一种绝缘纸板内部放电痕迹的无损检测方法及系统

技术领域

本发明属于扫描检测领域，涉及一种绝缘纸板内部放电痕迹的无损检测方法及系统。

背景技术

油纸绝缘作为电力变压器的主要绝缘材料，其状态与设备的运行风险紧密相关。绝缘缺陷处的场强集中是造成局部放电从而引发故障的主要原因，而局部放电时产生的微小碳化颗粒或局部碳化痕迹通道均可能造成油纸绝缘中局部场强的集中，为设备安全运行埋下隐患。

针对绝缘纸板的缺陷检测，目前多采用扫描电子显微镜和工业CT扫描两种技术。其中，扫描电子显微镜技术是通过光束与物质间的相互作用,来激发并获取检测样品的各种物理信息,对这些信息进行成像达到表征物质微观形貌的目的；工业CT扫描是使用X射线源，利用X射线穿过样品时与样品发生的相互作用，由于样品内部物质的微观结构和密度的不同，就会得到一幅关于样品X检测信息的二维投影，之后将样品等角度旋转并采集二维投影信息，直至样品旋转360°，最后采用投影算法对样品的三维微观结构进行重建。但是，以上两种方法均不适用于绝缘纸板内部的放电碳化痕迹缺陷检测，扫描电子显微镜只能分析绝缘纸板的表面形貌和物质成分，观察区域小且无法对绝缘纸板内部缺陷进行检测；工业CT扫描可以对整个样品内部进行高精度三维成像，但其设备昂贵，检测时需要对大尺寸绝缘纸板进行切割，还可能存在X射线辐射泄漏的危害。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种绝缘纸板内部放电痕迹的无损检测方法及系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种绝缘纸板内部放电痕迹的无损检测方法，该方法为：

建立物理模型，E0(ω)为入射脉冲太赫兹脉冲波，在空气中传播距离L后，得到的参考信号Eref(ω)表达为：

E

式中ω为太赫兹波频率，p

式中

根据菲涅尔公式，太赫兹脉冲波从介质1进入介质2时，在分界面将发生折和反射，折射系数t

式中，

式中，n(ω)为实折射率，表征介质的色散特性，κ(ω)为消光特性，表征介质的吸收特性；

当太赫兹脉冲波E

E

太赫兹脉冲波在绝缘介质中表现为弱吸收特性，即κ

对于纸板内部局部放电产生的放电碳化痕迹缺陷，分析基于太赫兹脉冲波的传播特性和基于反射信号的缺陷检测原理；界面反射波的传播距离为介质厚度的2倍；

设定入射波为E

根据式(3)、(4)和(6)，纸板表面反射波E

E

同理，气隙上、下表面反射波E

E

E

由公式(3)、(4)、(10)、(11)和(12)得：

式中，p

E

基于所述方法的绝缘纸板内部放电痕迹的无损检测系统，该系统包括飞秒激光器、分束器、光电导天线、光纤延迟线、抛物面镜、半透镜、THz脉冲波探测器、数据采集卡、XY扫描平台和计算机；

飞秒激光器首先发射出飞秒激光脉冲，分束器将其分成相互垂直的两束光：抽运光和探测光；抽运光经光纤延迟线和光导天线产生THz脉冲波，经抛物面镜进行准直、聚焦，调整THz波入射角度后再经半透镜入射到样品表面，THz脉冲反射波与探测光共线进入THz探测器；THz探测器将收集到的信号发送给计算机进行数据分析和处理。

本发明的有益效果在于：以太赫兹脉冲波在介质中的传播特性为理论基础，搭建了反射式太赫兹时域光谱测量系统(THz-TDS)，利用太赫兹时、频域光谱技术进行缺陷类型的判定，缺陷大小的定量，并结合快速傅里叶(FFT)变换对缺陷和正常位置的特征频率差异进行分析，提出利用太赫兹技术实现绝缘纸板内部放电痕迹缺陷的非接触无损检测的方法。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为太赫兹脉冲波穿透空气和介质示意图；

图2为纸板界面放电碳化痕迹THz脉冲反射波；

图3为THz脉冲反射波形与纸板界面放电碳化痕迹缺陷对应关系；

图4为反射式THz-TDS系统图；

图5为反射式THz-TDS系统原理图；

图6为碳化痕迹缺陷样品；(a)为油浸区域；(b)为碳化痕迹；(c)为样品尺寸；

图7为局部碳化痕迹缺陷样品中局部碳化痕迹和正常情况波形图；

图8为太赫兹脉冲反射波成像数据图；

图9为局部碳化痕迹样品时域成像图；

图10为局部碳化痕迹缺陷样品频域功率谱差值图；

图11为局部碳化痕迹缺陷样品FFT滤波信号与初始信号波形；

图12为局部碳化痕迹缺陷样品频域成像图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

(1)理论分析：

太赫兹脉冲波在油纸绝缘中传播时，碰到异物缺陷时，将会发生折、反射，从而改变其传播的幅值和相位特性。如图1所示，根据文献(Duvillaret L,Garet F,Coutaz JL.Areliable method for extraction of material parameters in terahertz time-domain spectroscopy[J].IEEE Journal ofSelectedTopics in Quantum Electronics,2002,2(3):739-746.)的物理模型，E0(ω)为入射脉冲太赫兹脉冲波，在空气中传播距离L后，得到的参考信号Eref(ω)可表达为：

E

式中ω为太赫兹波频率，p

式中

根据菲涅尔公式，太赫兹脉冲波从介质1进入介质2时，在其分界面将发生折、反射，其折射系数t

式中，

式中，n(ω)为实折射率，表征介质的色散特性，κ(ω)为消光特性，表征介质的吸收特性。

如图1所示，当太赫兹脉冲波E

E

一般情况下，太赫兹脉冲波在绝缘介质中表现为弱吸收特性，即κ

如图2所示，以纸板内部局部放电产生的放电碳化痕迹缺陷为例，分析基于太赫兹脉冲波的传播特性和基于反射信号的缺陷检测原理。其中，类比于前文对太赫兹脉冲波在介质内部传输特性，界面反射波的传播距离为介质厚度的2倍。

设定入射波为E

E

同理，气隙上、下表面反射波E

E

E

由公式(3)、(4)、(10)、(11)、(12)可得：

式中，p

可见，E

(2)实验装置：

本发明搭建了一套反射式太赫兹时域光谱测量系统(THz-TDS)，如图4所示，该系统激光器中心波长为1560nm，脉冲宽度62fs，重复频率100MHz，功率30mw/双路输出，光谱分辨率≤2.5GHz，光谱采样速率≥10Hz，成像动态范围≥80dB。

其中，光纤耦合式太赫兹光谱仪主机用于产生和采集太赫兹脉冲信号；XY扫描平台和控制器采用逐点扫描方式对样品进行检测；角度可调式测量探头对太赫兹脉冲波的入射角度进行调整；透明气密屏蔽罩用以隔离外界水汽等因素影响；计算机控制软件对检测系统参数进行设置，并对采集到的信号进行数据分析和处理。

系统工作原理图如图5所示，主要包括飞秒激光器、分束器、光电导天线、光纤延迟线、抛物面镜、半透镜、THz脉冲波探测器、数据采集卡、XY扫描平台和计算机。飞秒激光器首先发射出飞秒激光脉冲，分束器将其分成相互垂直的两束光：抽运光和探测光。抽运光经光纤延迟线和光导天线产生THz脉冲波，经抛物面镜进行准直、聚焦，调整THz波入射角度后再经半透镜入射到样品表面，THz脉冲反射波与探测光共线进入THz探测器。最后，THz探测器将收集到的信号发送给计算机进行数据分析和处理。

本发明的实施实例

(1)样品制备：

如图6所示，(a)为油浸区域；(b)为碳化痕迹；(c)为样品尺寸。采用一厚度为1mm的油浸绝缘纸板，在针板电极下进行局部放电试验，直至其发生击穿。样品击穿处及附近表面可以看到明显的碳化痕迹，围绕该碳痕区域切割面积30mm×30mm的大小，并在其上下表面各自叠加一层同样大小和厚度的新绝缘纸板，以模拟油纸绝缘中由于放电形成的碳化痕迹缺陷。

在测试前，制备好的缺陷样品均在90℃/50Pa下真空干燥48h，以排除水分对测试结果的影响。测试时在样品底部放入一块金属铁板作为衬底，进行太赫兹脉冲反射光谱测试，测试环境温度为15℃，湿度为45％。

调整太赫兹测量探头角度，并分别聚焦于模型C中的浸油区域和碳化痕迹区域进行测试。同样的，太赫兹反射波在上中下三层纸板表面、碳化痕迹界面和铁板处依次各产生一脉冲反射波，如图7所示。

其中，上中下三层纸板表面和铁板处均产生一明显反射波。不同的是，如图7黑色方框区域，局部碳化痕迹位置处有一脉冲反射波，这是由于纸板碳化后折射率与原始纸板不同，太赫兹脉冲波在碳化痕迹处发生反射，产生一脉冲反射波。

(2)太赫兹时、频域波形成像方法

为了更加直观地反映油纸绝缘缺陷的大小、形状等信息，可进一步根据时域波形信号实现缺陷的成像。如图8所示，被测样品的长度和宽度构成X轴和Y轴，采用测试系统的XY扫描平台对其进行逐点扫描，在每一点将测得一太赫兹反射时域波形，即该点对应的T轴数据。其中，T轴的数据包含时间延迟和幅值两类信息，表示太赫兹波在样品中传播时，不同时间延迟下对应波形幅值。样品逐点扫描后得到时域波形，取同一时间延迟，并按照其对应波形幅值进行绘图，色度取值为幅值大小，可得到该样品在该时间延迟下的剖面图Sectionview(X,Y,T)。

进行太赫兹时域分析时，测得波形的光谱信息包括样品本身和外界噪声，噪声会影响时域波形的成像效果，因此需要进行太赫兹频域成像方法的研究。太赫兹频域波形成像时，将时域光谱数据进行快速傅里叶变换，得到该点频域功率谱图，对噪声进行滤波处理，找到区分缺陷与正常位置的特征频率，取该频率数值并按照其对应频率功率谱图波形幅值进行频域成像，色度取值为频域波形幅值大小，同样可绘制样品内部剖面图。

①放电碳化痕迹缺陷的时域成像分析

根据前文分析的局部碳化痕迹与正常未击穿位置波形的不同，对样品进行逐点扫描后，利用内脉冲反射波幅值最大值成像，得到图9所示的局部碳化痕迹样品时域图像。成像结果表明，时域图像可以很好地反映绝缘纸板内部局部碳化痕迹缺陷信息。

②放电碳化痕迹缺陷的频域成像分析

为减少外界噪声等因素对油纸绝缘缺陷成像效果的影响，进而研究频域成像的分析方法。

对局部碳化痕迹样品的频域进一步分析，得到局部碳化痕迹与正常未击穿区域的频域功率谱差值图，如图10所示。为排除外界噪声等其他因素影响，利用FFT滤波分析，得到如图11所示样品FFT滤波信号与初始信号波形图，分析确定局部碳化痕迹特征频率区间在0～0.1THz。再经过频域功率谱幅值成像，并与时域成像图对比后，找到49.44GHz两个特征频率，其频域成像如图12所示，分析发现频域成像效果与时域图像有很好对应关系，可以反映绝缘纸板内部的局部碳化痕迹缺陷。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。