固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测系统及其检测方法

摘要

本发明公开了一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测系统及其检测方法，该系统由超声探头、超声收发装置、数据采集卡、计算机、机械定位装置和载物池构成；所述计算机通过数据采集卡与超声收发装置连接，超声收发装置上连接有超声探头，超声探头固定在机械定位装置上，机械定位装置下方设置有载物池，载物池内充满耦合剂，在载物池底部放置绝缘材料内电极；所述机械定位装置用于使超声探头在垂直和水平两个方向移动。该检测方法可用于检测电容式绝缘结构内电极表面形态的检测，同时也可以用于发电机主绝缘老化的检测。

说明书

所属技术领域

本发明属于电力设备制造与检测技术领域，使用超声的方法检测固体绝缘材料内电极表面形态。

背景技术

电容式绝缘结构电力设备是指电力设备中使用电容式结构方式构成其绝缘，以达到分压、划分电场等作用。

常见的有电容式电流互感器、高压套管、耦合电容器、电容式电压互感器、电力电容器等。以电容式电压互感器为例，电容式电压互感器实际上是由一个电容分压器与电磁装置部分组成。其关键的分压部分由若干个电容器串联，一端接高压线路，另一端接地。将需要测量的电压根据电容分压原理通过一个小电容器提取出来。电容式电压互感器，在我国的110~500kV电力网中得到了广泛的应用。

另外电力系统中常见的电力电容器芯子由若干个元件和绝缘件叠压而成，元件用电容器纸或膜纸复合，或用纯薄膜作介质和铝铂作极板卷制而成。其结构图如图2-1，其中阴影部分A、B都为金属极板(一般为铝箔)。

再如电力系统中的电容式套管是高压系统最常使用的，电容式套管在导杆和法兰之间加一个电容芯子作为内绝缘，电容芯子中有多层金属极板，以强迫控制其内部电场和表面电场的均匀化。其性能主要取决于电容芯子。以常见的干式套管为例，其芯子结构图如图1-2。芯子是以电缆纸包绕在导杆上，当包绕到一定直径时包上铝箔极板，极板尺寸需经过详细计算，并严格控制。然后用合成树脂浸渍，再通过加热固化而成。

虽然电力系统中存在许多类似的电容式绝缘结构电力设备，但其基本结构都为电容器式结构，即在某种材料制成的电极间填充绝缘材料。

关于金属极板形态对于内部电场的影响，研究较少，但其对电容式绝缘可靠性的影响还是很大的。大量材料指出，在很多的电容式绝缘结构中，有大量设备都选用铝箔等金属箔作为电极，而且对其形状和位置要求都相当严格，如前所提到的套管内各层电极，一般他们之间的距离和长度都要求精确度都小于0.01mm。

近年来由于电力电容器、套管等元件、芯子的尺寸比较大，必须用长轴卷制机。但是由于卷制机个轴平行度差、拉力不一致、转动时震动较大、铝箔可能错动、甚至纸中所含水份的变化过等因素都可能导致铝箔起皱。而铝箔一旦起皱，则会造成内部电场分布不均，使击穿场强降低，起始放电电压降低。

对于电容式绝缘结构，金属电极的位置通常在绝缘介质内部某一特定位置，绝缘材料通常是不透明的，无法直接进行检测。同时由于光学的方法只能观察到褶皱，却无法对褶皱的程度进行量化，因此不能使用简单的光学测量方法来实现。随着科学技术的发展以及新材料的出现，声学应用的范围越来越广，在电力系统种已有相当多的应用，技术已经比较成熟，因此选用超声的方法来进行环氧复合材料内电极形态的检测。

在发电机长期的运行过程中，主绝缘遭受到电场、热场、机械应力、热应力和环境应力的联合作用，其绝缘性能逐渐下降，最终导致绝缘失效。由于大型发电机费用投入大，产出经济效益高，一旦出现非计划停机造成的损失大、波及范围广，其运行可靠性极为重要。随着电力体制的改革不断深入，厂网分开、竞价上网的新格局即将形成，发电机绝缘状态直接成为发电企业经营决策的重要依据之一。

大型发电机的绝缘检测由定期检修和定期维护向状态检修方向发展。状态检修在保证发电机运行可靠性的基础上，减少检修次数，防止在不必要的检修过程中对设备造成直接和间接损坏，大大降低检修和维护成本。根据日本四国电力株式会社的资料统计，在不完全实行状态检修的条件下可以节约检修费用的20~30％。大电机定子绝缘的绝缘状态诊断和剩余寿命评估具有重要意义。

围绕这一问题，绝缘老化特征参量、老化规律和剩余寿命评估已成为国内外绝缘领域的重要研究内容。国外已将运行15年以上发电机的剩余寿命预测列为重点研究课题。我国七十年代及以前投运的100MW及更大容量的发电机有110台，已运行20年以上。若能通过绝缘老化特征量的检测，对绝缘状态进行有效诊断，对绝缘剩余寿命进行有效评估，合理安排发电机的维护维修，延长其使用寿命，将取得巨大的经济效益。

超声方法是通过对材料声学参量的测量确定材料的老化状态，超声检测方法由于其诸多优点成为今年来研究的热点。

发明内容

本发明提出了用超声聚焦探头测量不可见固体材料内电极的表面形态的检测系统及其检测方法，本发明的技术方案如下。

一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测系统，该系统由超声探头、超声收发装置、数据采集卡、计算机、机械定位装置和载物池构成；所述计算机通过数据采集卡与超声收发装置连接，超声收发装置上连接有超声探头，超声探头固定在机械定位装置上，机械定位装置下方设置有载物池，载物池内充满耦合剂，在载物池底部放置绝缘材料内电极；所述机械定位装置用于使超声探头在垂直和水平两个方向移动。

所述超声收发装置是脉冲反射式超声探伤仪；所述超声探头是水浸式聚焦探头。

所述机械定位装置包括载物台和机械臂，超声探头固定在机械臂上并可在二维平面上任意精确移动。

一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测方法：

(1)将绝缘材料内电极置于载物池底部；

(2)调节超声收发装置参数，调整超声收发装置的参数，使接收到的波形清晰稳定，保证整个检测系统正常运行；

(3)通过机械定位装置调整超声探头在载物池内的位置，使超声探头对准绝缘材料内电极，并且保证超声探头和绝缘材料内电极间距在超声探头焦距附近；

(4)通过计算机计算出超声探头和绝缘材料内电极之间的距离，并将计算出的距离作为初始数据存储；

(5)通过机械定位装置垂直移动超声探头到下一个位置，然后重复步骤(4)；当超声探头遍历绝缘材料内电极时，执行步骤(6)；

(6)将存储在计算机内的数据集合绘制成三维图形显示或输出。

发明的效果：

根据典型电容式绝缘结构的特点，试样中一小铜片环紧贴铝箔表面被封在环氧中，小圆环厚度为0.5mm，环宽度为0.5mm，平均直径为2.8mm。以检验对含有曲线的轮廓线起伏的检测以及检测步长对检测精度的影响。

采用0.1mm作为检测步长其检测结果。

其中试样b其宽度范围为0.5mm±0.2mm，厚度范围为0.5±0.02mm，直径为2.8mm±0.2mm，与试样b情况也相符最大误差为0.2mm。边界及表面轮廓较清晰。

通过以上方法，可以检测电容式绝缘结构中的金属极板形态。

对于电容式绝缘结构，铝箔电极的位置通常在绝缘介质内部某一特定位置，如上所述，将8层厚度约为0.2mm的绝缘纸层叠，在绝缘纸层中间(即第4，5层中间)放置一铝箔层，铝箔平均厚度约为0.01mm，然后进行环氧真空浇注以及固化。铝箔的折痕，则是由切向斜应力产生，以模拟卷制机拉力不平衡或个轴平行度差而引起的褶皱。对选择的区域进行超声扫描后，将其原始数据输入计算机，用matlab进行三维还原。

选择合适的检测步长和拥有适当频率以及焦区的探头则可以实现高精度检测。当采用10MHz聚焦探头，机械臂精度为0.1mm时，界面形态检测横向精度可达0.14mm；检测纵向精度可达0.02mm。

该检测方法可用于检测电容式绝缘结构内电极表面形态的检测，同时也可以用于发电机主绝缘老化的检测。

本发明的优点：

1、首次提出了固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测方法，并设计了检测系统，为分析电极形态对电场的影响提供了重要依据。

2、提出使用水浸式聚焦探头用于绝缘材料的检测，与以往广泛研究的直探头检测方式相比，对电极表面微小起伏的分辨能力更强；

3、探头可在二维平面上任意移动，定位精确。

附图说明：

图1为本发明的测试系统组成示意图；

其中：1、超声探头；2、水槽；3、机械定位装置；4、超声收发装置；5、数采卡；6、PC。

图2为本发明的机械定位装置及载物池结构俯视图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测系统，该系统由超声探头、超声收发装置、数据采集卡、计算机、机械定位装置和载物池构成；所述计算机通过数据采集卡与超声收发装置连接，超声收发装置上连接有超声探头，超声探头固定在机械定位装置上，机械定位装置下方设置有载物池，载物池内充满耦合剂，在载物池底部放置绝缘材料内电极；所述机械定位装置用于使超声探头在垂直和水平两个方向移动。

所述超声收发装置是脉冲反射式超声探伤仪；所述超声探头是水浸式聚焦探头。

所述机械定位装置包括载物台和机械臂，超声探头固定在机械臂上并可在二维平面上任意精确移动。

一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测方法：

(1)将绝缘材料内电极置于载物池底部；

(2)调节超声收发装置参数，调整超声收发装置的参数，使接收到的波形清晰稳定，保证整个检测系统正常运行；

(3)通过机械定位装置调整超声探头在载物池内的位置，使超声探头对准绝缘材料内电极，并且保证超声探头和绝缘材料内电极间距在超声探头焦距附近；

(4)通过计算机计算出超声探头和绝缘材料内电极之间的距离，并将计算出的距离作为初始数据存储；

(5)通过机械定位装置垂直移动超声探头到下一个位置，然后重复步骤(4)；当超声探头遍历绝缘材料内电极时，执行步骤(6)；

(6)将存储在计算机内的数据集合绘制成三维图形显示或输出。

选择了恰当的探头类型。

1、探头类型的选择：

超声检测常用探头有直探头、斜探头、聚焦探头等。为了选择合适的探头，特制备一标准试样，试样为干式套管中使用的环氧浸纸绝缘材料，厚度4.8mm。

在众多探头中应用最多的直探头是使超声波垂直入射被检体的探头，主要用来发射和接受纵波，所以也称为纵波探头。而聚焦探头是能将超声波会聚成细束状或线装、点状的探头。聚焦探头的特点是能将能量集中的焦区，可以提高探伤分辨力。聚焦探头经常在液浸法中使用。值得指出的是，聚焦探头是将声场聚焦到一个很小的区域中，经常用焦区直径φ和焦区长度L来度量聚焦声场。如聚焦探头的频率为h，在介质中的声速为v，焦距为F，晶片直径为D，则

$>\phi =\frac{v}{h}\frac{F}{D}---(3-1)$>

$>L=4\frac{v}{h}{\left(\frac{F}{D}\right)}^2---(3-2)$>

水浸探头是可浸在液体中探伤，不与材料接触，不需要保护膜，其结构与直探头相似。

而对于电容式绝缘结构，电极的位置通常在表面或者夹在绝缘介质中某一特定位置。这就非常适合于聚焦探头将声场集中在聚焦点上即电极所在面上来进行超声检测。而且针对上述很多复合绝缘材料，由于材料分子大，粘弹性强，材料不均匀等因素，使声波衰减大，因此使用聚焦探头还可以使声场集中，提高分辨力和穿透力。

从图中可以看出，当将聚焦探头焦距放在表面上时，表面、底面回波清晰，而杂波幅度回波相比要小很多，这就有效解决了其它界面层对于检测界面层的干扰。因此，聚焦探头是非常适合检测电容式绝缘结构电极表面形态的。

2、探头频率对超声回波的影响：

由于声波在不同介质中传播时，不可避免的会发生散射，频率越高，波长越短，超声波容易被散射，衰减越大，因此对于被检对象必须选择适当频率的探头，不能盲目选择大频率探头，以免使回波信号太小以至难次辨别。但是探头频率也过小。为了保证足够的分辨力，探头频率又必须足够高。

根据超声理论，超声波发现缺陷的理论分辨力为：如果选用不同频率的探头，其理论分辨力如表3-1。明显的对于电容式绝缘结构电极表面形态检测来说，当然选择越高的频率越好。用10MHz的聚焦探头其理论分辨力可以达到0.1mm以下，对标准试样的检测回波信号如图3-1中所示，证明用10MHz的聚焦探头不仅可以得到0.1mm的分辨力，还可以得到足够大的回波。因此可以使用10MHz的聚焦探头来对电极表面形态进行检测。

表3-1不同频率探头理论精度

3、检测系统组成：

在确定了超声检测的各种参数后，构建了相应的超声检测系统，该系统包括：机械定位装置、探头、超声收发装置、数采卡以及计算机系统。

系统的工作原理为：超声波发生装置发射同步电脉冲，激发探头内的压电晶片振动产生超声波，同时同步电脉冲经触发延迟后作为数据采集卡的扫描触发信号。超声传感器产生的超声波在试样内传播，遇到界面在界面上发生发射，反射波反向传播，并由发射超声波的超声探头接收并转换成电脉冲信号，经超声波接收装置耦合、衰减、放大及滤波等信号调理后，由数据采集卡数字化，输入计算机内的专用软件，实现超声检测信号的采集、显示，通过对数据进行处理可以进行环氧有机复合材料内电极表面形态的测量及显示。

机械定位装置及水槽：为了实现探头在二维方向定量可调，设计了机械定位装置。如图所示。采用两个相互移动的光学轨道搭建了二维可调的机械臂，超声探头固定在机械臂上并可在二维平面上任意移动，两个方向的移动范围均为150mm，最小移动步长为0.1mm。自行设计的探头固定装置由一个紧固螺栓固定在载物台上，且探头高度可调。由于聚焦探头的耦合剂为水，因此根据试样的大小设计了载物池，底面为一边长为150mm的正方形。

2、超声探头

使用水浸式聚焦探头，频率为10MHz，晶片尺寸14mm，焦距20mm

3、超声收发装置

采用汕头超声电子有限公司CTS-26脉冲反射式超声探伤仪，该探伤仪工作频率覆盖0.5M-20MHz，总衰减量为90dB，各种类型的探头基本都可与其配套使用。

4、数采卡

选用了美国NI(National Instruments)公司的USB-5133数据采集卡，其性能指标如表3-1所示。

表3-1数据采集卡的主要性能指标

本发明的效果：

1、提出了固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测方法，并设计了检测系统；

2、研究了直探头和聚焦探头的性能，确定了检测使用探头的类型及频率；

3、整套检测系统的对电极表面形态检测的精度可达0.1mm；

设计了机械定位装置，使探头可在二维平面上以0.1mm的步长精确移动。

系统软件：

本系统基于计算机和数据采集卡构成的硬件平台，采用LabVIEW图形化开发语言设计了系统软件。系统软件通过对数字采集卡的控制，实现超声检测信号的采集、显示，通过对数据进行处理可以进行环氧有机复合材料内电极表面形态的测量及显示。

数据采集功能模块主要完成数据的采集及波形的实时显示功能；

数据处理模块的功能是根据一次测量的波形数据计算被测物体到探头之间的距离；

三维图形显示模块是将数据处理模块得到的数据进行显示，以便直观地观察被测物体的表面形态。

滤波模块采用了小波滤波和巴特沃斯滤波，首先进行信号小波滤波以去除各种途径产生的白噪声，再进行巴特沃思滤波，去除高频和低频信号，对波形数据进行滤波可使数据处理模块的计算更加准确。