一种基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷重构方法与流程

本发明涉及输变电绝缘设备领域，尤其涉及一种基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷重构方法。

背景技术：

三支柱绝缘子是气体绝缘金属封闭输电线路(gil)中的关键电气部件，起着电气绝缘和机械支撑的作用。三支柱绝缘子是由环氧树脂、固化剂(一般是酸酐类)和填料(氧化铝粉)混合放到带铝合金嵌件的模具中高温固化而成，如果固化过程质量控制不好，三支柱绝缘子的环氧材料与铝合金交内部会出现脱壳、夹层、结合不紧密等缺陷(这些缺陷统称内部缺陷)，特别是三支柱绝缘子柱脚合模缝处的固态环氧材料与接地嵌件结合部位。在实际应用过程中内部缺陷会使绝缘子内部电场分布不均匀，导致绝缘子局部放电、绝缘子异常发热等现象，加速绝缘子老化，使绝缘子性能下降，直接威胁gil的正常运行。因此，及早确认三支柱绝缘子是否存在内部缺陷，对保障电力系统安全运行具有重要意义。

目前，三支柱绝缘子缺陷检测一般在出厂试验阶段，常用两种检测方法：一种是直接法即采用工业数字化x射线成像技术，通过对比x射线穿透波在显示板上的明暗程度来判断绝缘子内部是否存在气缝、裂纹、夹层等缺陷，其优点是缺陷可视化、检测效率较高，但其对宽度较小的裂纹缺陷检测灵敏度不高，且x射线的辐射对人体有害，x射线成像机器价格昂贵、体积庞大、无法对装配和检修过程中的绝缘子进行检测；另一种是间接法即采用工频局部放电检测方法，包括脉冲电流法、特高频法、声学检测法、光学检测法和化学检测法等，依据局部放电量大小对绝缘子状态进行评估，实际应用最广泛的是脉冲电流法，但都很难准确识别绝缘子的缺陷部位和缺陷形状。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷重构方法。本发明检测成本低、检测精度高、方便携带、对人体无辐射危害，能够高效、准确、直观地对gil三支柱绝缘子的内部缺陷进行识别定位和缺陷量化。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷重构方法，包括步骤：

s1、搭建超声检测系统；

s2、采用超声检测系统对三支柱绝缘子同类位置进行检测，记录每个检测位置的超声反射回波信息；

s3、利用类比法对每个检测位置的超声反射回波信息进行判断，确定缺陷位置；

s4、采用超声检测系统在缺陷位置附近进行超声扫描，记录每个检测位置的超声反射回波信息；

s5、构建超声反射回波信息与缺陷形状、缺陷大小之间对应关系，基于每个扫描位置的检测结果得到缺陷重构示意图，从而量化缺陷大小、识别缺陷形状。

具体地，步骤s1中，所述超声检测系统包括超声脉冲发生器、示波器、窄脉冲超声直探头、探头适配线和高阻抗传输线。

所述超声脉冲发生器是尖脉冲激励、输出脉宽和增益可调、低噪声的脉冲发生器，尖脉冲激励能够优化宽带响应和提高检测近表面分辨率，更有利于对声束衰减性强的材料的检测和测量应用。

所述示波器是最大采样频率1ghz、采样宽带200mhz的四通道高性能数字存储示波器，通过高阻抗传输线把示波器输入通道和超声脉冲发生器信号输出端同电位相连，从而可以在示波器上实时显示发射和接收的超声信号。

所述窄脉冲超声直探头属于圆柱式纵波直探头，采用圆形复合材料压电晶片，探头底面为圆形，考虑到三支柱绝缘子为圆柱状结构，绝缘子表面均为圆弧面，为了增加探头与绝缘子被测位置的接触效果，提高检测精度，探头底面半径越小越好，但较小的探头底面要求圆形复合材料压电晶片很小，探头发出的超声波能量也很小，综合考虑检测特性、检测效率和制作成本，探头底面直径(d)设计范围取5-10mm，探头高度(h)设计范围取15-20mm。

进一步地，所述窄脉冲探头是指响应特性较好的脉冲超声直探头，窄脉冲超声直探头的标称频率越高，则被检测材料内的衰减系数越大，声束传播特性效果越差，结合实际测量经验，窄脉冲超声直探头的频率设计不大于5mhz。

所述探头适配线是匹配超声脉冲发生器与窄脉冲超声直探头的信号线，具有高阻抗、抗干扰能力强等特点，保证超声脉冲发生器的输出电信号能够高质量地被窄脉冲超声直探头接收，同时，保证窄脉冲超声直探头接收到超声信号转换成电信号高质量地返回到超声脉冲发生器的接收端。

所述高阻抗传输线是杂散电感较小、电阻较小的传输线，缩短了高频信号在传输过程中相位延迟，保证示波器接收到的电信号与超声脉冲发生器信号输出端的电信号实时同电位、同相位，极大地减小了检测误差，保证了检测精度。

所述超声检测对象是三支柱绝缘子，由固态环氧件、中心导体和接地嵌件组成，固态环氧件包括三个柱体，每个柱体柱脚都与一个接地嵌件结合；工程上，接地嵌件与柱体底部(柱脚)结合处最容易出现气缝、脱壳等内部缺陷；中心导体为铝材质的圆柱状结构，三支柱绝缘子的尺寸随gil电压等级变化而变化。

超声检测系统搭建方法为：窄脉冲超声直探头通过探头适配线与超声脉冲发生器的信号输出端相连，超声脉冲发生器的信号同步端通过高阻抗传输线与示波器相连接。

所述同类位置是指该检测位置的材料类别、尺寸等完全一致，如三支柱绝缘子柱体相同半径圆周上的任何位置。

具体地，步骤s2中，超声检测系统对三支柱绝缘子同类位置检测方法：调节超声脉冲发生器，将涂有水基型超声耦合剂窄脉冲超声直探头放置在三支柱绝缘子同类位置上进行检测，记录每个同类位置下的超声反射回波信息。水基型超声耦合剂增加了探头与被测表面的接触效果。

具体地，步骤s3中，利用类比法确定三支柱绝缘子的缺陷位置：在没有缺陷的情况下，同类检测位置得到的所有超声反射回波波形信息(峰值、相位等)都一致，当同类检测位置的波形信息有不一样的时，则说明超声反射回波不一样的检测位置下方有缺陷存在。检测过程中，忽略尺寸公差和表面粗糙度的影响。

具体地，步骤s4中，超声检测系统在缺陷位置附近超声扫描方法：将窄脉冲超声直探头根据超声扫描路径和位置进行检测，记录每个扫描位置的超声反射回波信息。超声扫描路径和位置是在缺陷附近的、面积覆盖整个缺陷的扫描点集合，通过每条扫描路径上设置不同步长确定检测位置，将所有检测位置罗列出来即是整个缺陷的扫描点阵集合。超声扫描路径的数量以及位置的数量根据具体情况设定。

具体地，步骤s5中，构建超声反射回波信息与缺陷形状、缺陷大小之间对应关系方法：根据超声脉冲反射法原理，超声始波峰值对应时间t0，对无缺陷物体进行检测时，示波器会出现底面回波b，峰值对应时间t1，检测面到底面深度为h，对有缺陷物体进行检测时，始波与底面之间会出现缺陷回波f，峰值对应时间t2，检测面到底面深度为d，即t0<t2<t1，在同一介质中声速相同，则d与h的关系可表达为

假设步骤s3中任一条扫描路径m上的2n+1个扫描位置坐标分别为l(m,-n)、l(m,-n+1)…l(m,0)…l(m,n-1)、l(m,n)，将上述位置的超声检测回波信息代入公式(1)，得到上述位置的深度为d(m,-n)、d(m,-n+1)…d(m,0)…d(m,n-1)、d(m,n)，然后这些深度值均除以(d(m,-n)、d(m,n)为无缺陷位置，理论上二者相等，为了消除测量偏差，取二者均值)，这样就把扫描路径m上所有检测位置结果进行了归一化，将归一化后的结果进行三次样条插值，即可得到扫描路径m上表征缺陷长度、缺陷深度的曲线；同理，依次将其他扫描路径按照以上方法处理，可以得到所有扫描路径表征长度、缺陷深度的曲线；将这些曲线按照最小二乘曲面拟合方法即可得到三支柱绝缘子内部缺陷重构示意图。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明利用超声检测系统对三支柱绝缘子进行检测，首先通过对比同类检测位置的超声反射回波信息确定缺陷大体位置，然后根据变步长扫描方法在缺陷附近进行扫描检测，记录每条扫描路径下不同检测位置的超声反射回波信息，构建超声反射回波信息与缺陷形状、缺陷大小之间的对应关系，最后根据这一对应关系识别缺陷形状和量化缺陷大小。本发明具有检测成本低、检测精度高、方便携带、对人体无辐射等优点，能够高效、准确、直观地对三支柱绝缘子的内部缺陷进行识别定位和缺陷量化。

附图说明

图1为本实施例中基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷检测系统示意图；

图2为本实施例中窄脉冲超声直探头结构示意图：其中，a)为窄脉冲超声直探头主视图，b)为窄脉冲超声直探头底部示意图；

图3为本实施例中三支柱绝缘子三种同类位置示意图；

图4为本实施例中一种基于超声扫描原理的三支柱绝缘子内部缺陷重构方法操作步骤示意图；

图5为本实施例中超声检测系统检测三支柱绝缘子柱脚位置示意图；其中，a)为柱脚i检测过程剖面图，b)为柱脚i检测过程俯视图，c)为柱脚ii检测过程剖面图，d)为柱脚ii检测过程俯视图；

图6为本实施例中三支柱绝缘子柱脚位置的超声检测波形图；其中，a)为柱脚i四个位置检测结果图，b)柱脚ii四个位置检测结果图；

图7为本实施例中超声扫描点阵集合示意图；

图8为本实施例中三支柱绝缘子内部缺陷重构示意图；其中，a)为每条扫描路径上的缺陷表征曲线，b)三支柱绝缘子内部缺陷重构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为超声检测系统，包括超声脉冲发生器1、示波器2、窄脉冲超声直探头3、探头适配线4和高阻抗传输线5，系统检测对象为三支柱绝缘子6。

三支柱绝缘子6由固态环氧件61、中心导体62和接地嵌件63组成。固态环氧件包括三个柱体，每个柱体都与一个接地嵌件结合，接地嵌件与柱脚结合处最容易出现气缝、脱壳等缺陷。中心导体为铝材质的圆环状结构。三支柱绝缘子的尺寸随gil电压等级变化而变化。

如图2所示为窄脉冲超声直探头的结构示意图。窄脉冲超声直探头采用圆形复合材料压电晶片，探头底面32为圆形，考虑到三支柱绝缘子为圆柱状结构，绝缘子表面均为圆弧面，为了增加探头与绝缘子被测位置的接触效果，提高检测精度，探头底面直径d越小越好，但较小的探头底面要求圆形复合材料压电晶片很小，探头发出的超声波能量也很小，综合考虑检测特性、检测效率和制作成本，本实施例中探头底面直径d为6mm，探头高度h为20mm。

窄脉冲超声直探头的频率越高，被检测材料的衰减系数越大，声束传播特性效果越差，结合实际测量经验，本实施例中窄脉冲超声直探头的频率设为5mhz。

如图3所示为三支柱绝缘子同类位置示意图，同类位置是指该检测位置的材料类别、尺寸等完全一致，三支柱绝缘子可分为三类位置：第一类位置在主体底部(柱脚处)，此处由固态环氧件与接地嵌件组成，相等主体半径圆周上的任意一点均属于第一类位置，如图3中主体半径相同的位置w11、w12、w13、w14、w15、w16。第二类位置在主体中部，此处仅包含固态环氧件，相等主体半径圆周上的任意一点均属于第二类位置，如图3中位置柱体半径相同的w21、w22、w23、w24、w25、w26。第三类位置在柱基上，此类位置由固态环氧件和中心导体组成，柱基上相同曲率的任意一点均属于第三类位置，如图3中相同曲率位置w31、w32、w33。

工程上，第一类同类位置(即接地嵌件与柱脚结合处)最容易出现气缝、脱壳等内部缺陷，因此，基于上述超声检测系统对国内某550kv三支柱绝缘子进行缺陷重构，如图4所示为具体步骤流程图，包括步骤：

s1、搭建超声检测系统；

具体地，将窄脉冲超声直探头通过探头适配线与超声脉冲发生器的发出端相连接，示波器通过高阻抗传输线与超声脉冲发生器的同步端相连接。

s2、超声检测系统对三支柱绝缘子接地嵌件与柱脚结合处进行检测；

具体地，如图5所示，超声检测系统检测三支柱绝缘子两个不同柱脚位置示意图，其中图5a)为柱脚i检测过程剖面图，图5b)为柱脚i检测过程俯视图，图5c)为柱脚ii检测过程剖面图，图5d)为柱脚ii检测过程俯视图；启动超声检测系统，调节超声脉冲发生器，将涂有水基型超声耦合剂的窄脉冲超声直探头放置在三支柱绝缘子两个不同柱脚(柱脚i、柱脚ii)的8个不同位置(w11、w12、w17、w18、w13、w14、w19、w20)上进行检测，记录每个位置下的超声反射回波信息，结果见图6所示；

s3、利用类比法确定无缺陷位置的超声反射回波信息和有缺陷的超声反射回波信息，从而确定缺陷位置；

具体地，如图6(a)和图6(b)所示，本实施例中三支柱绝缘子柱脚位置的超声检测波形图，超声始波f垂直入射到固态环氧件内部，到达固态环氧件与接地嵌件界面，界面两侧材料声阻抗不同，一部分超声波反射，沿原路程到达探头，显示在接收波形中为始波后的第一个回波b1；另一部分超声波透射进入接地嵌件内部，到达接地嵌件与空气界面时全反射，此时反射波经过接地嵌件与环氧界面再发生透射和反射，透射波返回探头，显示在接收波形中为始波后的第二个回波b2；b1到达探头的同时会在接触面再发生反射，重复以上步骤，从而会使接收波形中为在b2后再出现一个环氧与接地嵌件界面的二次反射回波b3。

柱脚i的w11、w12、w17、w18四个位置和柱脚ii的w14、w19、w20三个位置的检测波形在形状、峰值、相位等方面基本一致，相比之下，仅有柱脚ii位置w13的位置回波b1、b2、b3峰值偏小，特别是b1位置的峰值比其他位置的峰值小很多，且b1波的时间跨度也较大。因此，可以把柱脚ii位置w13位置状态归为一类，其他七个位置归为一类，根据反推理论和经验，初步可以判定柱脚ii位置w13位置内部存在缺陷。

s4、超声检测系统在缺陷位置附近进行超声扫描，记录每个检测位置的超声反射回波信息；

具体地，在上述柱脚ii的w13位置附近进行超声扫描检测，扫描路径和扫描位置如图7所示，其中小圆圈代表超声扫描检测位置，原点处代表柱脚ii的w13位置，x轴代表沿柱脚ii位置w13的轴向方向，y轴代表沿柱脚ii位置w13的切向方向，超声扫描路径有6条，即x＝0、x＝1、x＝2、x＝3、x＝4和x＝5，每条路径上有13个点，即y＝-8、y＝-6、y＝-4、y＝-3、y＝-2、y＝-1、y＝0、y＝1、y＝2、y＝3、y＝4、y＝6和y＝8；超声扫描点阵集合为(0,-8)、(0,-6)、(0,-4)、(0,-3)、(0,-2)、(0,-1)、(0,0)、(0,1)、(0,2)、(0,3)、(0,4)、(0,6)、(0,8)、(1,-8)、(1,-6)、(1,-4)、(1,-3)、(1,-2)、(1,-1)、(1,0)、(1,1)、(1,2)、(1,3)、(1,4)、(1,6)、(1,8)、(2,-8)、(2,-6)、(2,-4)、(2,-3)、(2,-2)、(2,-1)、(2,0)、(2,1)、(2,2)、(2,3)、(2,4)、(2,6)、(2,8)、(3,-8)、(3,-6)、(3,-4)、(3,-3)、(3,-2)、(3,-1)、(3,0)、(3,1)、(3,2)、(3,3)、(3,4)、(3,6)、(3,8)、(4,-8)、(4,-6)、(4,-4)、(4,-3)、(4,-2)、(4,-1)、(4,0)、(4,1)、(4,2)、(4,3)、(4,4)、(4,6)、(4,8)、(5,-8)、(5,-6)、(5,-4)、(5,-3)、(5,-2)、(5,-1)、(5,0)、(5,1)、(5,2)、(5,3)、(5,4)、(5,6)、(5,8)；启动超声检测系统，调节超声脉冲发生器，将涂有水基型超声耦合剂的窄脉冲超声直探头的中心依次放在上述超声扫描点阵集合上，记录每个扫描点的超声回波信息b1。

s5、构建超声反射回波信息与缺陷形状、缺陷大小之间对应关系，基于每个扫描位置的检测结果得到缺陷重构示意图，从而量化缺陷大小、识别缺陷形状。

具体地，将s4步骤中x＝0扫描路径下扫描位置(0,-8)、(0,-6)、(0,-4)、(0,-3)、(0,-2)、(0,-1)、(0,0)、(0,1)、(0,2)、(0,3)、(0,4)、(0,6)、和(0,8)的超声回波信息代入公式(1)计算得到每个扫描位置的深度值，记为d(0,-8)、d(0,-6)、d(0,-4)、d(0,-3)、d(0,-2)、d(0,-1)、d(0,0)、d(0,1)、d(0,2)、d(0,3)、d(0,4)、d(0,6)和d(0,8)，然后这些深度值均除以(d(0,-8)、d(0,8)为无缺陷位置，理论上二者相等，为了消除测量偏差，取二者均值)，这样就把x＝0扫描路径下所有检测位置结果进行了归一化，将归一化后的结果进行三次样条插值，即可得到x＝0扫描路径下表征缺陷长度、缺陷深度的曲线；同理，将剩下的扫描点按照以上理论，可以得到x＝1、x＝2、x＝3、x＝4和x＝5扫描路径下表征缺陷长度、缺陷深度的曲线；如图8a)所示。

将图8a)内的曲线按照最小二乘曲面拟合方法即可得到本实施例中三支柱绝缘子内部缺陷重构示意图，如图8(b)所示，从中可以看出越靠近x＝0(靠近柱脚底面)处缺陷边界范围越大，x＝0处缺陷宽度大小约为6mm，缺陷宽度沿x轴非线性减小，x＝4处缺陷宽度大小约为2mm；缺陷总长度约4mm，缺陷整体呈现“宽头窄尾”的楔状形态。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。