带电作业用绝缘工具超声检测方法论文_陈学坚

广东立胜电力技术有限公司 广东 佛山 528000

摘要:带电作业绝缘工具在长期服役使用中,绝缘工具内部可能会产生微小缺陷,从而影响工具的性能。采用超声检测技术可以有效诊断材料内部缺陷,保证作业人员的安全。

关键词:超声检测;带电作业;绝缘工具;内部缺陷;环氧复合材料

引言

高压带电作业是减少电网停电时间和线损、提高供电可靠性、保障电网安全可靠经济运行的重要技术措施之一。硬质绝缘工具是高压带电作业的常用工具,其质量、性能和安全可靠性直接关系到带电作业人员安全和电力设备的正常运行。近年来,从我国高压带电作业硬质绝缘工具在使用中发生的事故分析,说明绝缘工具存在的隐形缺陷及电老化的检测试验方法还存在一些不足。为此,采用工频耐压、泄漏电流、局部放电试验与红外热像检测、干耦合超声测量相结合的方法对带电作业硬质绝缘工具的绝缘性能进行了试验研究。

1试品与试验设备

1.1试 品

目前,我国使用的高压带电作业硬质绝缘工具大多采用3640空心绝缘管作为主绝缘和承力部件。3640绝缘管属典型的聚合物基复合绝缘材料,系由环氧酚醛玻璃布浸渍、卷制、加热固化、机械成型。所以,检测试验中采用的试品主要是3640空心电气绝缘管及由其制成的500kV带电作业硬质绝缘工具,还采用了一些新研制的高电压复合绝缘管材,如玻纤环氧绝缘管和泡沫充填浸胶绝缘管等。

1.2电气试验设备与电极系统

绝缘管材工频耐压试验采用了美国Hipotron-ics7800—2400SR型串联谐振试验装置,额定输出工频电压800kV、容量2400kVA。500kV超高压带电作业绝缘工具采用1500kV、3000kVA工频试验变压器进行工频耐压试验,如图1所示。图中T1为10kV、2250kVA调压器;T2为试验变压器,利用电容分压器测量高电压。

图1工频耐压试验的电气原理图

对电气绝缘管材,将直径5mm导线缠绕在绝缘管上作为电极,间距为300mm,试品长度为2m,分为六段同时进行分段工频耐压试验和红外热像检测,试品及电极布置参照IEC—855(1985)标准执行。对500kV超高压带电作业绝缘工具,将其悬挂在20m长的模拟四分裂导线上进行电气试验。对电气复合绝缘管进行工频电压下的局部放电检测时,采用图2所示的无晕电极系统和试品布置,绝缘管分段试验长度l=300mm、外施工频电压为100kV。在有良好电磁屏蔽的高压试验大厅内进行电气绝缘管的局部放电(PD)测量,电磁屏蔽效率大于60dB,有效地防止了外界空间电磁场的干扰。此外,并采用工频电源隔离变压器和低通滤波器减小工频电源中各次谐波和杂散信号对PD测量系统的影响。实测表明:采取防干扰的措施后,PD仪测量到的干扰信号小于1pC,可进行灵敏、准确、可靠的PD测量。对长绝缘管与绝缘工具可采用环形无晕电极系统进行PD测量。

图2电极结构和试品布置示意图

2超声声场仿真原理

绝缘管材直径小、曲率大、超声耦合困难,且为复合材料,超声波在其内部的传播过程较为复杂。为了明确环氧复合管材内的声波传播情况,应用COMSOL声−压电耦合场对环氧复合管材内部缺陷的超声检测进行了仿真计算。COMSOL的声学模块由一系列物理场接口组成,用于模拟流体和固体中的声音传播。描述流体中声音传播的方程源自流体流动的控制方程,也就是用连续性方程描述的质量守恒方程,常被引用为Navier-Stokes方程的动量守恒方程及能量守恒方程,还有模型本构方程,以及描述热力学变量的状态方程。固体中的声音传播表现为固体形状和结构的小幅度振荡,这些弹性波传递到周围流体中就表现为一般的声波。声−结构耦合提供的接口适用于流体压力以载荷形式加载在固体域,以及结构振动以流固边界上法向加速度的形式影响流体的情况。声–结构耦合中的声–压电耦合多物理场接口支持对压电材料中电场的求解和建模,压电耦合可以使用应力−电荷或应变−电荷形式。

3绝缘实心棒的超声检测的仿真与试验

3.1实心棒超声仿真

绝缘棒为小直径棒材,典型直径为20mm,曲率大,利用单探头直接检测较为困难,考虑双晶探头方案,即利用双晶弧面楔块和一发一收2个探头进行检测。利用COMSOL建立了如图3所示的双晶楔块实心棒超声检测仿真几何模型。超声探头中心频率为5MHz,绝缘棒直径为20mm,3个直径为0.8mm的缺陷分别在棒中心以及上、下方距离中心5mm的位置处。图3中左侧探头发射超声波,右侧探头接收超声回波,波形如图4所示。整个回波波形中存在3个明显缺陷回波,其中第2个缺陷幅值较大,处于发射探头和接收探头声束交汇的中心,是声束能量较大且接收灵敏度较高的区域。图5为8μs时刻的回波声压和应力图。其中,A为第1个缺陷反射的纵波,已经传播到了楔块中,即将要被接收探头接收;B为第1个缺陷反射激发

图3绝缘棒仿真模型

图4实心棒回波波形

的横波;C为第2个缺陷反射的纵波;D为第2个缺陷反射激发的横波;E为第3个缺陷反射的纵波;

图58μs时刻超声传播情况

F为第2个缺陷反射激发的横波;G为发射探头发射的超声的直达波。从图6中可以看出,发射探头侧(左侧)声传播比较复杂,有较多的杂波干扰,若用单探头检测,则不容易检测到缺陷回波;而右侧接收探头部分,杂波较少,较容易检测缺陷回波。

3.2实心棒超声检测试验

双晶探头法检测绝缘棒,采用2个频率为5MHz的探头配合双晶弧面探头进行检测,收发探头声轴线的夹角为52°。在实心棒的侧面截面中心上方有一直径为0.8mm的模拟气隙缺陷。双晶探头法检测无缺陷的绝缘棒和中心处有缺陷的绝缘棒的A扫回波如图6所示。可以看到,双晶探头检测中发射时,接收的初始波很小,可以很明显看到缺陷的回波信号。绝缘棒中缺陷的位置不同,对应的波形也不同,当缺陷位置不在绝缘棒中心,偏离绝缘棒中心一定距离时,随着缺陷距离探头不同位置时,成像对应的缺陷回波也相应发生变化。试验示意图如图7所示。当缺陷位置距离探头较近,并位于2个探头正下方,即棒体中心上方时,对应的A扫回波如图8(a)所示,缺陷回波位于18mm处。转动绝缘棒,当缺陷位置距离探头较远检侧,位于棒体中心侧面时,对应的A扫回波如图8(b)所示,缺陷回波位于22mm处,可见随着绝缘棒的旋转,缺陷回波远离探头,并且回波幅度减小。进一步旋转绝缘棒,缺陷回波随着旋转移动,当缺陷位置又位于2个探头正下方,处于棒体中心下方的声束交汇区时,对应的A扫回波如图8(c)所示,缺陷回波位于28.5mm处,且回波幅度较大。

图6无缺陷和有缺陷的实心棒回波图

图7实心棒试验示意图

图8不同缺陷位置时的回波

结语

对于绝缘实心棒的超声检测,采用一发一收2个窄脉冲宽带探头加上双晶弧面楔块进行检测,可以有效减少杂波干扰。缺陷回波接收的时间越晚表明缺陷离探头距离越远,回波幅度越大表明缺陷距离双探头中心轴线越近,通过旋转绝缘棒动态观察回波信号的变化,可更好地发现缺陷。

参考文献

[1]汤振鹏,樊亚东,王建国,等.带电清洗剂温度特性及混合污秽电气性能[J].高电压技术,2018,44(4):1211-1217.

[2]苏梓铭,刘凯,隗笑,等.配电不停电作业技术现状与发展[J].供用电,2017,34(10):60-66.

论文作者:陈学坚

论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第05期

论文发表时间:2019/7/15

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