复合绝缘子内部缺陷的相控阵超声可视化检测与粘接质量评估方法研究

The power system is always seriously threatened by the internal defects of composite insulators which are widely used in power grid. Traditional ultrasound methods cannot directly display the internal defects and X-ray machine cannot effectively evaluate the adhesive quality between the core rod and the housing of composite insulators. This proposal presents a method based on ultrasound phased array which can directly show the internal defects of composite insulators and efficiently evaluate the adhesive quality between the core rod and housing. To achieve the goal, two key problems should be solved. One is how to acquire the high-quality digital beamforming signal, and the other is how to evaluate the adhesive quality of composite insulators. To solve the first problem, the phase coherence will be applied to decrease the clutters which contribute the artifacts to the ultrasound images. The filter based on the generalized frequency-dependent screen will be employed to correct the distortion of echoes phases. Then, a comprehensive assessments and optimizations of the digital beamforming signal will be carried out to obtain a high quality digital beamforming algorithm. To solve the second problem, features will be explored to describe the adhesive quality between the core rod and the housing of composite insulators by digital beamforming signal. Based on the proposal, a series of theories and algorithms about the diagnosis of internal defects and adhesive evaluation of composite insulators can be achieved.

复合绝缘子在我国电力系统中广泛应用，但其内部缺陷、护套与芯棒脱胶等质量问题对电网安全运行构成严重威胁。传统超声检测法不能直观反映其内部缺陷；X射线法对护套与芯棒之间的粘接质量不能有效评估。本申请提出一种基于相控阵超声的复合绝缘子内部缺陷可视化检测与粘接质量评估方法，拟研究两个关键问题：一是针对复合绝缘子内部缺陷的数字波束合成方法；二是复合绝缘子护套与芯棒之间粘接质量的表征方法。针对第一个问题，拟采用相位相干法抑制超声杂波造成的伪像，采用广义频率相关屏滤波器校正超声阵列回波的相位失真，再对数字波束合成信号进行精细化综合评估与优化，获得高质量数字波束合成方法；针对第二个问题，拟通过数字波束合成信号探寻表征复合绝缘子护套与芯棒之间粘接质量的方法。在此基础上，形成关于复合绝缘子内部缺陷检测和粘接质量评估的相关理论与方法，实现对复合绝缘子健康状态的诊断。

复合绝缘子在我国电力系统中广泛应用，由于其长期承受着高电压、强电磁场、骤冷骤热等温度变化的影响，以及强大的拖拽力等原因，导致复合绝缘子护套与芯棒脱胶，因绝缘击穿而导致芯棒断裂的事故时有发生，严重威胁输电线路的安全运行。. 本课题针对复合绝缘子内部结构特点，开展了针对复合绝缘子的相控阵超声成像算法和粘接质量评估方法的研究。首先，开展了超声杂波对成像质量影响的研究。从算法角度，提出了利用超声阵列信号的相干性识别出有效反射波与残余杂波的相位相干算法；从时空角度，提出了在时间和空间上控制扫描线生成顺序的飞越扫查法，减少了上次扫描的残余杂波对本次波束形成的影响；从物理吸声角度，通过能耗阵列吸收反射杂波，从而有效抑制了超声反射杂波造成的伪像。其次，开展了超声波在复合绝缘子硅橡胶、芯棒及内部气孔和裂纹中的传播特性等基础问题的研究，提出了采用广义频率相关屏相位校正滤波器校正阵列回波信号的聚焦误差，从而提高了复合绝缘子内部气隙和裂纹等缺陷的成像精度。然后，开展了超声数字波束形成信号质量的精细化综合评估研究，实现了超声杂波抑制算法、声速不均匀性校正方法与数字波束形成算法的优化融合，从整体上提升了复合绝缘子内部结构的成像质量。在此基础上，提出了表征复合绝缘子护套与芯棒之间粘接质量的评估方法，建立了复合绝缘子护套与芯棒粘接牢固强度的对应关系模型。最后，本课题组研制了实验样机，对复合绝缘子内部缺陷进行了可视化成像检测和粘接质量评估的实验，实现了对复合绝缘子健康状态的诊断与评估。. 本课题研究过程中，根据相关研究成果先后发表了SCI和EI论文共计9篇，授权及申请发明专利8项，培养硕士研究生4名，指导博士生1名，相关研究成果获省部级科技进步“二等奖”2项。