丁杰，李晓红，陈汉明
（武汉大学动力与机械学院，湖北武汉430072）在电网各个环境中运行的不同种类绝缘子，长期服役后都会不同程度地产生失效，导致故障事故的发生，对电网可靠性带来了极大地潜在威胁，研究绝缘子的失效特征对于指导绝缘子安全检测具有十分重要的意义。本文基于在役绝缘子种类繁多和结构复杂的特点，分析绝缘子失效特征和损伤部位，提出了利用无损检测技术检测绝缘子损伤缺陷的方法。
关键词：绝缘子；失效特征；损伤部位；在役无损检测
1引言
绝缘子作为电网中用量庞大的零部件，其质量直接关系着电网的安全运行。在役绝缘子由于长期处于运行高压的作业下，又受露天环境的侵蚀，因而不可避免地产生失效。国内外电网中由于绝缘子失效而产生的绝缘子脆断或击穿事故时有发生，已经造成了严重的经济损失[1，2，3]。本文针对在役绝缘子种类繁多和结构复杂的特点，分析了各类绝缘子失效的特征及其部位，研究了相应的无损检测方法，在实践中取得了良好的效果。
2绝缘子的种类及其失效特征
目前在役运行的绝缘子，按材质分为陶瓷绝缘子、合成绝缘子和玻璃绝缘子等三种；按照用途分为变电所绝缘子和线路绝缘子[4]。各类在役绝缘子无损检测的效果，不仅与检测的方法有关，更与在役绝缘子失效的特征及部位密切相关。
2.1瓷绝缘子结构和失效特征
变电所中使用的支柱瓷绝缘子主要有竖直放立和横担放置等两种挂网形式，由于放置高度适中，故此类绝缘子的无损检测研究较多。图1为支柱绝缘子结构简图，瓷瓶上端通过铸铁法兰与母线引下线电缆连接，下端通过铸铁法兰与固定支架连接。
支柱瓷绝缘子底部铸铁法兰与邻近伞群之间因坡度角θ＝0～20°之间变化而存在三种不同的形状结构（见图3）。在θ＝θ1＝0°的特殊情况下，该结构为圆柱型。据统计[3]，支柱瓷绝缘子断裂事故中约95以上的断裂区域位于铸铁法兰口内3mm。因此，支柱瓷绝缘子相对铸铁法兰口外露10mm至内深20mm的区域是无损检测的重点区域（参见图1)。
2.2合成绝缘子的结构与失效特征
合成绝缘子的基本结构见图2，内部芯棒由树脂浸渍的几万根玻璃纤维构成，以保证芯棒有足够高的机械强度，但芯棒的耐大气老化性能相对较弱；芯棒外部的护套和伞裙一般由硅橡胶材料制成。护套包覆的芯棒外表面，一方面提供良好的外绝缘性能，另一方面保护芯棒免受大气侵蚀。合成绝缘子上网运行后，芯棒脆断是较大的危害[5，6，7]。护套与芯棒之间界面的密封性能下降，层间产生气隙，进一步侵蚀芯棒，导致芯棒脆断。因此，合成绝缘子的伞裙与护套、护套与芯棒之间的密封性（气隙）是检测的重点。
3绝缘子的超声检测方法
绝缘子的材料绝缘特性决定其不适合涡流和磁粉这两种电磁检测的方法。液体渗透法可以检测瓷瓶釉面上的表面裂纹[8]，但瓷绝缘子铸铁法兰口处常存在不可去除的沙粒，故渗透法的检测效果很差。由2.2节中合成绝缘子的失效部位可知，渗透法亦不适合其检测。用超声波方法对在役绝缘子检测，不仅成本低、效率高、对人体和环境无危害外，更大的优势在于对裂纹敏感，检测灵敏度高。
3.1瓷绝缘子的超声检测
由2.1节中讨论可知，瓷瓶与铸铁法兰的结合处是支柱绝缘子无损检测的重点部位。但该部位的形状差异大，利用超声波进行检测时，必须要考虑探头的结构与K值，考虑超声波检测的波型对绝缘子结构的适应性以及检测的灵敏度的影响，否则裂纹的检出率非常低。
3.1.1超声波探头的结构
铸铁法兰和邻近伞群之间的柱面（或台面）是超声检测的探测面。但绝缘子的柱面高度仅在30～70mm之间不等，探头在探测面上移动的范围特别窄，所以一般结构的探头不适合。
用于在役瓷绝缘子检测的探头，其前沿和后沿的尺寸应尽可能短，最好控制在5mm以下；探头电缆线应采用顶部引出形式，以保证探头有足够的移动空间。检测曲率大的瓷瓶，还需考虑将探头磨成与瓷瓶相同的曲率，以减小曲面的耦合损失。
3.1.2超声波斜探头的K值
探头发射的超声波应全面扫查危险区域，并尽量使声束与裂纹垂直入射，以提高裂纹检出率。利用斜探头探伤，探头K值的选择至关重要。若K值合适，尽管探头移动的距离有限，超声波声束仍可扫查到整个检测范围。
通过研究，斜探头K值的选择应按照以下原则：当探头贴近邻近伞群时，至少要扫查到铸铁法兰以上高10mm的水平面；而探头靠近铸铁法兰时，须能扫查到铸铁法兰下深20mm的水平面。经计算可得，当扫查圆柱型绝缘子时，探头的K值取值范围：
(20 a)/D≤K≤(H-10 b)/D（1）
式中D—伞裙处的瓷瓶直径，mm；
H—铸铁法兰和邻近伞裙间的高度，mm；
a—探头的前沿长度，mm；
b—探头的后沿长度，mm。
当a＝b＝5mm时，式（1）即为：
25/D≤K≤(H-5)/D（2）
瓷绝缘子中的D一般为100～140mm不等，H在30～70mm之间变化。折射角在9～14°之间的纵波斜探头通用性好，能检测不同尺寸的圆柱型绝缘子。
当绝缘子存在坡度时，探头的折射角随坡度发生变化。如图3所示，在不同坡度绝缘子的探测面上发射同一声束，探头折射角与坡度角存在关系：
显然，对于存在坡度的绝缘子，选择探头K值时，只需计算检测同尺寸的圆柱型绝缘子所用探头的折射角，再至多扣除坡度角度即可。当坡度较大时，还需要考虑反置探头，以保证扫查铸铁法兰以上的危险区域。另外，K0.8～K1.0的横波斜探头可以探测到瓷瓶的铸铁法兰以下的危险区域，且对端角型缺陷十分敏感。
3.1.3超声波波型
根据超声检测理论[9]，超声波探伤能发现的最小缺陷尺寸为检测波波长的二分之一。由于横波波长比纵波短，因此横波的探伤灵敏度大于纵波，更容易检测微小裂纹。若在役瓷绝缘子结构同时适合横波和纵波扫查时，应优选横波探头，以提高微小裂纹检出率。
爬波是纵波从第一介质以第一临界角附近的角度入射到第二介质时，在第二介质中产生的一种表面下纵波[10]。利用爬波可以检查支柱瓷绝缘子近表面的缺陷[11，12]，图4为检测示意图。爬波沿探测面的近表面传播，由于传播距离短，波的衰减小，微小裂纹的检出率高。对于没有坡度的圆柱型绝缘子，利用爬波进行检测，可以得到很高的灵敏度。
3.2合成绝缘子的超声检测
由2.2节讨论可知，合成绝缘子的伞裙与护套、护套与芯棒之间的气隙，是引起合成绝缘子发生芯棒脆断的主要原因。超声检测可以检测界面的微小气隙[13]，以及评估芯棒的机械强度下降[14]。
当护套与芯棒界面处有气隙时，空气的声阻抗与硅橡胶的声阻抗相差非常大，超声波在硅橡胶/空气界面处的声压反射率接近100。实验表明，0.5mm圆孔气隙回波与截面无气隙时回波相差8dB，该法能够检测出界面中的微小气隙缺陷。建立芯棒机械强度下降量与声速降低之间的变化关系后，也可通过测试芯棒的声速来评定芯棒机械强度下降的程度，防范芯棒脆断所造成的电网事故。
4绝缘子的红外检测方法
红外无损检测能够远距离、大面积和快速扫描的特点，是目前应用于绝缘子检测的优势之一。另一个优势在于，有故障的绝缘子与正常绝缘子的表面热场分布不同，利用被动红外检测方法即可判断绝缘子是否出现故障。
瓷绝缘子串和绝缘支柱的红外检测，我国电力行业已颁布DL/T664-1999《带电[1][2]下一页
