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摘要：针对复合绝缘子护套厚度必须切开测量的局限性，把超声无损测量的技术引入到复合绝缘子护套测量中来，同时介绍了该技术的测量原理，测量过程中的影响因素，消除影响因素的方法以及对该测量技术测量复合绝缘子护套时的再现性和重复性计算。
关键词：复合绝缘子护套；超声波声速；重复性；再现性
作者简介：魏强华（1978-），男，江西临川人，东莞市高能电气股份有限公司，电力工程师；张海兵（1982-），男，陕西凤翔人，东莞市高能电气股份有限公司，电力工程师。（广东 东莞 523012）
中图分类号：TM216 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）03- 0148-02
近年来随着复合绝缘子生产工艺的不断成熟，复合绝缘子已广泛地应用于电力系统中。复合绝缘子由端部金属附件、芯棒、伞裙和护套组成，芯棒既是复合绝缘子的内绝缘部分，又起着传递机械负荷的作用。但是芯棒暴露在自然环境下易水解和脆断，所以芯棒必须用硅橡胶护套完全包裹且护套必须有一定厚度。国家电网公司在1000kV复合绝缘子招标文件中明确规定复合绝缘子护套厚度必须大于5mm。为了有效控制生产工艺和保证产品质量，将超声检测技术用于对复合绝缘子产品护套厚度的测量，实现了无损情况下准确测量产品护套厚度，有利于对生产过程的在线监控，保证了复合绝缘子产品质量。
一、测量原理
超声测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，超声脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度（如图1）。超声波探头与被测护套表面接触，主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达芯棒表面反射回来，该反射脉冲信号又被探头接收，传回给超声仪，超声仪计算出发射与接收超声波之间的时间间隔t，被测物体的厚度h为：
h＝ct/2 （公式1）
式中c为超声波在被测介质中的的传播速度。
二、测量过程中的重要影响因素
1.最大的影响因素——声速
一般可根据所测量材料的种类预置其声速，如果预置的声速大于超声波在该种材料中传播的实际声速，测量厚度值将大于实际厚度值，反之则小于实际厚度值。但最准确的方法是用所测材料来制造不同规格的标准片，利用标准片的实际厚度反测出其声速。
2.零偏
零偏是由超声波探头前面的超声延迟块、保护膜和探头与被测接触面之间的耦合剂共同产生的（如图1）。消除零偏的方法是在超声仪中设定一个时间t1作为超声波在以上三种物质中的传播时间。这样超声仪在测量厚度时将用发射与接收超声波之间的时间间隔t减去设定的时间t1。
3.被测表面的几何尺寸
由于被测的复合绝缘子护套表面是弯曲的圆柱面，如图2所示，而超声探头接触面是平面，这样很难将探头接触面的中心放在被测接触面上并保持平稳，因此而造成测量结果有误差。
4.被测试品温度
温度升高后被测材料的声阻、密度等物理特性发生变化，超声波在其中传播的速度也会发生很大变化。所以必须在复合绝缘子取出模腔后温度冷却至室温时再进行测量。
三、消除影响测量因素的方法
为了降低以上影响因素带来的测量误差，采用如下方法调准。
1.合理设计探头结构
通过尽量减小超声探头直径和改变探头外部结构，可以消除探头表面中心与被测曲面接触难和保持探头平稳难的弊病。建议选取直径为ф6mm的探头。另外将探头套入一个具有弧面的套筒内（如图3），超声探头可以在套筒内往里同轴移动，同时套筒内部固定有一弹簧，当超声探头移动时弹簧将给超声探头一个很小的固定的压力。这样探头表面中心与被测曲面就完全接触而且平稳不摆动（如图4）。
2.严格高效的校正方法
用两块材料和所测护套材料完全相同（胶料配方和硫化条件均相同）的标准试片对材料声速和探头零偏进行校准：一块标准试片厚度跟所测厚度下限接近，为2.2mm；另一块标准试片厚度跟所测厚度上限接近，为7.8mm。
（1）先用超声仪测量厚的标准片。调节超声仪声速，在此声速下测量厚标准片的厚度，使得超声仪显示的厚度跟标准片实际厚度一致。
（2）然后在上一步设定好的声速下测量薄标准片的厚度，调准超声仪的零偏时间，使得薄标准片的测量厚度与其实际厚度一致。
（3）多次重复上述两步直到在一个设定声速和零偏值下，厚、薄标准片的测量值均与其实际值一致（一般需要重复2～4次）。此时的声速为该材料（高温硫化硅橡胶）的实际声速（一般为1020~1240米/秒），零偏为该探头在此声速下的零偏。
四、超声检测的验证与分析
为了进一步验证超声仪测量效果，对其进行如下分析。
三位测量员用调整好的超声仪分别对10件护套样品进行测量，每件样品每人重复测量3次。测量数据如表1所示，厚度设计中心值为6.5mm，公差为±1.5mm，公差范围3mm。
操作员全距XDIFF =6.463-6.423=0.040；零件全距Rp=6.56-6.34=0.22；全距总平均R=（R1+R2+R3）/3=0.100；数据总平均X=（X1+X2+X3）/3=6.443。
根据质量控制原理计算出全距管制范围：中心线CLR=0.100，管制上限：UCLR=0.258，管制下线：LCLR=0。
平均值管制范围：中心线CLX=6.443，管制上限：UCLX=6.546，管制下线：LCLX=6.341。
以上表1中的X值和R值均在管制范围之内（如上图5和图6），产品变异不大，可以进行GR&R分析，分析得出：
重复性 EV%=0.304/3.00=10.13%
再现性 AV%=0.029/3.00=3.09%
重复性与再现性 R&R%=0.318/3.00=10.6%
五、超声检测的应用
在生产过程中对每一模注射产品进行及时全检，每隔300mm左右检测一个护套端面，每个检测端面测量3个点（如图7所示），根据测量的数据分析造成芯棒偏芯的原因并及时排除，对不合格品进行剔除。同时在出厂的每一个成品中按图7所示每300mm测一个端面进行逐支护套测量，严格把关，杜绝不合格品出厂。
六、结论
（1）超声检测能够无损准确地测量复合绝缘子护套厚度，测量过程简便易行，重复性再现性好，可有效在线监控复合绝缘子生产过程。
（2）采用合理有效的措施能明显降低测量过程的系统误差和偶然误差，准确反映复合绝缘子护套质量。
（3）超声检测在复合绝缘子行业的应用，极大地提高了产品一次合格率和生产效率，保证了复合绝缘子的质量可靠，有利于电网系统长期安全运行。
参考文献：
[1]武汉中科创新公司HS600超声仪使用说明书[Z].
[2]Krautkramer公司超声测厚仪使用说明书[Z].
（责任编辑：刘辉）
关键词：复合绝缘子护套；超声波声速；重复性；再现性
作者简介：魏强华（1978-），男，江西临川人，东莞市高能电气股份有限公司，电力工程师；张海兵（1982-），男，陕西凤翔人，东莞市高能电气股份有限公司，电力工程师。（广东 东莞 523012）
中图分类号：TM216 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）03- 0148-02
近年来随着复合绝缘子生产工艺的不断成熟，复合绝缘子已广泛地应用于电力系统中。复合绝缘子由端部金属附件、芯棒、伞裙和护套组成，芯棒既是复合绝缘子的内绝缘部分，又起着传递机械负荷的作用。但是芯棒暴露在自然环境下易水解和脆断，所以芯棒必须用硅橡胶护套完全包裹且护套必须有一定厚度。国家电网公司在1000kV复合绝缘子招标文件中明确规定复合绝缘子护套厚度必须大于5mm。为了有效控制生产工艺和保证产品质量，将超声检测技术用于对复合绝缘子产品护套厚度的测量，实现了无损情况下准确测量产品护套厚度，有利于对生产过程的在线监控，保证了复合绝缘子产品质量。
一、测量原理
超声测厚是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，超声脉冲被反射回探头，通过精确测量超声波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度（如图1）。超声波探头与被测护套表面接触，主控制器控制发射电路，使探头发出的超声波到达芯棒表面反射回来，该反射脉冲信号又被探头接收，传回给超声仪，超声仪计算出发射与接收超声波之间的时间间隔t，被测物体的厚度h为：
h＝ct/2 （公式1）
式中c为超声波在被测介质中的的传播速度。
二、测量过程中的重要影响因素
1.最大的影响因素——声速
一般可根据所测量材料的种类预置其声速，如果预置的声速大于超声波在该种材料中传播的实际声速，测量厚度值将大于实际厚度值，反之则小于实际厚度值。但最准确的方法是用所测材料来制造不同规格的标准片，利用标准片的实际厚度反测出其声速。
2.零偏
零偏是由超声波探头前面的超声延迟块、保护膜和探头与被测接触面之间的耦合剂共同产生的（如图1）。消除零偏的方法是在超声仪中设定一个时间t1作为超声波在以上三种物质中的传播时间。这样超声仪在测量厚度时将用发射与接收超声波之间的时间间隔t减去设定的时间t1。
3.被测表面的几何尺寸
由于被测的复合绝缘子护套表面是弯曲的圆柱面，如图2所示，而超声探头接触面是平面，这样很难将探头接触面的中心放在被测接触面上并保持平稳，因此而造成测量结果有误差。
4.被测试品温度
温度升高后被测材料的声阻、密度等物理特性发生变化，超声波在其中传播的速度也会发生很大变化。所以必须在复合绝缘子取出模腔后温度冷却至室温时再进行测量。
三、消除影响测量因素的方法
为了降低以上影响因素带来的测量误差，采用如下方法调准。
1.合理设计探头结构
通过尽量减小超声探头直径和改变探头外部结构，可以消除探头表面中心与被测曲面接触难和保持探头平稳难的弊病。建议选取直径为ф6mm的探头。另外将探头套入一个具有弧面的套筒内（如图3），超声探头可以在套筒内往里同轴移动，同时套筒内部固定有一弹簧，当超声探头移动时弹簧将给超声探头一个很小的固定的压力。这样探头表面中心与被测曲面就完全接触而且平稳不摆动（如图4）。
2.严格高效的校正方法
用两块材料和所测护套材料完全相同（胶料配方和硫化条件均相同）的标准试片对材料声速和探头零偏进行校准：一块标准试片厚度跟所测厚度下限接近，为2.2mm；另一块标准试片厚度跟所测厚度上限接近，为7.8mm。
（1）先用超声仪测量厚的标准片。调节超声仪声速，在此声速下测量厚标准片的厚度，使得超声仪显示的厚度跟标准片实际厚度一致。
（2）然后在上一步设定好的声速下测量薄标准片的厚度，调准超声仪的零偏时间，使得薄标准片的测量厚度与其实际厚度一致。
（3）多次重复上述两步直到在一个设定声速和零偏值下，厚、薄标准片的测量值均与其实际值一致（一般需要重复2～4次）。此时的声速为该材料（高温硫化硅橡胶）的实际声速（一般为1020~1240米/秒），零偏为该探头在此声速下的零偏。
四、超声检测的验证与分析
为了进一步验证超声仪测量效果，对其进行如下分析。
三位测量员用调整好的超声仪分别对10件护套样品进行测量，每件样品每人重复测量3次。测量数据如表1所示，厚度设计中心值为6.5mm，公差为±1.5mm，公差范围3mm。
操作员全距XDIFF =6.463-6.423=0.040；零件全距Rp=6.56-6.34=0.22；全距总平均R=（R1+R2+R3）/3=0.100；数据总平均X=（X1+X2+X3）/3=6.443。
根据质量控制原理计算出全距管制范围：中心线CLR=0.100，管制上限：UCLR=0.258，管制下线：LCLR=0。
平均值管制范围：中心线CLX=6.443，管制上限：UCLX=6.546，管制下线：LCLX=6.341。
以上表1中的X值和R值均在管制范围之内（如上图5和图6），产品变异不大，可以进行GR&R分析，分析得出：
重复性 EV%=0.304/3.00=10.13%
再现性 AV%=0.029/3.00=3.09%
重复性与再现性 R&R%=0.318/3.00=10.6%
五、超声检测的应用
在生产过程中对每一模注射产品进行及时全检，每隔300mm左右检测一个护套端面，每个检测端面测量3个点（如图7所示），根据测量的数据分析造成芯棒偏芯的原因并及时排除，对不合格品进行剔除。同时在出厂的每一个成品中按图7所示每300mm测一个端面进行逐支护套测量，严格把关，杜绝不合格品出厂。
六、结论
（1）超声检测能够无损准确地测量复合绝缘子护套厚度，测量过程简便易行，重复性再现性好，可有效在线监控复合绝缘子生产过程。
（2）采用合理有效的措施能明显降低测量过程的系统误差和偶然误差，准确反映复合绝缘子护套质量。
（3）超声检测在复合绝缘子行业的应用，极大地提高了产品一次合格率和生产效率，保证了复合绝缘子的质量可靠，有利于电网系统长期安全运行。
参考文献：
[1]武汉中科创新公司HS600超声仪使用说明书[Z].
[2]Krautkramer公司超声测厚仪使用说明书[Z].
（责任编辑：刘辉）