何偉明，郝艷捧，鄒舟詣奧，陽(yáng)林，王國(guó)利，高超，周福升，李立浧

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated metal-enclosed switchgear，GIS)具有可靠性高、安全性強(qiáng)、受外界環(huán)境因素影響小、檢修維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、安裝周期短、配置靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大城市場(chǎng)地?fù)頂D地區(qū)的變電站、地下變電站，以及山區(qū)地勢(shì)險(xiǎn)峻的水電站。

盆式絕緣子是GIS的關(guān)鍵部件，由金屬嵌件、環(huán)氧絕緣和金屬法蘭環(huán)組成，具有電氣絕緣、隔離氣室、支撐導(dǎo)體等作用，其電氣、機(jī)械和導(dǎo)熱性能直接關(guān)系到GIS安全運(yùn)行。盆式絕緣子應(yīng)力分布不均勻，運(yùn)行時(shí)在電場(chǎng)、機(jī)械載荷和溫度等綜合作用下容易應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致漏氣、局部放電、絕緣閃絡(luò)和燒蝕等故障。某電網(wǎng)2010—2017年GIS由絕緣問(wèn)題引起的故障率高達(dá)69%，其中盆式絕緣子應(yīng)力集中是導(dǎo)致絕緣問(wèn)題的根本原因之一。近年來(lái)，因盆式絕緣子力學(xué)性能欠佳造成破裂故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響GIS安全運(yùn)行[1]。盆式絕緣子應(yīng)力包括制造過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以及運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行過(guò)程中因外界載荷引起的應(yīng)力改變。

GIS盆式絕緣子由液體環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和無(wú)機(jī)粉末填料混合，與中心鋁導(dǎo)體嵌件一體澆注高溫固化而成。澆注固化過(guò)程殘余應(yīng)力的來(lái)源有：

a)環(huán)氧樹(shù)脂固化收縮：環(huán)氧樹(shù)脂收縮率約為1%～2%，包括固化溫度下的反應(yīng)收縮、從固化溫度經(jīng)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度到室溫過(guò)程中的冷卻收縮[2]。

b)界面殘余應(yīng)力：環(huán)氧樹(shù)脂和鋁嵌件的溫度線膨脹系數(shù)分別為2.6×10-5K-1、2.39×10-5K-1[3]，固化過(guò)程溫度變化時(shí)2種材料的熱脹冷縮不一致，鋁合金彈性模量70 GPa、泊松比0.33，環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下的拉伸彈性模量13 GPa、泊松比0.36、拉伸強(qiáng)度73.01 MPa，而兩者界面剪切強(qiáng)度僅11.24 MPa，界面殘余應(yīng)力較大，嚴(yán)重者在粘接處剝離[4]。

c)澆注固化不均勻：固化時(shí)絕緣子內(nèi)部與表面局部溫度不均勻，環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和填料顆?；旌喜痪鶆?，填料在澆注固化過(guò)程中沉降分布不均勻，尤其是嵌件周圍填料含量差異較大[5]，殘余應(yīng)力增強(qiáng)。

外部載荷會(huì)引起GIS盆式絕緣子應(yīng)力分布改變。這種外部載荷除了GIS盆式絕緣子運(yùn)輸中顛簸振動(dòng)和機(jī)械摩擦、安裝中導(dǎo)電桿安裝傾斜、螺栓緊固力不均勻等，還包括盆式絕緣子運(yùn)行時(shí)承受的自身和部分導(dǎo)體重量[6]、兩側(cè)的SF6壓力差[7]、開(kāi)關(guān)引起的機(jī)械振動(dòng)[8]、外殼和導(dǎo)體在電流交變電磁場(chǎng)中的電動(dòng)力[9]等。

目前，一般通過(guò)水壓試驗(yàn)考核GIS盆式絕緣子機(jī)械強(qiáng)度，尚無(wú)GIS盆式絕緣子應(yīng)力檢測(cè)方法[10]。盆式絕緣子研究集中在表面電荷積累、微小缺陷對(duì)電場(chǎng)分布影響、中心嵌件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、使用介電功能梯度材料改善電場(chǎng)分布等電氣性能，以及盆式絕緣子工藝質(zhì)量的改進(jìn)和提升等[11-12]，只有少量文獻(xiàn)報(bào)道了盆式絕緣子機(jī)械性能研究[4-5,13-15]。

2014年上海雷博司電氣公司和西安交通大學(xué)在126 kV三相共箱型GIS盆式絕緣子表面貼應(yīng)變片測(cè)量表面應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)了2種應(yīng)變(應(yīng)力)突變點(diǎn)：金屬嵌件周圍的應(yīng)變會(huì)發(fā)生突變且降低，為破壞起源之一；兩金屬嵌件連線中點(diǎn)曲面處為另一突變點(diǎn)，應(yīng)變最大，為破壞起源的另一種形式[5]。

2015年西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司和深圳供電局有限公司利用箔式電阻應(yīng)變片測(cè)量凹面水壓試驗(yàn)的220 kV盆式絕緣子破裂起始位置、時(shí)間和發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)破壞起始點(diǎn)接近法蘭處[13]。

2017年中國(guó)電力科學(xué)院有限公司利用直角雙向應(yīng)變片測(cè)量水壓試驗(yàn)的252 kV盆式絕緣子表面周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，利用材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系計(jì)算各部位應(yīng)力發(fā)現(xiàn)：3 MPa水壓以下，盆式絕緣子具有較好的線彈性，其凹面受壓時(shí)，凸面離嵌件距離越遠(yuǎn)應(yīng)力越大，曲面弧線段末端應(yīng)力集中，易發(fā)生脆性斷裂；水壓較大時(shí)，盆式絕緣子局部區(qū)域徑向拉應(yīng)力超過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度，發(fā)生脆性斷裂[14]。

2018年西安交通大學(xué)采用布拉格光纖光柵測(cè)量水壓試驗(yàn)盆式絕緣子多個(gè)位置的表面徑向和環(huán)向應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力沿盆面切向和法向分布，第一表面主應(yīng)力為盆面徑向切應(yīng)力，徑向應(yīng)變沿中心導(dǎo)體到法蘭方向逐漸增大，最薄弱處靠近法蘭曲率半徑較小的盆邊沿附近[15]。

2019年西安理工大學(xué)和西安交通大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，特高壓盆式絕緣子在國(guó)產(chǎn)化初期，其機(jī)械破壞主要是中心導(dǎo)體嵌件剝離，裂紋根部在中心導(dǎo)體附近，呈樹(shù)枝狀向盆邊發(fā)展，中心導(dǎo)體與絕緣盆體界面殘余切應(yīng)力是水壓試驗(yàn)界面大面積剝離的主要因素。隨著工藝的改進(jìn)，盆式絕緣子破壞變?yōu)榕柽?接近法蘭處)絕緣子中心整體脫落[4]。

上述文獻(xiàn)均是通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量GIS盆式絕緣子水壓試驗(yàn)表面形變，實(shí)現(xiàn)表面應(yīng)力檢測(cè)。本文基于GIS盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)技術(shù)，闡述聲彈性理論及超聲檢測(cè)方法，分析其特點(diǎn)，探討縱波法和臨界折射縱波法在GIS盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)中的應(yīng)用前景，展望未來(lái)研究的方向。

1 超聲波與聲彈性原理

1.1 超聲波

超聲波是指振動(dòng)頻率高于20 kHz的機(jī)械波，能在不同介質(zhì)界面上產(chǎn)生反射、折射、衍射和波型轉(zhuǎn)換，其頻率高，波長(zhǎng)短，方向性好，能量高，穿透力強(qiáng)，被廣泛用于無(wú)損檢測(cè)[16]。超聲檢測(cè)常用的波型有縱波和臨界折射縱波?？v波是指介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向互相平行，能在固體、液體和氣體中傳播。臨界折射縱波是指當(dāng)超聲波以大于第一臨界角、小于第二臨界角的角度從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)沿界面?zhèn)鞑サ目v波。無(wú)限大固體介質(zhì)的縱波聲速[16]

(1)

式中：E為介質(zhì)的彈性模量，為單向應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力除以該方向的應(yīng)變；ρ為介質(zhì)的密度；v為介質(zhì)的泊松比，為材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對(duì)值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同，也會(huì)隨著介質(zhì)的溫度、壓力而改變。

1.2 聲彈性原理

聲彈性理論研究彈性波的傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系。彈性波在有應(yīng)力的固體材料中傳播的速度不僅取決于材料的二階彈性常數(shù)和密度，還與高階彈性常數(shù)和應(yīng)力有關(guān)。這種聲速與應(yīng)力的關(guān)系稱為聲彈性效應(yīng)，是聲彈性應(yīng)力測(cè)定的依據(jù)[17]。

彈性常數(shù)是表征材料彈性的量，用于聯(lián)系介質(zhì)中應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。常用的彈性常數(shù)有彈性模量E和泊松比v。對(duì)于小形變而言胡克定律成立，應(yīng)變與應(yīng)力成正比，遵守胡克定律的各向同性材料的彈性性質(zhì)由彈性模量來(lái)說(shuō)明。上述彈性常數(shù)是二階彈性常數(shù)，在材料力學(xué)性能表征中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2.1 單軸應(yīng)力聲彈性方程

1.2.1.1 縱波及其聲彈性效應(yīng)方程

縱波在單軸應(yīng)力的各向同性固體介質(zhì)中的傳播如圖1所示。

圖1 空間直角坐標(biāo)系中超聲縱波與單軸應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between ultrasonic and uniaxial stress field in space rectangular coordinate system

根據(jù)縱波傳播與應(yīng)力的方向關(guān)系，其聲彈性方程分為2種，平行應(yīng)力、垂直應(yīng)力傳播的縱波聲速與應(yīng)力[18]的關(guān)系分別為：

(2)

(3)

式中：ρ0為固體介質(zhì)發(fā)生變形前的密度；σ為施加的單軸應(yīng)力；Vijk(i,j,k=1,2,3)為縱波聲速，下標(biāo)i表示聲波的傳播方向，j表示介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的偏振方向，k表示單軸應(yīng)力的方向；λ、μ為可以分別用彈性模量E和泊松比v表達(dá)的二階彈性常數(shù)；l、m為三階彈性常數(shù)。

1.2.1.2 臨界折射縱波及其聲彈性效應(yīng)方程

當(dāng)超聲縱波L從介質(zhì)1斜入射到介質(zhì)2時(shí)，界面處不僅發(fā)生縱波的反射，在介質(zhì)2中還會(huì)折射出縱波L′和橫波S′，隨著縱波入射角的增大，還會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換[19]，如圖2所示。圖2中：θ為縱波入射角；θ01為第1臨界角；θ02為第2臨界角；θL為縱波折射角；θS為橫波折射角。

圖2 超聲縱波斜入射界面時(shí)的波型轉(zhuǎn)換Fig.2 Wave mode conversion of ultrasonic longitudinal waves with oblique incidence

入射縱波聲速V0、折射縱波聲速VL、折射橫波聲速VS、縱波入射角θ、縱波折射角θL、橫波折射角θS符合Snell定律[19]，即

(4)

由式(4)可知，折射縱波和折射橫波的折射角隨著縱波入射角增大而增大，當(dāng)折射縱波的折射角為90°時(shí)，界面上出現(xiàn)臨界折射縱波，此入射角為第1臨界角θ01。當(dāng)縱波入射角增大到介質(zhì)2中，折射縱波和折射橫波都消失，此入射角為第2臨界角θ02。

當(dāng)縱波入射角θ=0°時(shí)，介質(zhì)2中只有折射縱波；當(dāng)0<θ<θ01時(shí)，介質(zhì)2中有折射縱波和折射橫波，見(jiàn)圖2(a)；當(dāng)θ01≤θ<θ02時(shí)，介質(zhì)2中只有折射橫波，界面有臨界折射縱波，見(jiàn)圖2(b)；當(dāng)θ≥θ02時(shí)，介質(zhì)中折射橫波和折射縱波都消失，界面有折射縱波和折射橫波干涉而成的表面波[18]，見(jiàn)圖2(c)，其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡在均勻介質(zhì)中為逆時(shí)針?lè)较颍蓹E圓極化。

設(shè)臨界折射縱波在固體中聲程固定為S時(shí)，傳播時(shí)間為T，其(或傳播聲速)與應(yīng)力關(guān)系[20]為

(5)

式中：σ0為初始應(yīng)力；T0為初始應(yīng)力σ0作用下的傳播時(shí)間；K為聲彈性系數(shù)，表示聲彈性效應(yīng)中超聲傳播時(shí)間對(duì)應(yīng)力的敏感度，與材料彈性常數(shù)、超聲波類型和頻率有關(guān)。

1.2.2 平面應(yīng)力聲彈性方程

空間直角坐標(biāo)系中超聲波與平面應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 空間直角坐標(biāo)系中超聲波與平面應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系Fig.3 Relationship between ultrasonic wave and plane stress field in space rectangular coordinate system

考慮平面應(yīng)力狀態(tài)下弱正交異性板，在空間直角坐標(biāo)系中X、Y為主應(yīng)力σx、σy方向，Z為板厚度方向，VZZ為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向均為Z軸的縱波聲速，其聲彈性方程有3種，分別是縱波聲彈性方程、橫波聲彈性雙折射方程和表面波聲彈性方程。其中，平面應(yīng)力下的縱波聲彈性方程[17]為

(6)

2 應(yīng)力超聲檢測(cè)方法

目前，應(yīng)力檢測(cè)主要有機(jī)械測(cè)定法和物理測(cè)定法。機(jī)械測(cè)定法會(huì)損傷被測(cè)工件，不適用于盆式絕緣子應(yīng)力檢測(cè)，而物理測(cè)定法利用材料的物理性質(zhì)無(wú)損測(cè)量其應(yīng)力，包括X射線法、中子衍射法、掃描電子聲顯微鏡法、磁性測(cè)定法、巴克豪森噪聲法和超聲波法等[18-19,21]。X射線法利用波的衍射得到晶面間距變化，確定彈性形變測(cè)量應(yīng)力，但僅能用于薄膜或材料表面5～20 μm的應(yīng)力檢測(cè)，受材料表面粗糙度、晶粒尺寸和表面曲率等影響較大[18,22]。中子衍射法原理與X射線法相似，不同的是中子穿透力強(qiáng)，可測(cè)量材料應(yīng)力，但樣品體積較大，空間分辨率較差，中子反應(yīng)堆建造和運(yùn)行費(fèi)用昂貴[22]。掃描電子聲顯微鏡基于熱波成像原理，對(duì)材料熱學(xué)或熱彈性質(zhì)的微小變化進(jìn)行成像，但檢測(cè)深度受限，只能用于材料表面和亞表面的應(yīng)力檢測(cè)[23]。磁性測(cè)定法測(cè)量的材料必須是鐵磁性的，且對(duì)微結(jié)構(gòu)和各向異性敏感[18]。巴克豪森噪聲法通過(guò)測(cè)量鐵磁性材料疇壁不可逆移動(dòng)發(fā)生躍變磁化現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)獲得應(yīng)力，但僅適用于鐵磁性材料[18]。與上述方法相比較，超聲波法檢測(cè)速度快，人體無(wú)輻射傷害，成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，方便攜帶，可用于材料應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)或在役檢測(cè)[24]。

超聲檢測(cè)方法按波型有縱波法和臨界折射縱波法，按原理有脈沖反射法和穿透法，按探頭數(shù)目有單探頭法和雙探頭法，按顯示方式分為A型顯示和超聲成像顯示(包括B、C、D、S、P型等)[16]。本文按波型及其傳播原理分析應(yīng)力超聲檢測(cè)方法的特點(diǎn)，探討縱波法、臨界折射縱波法在盆式絕緣子應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用。

2.1 縱波法

根據(jù)縱波聲彈性方程，通過(guò)測(cè)量物體中縱波聲速變化可得到其應(yīng)力，縱波法可分為穿透法和反射法，如圖4所示。

圖4 應(yīng)力超聲縱波檢測(cè)方法Fig.4 Stress detection method by ultrasonic longitudinal wave

中國(guó)物理研究所利用縱波反射法，測(cè)量復(fù)合材料高聚物炸藥的超聲一次和二次底面回波的時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算聲速來(lái)檢測(cè)其內(nèi)部壓縮應(yīng)力[25]。

華南理工大學(xué)利用超聲縱波法檢測(cè)GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料垂直壓應(yīng)力，結(jié)果表明，環(huán)氧復(fù)合材料平均聲彈性系數(shù)為4.556×10-5MPa-1，測(cè)量相對(duì)誤差在應(yīng)力10～15 MPa時(shí)較大，最大為85.78%，在應(yīng)力40～70 MPa時(shí)小于19.87%[20]。

該方法用于有平行平面、厚度不大的物體，通過(guò)測(cè)量物體的聲彈性系數(shù)和無(wú)應(yīng)力下的聲程、聲時(shí)以及應(yīng)力下的形變等參數(shù)檢測(cè)物體應(yīng)力，是測(cè)量材料聲彈性系數(shù)的主要方法。

2.2 臨界折射縱波法

圖2中，當(dāng)θ01≤θ<θ02時(shí)，介質(zhì)2淺表面有臨界折射縱波，應(yīng)力臨界折射縱波檢測(cè)原理如圖5所示。發(fā)射探頭發(fā)出縱波經(jīng)過(guò)楔塊與試樣界面折射，在試樣中產(chǎn)生臨界折射縱波，由另一個(gè)接收探頭接收。

圖5 應(yīng)力超聲臨界折射縱波法檢測(cè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress detection by critically refracted longitudinal wave

發(fā)射探頭和接收探頭之間初始距離L的選取與材料性質(zhì)有關(guān)，同種材料，L的增大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性降低[26]。臨界折射縱波能有效穿入材料一定深度，該深度與換能器頻率有關(guān)，選擇不同的激勵(lì)頻率可改變檢測(cè)深度范圍，能反映均勻材料深度方向的應(yīng)力梯度以及計(jì)算不均勻材料的不同深度各向異性彈性常數(shù)[27]。

應(yīng)力臨界折射縱波檢測(cè)還與應(yīng)力作用方向有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，臨界折射縱波傳播方向與內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)聲彈性效應(yīng)最顯著，當(dāng)應(yīng)力方向與臨界折射縱波傳播方向夾角越大，臨界折射縱波聲速受應(yīng)力影響越小，垂直應(yīng)力方向傳播時(shí)臨界折射縱波聲速不受應(yīng)力影響[28]。

超聲臨界折射縱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛。Ambiel等人利用臨界折射縱波研究了摻有碳纖維的環(huán)氧樹(shù)脂材料中聲彈性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在碳纖維與超聲傳播方向的夾角呈0°時(shí)，聲時(shí)變化最大[24]。華南理工大學(xué)利用臨界折射縱波檢測(cè)了GIS盆式絕緣子環(huán)氧材料0～50 MPa壓應(yīng)力下的次表面應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲傳播方向平行次表面應(yīng)力時(shí)，環(huán)氧材料臨界折射縱波聲速隨著應(yīng)力增大而線性增大，線性相關(guān)系數(shù)0.988，聲彈性系數(shù)-4.95×10-5MPa-1，相對(duì)誤差13.12%[20]。

相較于其他超聲檢測(cè)方法，臨界折射縱波法對(duì)應(yīng)力敏感，檢測(cè)精度較高，可反映物體應(yīng)力梯度，能夠檢測(cè)曲面應(yīng)力[29]和雙軸應(yīng)力[30]，適用于凸凹曲面形狀復(fù)雜的盆式絕緣子和三支柱絕緣子。

3 盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)方法應(yīng)用

盆式絕緣子應(yīng)力分布不均勻，在外部載荷下易引起應(yīng)力集中，機(jī)械強(qiáng)度遭到破壞，從而導(dǎo)致絕緣子開(kāi)裂，引起絕緣失效。盆式絕緣子機(jī)械性能的考核對(duì)GIS安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文探討各種超聲波法檢測(cè)盆式絕緣子應(yīng)力，見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力超聲檢測(cè)方法Tab.1 Ultrasonic detection methods for stress

目前，華南理工大學(xué)嘗試了各種超聲波法檢測(cè)盆式絕緣子應(yīng)力，例如：①用超聲縱波穿透法檢測(cè)GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料應(yīng)力[31]，在0～70 MPa垂直壓應(yīng)力下2.5 MHz縱波聲彈性系數(shù)為4.556×10-5MPa-1，但測(cè)量誤差較大；②用超聲縱波反射法檢測(cè)GIS盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料平行壓應(yīng)力[20]，在0～60 MPa平行壓應(yīng)力下，1 MHz和1.5 MHz縱波聲彈性系數(shù)分別為3.916×10-4MPa-1和3.124×10-4MPa-1，傳播方向平行于應(yīng)力方向的超聲縱波對(duì)應(yīng)力較靈敏；③利用臨界折射縱波測(cè)量GIS盆式絕緣子環(huán)氧材料0～50 MPa壓應(yīng)力下次表面應(yīng)力[20]，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳播方向平行于次表面應(yīng)力時(shí)，臨界折射縱波的速度隨著應(yīng)力增大而線性增大，線性相關(guān)系數(shù)0.988，聲彈性系數(shù)-4.95×10-5MPa-1，相對(duì)誤差13.12%，在幾種超聲檢測(cè)方法中準(zhǔn)確性最高。

綜上可知：超聲縱波是測(cè)量盆式絕緣子材料內(nèi)部應(yīng)力及其聲彈性系數(shù)的主要方法；臨界折射縱波法與表面波法適合曲面物體，特別適合盆式絕緣子這種凸凹面物體的表面應(yīng)力檢測(cè)，有標(biāo)準(zhǔn)[32]可以參考。

針對(duì)盆式絕緣子應(yīng)力集中可能導(dǎo)致的裂紋以及制作過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)部氣泡，國(guó)內(nèi)許多單位試驗(yàn)研究了各種超聲檢測(cè)方法。2013年平高電氣公司用超聲頻譜分析技術(shù)定量檢測(cè)了厚度52 mm的1 100 kV盆式絕緣子底面下直徑0.8～0.25 mm的鋁合金夾雜物[33]。2015年陜西電力科學(xué)研究院和西安交通大學(xué)用超聲頻譜檢測(cè)環(huán)氧試樣深度20 mm處0.3 mm孔徑的氣隙和寬2 mm的裂紋[34]。2017年天津理工大學(xué)用蘭姆波檢測(cè)盆式絕緣子表面深度1 mm的微裂紋及微小附著物[35]，蘭姆波是一種在板材厚度與激勵(lì)聲波波長(zhǎng)為相同數(shù)量級(jí)的聲波導(dǎo)中，由縱波和橫波合成的特殊形式的應(yīng)力波。2019年，江蘇方天電力技術(shù)公司和浙江大學(xué)利用超聲導(dǎo)波定位檢測(cè)了盆式絕緣子0.2 mm表面裂紋和直徑2 mm內(nèi)部氣孔[36]；超聲導(dǎo)波是超聲波在介質(zhì)中不連續(xù)界面產(chǎn)生多次往復(fù)反射，并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)雜的干涉和幾何彌散而形成的機(jī)械波，關(guān)于其在平板、管道等規(guī)則介質(zhì)中傳播特性的研究已很完善。2019年，華南理工大學(xué)用1 MHz超聲縱波反射法檢測(cè)了盆式絕緣子環(huán)氧復(fù)合材料1 mm裂紋和2 mm氣泡[37]，還利用2.5 MHz超聲臨界折射縱波法檢測(cè)了環(huán)氧復(fù)合材料表面0.5～2.0 mm微裂紋[38]。

超聲檢測(cè)技術(shù)有望用于GIS盆式絕緣子的設(shè)計(jì)試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、質(zhì)量抽檢和事故原因分析等，應(yīng)用前有待解決的問(wèn)題或未來(lái)可研究的方向有以下幾個(gè)方面：

a)環(huán)氧復(fù)合材料聲彈性效應(yīng)。盆式絕緣子應(yīng)力各種超聲檢測(cè)方法的基礎(chǔ)是聲彈性效應(yīng)，材料的成分、物性等參數(shù)，以及制作過(guò)程、工藝等眾多因素對(duì)其聲彈性效應(yīng)都有影響，可以通過(guò)檢測(cè)聲彈性效應(yīng)來(lái)獲得盆式絕緣子材料和工藝及其相關(guān)性能。

例如，目前常用“片析檢查”來(lái)驗(yàn)證盆式絕緣子不同部位材料的均勻性[38]。這種均勻性可能是制造固化過(guò)程中無(wú)機(jī)粉末填料沉降不均勻、固化溫度不均勻，以及長(zhǎng)期運(yùn)行后材料老化程度不同等造成的。片析試驗(yàn)需要在盆式絕緣子水壓破壞試驗(yàn)后，對(duì)其取樣進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、密度和填料含量檢測(cè)分析等[39]，是破壞性試驗(yàn)。而超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可充分利用環(huán)氧材料聲彈性效應(yīng)與其材料、工藝等密切相關(guān)的原理，用超聲探頭檢測(cè)任意位置下傳播時(shí)間等參數(shù)即可無(wú)損、簡(jiǎn)便地比較盆式絕緣子均勻性。該方法需要研究超聲傳播時(shí)間能分辨的填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)、密度等最小差異。對(duì)于盆式絕緣子均勻性的檢測(cè)，超聲檢測(cè)可能是一種替代破壞性片析檢查的無(wú)損、簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法。

b)盆式絕緣子應(yīng)力分布。研究盆式絕緣子表面應(yīng)力與內(nèi)部應(yīng)力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用這種關(guān)聯(lián)通過(guò)表面應(yīng)力檢測(cè)間接測(cè)量?jī)?nèi)部應(yīng)力。臨界折射縱波法是最有應(yīng)用潛力的盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)方法。這種方法相對(duì)誤差較小，靈敏度較好，可檢測(cè)曲面，尤其是盆式絕緣子曲面處的表面應(yīng)力。這種方法還可以通過(guò)改變頻率來(lái)改變滲透深度，實(shí)現(xiàn)淺表面應(yīng)力梯度分布測(cè)量，結(jié)合仿真研究搭建起內(nèi)應(yīng)力與表面應(yīng)力關(guān)聯(lián)的橋梁。

可以研究盆式絕緣子的不同外力載荷下三正交應(yīng)力分量及其分布，外力載荷包括GIS盆式絕緣子應(yīng)力的各種來(lái)源。通過(guò)檢測(cè)盆式絕緣子應(yīng)力分布規(guī)律，尋找應(yīng)力集中部位以及影響因素、缺陷周圍應(yīng)力分布等，跟蹤缺陷的產(chǎn)生、發(fā)展以及對(duì)電氣性能和機(jī)械性能的影響，尤其是結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、應(yīng)力更突出的氣體絕緣輸電線路(gas insulated transmission lines，GIL)三支柱絕緣子，是未來(lái)應(yīng)用研究的主要方向。

c)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)靈敏度。聲彈性效應(yīng)是一種弱效應(yīng)，初步研究發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)的靈敏度還較差，相對(duì)誤差較大，臨界折射縱波法相對(duì)誤差最小，但仍有13.12%[20]。要提高盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)靈敏度，必須研制高靈敏度的復(fù)合材料專用探頭，提高檢測(cè)頻率，減小探頭直徑和脈沖寬度(不大于2個(gè)周期[40])，精確測(cè)量聲速微小變化等等。

d)盆式絕緣子應(yīng)力超聲自動(dòng)成像。應(yīng)力的人工超聲檢測(cè)效率較低，將自動(dòng)化檢測(cè)與位置傳感器結(jié)合，對(duì)立體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的盆式絕緣子，尤其是支柱絕緣子進(jìn)行超聲三維掃描成像等智能化顯示是應(yīng)力超聲檢測(cè)發(fā)展為簡(jiǎn)便有效試驗(yàn)方法的必經(jīng)之路。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了GIS盆式絕緣子應(yīng)力的來(lái)源，綜述了GIS盆式絕緣子表面應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量研究現(xiàn)狀，闡述了材料在單軸應(yīng)力、平面應(yīng)力狀態(tài)下的聲彈性方程，對(duì)比了超聲法與其他方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了超聲縱波法和臨界折射縱波法應(yīng)力超聲檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，探討了縱波法和臨界折射縱波法在GIS盆式絕緣子應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用。本文結(jié)論如下：

a)盆式絕緣子材料聲彈性效應(yīng)及其影響因素的研究宜采用縱波法；

b)盆式絕緣子應(yīng)力超聲檢測(cè)方法中最有應(yīng)用前景的是臨界折射縱波法。