基于非線性超聲導(dǎo)波的高壓電纜瓷套式終端液位檢測(cè)

周孜毅　祁宏昌　劉遠(yuǎn)　黃嘉盛　吳倩　洪曉斌

摘要：瓷套式高壓電纜終端內(nèi)部油液泄漏間題是關(guān)系到高壓電纜正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素，該文提出一種基于非線性超聲導(dǎo)波的液位檢測(cè)方法。首先，分析非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)機(jī)理并確定激勵(lì)頻率;其次，采用離散傅里葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域并計(jì)算不同液位高度的非線性系數(shù);最后，搭建瓷套管液位檢測(cè)平臺(tái)并進(jìn)行系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于瓷套管內(nèi)油液的存在，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)明顯下降;非線性系數(shù)隨著液位高度的增加也不斷增加，可以有效評(píng)估瓷套管內(nèi)液位高度。

關(guān)鍵詞：非線性超聲導(dǎo)波;高壓電纜;瓷套式終端;液位檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0134-05

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化水平的不斷提升，對(duì)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和質(zhì)量提出了更高的要求。高壓電纜因其輸電容量大、傳輸距離遠(yuǎn)和傳輸損耗低等特點(diǎn)，逐步成為現(xiàn)代電網(wǎng)中不可替代的組成部分。作為高壓電纜常用的戶外終端，瓷套式終端（瓷套管）具有穩(wěn)定性好、耐腐蝕、耐老化等優(yōu)點(diǎn)。在工作過(guò)程中，通常將硅油作為絕緣和冷卻介質(zhì)充入瓷套管內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)高壓電纜與外界的絕緣及散熱功能，保護(hù)高壓電纜正常安全運(yùn)行。然而，瓷套管內(nèi)部的絕緣介質(zhì)會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而出現(xiàn)損耗或泄露。瓷套管內(nèi)油量的減少會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)分布發(fā)生變化，從而引起瓷套管局部發(fā)熱異?；蚪宇^擊穿，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致瓷套管的爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至危及人員生命安全。

對(duì)瓷套管內(nèi)部油液高度進(jìn)行檢測(cè)是避免事故發(fā)生的一種有效方法。瓷套管內(nèi)部油液發(fā)生泄漏通常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，在油液高度低于安全高度之前如果能夠及時(shí)檢測(cè)出油液高度就可判斷是否存在泄漏現(xiàn)象。目前，使用較多的檢測(cè)方法仍然采取比較原始的離線斷電檢測(cè)法，通過(guò)斷電時(shí)人工目視對(duì)油液高度進(jìn)行判斷，檢測(cè)效率低。為實(shí)現(xiàn)瓷套管液位的帶電檢測(cè)，部分研究學(xué)者采用超聲回波法進(jìn)行檢測(cè)。程明等[1]簡(jiǎn)化了瓷套管試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)超聲回波信號(hào)在時(shí)域和頻域內(nèi)幅值的大幅下降來(lái)判斷瓷套管內(nèi)是否含油，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)瓷套管內(nèi)液位的定點(diǎn)檢測(cè)。莫潤(rùn)陽(yáng)等[2]對(duì)瓷套管回波次數(shù)及其幅值進(jìn)行分析，并研究了信號(hào)的衰減規(guī)律，提出根據(jù)回波次數(shù)和衰減曲線的斜率作為瓷套管內(nèi)油液高度的判斷的依據(jù)。然而，基于超聲回波信號(hào)的液位檢測(cè)方法只能實(shí)現(xiàn)液位高度的定點(diǎn)檢測(cè)，而瓷套管本身除上下端面處，其他部位受傘裙影響難以放置超聲探頭，限制了超聲回波法的檢測(cè)區(qū)域。

與此同時(shí)，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有傳播距離長(zhǎng)、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于密閉容器體結(jié)構(gòu)內(nèi)部液位的檢測(cè)。何存富等[3]建立了單面液體負(fù)載薄板模型并推導(dǎo)了其蘭姆波特征方程，最后利用蘭姆波在液體負(fù)載平板傳播的衰減特性實(shí)現(xiàn)了大型罐體內(nèi)部液位的定點(diǎn)檢測(cè)。徐鴻等[4]研究發(fā)現(xiàn)利用覆水平板中存在的Quasi-Scholte模態(tài)與自由平板中存在的AO模態(tài)在波速上存在的差異，可以通過(guò)導(dǎo)波到達(dá)的時(shí)間檢測(cè)密閉容器內(nèi)部液位高度。另一方面，將非線性聲學(xué)融人超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[5]。非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)通過(guò)利用超聲波與缺陷或界面相互作用產(chǎn)生的非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)微損傷的檢測(cè)[6_71O馮偉等[8]搭建了基于非線性超聲檢測(cè)技術(shù)的多點(diǎn)快速檢測(cè)系統(tǒng)，可快速實(shí)現(xiàn)鋁合金疲勞損傷區(qū)域的初步定位。陳小佳等191利用材料受損后產(chǎn)生的非線性效應(yīng)對(duì)混凝土材料的微裂縫進(jìn)行檢測(cè)，證明該方法對(duì)其微裂縫缺陷的檢測(cè)十分有效。李海洋等[10]采用非線性系數(shù)表征Q235鋼的疲勞損傷程度，發(fā)現(xiàn)非線性系數(shù)與疲勞周數(shù)呈單調(diào)遞增關(guān)系，且腐蝕環(huán)境下非線性系數(shù)會(huì)增大。然而，有關(guān)非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于瓷套管液位檢測(cè)的研究仍然涉及很少。因此，本文提出了一種基于非線性超聲導(dǎo)波的瓷套管液位檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了高壓電纜瓷套式終端內(nèi)部液位檢測(cè)，為實(shí)現(xiàn)高壓電纜瓷套式終端液位的帶電檢測(cè)奠定了研究基礎(chǔ)。

1 瓷套管非線性超聲導(dǎo)波液位檢測(cè)方法

1.1 非線性超聲導(dǎo)波基礎(chǔ)理論

超聲導(dǎo)波是指限制在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的彈性波。非線性超聲是指在傳播過(guò)程中利用超聲波與介質(zhì)或損傷的相互作用所表現(xiàn)出來(lái)的非線性特征對(duì)材料性能或其損傷進(jìn)行評(píng)估。在二階微擾近似條件下，各向同性彈性材料的一維非線性超聲波動(dòng)方程可以描述為

式中：u——位移;

t——時(shí)間;

x——聲波傳播距離;

c——波速;

β——非線性系數(shù)。

在單一諧波激勵(lì)下，非線性方程的解為

可簡(jiǎn)寫為

U（x，τ）=A⁰cos（ωτ）+A₁cos（2ωτ）x（3）

式中：A⁰、A₁——分別為基頻和二次諧波幅值;

ω——角頻率;

τ——時(shí)間常數(shù);

k——波數(shù)。

對(duì)于給定的A₀、A₁非線性系數(shù)可以表示為

從式（4）可以看出，由非線性效應(yīng)引起的二次諧波的幅值直接關(guān)系到非線性系數(shù)的變化，也就是說(shuō)非線性系數(shù)可以反映出材料中的非線性效應(yīng)。在實(shí)際檢測(cè)中常用相對(duì)非線性系數(shù)代替非線性系數(shù)：

當(dāng)超聲波在內(nèi)部含有油液的瓷套管中傳播時(shí)，油液的存在改變了瓷套管的界面特性。此時(shí)，超聲波在傳播過(guò)程中，部分基波能量向高次諧波泄漏，因此接收信號(hào)包含了高次諧波成分，其機(jī)理如圖1所示。

導(dǎo)波與介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的二次諧波主要有兩種類型：一種是自由二次諧波，隨傳播距離增加而快速衰減;另一種是積累二次諧波，隨傳播距離的增加而逐漸增長(zhǎng)。要激發(fā)具有明顯累積效應(yīng)的二次諧波，需要滿足兩個(gè)條件：一是基頻和二倍頻導(dǎo)波的相速度相互匹配，即相速度相等或相近;二是基頻和二倍頻導(dǎo)波的群速度匹配且基頻和二倍頻模式間存在非零能量流傳遞[11-12]。為選擇合適的頻率激發(fā)出積累二次諧波，繪制瓷套管的頻散曲線，如圖2所示?？梢钥闯?，基頻和二倍頻導(dǎo)波模式在150kHz和235kHz左右時(shí)速度接近。研究中選取150kHz頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2 基于離散傅里葉變換的諧波幅值提取

瓷套管中的油液改變了其界面特性，超聲導(dǎo)波在瓷套管中傳播時(shí)和其相互作用會(huì)產(chǎn)生二次諧波，而非線性系數(shù)主要反映了二次諧波的增長(zhǎng)情況。因此，通過(guò)計(jì)算非線性系數(shù)可以獲取瓷套管中的液位信息。非線性系數(shù)的計(jì)算主要與基頻及二倍頻導(dǎo)波的幅值相關(guān)。通過(guò)離散傅里葉變換可以將接收的時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，得到基頻及二倍頻導(dǎo)波的幅值信息。

對(duì)于有限長(zhǎng)序列信號(hào)x（n），0≤n≤N-1，離散傅里葉變換定義為其中，W_N=e^-i（2π/N）?？梢?jiàn)，有限長(zhǎng)序列信號(hào)x（n）的DFT仍為有限長(zhǎng)序列，且n和k都為離散變量。

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換得到幅度譜A（k），可得到信號(hào)中包含的基頻和二次諧波等分量幅值為

A_k=A（k）=|X（k）|（7）

將接收的非線性蘭姆波信號(hào)經(jīng)過(guò)降噪處理后進(jìn)行離散傅里葉變換得其幅度譜A（k），對(duì)此采用頻帶的幅值積分來(lái)表征非線性信號(hào)的特征幅值有：其中，A_si為頻帶積分幅值，（k₁，k₂）為積分區(qū)間。由式（8）依次計(jì)算基頻及二次諧波幅值，并根據(jù)式（5）可以出對(duì)應(yīng)的非線性系數(shù)，從而對(duì)瓷套管內(nèi)部液位進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為進(jìn)行瓷套管內(nèi)部液位檢測(cè)研究，搭建了基于非線性超聲導(dǎo)波的液位檢測(cè)平臺(tái)，如圖3所示。該平臺(tái)主要儀器包括：Agilent 33522B信號(hào)發(fā)生器、TREK2100HF功率放大器、拓普PCI-20614數(shù)據(jù)采集卡以及高性能PC上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先激勵(lì)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，使用功率放大器對(duì)其進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)粘貼于瓷套管頂端壓電換能器，產(chǎn)生的超聲波在瓷套管壁中傳播并由粘貼于底端的壓電換能器接收，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，接收到的信號(hào)最終傳送給高性能PC進(jìn)行分析。瓷套管為YJZWC4型110kV高壓電纜終端，總高度為1410mm。采用的壓電換能器為PZT壓電片（錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷），具有良好的壓電性能。PZT壓電片的中心頻率為2MHz，直徑為10mm，厚度1mm。PZT壓電換能器分別粘貼于瓷套管的頂部與底部距離頂部和底部端面100mm的位置，兩個(gè)PZT壓電換能器間距1210mm。其中，位于頂部位置的為激勵(lì)換能器，位于底部位置的為接收換能器。

由于傘裙的影響和能量的泄漏，瓷套管的接收信號(hào)強(qiáng)度較小。實(shí)驗(yàn)中為獲取足夠強(qiáng)的信號(hào)，采用時(shí)間持續(xù)0.1s連續(xù)正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)頻率為150kHz，幅值為V_pp=6V，經(jīng)50倍功率放大器后放大至300V。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同高度的液位進(jìn)行測(cè)量，液位從0mm開(kāi)始測(cè)量，并依次增加100mm，最終完成1400mm液位測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同液位重復(fù)采集10次信號(hào)以減小實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差。由于接收換能器位于瓷套管底部與端面距離較近，端面的反射回波對(duì)接收信號(hào)的干擾較大，因此，研究中通過(guò)截取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，截取總數(shù)據(jù)點(diǎn)為4096。由于激勵(lì)頻率為150kHz，則二次諧波頻率為300kHz。為減小低頻噪聲干擾，采用高通濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。高通濾波器的截止頻率為50kHz，增益為0dB。

圖4為液位為0mm和500mm時(shí)接收到的時(shí)域及頻域信號(hào)。從時(shí)域信號(hào)可以看出，在0mm時(shí)，信號(hào)幅值在時(shí)域上整體較高，而當(dāng)液位為500mm時(shí)，信號(hào)幅值在時(shí)域上由于信號(hào)能量泄漏到液體中整體有所下降。在頻域內(nèi)，由于二次諧波幅值整體明顯低于基頻幅值，對(duì)其局部進(jìn)行了放大。液位高度為500mm時(shí)的基頻幅值相較于0mm出現(xiàn)了較大幅度的下降，但二次諧波在幅值上并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降。由式（5）計(jì)算可知，液位高度為500mm時(shí)其非線性系數(shù)大于0mm。對(duì)不同液位高度非線性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其變化曲線如圖5所示?？梢钥闯觯?dāng)液位為0mm時(shí)，非線性系數(shù)非常小，而隨著液位高度的增加，非線性系數(shù)逐漸增加。實(shí)際上當(dāng)瓷套管內(nèi)部充人油液時(shí)，超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)泄漏到油液中而致使接收信號(hào)的能量減少，因此，隨著液位高度的增加接收信號(hào)強(qiáng)度會(huì)逐漸降低。在頻域上的表現(xiàn)就是信號(hào)主要成分的基頻信號(hào)幅值出現(xiàn)明顯的下降。另一方面，由于超聲波與固液界面相互作用的距離增加，非線性效應(yīng)會(huì)增強(qiáng)，因此非線性系數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。非線性系數(shù)可以作為液位高度評(píng)價(jià)的有效指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

瓷套式高壓電纜終端油液泄漏問(wèn)題是關(guān)系到高壓電纜正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。由于其封閉式結(jié)構(gòu)及傘裙的影響難以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部液位帶電檢測(cè)，針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種基于非線性超聲導(dǎo)波的液位檢測(cè)方法。首先將壓電換能器粘貼于瓷套管實(shí)現(xiàn)超聲波的激勵(lì)及接收，粘貼位置位于瓷套管的頂部與底部中間位置，可以有效減小傘裙對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。根據(jù)瓷套管頻散曲線，選取頻率為150kHz的正弦波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用離散傅里葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域并計(jì)算其非線性系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于瓷套管內(nèi)油液的存在，接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)的明顯的下降。在頻域內(nèi)的基頻幅值也下降明顯，非線性系數(shù)隨著液位高度的增加而逐漸增加。可以有效表征瓷套管內(nèi)部液位高度。因此，采用非線性超聲導(dǎo)波檢測(cè)法可以有效評(píng)估瓷套管內(nèi)部液位，為高壓電纜終端內(nèi)部液位的帶電檢測(cè)提供了參考。研究對(duì)于評(píng)估瓷套管液位的精度還需提高，進(jìn)一步工作可對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行研究。

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