GIS中局部放电超声波检测定位方法及应用分析--《电气应用》2015年13期
GIS中局部放电超声波检测定位方法及应用分析
【摘要】：通过分析现有GIS局部放电在线检测定位技术的优缺点,提出基于超声波法的局部放电定位方法。介绍GIS中超声波检测定位原理,以及现场应用,并结合现场测试及案例分析,验证该检测技术和定位技术的准确性,提高了设备检修维护的效率,为GIS安全维护提供有力保障。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TM855【正文快照】：
电力设备的绝缘系统中,只有部分区域发生放电,而没有贯穿施加电压的导体之间,即尚未击穿,这种现象称之为局部放电。它是由于局部电场畸变、局部场强集中,从而导致绝缘介质局部范围内的气体放电或击穿所造成的。局部放电可能发生在导体边上,也可能发生在绝缘体的表面或内部。在
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超声检测方法分类与特点及通用技术
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焊缝超声波探伤定位
文章概况：焊缝超声波探伤定位
是利用已知尺寸的试块(或工件)作为反射体来调节探伤仪的时间轴，然后根据反射波出现在时间轴上的位置，确定缺陷的位置。
一、斜探头定位与直探头定位的区别
纵波探伤时定位比较简单，如探测100mm厚的工件，可把底面回波调在10格，则每格代表工件中的声程(或垂直距离)为100/10=10(mm)。(因耦合层极薄，可忽略不计)。探伤时，若在6格出现缺陷波，则缺陷离工件表面的距离为6×10=60mm。
图4–7& 横波探伤定位示意图
横波探伤时的定位比较复杂(见图5–7所示)，与纵波探伤相比有三点区别：
① 超声波射到底面时无底面回波(故时间轴需在试块上预先调节)；
② 有机玻璃斜楔内一段声程OO&(称斜探头本体声程)在中薄板焊缝探伤定位时不能忽略，必须加以考虑。
③ 超声波的传播路线为O&OAB(或O&OB)折线，定位时，必须得用三角公式进行计算。
二、斜探头探伤定位基本原理
焊缝探伤前，一般先进行斜探头入射点和折射角的测定，以及时间轴的调节。故入射点O和折射角b是已知的，示波屏上扫描线每格所代表的距离(可以是水平距离、垂直距离或声程)也是可知的。这样，在直角三角形中，知道一只角、一条边、则其他两条边也可求出，故缺陷位置(缺陷离探头入射点的水平距离和深度)便可确定。
根据时间扫描线调节方法的不同，可分三种定位法：
1. 水平定位法
即时间扫描线与水平距离成相应的比例关系。
2. 垂直定位法
即时间扫描线与深度距离成相应的比例关系。
3. 声程定位法
即时间扫描线与声程距离成相应的比例关系。
一般板厚≤24mm时，用水平定位法、板厚≥32mm时用垂直定位法。时间轴的调节，其最大测定范围应在1S～1.5S之间(1S为一个跨距的声程距离)。
三、焊缝超声波探伤定位的常用方法
多年来，不少厂矿企业中的检测人员根据自己产品的特点，经过不断摸索、反复实践，已总结出了好多简便、有效的定位方法，下面仅介绍几种常用的定位方法。
图4–8& 计算法定位原理
计算法定位是应用得比较早的一种方法。由于采用计算法定位比较麻烦，故目前已很少应用。但此法是探伤定位的基础，掌握其原理后，在实际探伤中将有很大帮助，故作为一种方法介绍。其定位原理见图4–8所示。
图中：A—横孔；d—孔深；O—入射点；b—折射角；l—横波在钢中声程；l0—有机玻璃本体声程；S1—入射点到横孔的水平距离；x0—探头中纵波声程在示波屏上所占格数；x1—钢中横波声程在示波屏上所占格数；x—整个声程所占的格数；l&0—有机玻璃中本体声程转换成相当于钢中横波声程。
根据声速比则有：
从图中可看出： &&&&
则示波屏上每格所代表的水平距离为：
&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4–4)
当使用探头折射角b=67°、l0=12mm、x取5格，则根据式(4–4)可求得不同板厚时的Sx值，见表4–3：
表4–3& 不同板厚时的Sx值
探伤时，若已知缺陷波在波屏上的格数x&，则缺陷离探头入射点的水平距离为：
同理，当采用深度定位法时，则每格所代表的垂直距离Sy为：
&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&(4–5)
当采用声程定位法时，则每格所代表的声程距离为：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& (4–6)
计算法水平定位步骤如下：
① 测入射点O；② 测折射角b；③ 扫射孔深等于板厚的横孔A，找到最高回波，调至5格(x=5)；④ 按式(4–4)计算Sx值，或查表Sx值；⑤ 探伤中出现缺陷波，其缺陷水平距离 ；
⑥ 缺陷深度 。
例如，用上述探头探测板厚(T)为20mm的焊缝，探伤中在示波屏4格出现一个缺陷波，求缺陷到探头入射点的水平距离。
解：缺陷到探头入射点的水平距离
x=5， =4；
则 =47－(5－4)×12.1 35 mm
答：缺陷离探头入射点的水平距离为35 mm。
计算法定位具有如下优点：
a. 定位原理比较清楚；b. 底波位置明确；
c. 一次底波调到5格时，示波屏最大测定范围肯定大于1S；
d. 调节时间轴可用试块，也可在工件上进行调节；
e. 对于厚度较大的工件，如T=200mm以上，则斜探头本体声程l0可忽略，其定位方法和直探头相似。例如工件厚度T=200mm，将一次底波调到10格，则每格就代表深度20mm。探伤时若5格出现缺陷波，则缺陷的深度即为100mm。
2. 圆弧面试块比较法
由于此法调节时间轴比较简便，故目前应用最普遍。
时间扫描线调节可利用下述圆弧面试块：IIW试块的R100圆弧面和圆心槽口；IIW2试块的R25和R50圆弧面；CSK–IA的R50、R100圆弧面，以及半圆试块的两个圆弧面等。调节时只要将探头入射点对准圆心，通过调节仪器的水平和细调，将圆弧面反射波(和圆心处槽口的反射波)调到所需要的位置。
时间轴调节方法举例如下：
要求用K2探头在CSK–IA试块上以水平1∶1调节时间轴。
调节方法如下：
① 探头入射点对准圆心(见图4–9所示)；
② 分析可能产生的圆弧面反射波(R50、R100)；
③ 计算圆弧面的水平距离；
S1=R50·sin63.4°=44.7mm，S2=R100·sin63.4°=89.4mm或 ， 。
④ 要求水平1∶1，表示每格代表水平距离10mm，则将两圆弧面反射波通过水平、细调分别调到 格和 格；
⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水平距离10mm。
图4–9& 水平和垂直1∶1调节法
要求K2斜探头在CSK–IA试块上，以垂直1∶1调节时间轴。
调节方法如下：
① 探头入射点对准圆心；
② 分析可能产生的圆弧面反射波(R50、R100)；
③ 计算圆弧面的垂直距离；
H1= R50·cos63.4° 22.3mm，H2= R100·cos63.4°=44.7mm或 ，
④ 要求垂直1∶1，表示每格代表垂直距离10mm，则将两圆弧面反射波通过水平和细调分别调到 格和 格(见图4–9所示)；
⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表垂直距离10mm。
要求K2斜探头在R33.3的半圆试块上，以水平1∶1调节时间轴。
调节方法如下：
① 探头入射点对准圆心；
② 分析可能产生的圆弧面反射波(R33.3和R33.3×3)；
③ 计算圆弧面的水平距离：
图4–10& 半圆试块水平1∶1调节示意图
S1= R33.3·sin63.4° 30mm；
3S1=3R33.3·sin63.4° 90mm；
④ 将两个回波分别调到3格和9格(见图4–10所示)；
⑤ 此时，斜探头本体声程已移出，从入射点开始示波屏每格代表水平距离10mm。各种试块调节时间轴的方法见图4–11所示。
a. 声程1∶2(或测定范围为200mm)每格代表声程20mm
b. 声程1∶1(或测定范围为100mm)每格代表声程10mm
c. 测定范围：125mm声程1∶1.25
d. 垂直1∶1(每格代表垂直距离10mm)
用K2斜探头，以水平1∶1调节时间轴，探测厚度为20mm的工件，探伤时，在3格和6格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。
因为是水平1∶1调节时间轴，缺陷波在3格，即表示缺陷离探头入射点的水平距离为30mm，缺陷距探测面深度为：
缺陷波在6格，表示缺陷离探头入射点的水平距离为60mm，则缺陷深度为：
显然H＞T，表示超声波经过底面反射到缺陷，此时，缺陷离工件表面的深度为：
2T－H=2×20－30=10mm
(a) 声程1∶2(或测定范围为200mm)&&&&&&&&& (b) 声程1∶1(或测定范围为100mm)
第格代表声程20mm&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 第格代表声程10mm
(c) 测定范围：125mm声程1∶1.25&&&&&& (d) 垂直1∶1(第格代表垂直距离10mm)
图4–11& 各种试块调节时间轴的方法示意图
用K2斜探头，以垂直1∶1调节时间轴，探测厚度为40mm的工件，探伤时，在3格和6格出现两个缺陷波，求这两个缺陷的位置。
解：因为是垂直1∶1，故缺陷波1在3格出现，表示缺陷深度为30mm。缺陷1离探头入射点的水平距离为：
图4–12& 薄板试块及其时间轴的调节
l1=K·H=2×30=60mm。
缺陷波2在6格出现，表示缺陷2的计算深度为60mm，此时，H＞T，则缺陷2的实际深度为：
2T－H=2×40－60=20mm。
缺陷2离探头入射点的水平距离为：
l2=K·H=2×60=120mm。
3. 薄板试块1∶1法
薄板试块的尺寸及时间轴调节方法见图4–12所示。
薄板试块的尺寸为3×20×150mm，距试块两端30mm，各钻了一个f1的柱孔和一个f1的横孔。
时间轴调节方法如下：
将探头前沿与试块f1柱孔对齐，适当提高灵敏度，此时荧光屏上会同时出现两个反射波，前面一个是f1柱孔回波，后面一个是板边反射回波。通过调节水平和细调旋钮将这两个反射回波分别解在3格和6格上，这时，时间轴就调成水平1∶1关系，即示波屏每一格代表水平距离10mm(3格开始，从前沿算起)。
对于一般规格的斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，基本接近钢的水平距离30mm，此时始波接近零位。
对于大尺寸斜探头，其探头前沿距离和本体声程相加，大于钢中水平距离30mm，此时始波不在零位，而是偏左。
对于小尺寸斜探头，则始波在零位右边。
定位方法举例：
用K2斜探头(前沿距离为18mm)以薄板试块1∶1调节时间轴，探测工件厚度为16mm的焊缝，若在6格出现一个缺陷回波，求此缺陷离探头入射点的水平距离和垂直距离。
解：缺陷波在6格出现一个缺陷回波，表示缺陷离探头前沿的水平距离为30mm，则缺陷离探头入射点的水平距离为：
l=30+18=48mm
缺陷深度为 ＞T，
缺陷离工件表面深度为：
2T－H=2×16－24=8mm。
答：此缺陷离探头入射点的水平距离为48mm；离工件表面的深度为8mm。
4. 横孔试块比例法
横孔试块比例法是用两个不同孔深的横孔作为反射体来调节时间轴，使水平距离或被探测深度与示波屏刻度板上反射波位置成一定比例，前者为水平定位法，后者为垂直定位法，见图4–13所示。
用横孔试块比例调节时间轴时，由于A孔和B孔反射回波不会同时出现在示波屏上，所以需前后反复校验。
从以上介绍的几种不同定位方法来看，圆弧面试块比例法比较简便，故应重点掌握。要求能够在给定任何型式试块、任何探头时，均能调到指定要求的比例，同时，还要求在探测不同声速材料时，能进行正确定位。
用K2斜探头，要求在IIW试块上以水平1∶1调节时间轴
解：根据圆弧面试块比例法的调节方法如下：
① 探头入射点对准圆心
② 分析可能产生的反射回波(R100和圆心槽口)；
③ 计算反射回波的水平距离：
S1= R100·sin63.4°=89.4mm，
S2=2 R100·sin63.4°=178.8mm；
④ 要求水平1∶1，表示每格代表水平距离10mm，则应将两个反射回波分别调在 格和 格；
⑤ 由于示波屏只有10格，无法看到17.88格，为此，需借助仪器的延迟开关先将R100的圆弧面反射波调到0格，槽口反射波调在8.94格，然后，通过延迟开关将R100圆弧面反射波调到8.94格，这样，槽口反射波就在17.88格；见图4–14所示。
⑥ 此时斜探头本体声程已移出，从入射点开始，示波屏每格代表水平距离10mm，即达到水平1∶1的要求。
图4–13& 横孔试块比例法&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图4–14& 延迟法调节时间轴
仪器测距标度已校准为每格相当于钢(Cs=3230m/s)的横波声程20mm，现用K1斜探头探测厚度为40mm，横波声速为4100m/s的板材，发现一缺陷回波显示于标度6格上，求此缺陷的声程、水平距离和垂直距离各为多少？
解：由于声速改变，斜探头折射角也跟着变化：
板中的折射角为：
b&= 63°54&
且板材中每格所代表的声程也跟着变化，
板材中的声程为152mm，这样，缺陷的水平距为：
sinb&= 152×sin63°54& 。
缺陷深度 63°54& ＞T
缺陷离工件表面的深度为2T－67mm=13mm。
答：缺陷的声程距离为152mm，水平距离为136mm，缺陷离工件表面的深度为13mm。
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