基于超聲導(dǎo)波的高壓電纜鋁護(hù)套檢測(cè)技術(shù)可行性研究*

曹俊平，胡文堂，劉浩軍，王少華，伍建軍，呂福在,唐志峰

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014;2.浙江大學(xué) 流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.浙江大學(xué) 數(shù)字技術(shù)與儀器研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

當(dāng)今社會(huì)中，電力網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展對(duì)于國(guó)內(nèi)乃至世界的經(jīng)濟(jì)建設(shè)都起著至關(guān)重要的作用[1-2]。電纜鋁護(hù)套作為電力網(wǎng)絡(luò)中高壓電纜的重要組成部分，主要作用有以下3個(gè)方面：鋁護(hù)套是高壓電纜的防水層，可以防止絕緣接觸到水分而產(chǎn)生水樹枝，起到徑向阻水作用；鋁護(hù)套應(yīng)滿足電力系統(tǒng)要求的最大短路電流和短路持續(xù)時(shí)間，具有良好的承受短路電流的熱穩(wěn)定性；鋁護(hù)套起到電纜線芯、絕緣等機(jī)械保護(hù)作用，使其免受外力破壞[3]。然而，高壓電纜鋁護(hù)套在安裝過程中易受到現(xiàn)場(chǎng)施工影響，運(yùn)行過程中電纜本身的熱脹冷縮、振動(dòng)以及地面沉降等原因都會(huì)導(dǎo)致電纜鋁護(hù)套的機(jī)械損傷。此外，在運(yùn)行過程中，在潮濕環(huán)境下的酸液腐蝕和電化學(xué)腐蝕以及生物蛀蝕也會(huì)導(dǎo)致電纜鋁護(hù)套的結(jié)構(gòu)失效，從而對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成威脅[4-5]。由此可見，對(duì)于高壓電纜鋁護(hù)套缺陷的無損檢測(cè)至關(guān)重要。

常規(guī)的無損檢測(cè)技術(shù)包括漏磁檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、機(jī)器視覺檢測(cè)、射線檢測(cè)等[6]。這些無損檢測(cè)方法理論上都可實(shí)現(xiàn)對(duì)于高壓電纜鋁護(hù)套的無損檢測(cè)，然而實(shí)際應(yīng)用中都存在著需剝離外護(hù)套、逐點(diǎn)檢測(cè)等局限性。對(duì)于出廠的電纜鋁護(hù)套，可使用渦流測(cè)厚的方法檢測(cè)成品中是否存在缺陷[7]，而對(duì)于運(yùn)行電纜的鋁護(hù)套，行之有效的檢測(cè)方法尚待研究。

超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)是近些年迅速發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的幾種無損檢測(cè)技術(shù)，導(dǎo)波檢測(cè)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)全截面覆蓋，對(duì)于被檢對(duì)象中的內(nèi)外表面缺陷都具有檢測(cè)能力；(2)單點(diǎn)激勵(lì)，可實(shí)現(xiàn)被檢對(duì)象大范圍、長(zhǎng)距離的檢測(cè)，傳播衰減??；(3)檢測(cè)設(shè)備安裝方便，快速高效；(4)耦合效率高，對(duì)于被檢對(duì)象表面處理要求低；(5)檢測(cè)精度高，最高精度可達(dá)到聲場(chǎng)覆蓋范圍1%截面損失；(6)實(shí)用性強(qiáng)，可對(duì)難以觸及的區(qū)域，例如架空、埋地等情況下的對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于管道[8-12]、鋼軌[13-17]、錨桿等結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)中[18-20]，是一種較為理想的電纜鋁護(hù)套檢測(cè)方法。在電纜加工出廠之前，可將超聲導(dǎo)波換能器預(yù)先嵌入安裝在電纜中，電纜服役過程中，換能器配合超聲導(dǎo)波檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于高壓電纜鋁護(hù)套的長(zhǎng)距離在線無損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，無需剝離外護(hù)套及人工巡檢，極大程度降低檢測(cè)成本，保障高壓電纜的安全運(yùn)行。

本研究將在分析電纜鋁護(hù)套中超聲導(dǎo)波傳播特性的基礎(chǔ)上，通過有限元仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)高壓電纜鋁護(hù)套的可行性，為智能電纜的無損檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行有益探索。

1 鋁護(hù)套中導(dǎo)波模態(tài)分析

電纜鋁護(hù)套結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為波紋管，導(dǎo)波在管道中的傳播過程是一個(gè)彈性波傳播的過程。

各向同性彈性介質(zhì)中的波動(dòng)方程為：

(1)

利用Helmholtz分解定理，位移矢量u可分解為膨脹標(biāo)量勢(shì)函數(shù)和等容矢量函數(shù)ψ表示為：

u=▽·φ+▽×ψ

(2)

φ和ψ滿足方程：

(3)

(4)

對(duì)于無限長(zhǎng)管道，應(yīng)力自由邊界條件為：

σrr=σrθ=σrz=0(r=a,b)

(5)

式中：a，b—管道內(nèi)外半徑。

可以假設(shè)質(zhì)點(diǎn)的位移分量為：

ur=Ur(r)cos(nθ)cos(ωt+kz)

(6)

uθ=U0(r)sin(nθ)cos(ωt+kz)

(7)

uz=Uz(r)cos(nθ)cos(ωt+kz)

(8)

求解波動(dòng)方程，可以得到相應(yīng)的位移場(chǎng)。管道導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，通常采用L(0,2)模態(tài)和T(0,1)模態(tài)，這兩種模態(tài)都是軸對(duì)稱模態(tài)，故取n=0，此時(shí)頻率方程為：

(9)

該式可分解為：

D=D1·D2=0

(10)

(11)

(12)

D1=0和D2=0的解分別對(duì)應(yīng)縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)?？梢姡阎艿纼?nèi)外徑、楊氏模量、泊松比、密度等材料參數(shù)，就能由頻率方程得到頻散曲線。

而對(duì)于波紋管，其最顯著特征為內(nèi)外邊界為波紋函數(shù)，因此其自由應(yīng)力邊界條件為邊界函數(shù)切平面內(nèi)的3個(gè)應(yīng)力分量為零。由此本研究建立局部坐標(biāo)系如圖1所示。

新坐標(biāo)系與原坐標(biāo)系的夾角為φ，則坐標(biāo)變換矩陣為：

(13)

式中：tgφ=?(f1(r,z))/?z。

高壓電纜鋁護(hù)套的材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋁護(hù)套模型基本參數(shù)

由式(13)計(jì)算所得鋁護(hù)套的導(dǎo)波頻散曲線如圖2所示。

圖2 鋁護(hù)套導(dǎo)波頻散曲線圓點(diǎn)—縱波模態(tài);星號(hào)—扭轉(zhuǎn)波模態(tài)

頻散曲線由不同模態(tài)在離散的頻率點(diǎn)下求得的相速度和群速度值構(gòu)成。從圖2中可以看出，在0～1 000 kHz范圍內(nèi)，0～2階縱波模態(tài)都存在較為明顯的頻散現(xiàn)象，200 kHz以下L(0,2)頻散特性較小，L(0,1)在300 kHz以上頻段具有較好的頻散特性，但是在激勵(lì)的過程中，無論選擇那個(gè)頻率點(diǎn)，這兩種模態(tài)總是被同時(shí)激勵(lì)出來，T(0,1)模態(tài)不頻散，T(0,2)模態(tài)的截止頻率在600 kHz左右，因此，在600 kHz以下的頻率點(diǎn)激勵(lì)扭轉(zhuǎn)波可激勵(lì)出純凈的非頻散的T(0,1)扭轉(zhuǎn)模態(tài)。此外，超聲導(dǎo)波在傳播過程中，低頻導(dǎo)波衰減慢，但檢測(cè)靈敏度低，高頻導(dǎo)波衰減快但檢測(cè)靈敏度高。實(shí)際選擇檢測(cè)頻率點(diǎn)應(yīng)考慮激勵(lì)模態(tài)、衰減率、檢測(cè)靈敏度等多方面因素，根據(jù)以上理論分析結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件，本研究選擇激勵(lì)頻率為32 kHz，檢測(cè)模態(tài)為T(0,1)模態(tài)。

2 超聲導(dǎo)波檢測(cè)鋁護(hù)套的有限元仿真

2.1 高壓電纜鋁護(hù)套建模

為通過仿真確定導(dǎo)波檢測(cè)鋁護(hù)套缺陷的可行性，本研究對(duì)于鋁護(hù)套進(jìn)行建模，在不考慮鋁護(hù)套螺旋角的情況下，鋁護(hù)套可簡(jiǎn)化為波紋管，簡(jiǎn)化示意圖與三維模型如圖3所示。

圖3 鋁護(hù)套簡(jiǎn)化模型

鋁護(hù)套厚度為2.8 mm，波谷內(nèi)徑為125 mm，波峰外徑為145 mm，軋紋深度為7.2 mm，軋紋節(jié)距為30 mm。建立的三維模型材料定義為鋁，密度為2 700 kg/m3，楊氏模量為70 GPa，泊松比為0.33，模型軸向長(zhǎng)度為1.5 m。

仿真設(shè)置如圖4所示。

仿真的激勵(lì)與接收設(shè)置如圖4(a)所示。模型的一處端面綁定參考點(diǎn)RP-1，軸向距離該端面30 mm處的截面綁定RP-2，參考點(diǎn)RP-1上加載激勵(lì)，RP-2上設(shè)置接收，加載方式設(shè)置為扭轉(zhuǎn)波。本研究設(shè)置的模擬裂紋如圖4(b)所示。裂紋寬度為2 mm，距離激勵(lì)位置為1 m。

圖4 仿真設(shè)置

2.2 仿真分析

本研究設(shè)置的缺陷截面占比從小到大分別為3%、5%和10%。選擇的頻率點(diǎn)為32 kHz，激勵(lì)信號(hào)為5個(gè)周期的經(jīng)過調(diào)制的正弦信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)波形及其頻譜如圖5所示。

圖5 激勵(lì)信號(hào)

無損傷情況下鋁護(hù)套中32 kHz的T(0,1)模態(tài)傳播仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋁護(hù)套中T(0,1)模態(tài)傳播過程

從圖6中可以看出，導(dǎo)波從端面開始激勵(lì)，傳播過程中，波包保持良好的完整性，未發(fā)生明顯擴(kuò)散。

鋁護(hù)套中32 kHz的扭轉(zhuǎn)波缺陷檢測(cè)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 缺陷檢測(cè)仿真結(jié)果

由圖7可知，接收信號(hào)信噪比高，以波包峰值定位，則端面回波信號(hào)位于1.16×10-3s處，計(jì)算波速為2 586 m/s。當(dāng)缺陷的截面占比達(dá)到5%時(shí)，即可從接收信號(hào)中清楚地觀察到缺陷回波信號(hào)，隨著缺陷截面的增加，缺陷回波的幅值也相應(yīng)地增大。

第二個(gè)仿真試驗(yàn)為驗(yàn)證32 kHz的T(0,1)模態(tài)長(zhǎng)距離傳播特征，激勵(lì)導(dǎo)波在鋁護(hù)套中往復(fù)傳播，設(shè)置的仿真時(shí)間為0.05 s，實(shí)際傳播距離約130 m。仿真接收信號(hào)如圖8所示。

圖8 長(zhǎng)距離傳播仿真檢測(cè)信號(hào)

從信號(hào)中可以看出，T(0,1)模態(tài)在傳播過程中傳播距離長(zhǎng)，衰減緩慢，但是隨著傳播距離的增加，檢測(cè)信號(hào)的信噪比下降。

3 超聲導(dǎo)波檢測(cè)鋁護(hù)套試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置原理接線圖如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)原理接線圖A—上位機(jī)；B—激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元；C—功率放大模塊；D—換能器；E—鋁護(hù)套；F—前置放大模塊；G—回波信號(hào)處理單元；H—時(shí)序控制單元；I—信號(hào)處理與控制模塊；J—嵌入式系統(tǒng)

整個(gè)試驗(yàn)的流程為由上位機(jī)控制激勵(lì)信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生特定脈沖信號(hào)經(jīng)時(shí)序控制單元調(diào)理后被功率放大模塊放大輸入換能器中，換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成鋁護(hù)套中的導(dǎo)波，并接收回波信號(hào)重新轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再經(jīng)由前置放大模塊放大，然后通過回波信號(hào)處理單元處理，并經(jīng)過時(shí)序控制單元調(diào)制后得到最終的檢測(cè)信號(hào)返回到上位機(jī)，在上位機(jī)中做軟件上的處理、儲(chǔ)存與顯示。

試驗(yàn)設(shè)置如圖10所示。

圖10 導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)置及相關(guān)配件

本研究采用的主要設(shè)備為超聲導(dǎo)波檢測(cè)儀，其余配件包括適配器、激勵(lì)線圈、探頭夾、磁化器、磁致伸縮帶材等。被檢測(cè)的鋁護(hù)套長(zhǎng)度為1.73 m，除長(zhǎng)度外其他結(jié)構(gòu)尺寸與仿真建模一致。

3.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)中在鋁護(hù)套上激勵(lì)單一模態(tài)，根據(jù)頻散曲線結(jié)論，選擇導(dǎo)波激勵(lì)頻率為32 kHz，激勵(lì)模態(tài)為T(0,1)，周期數(shù)為1，增益為1 dB。設(shè)定波速為2 600 m/s，檢測(cè)方式為脈沖回波。試驗(yàn)過程中，本研究先在結(jié)構(gòu)完整的情況下進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)，然后在距離換能器1.1 m處人工設(shè)置裂紋缺陷，缺陷所占的截面百分比分別為4.25%、和12.8%，觀察導(dǎo)波能否檢測(cè)到缺陷。

鋁護(hù)套檢測(cè)信號(hào)如圖11所示。

圖11 鋁護(hù)套檢測(cè)信號(hào)

無缺陷狀態(tài)下鋁護(hù)套管的檢測(cè)信號(hào)如圖11(a)所示。以峰值定位波包位置，1.725 m處為端面波包信號(hào)，計(jì)算可得實(shí)際波速為2 607 m/s，與仿真結(jié)果相差0.8%，基本一致。首個(gè)端面回波之前區(qū)域，噪聲幅值較小，信號(hào)整體信噪比較高。

4.25%缺陷和12.8%缺陷的典型檢測(cè)信號(hào)分別如圖11(b，c)所示。從圖中可以看出，當(dāng)缺陷的截面占比大小為4.25%，信號(hào)中1.1 m處可以觀察到缺陷回波特征，缺陷擴(kuò)大到12.8%時(shí)，回波信號(hào)特征更為明顯。該試驗(yàn)證明：導(dǎo)波具有檢測(cè)高壓電纜鋁護(hù)套中存在的缺陷以及監(jiān)測(cè)缺陷生長(zhǎng)的能力。

4 結(jié)束語

本研究通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了超聲導(dǎo)波應(yīng)用于高壓電纜鋁護(hù)套無損檢測(cè)的可行性，具體結(jié)論如下：

(1)仿真分析和試驗(yàn)證明，采用32 kHz的T(0,1)模態(tài)超聲導(dǎo)波能夠檢測(cè)出高壓電纜鋁護(hù)套中截面占比4.25%以上的缺陷；

(2)隨著缺陷的增大，缺陷回波信號(hào)幅值相應(yīng)的增加，故利用超聲導(dǎo)波可實(shí)現(xiàn)鋁護(hù)套健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，且利用監(jiān)測(cè)方法可排除固有特征的回波信號(hào)的影響，有效提高缺陷檢出靈敏度；

(3)采用超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)高壓電纜鋁護(hù)套時(shí)，缺陷判別與定位較易實(shí)現(xiàn)，但是缺陷的尺寸定量與缺陷分類定性還需通過對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)一步處理來提取波形特征來實(shí)現(xiàn)。

在下一階段的研究中，本研究將通過在實(shí)際在役電纜中進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)效果，在役電纜鋁護(hù)套長(zhǎng)度遠(yuǎn)長(zhǎng)于試驗(yàn)鋁護(hù)套，所處環(huán)境也更為復(fù)雜，可能需要對(duì)導(dǎo)波換能器、信號(hào)處理算法等進(jìn)行進(jìn)一步的改善，以提高導(dǎo)波檢測(cè)距離及檢測(cè)信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)效果。

[1] 孫玉嬌,周勤勇,申 洪.未來中國(guó)輸電網(wǎng)發(fā)展模式的分析與展望[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(7)：1929-1935.

[2] 姚美齊,李乃湖.歐洲超級(jí)電網(wǎng)的發(fā)展及其解決方案[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(3):549-555.

[3] 楊俊家，吳宗新，孫 青.高壓XLPE絕緣電力電纜皺紋鋁護(hù)套的應(yīng)用[J].電線電纜，2003(4)：44-45.

[4] 來立永.輸電電纜故障樹的建立及典型故障分析碩士學(xué)位論文[D].廣州：華南理工大學(xué)電力學(xué)院，2014.

[5] 李 浪.高壓電力電纜故障原因分析和試驗(yàn)方法的研究[D].成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2013.

[6] 竺 冉.磁致伸縮縱向?qū)Р▊鞲衅髟O(shè)計(jì)和應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2011.

[7] 梁鴻生，劉慶豐，方永興.電纜鋁護(hù)套厚度在線測(cè)量的研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，14(4)：347-352.

[8] 張小偉,唐志峰,呂福在,等.基于半解析有限元法的多層管超聲導(dǎo)波數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(8)：10-16.

[9] 張小偉.扭轉(zhuǎn)波檢測(cè)管道橫向和縱向缺陷的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[R].2012遠(yuǎn)東無損檢測(cè)新技術(shù)論壇，南京：江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，2012.

[10] LEINOV E, LOWE M J S, CAWLEY P. Investigation of guided wave propagation and attenuation in pipe buried in sand[J].JournalofSoundandVibration,2015(347):96-114.

[11] NASEDKINA A A, ALEXIEV A, MALACHOWSKI J. Numerical simulation of ultrasonic torsional guided wave propagation for pipes with defects[M]. Berlin: Springer International Publishing,2016.

[12] 馬書義,武湛君,劉科海,等.管道變形損傷超聲導(dǎo)波檢測(cè)試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(14):1-8.

[13] BURGER F A, LOVEDAY P W, LONG C S. Large scale implementation of guided wave based broken rail monitoring[C]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,2015,1650(1):771-776.

[14] COCCIA S, BARTOLI I, MARZANI A, et al. Numerical and experimental study of guided waves for detection of defects in the rail head[J].NDT&EInternational,2011,44(1)：93-100.

[15] LOVEDAY P W, LONG C S. Long range guided wave defect monitoring in rail track[J].AIPConferenceProceedings,2014,1581(1):179-185.

[16] ZHANG J, MA H, YAN W, et al. Defect detection and location in switch rails by acoustic emission and Lamb wave analysis: a feasibility study[J].AppliedAcoustics,2016(105):67-74.

[17] 盧 超,李 誠(chéng),?？〗?鋼軌軌底垂直振動(dòng)模式導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的試驗(yàn)研究[J].試驗(yàn)力學(xué),2012,27(5):593-600.

[18] 劉 洋.磁致伸縮導(dǎo)波錨桿無損檢測(cè)試驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2010.

[19] 馬潔騰.超聲導(dǎo)波在錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究[D].太原：太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，2013.

[20] 潘立業(yè).超聲導(dǎo)波在錨桿中的傳播速度的試驗(yàn)和模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，2013.