到的波形信号传送到计算机中进行信号分析。

当然，在可实现对灭弧喷口样品的超声波测量的情况下，也可采用现有的其他超声波检测系统。

采用上述便携式超声波检测系统对不均匀的盆式绝缘子检测样品发射超声波脉冲，检测样品上表面和下底面反射波如图3所示。

(3)对所获得的超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出超声波反射信号的功率谱。

由于任何形状的信号都可以表示为无限个不同频率正弦信号的叠加，在数学上用Fourier序列表示。对于周期为T的周期信号f(t)，其Fourier序列为

其中，a₀、a_n和b₀均为傅里叶系数，f_n为各次谐波的频率。

对于常规的超声信号，一般可认为是有限时间的瞬态信号，其周期T趋向于无穷大，即

则f(t)的傅里叶变换的定义为：

其中，F(w)为复函数，其功率谱为

其中，Re[F(w)]表示F(w)的实部，Im[F(w)]表示F(w)的虚部。

根据公式(1)～(4)即可计算出超声波反射信号的功率谱，图4给出了对盆式绝缘子检测样品4个不同位置处分别进行5次测量时，检测样品下底面反射波信号的快速傅里叶变换(FFT)的结果。

对图4中的各反射信号功率谱峰值进行统计，并求出各峰值的平均值。图5给出了盆式绝缘子检测样品4个不同位置处5次采样所得的超声波反射信号的功率谱峰值，同时给出了每个位置处的超声波反射信号功率谱峰值的平均值。

(4)采用差示扫描量热仪测量盆式绝缘子检测样品的固化度。

采用水压破坏的方法对图1中的盆式绝缘子检测样品进行破坏，在图1中的位置1-4处分别进行采样，利用差示扫描量热仪(DSC)进行固化度测量，位置1-4处的固化度测量结果如图6所示。

(5)根据盆式绝缘子检测样品的固化度和绝缘子下底面超声波反射信号的功率谱，建立绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系的关系库。

根据步骤(4)中利用差示扫描量热仪(DSC)进行固化度测量所获得的盆式绝缘子检测样品4个不同位置处的固化度测量结果以及步骤(3)中所获得的超声波反射信号功率谱峰值的均值，得到盆式绝缘子检测样品4个不同位置处的固化度与功率谱峰值平均值的对应关系，如图7所示。由图7中的两条连线可知，盆式绝缘子检测样品各位置处的固化度与功率谱峰值的变化趋势非常近似，因此可以通过建立绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库，当需要测量盆式绝缘子的固化度时，只需要将超声波反射信号功率谱峰值与关系库进行比对，即可实现盆式绝缘子固化度的无损测量。

本实施例中，盆式绝缘子检测样品4个不同位置处分别只给出了5个采样值，但在实际建立盆式绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库时，需要对多个不同固化度的盆式绝缘子检测样品进行多次采样，且选用的固化度种类越多，每种固化度的采样次数越多，所建立的绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系的关系库中的信息就越完整和精确。

当然，上述绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系也可通过查表或者是现有技术中已有的计算公式来获取。

另外，上述获取绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的方法是对同一个盆式绝缘子检测样品先进行超声波检测，再进行差示扫描量热仪(DSC)破坏性固化度测量。对于可认为是相同固化度的多个盆式绝缘子检测样品，也可以对其中的一部分样品进行超声波检测，对另外一部分样品进行差示扫描量热仪(DSC)破坏性固化度测量，进而建立绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库。

基于上述获得的绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱对应关系的关系库，高压开关设备用盆式绝缘子固化度均匀性无损检测方法具体包括以下步骤：

步骤1，对待测绝缘子发射超声波脉冲；

步骤2，获取待测绝缘子下底面超声波反射信号；

步骤3，对超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出超声波反射信号的功率谱；

步骤4，将功率谱的峰值与关系库进行比对，进而获取待测绝缘子的固化度；其中的关系库是绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系。

为了提高测量的准确性，步骤2中通过多次检测求均值法来获取待测绝缘子不同位置处下表面的超声波反射信号。

高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测装置的实施例：包括

用于对待测绝缘子发射超声波脉冲的单元；

用于获取待测绝缘子下底面超声波反射信号的单元；

用于对所述超声波反射信号进行快速傅里叶变换，计算出所述超声波反射信号的功率谱的单元；

用于将所述功率谱的峰值与关系库进行比对，进而获取所述待测绝缘子的固化度的单元；所述关系库是通过对各种固化度不同的绝缘子试品进行超声波测试得到的绝缘子固化度与绝缘子下底面超声波反射信号功率谱的对应关系。

本发明中的高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测装置，实际上是基于上述高压开关设备用盆式绝缘子固化度无损检测方法的一种计算机解决方案，即一种软件构架，该软件可以运行于绝缘子固化度检测设备中。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。