基于主动红外热波技术的环氧材料浅表气隙缺陷检测技术研究

Research on Shallow Air Gap Defect Detection Technology of Epoxy Materials Based on Active Infrared Thermal Wave Technology

摘要

气体绝缘开关设备（GIS）中环氧盆式绝缘子在生产过程中，环氧树脂与固化剂混合不均及高黏度可导致易形成气泡缺陷的问题。针对上述问题，基于主动红外热波检测技术，建立了含气泡缺陷的简化环氧材料热传导仿真模型，并对气泡缺陷的直径、深度及激励参数对检测结果的影响进行仿真分析。结果表明：环氧材料缺陷处表面温度随缺陷深度增加呈减小的趋势，随缺陷直径增加呈增大的趋势。仿真模型中缺陷深度从0.3 mm增长至1.9 mm。环氧材料缺陷处表面温度下降5.2%，温差由2.14 ℃下降至0.02 ℃。气泡缺陷直径从0.2 mm增长至1.0 mm。环氧材料缺陷处表面温度上升5%，温差由0.10 ℃增长至2.14 ℃。基于仿真结果，缺陷检测中推荐热激励功率为10 000 W/m²，激励时间为6 s。研究结果为环氧盆式绝缘子的出厂检测提供一种可有效提高检测效率和识别精度的技术方案。

Abstract

In the production process of epoxy bushing insulators used in gas-insulated switchgear (GIS), issues such as the uneven mixing of epoxy resin with curing agents and high viscosity often lead to the formation of bubble defects. To address these issues, based on the active infrared heat wave detection technology, a simplified thermal conduction simulation model of epoxy materials containing bubble defects was established, and the influence of the diameter, depth and excitation parameters of bubble defects on the detection results was simulated and analyzed. The results showed that the surface temperature at the defect location of the epoxy material decreased as the defect depth increased and increased as the defect diameter increased. In the simulation model, the defect depth increased from 0.3 mm to 1.9 mm, the surface temperature at the defect location of the epoxy material decreased by 5.2%, and the temperature difference decreased from 2.14 ℃ to 0.02 ℃. Conversely, the bubble defect diameter increased from 0.2 mm to 1.0 mm, the surface temperature at the defect location of the epoxy material increased by 5%, and the temperature difference increased from 0.10 ℃ to 2.14 ℃. Based on the simulation results, the recommended thermal excitation power for defect detection was 10 000 W/m², with an excitation time of 6 s. The research results provide a new technical scheme for the factory detection of epoxy basin insulators, which can effectively improve the detection efficiency and identification accuracy.

Graphical abstract

关键词

环氧盆式绝缘子 / 主动红外热波技术 / 气泡缺陷 / 无损检测 / 红外热成像

Key words

Epoxy bushing insulator / Active infrared thermal wave technology / Bubble defect / Nondestructive testing / Infrared thermography

环氧盆式绝缘子在气体绝缘开关设备(GIS)中起到绝缘和支撑中心导体的作用，其绝缘性能对GIS设备的可靠运行至关重要。生产过程中，环氧树脂与固化剂混合不均、高黏度与差流动性导致气体难以释放，易在材料内部形成气泡缺陷^[1-2]。在盆式绝缘子运行时，气泡中的空气作为不良导体，其低介电常数会导致电场扭曲，尤其是在气泡边界处电场的集中可引发局部过热。长期的过热不仅加速绝缘材料的老化，还显著降低其绝缘性能。

当前，针对环氧绝缘子内部缺陷的检测，主流方法包括局部放电检测、超声波检测和X射线检测。脉冲电流法虽能通过监测回路脉冲电流波动间接评估局部放电，反推缺陷状态，但受限于其抗干扰能力薄弱和对环境条件的敏感性，难以精准定位缺陷源^[3]。超声波检测技术通过分析反射波信号揭示缺陷的位置与规模，然而高昂设备成本、数据处理的复杂性及高吸声材料的检测瓶颈限制其应用^[4]。X射线检测利用透射图像直观展示材料内部结构，能够识别缺陷，但其效果受限于材料的厚度和密度，且图像质量易受几何复杂度、分辨率和噪声的干扰，影响缺陷分析精度^[5]。因此，在面对盆式绝缘子内部缺陷检测的严格要求时，这些方法均有不同程度的不足与局限。

红外无损检测技术作为一种新型的检测方法，已在金属检测领域得到广泛而成熟的应用。该技术特别适用于发现金属材料内部的微小裂纹，具有更高的检测的准确性和可靠性。金玫秀等^[6]搭建钢轨裂纹检测实验平台，成功检测钢轨轨底的裂纹及二次应力下产生的细小裂纹。陈曦等^[7]采用脉冲式高能灯加热Q235钢板，提取并识别铝材料中的疲劳裂纹。ROEMER等^[8]通过激光光斑加热配合红外成像的技术，识别出铝材料中不同位置的疲劳裂纹。然而，主动红外技术在非金属材料检测领域的应用仍处于积极研究阶段。安思捷^[9]研究分析碳纤维复合材料(CFRP)的缺陷几何特征与表面温度场分布之间的关系，开展CFRP层板缺陷识别与分割。RANJIT等^[10]采用Lockin红外热成像定量分析玻璃纤维增强塑料板中的人工缺陷，并使用相位对比度法计算缺陷深度。

在非金属材料无损检测领域，主动红外热波技术已获初步应用验证。然而，针对导热系数更低的环氧材料，相关研究较为少见，已有的非金属材料应用成果为该方法在环氧材料内部缺陷检测中的潜力提供了依据，亟须深入探索。因此，本文针对主动红外热波技术在Al₂O₃/环氧体系内部气泡缺陷中的可行性开展研究，采用仿真分析系统地掌握内部气泡的直径、深度以及激励参数对检测的影响，旨在为环氧盆式绝缘子的出厂检测提供一种新的技术方案，以显著提高检测效率和缺陷识别精度。

1 主动红外热波技术及仿真建模

1.1 主动红外热波检测原理

主动红外热波技术的检测结构包含卤素灯热激励源、高精度红外热像仪及待测样本。图1为主动红外热波技术的检测机理。从图1可以看出，该技术通过热激励源精准加热待测样本，使热量在其内部高效传递。红外热像仪则实时捕捉并记录物体表面温度场的动态演变，生成热图像序列，覆盖从初始升温至后续降温的全过程，以全面捕捉并解析温差细微变化。

遵循热力学第二定律，在传热过程中，热量自高温向低温定向传递，其路径唯一且连贯，途经缺陷与非缺陷区域时，各区域所承载的热流量保持一致。根据热路理论，通过热阻的热流Q的计算公式为：

Q=\frac{\mathrm{\Delta }\theta }{R}(1)

式(1)中：Q为热流量，J/s；Δθ为温度，℃；R为热阻，(℃·m)/W。

图2为环氧材料内部的热流传导。热流的连续性表明，任何传导路径上的热流必须连续，即在不同材料或不同区域之间同一时刻通过同一横截面的热流量是相等的，则同一时间通过横截面S的热流量Q相等。假设，被测试样品表面温度为θ₁，图中的横截面温度为θ₂，热流主要从上至下传递。在热通路L₁中，环氧材料热阻分别为R_h1和R_h2，L₁中总热阻R₁=R_h1+R_h2；在含有气泡缺陷的热通路L₂中，第二层气泡缺陷热阻为R_q，这也直接导致了存有气泡缺陷的热通路L₂中的Δθ较大，故气泡缺陷处的样品表面温度高于无缺陷处。通路L₂中总热阻R₂=R_h1+R_q。由于空气的热阻值远大于环氧材料，即R_q>>R_h2，因此R₂>>R₁。

1.2 仿真模型构建与分析

为了进行主动红外技术缺陷检测模拟，构建简化环氧材料几何模型，并进行有限元分析。设定该几何模型的尺寸为长、宽、高分别为100、100、10 mm，当激励热流在待测样本内部传递时，由傅里叶定律可知热流密度与温度梯度之间的关系^[11]表达式为：

q=-\lambda \nabla \theta =-\lambda \frac{\partial t}{\partial n}(2)

式(2)中：q为热流密度，W/m²；∇θ为温度梯度，℃/m；λ为材料的导热系数，表示物体导热能力的大小，W/(m·℃)；式中的负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反。

在给定边界条件下，可以得到热波在介质中的传播函数。因此，直角坐标系下，t时刻沿x、y、z方向的热传导微分方程为：

\nabla [\lambda \nabla \theta (x,y,z,t)]-\rho c\frac{\partial \theta (x,y,z,t)}{\partial \theta }=-f(x,y,z,t)(3)

在非稳态导热条件下，给定第二类边界条件，得：

-\lambda \frac{\partial t}{\partial n}=-f(x,y,z,t)(4)

将式(3)代入式(2)得：

\frac{\partial t}{\partial n}=\frac{\lambda }{\rho c}(\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial x^{\mathrm{2}}}+\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial y^{\mathrm{2}}}+\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial z^{\mathrm{2}}})+q=\alpha (\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial x^{\mathrm{2}}}+\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial y^{\mathrm{2}}}+\frac{{\partial }^{\mathrm{2}}t}{\partial z^{\mathrm{2}}})+\frac{q}{\rho c}(5)

式(5)中：ρ为材料密度，kg/m³；c为比热容，J/(kg·℃)；α＝\frac{\lambda }{\rho c},为材料的扩散系数，m²/s；ρc为体热容，表示物体存储热量的能力，J/(m³·℃)；f(x,y,z,t)为热源函数。

为模拟被检测试样的加热过程，采用固体传热中的边界热源设置方式。该设置可以均匀地向被测试样的上表面施加热激励，确保所有热流均通过该表面进入测试样内部，保证热激励的均一性和热流的控制。

仿真模型中所使用的材料参数与Al₂O₃/环氧材料与真型盆式绝缘子制备材料参数保持一致，具体材料参数为：密度为2 000 kg/m³，比热容为1 035 J/(kg·℃)，导热系数为1 W/(m·℃)。样品中的气泡缺陷被设置为空气，材料属性被设定为：密度为1.2 kg/m³，比热容为1 005 J/(kg·℃)，导热系数为0.026 W/(m·℃)。

为对比分析缺陷深度和气泡缺陷直径提高仿真效率，快速获得大量可用的仿真数据，采用阵列式的气泡缺陷布置方式。图3为缺陷位置排布的有限元模型。表1为缺陷位置排布的尺寸。第一排的气泡缺陷中心与上边界、左边界和右边界的距离均为10 mm。相邻气泡缺陷间的距离为20 mm，相邻排气泡缺陷之间的间隔为20 mm。气泡缺陷直径D从第一排至第五排依次为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm。对于每一排气泡，气泡上顶点距离上表面的距离即缺陷深度H，从左至右分别为0.3、0.7、1.1、1.5、1.9 mm。通过在横向布置相同直径但不同深度的气泡缺陷，分析了在相同直径下不同深度对环氧树脂表面热成像的影响。同时，在纵向布置相同深度但不同直径的气泡缺陷，以分析在相同深度下不同气泡大小对环氧树脂表面热成像的影响^[12-14]。

2 含气泡缺陷环氧材料表面热成像特征研究

2.1 仿真时序结果

针对含气泡缺陷的环氧材料表面热成像随时间变化的特性，采用激励功率为10 000 W/m²、激励时间为6 s的条件，以5 s为间隔进行采集，总采集时间为30 s。利用有限元仿真，获取6张反映气泡缺陷影响的热成像时序图，清晰地展示了气泡缺陷对环氧材料表面温度分布的影响，图4为仿真时序图。从图4可以看出，缺陷区域与非缺陷区域之间的温差显著，且气泡缺陷区域的温度高于非缺陷区域。此外，不同深度和直径的气泡缺陷在温度峰值方面存在差异^[15-16]。

2.2 不同缺陷深度同一缺陷直径的研究

针对不同缺陷深度对环氧材料表面温度的影响问题，将热激励功率设置为10 000 W/m²，激励时间为6 s，并在第12 s时系统采集了不同缺陷深度(0.3、0.7、1.1、1.5、1.9 mm)、同一气泡缺陷直径(1.0 mm)的环氧材料表面热成像特征数据，系统地研究不同深度的气泡缺陷对环氧材料表面温度的影响。图5为横向表面温度采集曲线。图5中，Z表示从左端起始位置到测量点的距离，θ表示环氧材料的表面温度。

从图5可以看出，气泡缺陷分别位于横向10、30、50、70、90 mm处，对应的缺陷深度H分别为0.3、0.7、1.1、1.5、1.9 mm，温度峰值处与缺陷位置对应，气泡缺陷处表面温度显著高于周围非缺陷区域温度，不同缺陷深度下，气泡缺陷处表面温度分别为42.69、41.23、40.80、40.64、40.57 ℃，表面温度下降5.2%，非缺陷区域基准温度为40.55 ℃，随着缺陷深度增加，气泡缺陷表面温度分别下降3.4%、1.0%、0.4%和0.2%。

图6为不同缺陷深度的温度差值和温度峰值。从图6可以看出，气泡缺陷在各深度下缺陷点与非缺陷点的温度差值分别为2.14、0.68、0.25、0.09、0.02 ℃，气泡缺陷在0.3 mm深度时温差最大，在1.9 mm深度时温差最小，总体呈递减趋势，温差减小表明气泡缺陷对表面温度的影响随深度的增加逐渐减弱，到达一定深度后影响几乎消失。

当热流量一定时，热流经过的区域热阻R越大，该区域内温差Δθ越大，热阻R的计算公式为：

R=\frac{L}{kA}(6)

式(6)中：L为材料的厚度(或深度)，m；k为材料导热系数，W/(m·℃)；A为截面积，m²。

当缺陷深度增加时，非缺陷区域环氧材料的热阻增加。由于气泡缺陷的导热系数远低于环氧材料的导热系数，气泡缺陷的热阻显著大于环氧材料的热阻，即R_q>>R_h2，因此，为了维持相同的热流量，缺陷处表面需要更大的温度梯度。随着缺陷深度的增加，热流会优先选择热阻较小的路径传递，即更多的热流会通过非缺陷区域传递，系统内的温度梯度达到新的平衡状态，气泡缺陷对表面温度的影响逐渐减弱直至消失。

2.3 不同缺陷直径同一缺陷深度的研究

为了研究不同气泡缺陷直径对环氧材料表面温度的影响，将热激励功率设置为10 000 W/m²，激励时间为6 s，并在第12 s系统地采集了不同气泡缺陷直径(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm)、同一缺陷深度(0.3 mm)的环氧材料表面热成像特征数据，通过设定不同气泡缺陷直径，系统地分析不同直径的气泡缺陷对环氧材料表面温度的影响。图7为纵向表面温度的采集曲线，其中L为到顶端起始位置的距离。从图7可以看出，气泡缺陷分别位于横向10、30、50、70、90 mm处，对应缺陷直径分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mm，温度峰值与缺陷位置对应，气泡缺陷处表面温度显著高于非缺陷区域，在不同直径下，气泡缺陷处表面温度分别达到40.65、40.97、41.41、42.03、42.69 ℃，表面温度上升5%，随着气泡缺陷直径增大，表面温度分别上升0.8%、1.1%、1.5%和1.6%。

图8为不同缺陷直径的温度差值和温度峰值。从图8可以看出，各直径下气泡缺陷与非缺陷点的温差Δθ分别为0.10、0.42、0.86、1.48、2.14 ℃，缺陷直径为0.2 mm时温差最小，在1.0 mm时温差最大，总体呈上升趋势，温差增大表明表面温度随缺陷直径的增大而增大。

缺陷区域会导致温度异常，这在温度梯度中表现为突出的峰值或谷值，代表温度剧烈变化的区域，这些区域通常对应于缺陷边界^[17]。对缺陷直径0.6 mm，深度0.3 mm的气泡缺陷进行温度数据采集，并对温度曲线进行微分计算。图9为温度微分曲线。温度峰值与温度谷值的横坐标差值即为缺陷直径，根据图9计算出的缺陷直径为0.52 mm，与实际尺寸相比误差为13.3%。

2.4 不同激励参数的仿真研究

2.4.1 激励时长研究

针对不同激励时长对缺陷处表面温度的影响的问题，采集三种激励时间(3、6、9 s)下的缺陷直径为1.0 mm、深度为0.3 mm的气泡缺陷在第6 s的表面温度。图10不同激励时间的表面温度。图10中，L表示到顶端起始位置的距离，θ表示环氧材料表面温度。从图10可以看出，随着激励时间增加，缺陷处表面温度峰值与非缺陷处温度基准值均增大，缺陷处与非缺陷处温差增加，温差Δθ从0.09 ℃增长至1.65 ℃。

通过热扩散原理可知：

L=\sqrt[]{\mathrm{4}\alpha t}(7)

式(7)中：L为热扩散距离，m；α为热扩散率，m²/s；t为时间，s。

随着激励时间增加，热扩散距离和缺陷边界模糊程度也随之增加，表面受影响面积从2.95 mm²增加至19.16 mm²，受影响面积显著增加，过大的受影响表面积不利于缺陷大小的识别，因此选择6 s激励时间既能保证确定缺陷位置又能获得相对清晰的缺陷边界。

2.4.2 激励功率研究

为了研究不同激励功率对环氧材料缺陷处表面温度的影响，采集了30 s内不同激励功率下缺陷表面温度的变化数据，缺陷直径为1.0 mm，深度为0.3 mm。随着激励功率的增大，材料温度升高，但由于热扩散效应，热量从高温区向低温区扩散，缺陷点导热系数较低，周围温度升高较慢，非缺陷点导热系数较高，温度升高较快，虽然缺陷点绝对温度峰值上升，但缺陷点与非缺陷点的相对温差减小。图11为不同功率的温差。从图11可以看出，在激励功率为10 000 W/m²时，温差曲线的半宽值较大，为7 s，表明温度在达到峰值之后缓慢下降，说明材料对热输入的响应较慢，热量散失较慢。较大的温差峰值有利于气泡缺陷的检测，而较大的半宽值有利于避免气泡缺陷的漏检。综合考虑，10 000 W/m²的激励功率既能有效检测气泡缺陷，又能保证检出完整率。

3 不同缺陷深度可检测极限研究

3.1 缺陷检出判据

基于不同激励参数仿真结果，选择激励时间为6 s，热激励功率为10 000 W/m²，研究可检测缺陷的极限。图12为缺陷检出判据。从图12可以看出，缺陷点与非缺陷点表面温度变化，缺陷点温度峰值为23.68 ℃，非缺陷点背景温度为23.47 ℃，温差Δθ为0.21℃。当Δθ≥0.05 ℃，认为该气泡缺陷可被检出。

3.2 检出经验公式

在激励功率为10 000 W/m²、激励时间为6 s的前提下进行研究，以缺陷处和非缺陷处表面Δθ≥0.05 ℃作为判据进行数据采集，表2为不同深度的最小可检测缺陷直径。

根据表2采集的数据构建不同深度下可检测的气泡缺陷最小直径极限值的检测函数，该函数表示为：

（8）

式(8)中：True为某深度下的某直径气泡缺陷可被检出；False为不可被检出；h为缺陷深度，mm；D为缺陷直径，mm；D_min(h)为在深度h处的最小可检测直径，mm。通过差值计算D_min(h)，其中h的取值范围为0~2.3 mm，D的取值范围大于0.1 mm，当h介于h_i 和h_i+1之间，D_min(h)可通过以下公式计算：

D_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}(h)=D_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n},i}+\frac{D_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n},i+\mathrm{1}}-D_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n},i}}{h_{i+\mathrm{1}}-h_i}\times (h-h_{\mathrm{i}})（9）

综上所述，完整判断函数可以表示为：

(10)

以缺陷深度h=1.4 mm，缺陷直径D=1.0 mm为例进行计算，h介于h_i 和h_i+1之间，则h_i=1.3 mm，h_i+1=1.5 mm，h_i 对应的D_min,i 为0.8 mm，h_i+1对应的D_min,i+1为1.0 mm。通过式(9)计算可知，D_min(h)=0.9 mm。因此，D＞D_min(d)，该缺陷深度下的气泡缺陷可被检测。

4 结论

文章探究了缺陷深度、缺陷直径、激励热源功率、激励时长对环氧材料表面热成像特征的影响。结果表明：在不同气泡缺陷深度下，随着缺陷深度的增加，缺陷的热阻远大于环氧材料的热阻，即R_q>>R_h2，缺陷处与非缺陷处表面温差呈减小趋势，1.0 mm直径气泡缺陷在缺陷深度达到1.9 mm时，表面温度几乎不受影响。在不同缺陷直径下，随着气泡缺陷直径的增加，缺陷处与非缺陷处表面温差呈增大趋势，通过受影响表面积计算缺陷尺寸，与实际尺寸误差在13.3%，当深度为0.3 mm，气泡缺陷直径达到1.0 mm时，气泡缺陷处与非缺陷处表面温差最大。当激励时间增加时，缺陷处受影响表面积增加，非缺陷处基准温度增加，缺陷处与非缺陷处温差增大，当激励功率增加时，缺陷点绝对温度峰值上升，但缺陷点与非缺陷点的相对温差减小。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52007138)

中国南方电网有限责任公司创新项目(GZKJXM20222398)