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基于声弹性效应的GIS盆式绝缘子应力超声检测理论和方法研究

邹舟诣奥  
【摘要】:盆式绝缘子是气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear,简称GIS)的绝缘子,具有电气绝缘作用外,还有机械支撑、固定导体和隔离气室的作用。盆式绝缘子在制造、运输、安装和运行中可能存在应力,当应力累积超过其机械强度时,会引起微小裂纹,造成绝缘子开裂,进而引发严重的绝缘故障。为预防绝缘故障的发生,目前通常利用水压试验来校验盆式绝缘子整体机械强度,但对其内部应力的检测研究尚未进行。因此,对盆式绝缘子内部应力检测进行研究,对预防绝缘子开裂,避免绝缘故障发生,对保障GIS安全稳定运行有重要意义。本文利用基于声弹性效应的超声应力检测方法对盆式绝缘子环氧复合材料试样次表面应力和内部应力检测的可行性进行了研究,提出了水压试验下126 k V GIS三相共箱盆式绝缘子内部应力的超声检测方法。主要内容如下:1)研究了GIS环氧试样次表面应力超声临界折射纵波检测方法。本文搭建了GIS环氧复合试样次表面应力超声临界折射纵波检测系统,使用对平行应力变化较灵敏的超声临界折射纵波研究了其传播时间与次表面应力的关系,发现两者呈良好的线性关系,验证了声弹性效应,计算出声弹性系数,验证了GIS环氧试样次表面应力超声临界折射纵波检测的可行性。2)研究了GIS环氧试样内部应力超声纵波穿透检测方法。本文搭建了GIS环氧复合试样压应力下内部应力超声纵波穿透法检测系统,研究了传播方向垂直于应力的纵波声速与压缩应力的关系,发现两者呈良好的线性关系,验证了声弹性效应,计算出声弹性系数,验证了GIS环氧试样内部应力超声检测的可行性。并分析了系统延时和应变对超声应力检测的影响,发现在忽略应变形变量时会对超声应力测量结果造成很大误差。3)研究了盆式绝缘子应力三个正交方向(法向、径向和周向)应力分量超声检测方法。推导出三正交应力分量下的超声纵波、横波声弹性方程(超声声速与应力的关系式),基于此方程,创新性地提出了盆式绝缘子三正交应力分量的超声纵波和横波联合检测方法,此方法消除了绝缘子沿厚度方向的形变对检测结果的影响。将上述方法应用于水压试验下三相共箱盆式绝缘子应力检测中,并研究了此绝缘子中超声传播时间测量方法,为后续研究水压试验下126 k V GIS三相共箱盆式绝缘子应力超声检测提供了理论基础。4)研究了上述三正交应力超声检测方法中所需的垂直、平行应力声弹性系数测量方法。本文搭建了GIS环氧试样垂直压应力、垂直拉应力和平行压应力下反射法声弹性系数测量系统,基于这三个系统分别研究了纵波、横波声速与应力的关系,计算出了传播方向垂直、平行于应力的超声纵波、横波声弹性系数。设计了用于测量传播方向平行于压应力的超声波声弹性系数的探头放置装置。5)对水压试验下126 k V GIS三相共箱盆式绝缘子三正交应力分量超声检测进行了试验研究,并将结果与仿真研究进行了对比和分析。使用上述超声纵波和横波联合检测方法,结合已获得的单轴应力声弹性系数,测量出水压试验下盆式绝缘子应力三正交的法向、径向和周向应力分量,获得应力分量分布规律,将检测结果与仿真结果对比,验证了试验方法的可行性。


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