摘要：在電網(wǎng)各個環(huán)境中運行的不同種類絕緣子，長期服役后都會不同程度地產(chǎn)生失效，導致故障事故的發(fā)生，對電網(wǎng)可靠性帶來了極大地潛在威脅，研究絕緣子的失效特征對于指導絕緣子安全檢測具有十分重要的意義。本文基于在役絕緣子種類繁多和結(jié)構(gòu)復雜的特點，分析絕緣子失效特征和損傷部位，提出了利用超聲波探傷儀技術(shù)檢測絕緣子損傷缺陷的方法。
1、引言 絕緣子作為電網(wǎng)中用量龐大的零部件，其質(zhì)量直接關系著電網(wǎng)的安全運行。在役絕緣子由于長期處于運行高壓的作業(yè)下，又受露天環(huán)境的侵蝕，因而不可避免地產(chǎn)生失效。國內(nèi)外電網(wǎng)中由于絕緣子失效而產(chǎn)生的絕緣子脆斷或擊穿事故時有發(fā)生，已經(jīng)造成了嚴重的經(jīng)濟損失。本文針對在役絕緣子種類繁多和結(jié)構(gòu)復雜的特點，分析了各類絕緣子失效的特征及其部位，研究了相應的無損檢測方法，在實踐中取得了良好的效果。
2、絕緣子的種類及其失效特征 目前在役運行的絕緣子，按材質(zhì)分為陶瓷絕緣子、合成絕緣子和玻璃絕緣子等三種；按照用途分為變電所絕緣子和線路絕緣子。各類在役絕緣子無損檢測的效果，不僅與檢測的方法有關，更與在役絕緣子失效的特征及部位密切相關。
2.1 瓷絕緣子結(jié)構(gòu)和失效特征 變電所中使用的支柱瓷絕緣子主要有豎直放立和橫擔放置等兩種掛網(wǎng)形式，由于放置高度適中，故此類絕緣子的無損檢測研究較多。圖1為支柱絕緣子結(jié)構(gòu)簡圖，瓷瓶上端通過鑄鐵法蘭與母線引下線電纜連接，下端通過鑄鐵法蘭與固定支架連接。 支柱瓷絕緣子底部鑄鐵法蘭與鄰近傘群之間因坡度角θ＝0～20°之間變化而存在三種不同的形狀結(jié)構(gòu)。在θ＝θ1＝0°的特殊情況下，該結(jié)構(gòu)為圓柱型。
據(jù)統(tǒng)計，支柱瓷絕緣子斷裂事故中約95%以上的斷裂區(qū)域位于鑄鐵法蘭口內(nèi)3mm。因此，支柱瓷絕緣子相對鑄鐵法蘭口外露10mm至內(nèi)深20mm的區(qū)域是無損檢測的重點區(qū)域。
2.2 合成絕緣子的結(jié)構(gòu)與失效特征 合成絕緣子的基本結(jié)構(gòu)見圖2，內(nèi)部芯棒由樹脂浸漬的幾萬根玻璃纖維構(gòu)成，以保證芯棒有足夠高的機械強度，但芯棒的耐大氣老化性能相對較弱；芯棒外部的護套和傘裙一般由硅橡膠材料制成。護套包覆的芯棒外表面，一方面提供良好的外絕緣性能，另一方面保護芯棒免受大氣侵蝕。
合成絕緣子上網(wǎng)運行后，芯棒脆斷是較大的危害。護套與芯棒之間界面的密封性能下降，層間產(chǎn)生氣隙，進一步侵蝕芯棒，導致芯棒脆斷。因此，合成絕緣子的傘裙與護套、護套與芯棒之間的密封性（氣隙）是檢測的重點。
3、絕緣子的超聲檢測方法 絕緣子的材料絕緣特性決定其不適合渦流和磁粉這兩種電磁檢測的方法。液體滲透法可以檢測瓷瓶釉面上的表面裂紋，但瓷絕緣子鑄鐵法蘭口處常存在不可去除的沙粒，故滲透法的檢測效果很差。由2.2節(jié)中合成絕緣子的失效部位可知，滲透法亦不適合其檢測。用超聲波方法對在役絕緣子檢測，不僅成本低、效率高、對人體和環(huán)境無危害外，更大的優(yōu)勢在于對裂紋敏感，檢測靈敏度高。
3.1 瓷絕緣子的超聲檢測 由2.1節(jié)中討論可知，瓷瓶與鑄鐵法蘭的結(jié)合處是支柱絕緣子無損檢測的重點部位。但該部位的形狀差異大，利用超聲波進行檢測時，必須要考慮探頭的結(jié)構(gòu)與k值，考慮超聲波檢測的波型對絕緣子結(jié)構(gòu)的適應性以及檢測的靈敏度的影響，否則裂紋的檢出率非常低。
3.1.1 超聲波探頭的結(jié)構(gòu) 鑄鐵法蘭和鄰近傘群之間的柱面（或臺面）是超聲檢測的探測面。但絕緣子的柱面高度僅在30～70mm之間不等，探頭在探測面上移動的范圍特別窄，所以一般結(jié)構(gòu)的探頭不適合。 用于在役瓷絕緣子檢測的探頭，其前沿和后沿的尺寸應盡可能短，控制在5mm以下；探頭電纜線應采用頂部引出形式，以保證探頭有足夠的移動空間。檢測曲率大的瓷瓶，還需考慮將探頭磨成與瓷瓶相同的曲率，以減小曲面的耦合損失。
3.1.2 超聲波斜探頭的k值 探頭發(fā)射的超聲波應全面掃查危險區(qū)域，并盡量使聲束與裂紋垂直入射，以提高裂紋檢出率。利用斜探頭探傷，探頭k值的選擇至關重要。若k值合適，盡管探頭移動的距離有限，超聲波聲束仍可掃查到整個檢測范圍。 通過研究，斜探頭k值的選擇應按照以下原則：當探頭貼近鄰近傘群時，至少要掃查到鑄鐵法蘭以上高10mm的水平面；而探頭靠近鑄鐵法蘭時，須能掃查到鑄鐵法蘭下深20mm的水平面。經(jīng)計算可得，當掃查圓柱型絕緣子時，探頭的k值取值范圍：
（ 20+a ） / d ≤ k≤ （ h-10 + b ） / d
（1）式中 d—傘裙處的瓷瓶直徑，mm； h—鑄鐵法蘭和鄰近傘裙間的高度，mm； a—探頭的前沿長度，mm； b—探頭的后沿長度，mm。當a＝b＝5mm時，式（1）即為： 25 / d ≤ k≤ （ h-5 ） / d
（2） 瓷絕緣子中的d一般為100～140mm不等，h在30～70mm之間變化。折射角在9～14°之間的縱波斜探頭通用性好，能檢測不同尺寸的圓柱型絕緣子。 當絕緣子存在坡度時，探頭的折射角隨坡度發(fā)生變化。在不同坡度絕緣子的探測面上發(fā)射同一聲束，探頭折射角與坡度角存在關系： 顯然，對于存在坡度的絕緣子，選擇探頭k值時，只需計算檢測同尺寸的圓柱型絕緣子所用探頭的折射角，再至多扣除坡度角度即可。當坡度較大時，還需要考慮反置探頭，以保證掃查鑄鐵法蘭以上的危險區(qū)域。
另外，k0.8～k1.0的橫波斜探頭可以探測到瓷瓶的鑄鐵法蘭以下的危險區(qū)域，且對端角型缺陷十分敏感。3.1.3超聲波波型 根據(jù)超聲檢測理論，超聲波探傷能發(fā)現(xiàn)的zui小缺陷尺寸為檢測波波長的二分之一。由于橫波波長比縱波短，因此橫波的探傷靈敏度大于縱波，更容易檢測微小裂紋。若在役瓷絕緣子結(jié)構(gòu)同時適合橫波和縱波掃查時，應優(yōu)選橫波探頭，以提高微小裂紋檢出率。 爬波是縱波從*介質(zhì)以*臨界角附近的角度入射到第二介質(zhì)時，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的一種表面下縱波。利用爬波可以檢查支柱瓷絕緣子近表面的缺陷。
爬波沿探測面的近表面?zhèn)鞑?，由于傳播距離短，波的衰減小，微小裂紋的檢出率高。對于沒有坡度的圓柱型絕緣子，利用爬波進行檢測，可以得到很高的靈敏度。
3.2 合成絕緣子的超聲檢測 由2.2節(jié)討論可知，合成絕緣子的傘裙與護套、護套與芯棒之間的氣隙，是引起合成絕緣子發(fā)生芯棒脆斷的主要原因。超聲檢測可以檢測界面的微小氣隙，以及評估芯棒的機械強度下降。 當護套與芯棒界面處有氣隙時，空氣的聲阻抗與硅橡膠的聲阻抗相差非常大，超聲波在硅橡膠/空氣界面處的聲壓反射率接近100%。實驗表明，0.5mm圓孔氣隙回波與截面無氣隙時回波相差8db，該法能夠檢測出界面中的微小氣隙缺陷。建立芯棒機械強度下降量與聲速降低之間的變化關系后，也可通過測試芯棒的聲速來評定芯棒機械強度下降的程度，防范芯棒脆斷所造成的電網(wǎng)事故。
4、絕緣子的紅外檢測方法 紅外無損檢測能夠遠距離、大面積和快速掃描的特點，是目前應用于絕緣子檢測的優(yōu)勢之一。另一個優(yōu)勢在于，有故障的絕緣子與正常絕緣子的表面熱場分布不同，利用被動紅外檢測方法即可判斷絕緣子是否出現(xiàn)故障。 瓷絕緣子串和絕緣支柱的紅外檢測，我國電力行業(yè)已頒布dl/t664-1999《帶電設備紅外診斷技術(shù)應用導則》。盡管合成絕緣子的掛網(wǎng)時間不長，但紅外檢測對界面氣隙引起局部放電的溫度場進行了大量研究，結(jié)果表明：界面氣隙局部放電引起該部位溫度升高，紅外檢測能及時發(fā)現(xiàn)此類缺陷。 目前紅外檢測的研究，還不能使該技術(shù)成為一種獨立的無損檢測方法應用于絕緣子的檢測，主要在于檢測結(jié)果受到如絕緣子表面發(fā)射率、絕緣子負荷等級、檢測距離、大氣吸收、天氣和紅外檢測儀器等多因素的綜合影響，難以確認結(jié)果的準確性；絕緣子受損程度與其表面發(fā)熱量的量化關系待建立。
5、結(jié)語 無損檢測可以有效地對不同種類的在役絕緣子缺陷進行檢測。
（1） 在保證裂紋的探傷靈敏度與結(jié)構(gòu)的可探性下，設計合適的探頭結(jié)構(gòu)，選擇適中的斜探頭k值，可達到了在役絕緣子的檢測要求。
（2）超聲法可以靈敏地檢測出合成絕緣子護套與芯棒之間的氣隙缺陷，以及評估芯棒的機械強度。
（3）紅外無損檢測方法能遠距離對各類異常發(fā)熱的在線絕緣子進行檢測，是定期巡查絕緣子的理想方法。