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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力设备制造与检测
，使用超声的方法检测固体绝缘材料内电极表面形态。
技术介绍
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巻制而成。其结构图如图2-l，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. Olmm。 近年来由于电力电容器、套管等元件、芯子的尺寸比较大，必须用长轴巻制机。但 是由于巻制机个轴平行度差、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100丽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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术方案如下。 —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。 —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。 专利技术的效果 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. lmm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士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，以模拟巻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lOMHz聚焦探头，机械臂精度为0. lmm时，界面形态检测横向精度可达0. 14mm ;检测纵 向精度可达O. 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。 本专利技术的优点 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，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体绝缘材料内电极表面形态的超声检测系统，其特征在于：　　　　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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：成永红，孟永鹏，吴锴，申巍，闫立，常远，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[]