宋靖瑤（大慶油田中油電能供電公司）

對(duì)于變電站的運(yùn)行而言，瓷絕緣子及瓷套是其中關(guān)鍵的設(shè)備，可以起到絕緣以及支撐導(dǎo)線的作用。瓷絕緣子是以石英等硅酸鹽原料根據(jù)特定比例混合加工后形成相應(yīng)形狀，并于高溫狀態(tài)下進(jìn)行燒結(jié)所制得的無(wú)機(jī)絕緣材料，其機(jī)械強(qiáng)度取決于各晶體成分高低，晶體成分越高，則其機(jī)械強(qiáng)度越強(qiáng)[1]。在瓷絕緣子制造過(guò)程中，上述晶體粒子在瓷制品煅燒后冷卻時(shí)受到強(qiáng)大的拉伸應(yīng)力作用，該力可能造成各玻璃狀機(jī)體以及晶體粒子與其邊界形成微裂紋，這一過(guò)程，在某種程度上甚至也表現(xiàn)于優(yōu)質(zhì)的瓷絕緣子上，所以不少瓷絕緣子可能早已在出廠前就已經(jīng)存在微裂紋等瑕疵[2]。由于設(shè)備在運(yùn)行階段需要承受各種機(jī)械負(fù)荷，同時(shí)還要經(jīng)受一定的冰凍風(fēng)雪以及風(fēng)吹日曬，所以導(dǎo)致瓷絕緣子與瓷套局部應(yīng)力逐漸增加，這種細(xì)微的缺陷也許會(huì)導(dǎo)致瓷絕緣子及瓷套的損壞，最終導(dǎo)致重大事故的出現(xiàn)。為此，國(guó)家電網(wǎng)多次就此進(jìn)行申明，嚴(yán)格要求各單位做好相應(yīng)的監(jiān)督檢查工作。瓷絕緣子的破壞與缺陷危害程度、材料性能以及應(yīng)力水平有關(guān)。超聲波探傷技術(shù)的瓷絕緣子無(wú)損檢測(cè)指的是，在開(kāi)展應(yīng)力以及材料性能分析的基礎(chǔ)上，對(duì)材料的缺陷進(jìn)行判斷，并對(duì)可以引起的危害進(jìn)行辨別，最終確保供電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 發(fā)展概況

超聲波檢測(cè)法指的是通過(guò)超聲波來(lái)對(duì)絕緣介質(zhì)的裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)。早在上世紀(jì)三十年代，超聲波的無(wú)損檢測(cè)就已然出現(xiàn)。1929年，前蘇聯(lián)的Sokolov第一次提出通過(guò)超聲波來(lái)對(duì)金屬物體內(nèi)部的缺陷進(jìn)行探測(cè)。但這只停留在想法階段，沒(méi)有付諸實(shí)踐。六年后，在其發(fā)表的穿透法進(jìn)行超聲波檢測(cè)試驗(yàn)的結(jié)果中最終將這一想法付諸實(shí)踐，這也成為了其個(gè)人的專利。按照Sokolov的試驗(yàn)裝置的基本原理，最終生產(chǎn)出了穿透法檢測(cè)儀器，第二次世界大戰(zhàn)之后，這一儀器得到了廣泛的運(yùn)用[3]。超聲檢測(cè)技術(shù)具體的發(fā)展包括以下三個(gè)時(shí)期：分別是模擬式超聲波探傷儀時(shí)期、數(shù)字式超聲波探傷儀時(shí)期以及計(jì)算機(jī)支持下的超聲檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)期。傳統(tǒng)意義上的模擬式超聲波探傷儀指的是A型掃描儀，這種掃描儀在掃描完成之后，需要專業(yè)的人員對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行分析，這就需要檢測(cè)以及分析人員自身具備足夠的水平。也就是說(shuō)，最終掃描以及檢測(cè)的結(jié)果會(huì)受到人為因素的干擾，波形的保存以及記錄也面臨極大的困難。數(shù)字式超聲波探傷儀的功能十分強(qiáng)大，其可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及分析，同時(shí)也可以執(zhí)行探傷報(bào)告的打印等工作，而且能夠徹底處理超聲檢測(cè)記錄的難題，有利于規(guī)避人為的誤差，進(jìn)一步促進(jìn)探傷結(jié)果可靠性的提升。近期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電子技術(shù)的發(fā)展，超聲檢測(cè)技術(shù)的控制手段也更加的先進(jìn)。

2 技術(shù)原理

2.1 超聲波探傷的基本原理

首先超聲波在介質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)一旦遭遇缺陷等異質(zhì)界面則會(huì)發(fā)生發(fā)射，此時(shí)若超聲波波長(zhǎng)比缺陷尺寸小，則超聲波會(huì)被缺陷反射，同時(shí)在探傷儀中將反射波顯示出來(lái)；如果缺陷尺寸小于波長(zhǎng)，則不會(huì)出現(xiàn)反射，原因在于超聲波將缺陷忽略了[4]。其次，超聲波波聲指向性良好，隨著頻率提升其指向性會(huì)進(jìn)一步提升，它可以通過(guò)極窄波束輻射至介質(zhì)內(nèi)，從而確定缺陷部位；最后，超聲波所傳播的能量極大。

2.2 超聲波探傷儀工作原理

由脈沖發(fā)生器的探頭將超聲波短脈沖送至器件內(nèi)，在回波從器件邊界或缺陷處返回后，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)將信號(hào)傳播時(shí)間、幅度顯示在示波器上[5]。由于器件聲速已知，此時(shí)只用結(jié)合示波器讀數(shù)得出脈沖之間的傳輸時(shí)間即可得出最終的缺陷深度，超聲波探傷儀原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波探傷儀原理圖

從本質(zhì)上而言，超聲波的產(chǎn)生和接收均為典型的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，該能量轉(zhuǎn)化發(fā)生在探頭上[6]。探頭可以實(shí)現(xiàn)電能與超聲能之間的轉(zhuǎn)化，同時(shí)也能促使超聲波發(fā)生，并接收超聲波。目前超聲波專用探頭以及瓷瓶探傷儀等技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，能夠用于滿足不同場(chǎng)景的需要，并且得到廣泛應(yīng)用。一旦從探傷探頭發(fā)生了超聲波，則其經(jīng)瓷瓶表面迅速進(jìn)入到其內(nèi)部，此時(shí)在瓷瓶背面以及瓷瓶?jī)?nèi)空隙中與超聲波相遇，則會(huì)發(fā)生反射波，并且該反射波脈沖波形會(huì)顯示在DAC曲線屏幕上。通過(guò)對(duì)發(fā)射波波形、試塊波形進(jìn)行對(duì)比便可確定缺陷的大小、位置。

2.3 超聲波瓷瓶探傷的檢測(cè)方法

1）爬波檢測(cè)方法。爬波是一種縱波，其傳播位置在目標(biāo)檢測(cè)工件的表面，可以用于評(píng)估工件表面的平滑程度，它能夠?qū)ぜ砻婧徒砻娴娜毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，也叫做表面下縱波，若有物質(zhì)置于工件表面，那么爬波可能會(huì)穿過(guò)物體，物體的存在基本不會(huì)影響爬波的傳播，爬波還能檢測(cè)到工件表面的微小裂紋，可檢測(cè)出0.5～15 mm深的表面開(kāi)口裂紋，爬波還能對(duì)支柱絕緣子表面及近表面裂紋的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2）縱波斜探頭檢測(cè)。武漢大學(xué)、青海電力試驗(yàn)研究院是開(kāi)發(fā)縱波斜探頭檢測(cè)方法的主體，這是一種繼爬波檢測(cè)方法后能夠準(zhǔn)確檢測(cè)瓷套缺陷和支柱絕緣子的方法，被檢工件內(nèi)因其表面平行的晶片所發(fā)出的超聲波作用而產(chǎn)生垂直入射的超聲波，當(dāng)被檢工件的表面與晶片的角度達(dá)到一定程度時(shí)，只要第一臨界角大于入射角，那么按照波的折射原理可知，工件既會(huì)產(chǎn)生折射橫波，也會(huì)產(chǎn)生折射縱波，縱波斜入射檢測(cè)法就是這種用工件折射波進(jìn)行檢測(cè)的方法。研究結(jié)果顯示，縱波斜探頭檢測(cè)方法擁有1.2 mm的檢驗(yàn)靈敏度[7]。受自然裂紋反射條件差與瓷體表面黏結(jié)瓷砂的影響，小角度縱波檢測(cè)在役支柱瓷絕緣子表面小裂紋的信噪比很低[8]，毫無(wú)疑問(wèn)，從檢驗(yàn)靈敏度方面對(duì)比，此種檢測(cè)方法在檢測(cè)支柱絕緣子外表面缺陷的能力不如爬波檢測(cè)方法。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用

目前油田電網(wǎng)以爬波探傷為主要檢測(cè)方法。單位試驗(yàn)室內(nèi)將已斷裂的豐收一次變35 kV 01441乙刀閘B相支持瓷瓶進(jìn)行復(fù)原。對(duì)復(fù)原后的瓷瓶缺陷部位進(jìn)行爬波檢測(cè)的研究，檢測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)的結(jié)果完全相同，進(jìn)一步驗(yàn)證絕緣子超聲波探傷技術(shù)的有效性。爬波檢測(cè)暨法蘭膠裝區(qū)支柱瓷絕緣子及瓷套表面和近表面缺陷的檢測(cè)，也是在油田電網(wǎng)發(fā)生最多的缺陷。圖2為完好瓷瓶探傷曲線，圖3為豐收一次變35 kV 01441乙刀閘B相支持瓷瓶斷裂后探傷曲線。

圖2 完好瓷瓶探傷曲線

圖3 瓷瓶斷裂探傷曲線

兩圖比較可以看出，有問(wèn)題的絕緣子波形非常明顯的超出參考曲線。爬波檢測(cè)的同時(shí)，絕緣監(jiān)督專業(yè)還對(duì)斷路器瓷套內(nèi)部和內(nèi)壁進(jìn)行橫波測(cè)試，測(cè)試過(guò)程未發(fā)現(xiàn)異常。

截至目前完成豐收、馬鞍山等18座變電所支柱絕緣子檢測(cè)，開(kāi)關(guān)、刀閘共計(jì)800多支。

3.2 檢測(cè)注意事項(xiàng)

超聲波本身就具有很強(qiáng)的探傷穿透力，同時(shí)具有設(shè)備輕便、檢測(cè)成本低、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于危害性較強(qiáng)的裂紋缺陷，超聲波的探傷效果更是十分顯著。但是這種檢測(cè)方法也具有一定的局限性，為此在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

1）超聲波檢測(cè)一般針對(duì)材料中的平面狀缺陷比較敏感，在具體的檢測(cè)階段，在缺陷十分顯著的時(shí)候，檢測(cè)階段即可得到較高水平的缺陷反射回波。然而針對(duì)瓷絕緣子及瓷套內(nèi)部體積狀和條狀以及球狀的缺陷，由于超聲波聲束在擴(kuò)散階段存在一定的局限性，因此僅僅在缺陷足夠明顯或者反射角度相對(duì)較大的時(shí)候，方可得到相應(yīng)的缺陷反射回波。

2）探傷試驗(yàn)的過(guò)程中，一旦沒(méi)有清理工具，沒(méi)有選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?、環(huán)境，或者探傷表面不夠平滑，那么試驗(yàn)結(jié)果就會(huì)缺失準(zhǔn)確性。這些因素中任何一項(xiàng)都會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致檢驗(yàn)者操作當(dāng)中出現(xiàn)誤差，因此要嚴(yán)格監(jiān)管探傷試驗(yàn)的整個(gè)操作過(guò)程，這樣才能得到可靠、準(zhǔn)確、完整的試驗(yàn)結(jié)果。

3）探傷試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)檢驗(yàn)主體綜合能力的關(guān)口，認(rèn)真檢查其試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和資格，確保其操作規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)豐富，能夠出具恰當(dāng)且準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果[9]，而且要詳細(xì)記錄下每一次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息，方便今后回顧檢查，也是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的基本要求。

4 結(jié)語(yǔ)

瓷瓶缺陷目前已經(jīng)威脅到了電力安全生產(chǎn)，因此要制定相關(guān)規(guī)定對(duì)其資產(chǎn)進(jìn)行管理，提升瓷瓶的耐用性，增加其安全性能，超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以在瓷質(zhì)絕緣子設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行中出現(xiàn)的缺陷和故障的檢測(cè)中發(fā)揮積極作用。油田電網(wǎng)由于開(kāi)展時(shí)間較短，所以該項(xiàng)技術(shù)還有很多需要完善的地方。隨著研究的深入和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)的積累，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用必將大大提高瓷質(zhì)絕緣子缺陷的檢測(cè)能力，同時(shí)在電氣設(shè)備的狀態(tài)檢修中發(fā)揮重要的作用。