一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方与系统的制作方法

1.本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方与系统。


背景技术：

2.为满足电力电缆领域的部件性能要求，需要制备高弹性的柔软材料，这促进了硅橡胶等绝缘柔性材料的应用推广。考虑到设备寿命与可靠性受到材料热力学特性的直接影响，其中，正常使用条件下的电缆温度可以达到90℃的最高值，然而在过载状态或发生短路时，温度会快速升高到250℃。当电缆接头长期处于高温环境中时，硅橡胶层会发生持续老化，最终产生无法恢复的损伤，导致绝缘性能的明显下降。为提升高压电缆接头运行维护水平，需对电缆接头硅橡胶绝缘层热老化程度开展综合评估。现有技术中，针对绝缘材料开展的热老化特性评价基本都是通过电气性能测试的方式来实现，包括介电测试、局放测试等。但考虑到以上测试模式都需要设置高压或冲击电压，容易引起试样发生不可逆破坏的结果。


技术实现要素：

3.为了在不对试样造成不可逆破坏的情况下实现热老化性能测试，本发明提出了一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方法，包括步骤：
4.s1：通过超声收发仪在耦合剂传导下发射并接收绝缘层初始状态下的表面脉冲波和底面脉冲波；
5.s2：根据表面脉冲波和底面脉冲波获取初始状态下的超声声速；
6.s3：通过预设温度对绝缘层进行热老化处理；
7.s4：获取热老化处理过程中不同时间点处绝缘层电气性能的分步曲线，以及对应超声声速的变化曲线；
8.s5：通过matlab对分步曲线和变化曲线进行拟合，并获取拟合结果；
9.s6：获取目标绝缘层在耦合剂传导下的超声声速，并根据拟合结果获取当前状态下的电气性能。
10.进一步地，所述s1步骤中，采用去离子水作为耦合剂进行水浸法下的脉冲波传导。
11.进一步地，所述s2步骤中，超声声速通过如下公式获取：
[0012][0013]
式中，v为超声声速，d为绝缘层厚度，tb为底面脉冲波的接收时间，t
t
为表面脉冲波的接收时间。
[0014]
进一步地，所述s4步骤中，电气性能的分步曲线包括相对介电常数分步曲线和电气强度的威布尔分步曲线。
[0015]
进一步地，所述s5步骤中，拟合结果表示为如下公式：
[0016]
v＝a*εr+b*e
[0017]
式中，v为超声声速的变化曲线，a为matlab拟合后的第一拟合系数，εr为相对介电常数分步曲线，b为matlab拟合后的第一拟合系数，e为电气强度的威布尔分步曲线。
[0018]
本发明还提出了一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试系统，包括：
[0019]
超声收发仪，用于在耦合剂传导下发射并接收绝缘层各状态下的表面脉冲波和底面脉冲波；
[0020]
数据处理模块，用于根据表面脉冲波和底面脉冲波获取初始状态下的超声声速以及热老化处理过程中超声声速的变化曲线，并根据电气性能参数获取热老化处理过程中电气性能的分步曲线；
[0021]
热老化处理模块，用于通过预设温度对绝缘层进行热老化处理；
[0022]
电气参数获取模块，用于获取热老化处理过程中不同时间点处绝缘层电气性能参数；
[0023]
曲线拟合模块，用于通过matlab对分步曲线和变化曲线进行拟合，并获取拟合结果；
[0024]
性能测试模块，用于根据目标绝缘层在耦合剂传导下的超声声速，通过拟合结果获取当前状态下的电气性能。
[0025]
进一步地，所述超声收发仪采用去离子水作为耦合剂进行水浸法下的脉冲波传导。
[0026]
进一步地，所述数据处理模块中，超声声速通过如下公式获取：
[0027][0028]
式中，v为超声声速，d为绝缘层厚度，tb为底面脉冲波的接收时间，t
t
为表面脉冲波的接收时间。
[0029]
进一步地，所述电气性能的分步曲线包括相对介电常数分步曲线和电气强度的威布尔分步曲线。
[0030]
进一步地，所述曲线拟合模块中，拟合结果表示为如下公式：
[0031]
v＝a*εr+b*e
[0032]
式中，v为超声声速的变化曲线，a为matlab拟合后的第一拟合系数，εr为相对介电常数分步曲线，b为matlab拟合后的第一拟合系数，e为电气强度的威布尔分步曲线。
[0033]
相较于现有技术，本发明至少含有以下有益效果：
[0034]
(1)本发明所述的一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方法与系统，通过对热处理过程中的超声声速变化曲线和电气性能分步曲线进行拟合，从而可以利用拟合后的关系式将超声声速与电气性能的关联性获取电气性能参数，从而在无损情况下获取目标绝缘层的热老化程度；
[0035]
(2)采用离子水作为耦合剂进行水浸法下的超声传播，避免数据采集过程中由于柔性材质接触面夹角改变导致的数据采集偏差。
附图说明
[0036]
图1为一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方法的步骤图；
[0037]
图2为一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试系统的结构图；
具体实施方式
[0038]
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0039]
实施例一
[0040]
现阶段，通常利用拉伸或电气性能测试的方法来评价部件的绝缘老化程度并预测寿命，但这些测试方法容易对被测物造成破坏的问题。而超声检测属于一类无损检测技术，当受测试材料受到超声波作用将会反馈特定的超声信号，能够满足对材料进行组织结构与力学特性的表征要求。为了将超声检测技术合理应用到绝缘物热老化性能测试上，如图1所示，本发明提出了一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方法，主要包括步骤：
[0041]
s1：通过超声收发仪在耦合剂传导下发射并接收绝缘层初始状态下的表面脉冲波和底面脉冲波；
[0042]
s2：根据表面脉冲波和底面脉冲波获取初始状态下的超声声速；
[0043]
s3：通过预设温度对绝缘层进行热老化处理；
[0044]
s4：获取热老化处理过程中不同时间点处绝缘层电气性能的分步曲线，以及对应超声声速的变化曲线；
[0045]
s5：通过matlab对分步曲线和变化曲线进行拟合，并获取拟合结果；
[0046]
s6：获取目标绝缘层在耦合剂传导下的超声声速，并根据拟合结果获取当前状态下的电气性能。
[0047]
此处之所以通过耦合剂对超声声波进行传导，是考虑到空气传播距离的增加会引起超声强度的明显衰减，因此人们常通过耦合剂作为传播介质进行声波传导，常用的耦合剂包括黄油、硅脂、水、凡士林等。而进一步考虑到硅橡胶这一类的柔性绝缘材料，无法对接触压力进行有效的控制，从而导致超声收发仪的探头和试样表面之间的夹角以及耦合剂的厚度都会发生改变，从而影响同状态检测结果的检测结果需求。因此，本发明在此处进一步地选择了去离子水进行水浸法下的非接触式测试，从而使得探头与试样表面之间无需保持紧压的状态，从而有效降低衰减，并保证了检测环境的一致性。
[0048]
根据超声收发仪接收到超声声波经反射后在绝缘层上下表面不同的接收时间，就能获取绝缘层当前结构状态下的超声传播速度，需要注意的是，由于绝缘层底面(也即是相对远离超声波声源的一面)的实际传播距离是试样厚度的两倍，因此，当前结构状态下绝缘层内实际的超声声速可通过如下公式计算：
[0049][0050]
式中，v为超声声速，d为绝缘层厚度，tb为底面脉冲波的接收时间，t
t
为表面脉冲波的接收时间。
[0051]
而本发明之所以选择通过拟合超声声速与电气性能进行性能的测试，这是因为硅橡胶等柔性绝缘材料在热老化阶段过程中，硅橡胶内部的结构往往会发生改变，同时还包括官能团转变、交联反应等，使其弹性模量显著减小，同时表现出更强的柔软性。而介质(也即是本发明中的绝缘层)内超声声波的传导速度由于弹性模量相关，其理论纵波速度可表
示为如下公式：
[0052][0053]
式中，v
l
为介质内超声声波的理论纵波速度，e为杨氏弹性模量，ρ为介质的密度。
[0054]
同时，由于介电常数也会受到内部组织结构以及物象成分的直接影响，同时在热老化阶段与超声声速一样呈明显下降趋势。同样的，相对介电常数在热老化阶段同样会产生波动。为了将这两个电气性能参数与超声声速拟合起来，从而能够根据测得超声声速反向逆推出相应的电气性能，本发明通过matlab对分布曲线(横竖向坐标分别为时间-电气性能)和变化曲线(横竖向坐标分别为时间-超声声速)进行拟合，从而得到如下的拟合结果：
[0055]
v＝a*εr+b*e
[0056]
式中，v为超声声速的变化曲线，a为matlab拟合后的第一拟合系数，εr为相对介电常数分步曲线，b为matlab拟合后的第一拟合系数，e为电气强度的威布尔分步曲线。
[0057]
利用该拟合结果，即可在通过超声检测获得超声声速数据后，反向逆推出相应的电气性能参数，根据逆推出的电气性能参数比对其在相应分步曲线中的比例，即可在无损的情况下得到相应的热老化程度以及剩余可使用寿命，并及早的进行预警。
[0058]
实施例二
[0059]
为了更好的对本发明的技术内容进行理解，本实施通过系统结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试系统，包括：
[0060]
超声收发仪，用于在耦合剂传导下发射并接收绝缘层各状态下的表面脉冲波和底面脉冲波；
[0061]
数据处理模块，用于根据表面脉冲波和底面脉冲波获取初始状态下的超声声速以及热老化处理过程中超声声速的变化曲线，并根据电气性能参数获取热老化处理过程中电气性能的分步曲线；
[0062]
热老化处理模块，用于通过预设温度对绝缘层进行热老化处理；
[0063]
电气参数获取模块，用于获取热老化处理过程中不同时间点处绝缘层电气性能参数；
[0064]
曲线拟合模块，用于通过matlab对分步曲线和变化曲线进行拟合，并获取拟合结果；
[0065]
性能测试模块，用于根据目标绝缘层在耦合剂传导下的超声声速，通过拟合结果获取当前状态下的电气性能。
[0066]
进一步地，超声收发仪采用去离子水作为耦合剂进行水浸法下的脉冲波传导。
[0067]
进一步地，数据处理模块中，超声声速通过如下公式获取：
[0068][0069]
式中，v为超声声速，d为绝缘层厚度，tb为底面脉冲波的接收时间，t
t
为表面脉冲波的接收时间。
[0070]
进一步地，电气性能的分步曲线包括相对介电常数分步曲线和电气强度的威布尔分步曲线。
[0071]
进一步地，曲线拟合模块中，拟合结果表示为如下公式：
[0072]
v＝a*εr+b*e
[0073]
式中，v为超声声速的变化曲线，a为matlab拟合后的第一拟合系数，εr为相对介电常数分步曲线，b为matlab拟合后的第一拟合系数，e为电气强度的威布尔分步曲线。
[0074]
综上所述，本发明所述的一种基于超声检测的绝缘层热老化性能测试方法与系统，通过对热处理过程中的超声声速变化曲线和电气性能分步曲线进行拟合，从而可以利用拟合后的关系式将超声声速与电气性能的关联性获取电气性能参数，从而在无损情况下获取目标绝缘层的热老化程度。
[0075]
采用离子水作为耦合剂进行水浸法下的超声传播，避免数据采集过程中由于柔性材质接触面夹角改变导致的数据采集偏差。
[0076]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0077]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0078]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0079]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。