高壓電纜終端鉛封缺陷超聲檢測方法研究

方春華， 胡凍三， 郭凱歌， 盧佳楊， 陳 杰， 曹京滎， 陶玉寧

(1. 三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002; 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000)

0 引 言

高壓電纜終端由尾管、鋁護套、鉛封等材料制成，是輸電線路重要組成部分。搪鉛作為高壓電纜終端附件制作的關(guān)鍵工藝之一，其現(xiàn)場制作質(zhì)量直接影響高壓電纜安全穩(wěn)定運行[1-2]。

目前高壓電纜附件制作仍大量依靠人工現(xiàn)場作業(yè)，諸如導(dǎo)線壓接、附件銅管-電纜鋁套鉛封密封等工藝，安裝質(zhì)量不合格及運行過程中受外力或震動影響將導(dǎo)致電纜終端鉛封出現(xiàn)裂紋和孔洞等缺陷，嚴重時引起電網(wǎng)非計劃停運事故[3-5]。為確保電纜本體及其附件安全穩(wěn)定運行，并且能夠掌握高壓電纜終端處鉛封內(nèi)部是否存在缺陷以及缺陷的類型和大小，迫切需要研究出能夠快速、準確檢測出電纜終端鉛封內(nèi)部缺陷的有效方法。

目前X射線檢測、紅外線檢測、局部放電檢測、電場分布式檢測、金屬護層接地電流檢測等多種檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電力電纜附件缺陷診斷[6]。實際電纜終端鉛封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且這些方法存在操作復(fù)雜、檢測耗時長、成像不明顯、檢測精度不高等問題，都無法有效運用到電纜終端鉛封缺陷檢測之中。超聲缺陷檢測方法具有操作便捷、成本低、檢測速度快、缺陷定位準確等突出優(yōu)點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于絕緣子、管道、板類構(gòu)件等缺陷檢測，并取得了較好的檢測效果[7-8]。

謝從珍等[9]使用常規(guī)超聲無損檢測方法對復(fù)合絕緣子內(nèi)部氣孔缺陷進行檢測，可檢測出較小的氣孔缺陷，驗證了超聲波對復(fù)雜結(jié)構(gòu)物體內(nèi)部缺陷檢測的可行性。但該方法無法讓超聲探頭與曲率較大的物體實現(xiàn)良好耦合。高英等[10]采用超聲脈沖回波法對浸泡在水中的復(fù)合絕緣子內(nèi)部缺陷進行檢測，可檢測傘裙中微小缺陷。該方法可以實現(xiàn)超聲檢測曲率較大的物體，但是需要將待檢測物體浸泡在水中，會影響被檢測物體后期使用。薛光輝等[11]利用超聲檢測技術(shù)對壓接工件壓接質(zhì)量的檢測，徑向和軸向檢測精度可達0.1 mm，驗證了超聲檢測技術(shù)對壓接質(zhì)量檢測的可行性和有效性。Wang等[12]通過對點焊易出現(xiàn)的壓痕、裂紋、縮孔缺陷分別建立仿真模型，分析聲波在不同缺陷情況下的傳播影響規(guī)律。曹俊平等[13]運用了渦流檢測方法對高壓電纜終端鉛封開裂缺陷進行實驗，取得良好效果。但該方法存在一定局限性，只能檢測鉛封開裂缺陷，并不能有效檢測出鉛封內(nèi)部以及鉛封與鋁護套層間缺陷。電纜終端鉛封因材料和結(jié)構(gòu)特殊性，采用超聲波檢測技術(shù)實現(xiàn)無損檢測的可行性亟需研究。

本文采用超聲波檢測技術(shù)對電纜終端鉛封典型缺陷檢測進行研究，利用多物理場仿真軟件COMSOL分析聲波在高壓電纜終端鉛封存在不同缺陷情況下的傳播特性和規(guī)律，同時制作鉛封典型缺陷樣品進行超聲缺陷檢測試驗，通過對仿真和試驗結(jié)果進行分析，確定超聲波檢測技術(shù)對電纜終端鉛封缺陷檢測的可行性。

1 超聲檢測原理與模型建立

1.1 超聲檢測理論

超聲波是一種頻率高于20 kHz的彈性振動波，常用于超聲無損檢測的頻率范圍為0.5～10 MHz，其傳播過程遵循牛頓第二定律、能量守恒定律和動量守恒定律。由于不同材料聲學(xué)性質(zhì)差異，超聲波從一種介質(zhì)透射進入聲阻抗不同的另外一種介質(zhì)時，會在異質(zhì)界面發(fā)生折射、反射現(xiàn)象，兩種介質(zhì)的聲阻抗差值越大，反射程度也會越強。

如圖1所示，當(dāng)聲波由介質(zhì)1垂直入射介質(zhì)2中，介質(zhì)1和介質(zhì)2的聲阻抗分別為z1和z2，入射波Io的一部分變?yōu)橥干洳?，其聲強為It，另一部分能量從介質(zhì)1與介質(zhì)2的界面反射回來，為反射波，聲強為Ir，根據(jù)能量守恒定律[14]：

圖1 聲波垂直入射時的反射和透射

在實際現(xiàn)場測試過程中，反射波聲壓、入射波聲壓、透射波聲壓分別為Pr，Po，Pt，則界面上的聲壓反射系數(shù)R、聲強透射系數(shù)T可以表示為：

鉛封缺陷測試涉及的材料超聲傳輸參數(shù)如表1所示。當(dāng)超聲波束被鉛封與鋁護套界面反射時，其聲壓反射系數(shù)R=0.18，反射系數(shù)很小，說明超聲波束在此界面不容易被發(fā)射；當(dāng)超聲波束被含有空氣的缺陷反射時，由于空氣聲阻抗值幾乎為零，其聲壓反射系數(shù)為R=-1。

表1 超聲波傳輸參數(shù)

本文采用瞬態(tài)驅(qū)動脈沖模擬超聲波，研究了垂直加載于模型表面超聲波的傳播特性。通過相應(yīng)的高斯窗函數(shù)對驅(qū)動信號進行調(diào)制，驅(qū)動信號函數(shù)為

式中：f——換能器的中心頻率；

t——時間變量；

T0——驅(qū)動信號周期。

將信號中心頻率設(shè)置為5 MHz，激勵信號波形如圖2所示。

圖2 激勵信號波形圖

1.2 超聲聲場仿真模型

電纜終端鉛封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面呈圓弧形、曲率較大、超聲耦合困難，聲波在其內(nèi)部傳播情況較為復(fù)雜，為更清晰了解鉛封內(nèi)部聲波傳播情況，應(yīng)用COMSOL聲-固耦合場對電纜終端鉛封缺陷進行超聲仿真計算。仿真模型中對探頭、終端鉛封、缺陷結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化，采用限制適當(dāng)邊界條件的二維模型模擬三維仿真計算，模型如圖3所示。鉛封底部長度為10 cm，最厚位置為3 cm，鉛封內(nèi)部缺陷直徑為1 mm，鉛封與鋁護套層間位置的缺陷直徑為3 mm。

圖3 電纜終端鉛封仿真模型

2 電纜終端鉛封缺陷聲場特征

2.1 鉛封內(nèi)部缺陷

對鉛封中出現(xiàn)的缺陷進行超聲檢測模擬，研究鉛封缺陷對超聲傳播特性的影響。當(dāng)鉛封內(nèi)部缺陷距上表面1 cm處時，內(nèi)部聲場瞬態(tài)分布仿真結(jié)果如圖4所示。超聲波在鉛封內(nèi)部傳播的過程中，會在缺陷處發(fā)生反射和透射。當(dāng)時間為2.7 μs時，聲波到達缺陷位置，缺陷反射回波在5.4 μs時到達探頭與鉛封表面耦合處，缺陷透射波在7.06 μs時到達底部鋁護套位置處。內(nèi)部缺陷回波如圖5所示，在回波三分之一位置處，出現(xiàn)明顯的內(nèi)部缺陷反射回波，與仿真模型中內(nèi)部缺陷位置吻合較好。鉛封底部鋁護套為波紋狀，對超聲會有反射和散射影響，使底面反射回波有明顯衰減。

圖4 內(nèi)部缺陷瞬態(tài)聲場分布圖

圖5 鉛封內(nèi)部缺陷回波

2.2 鉛封層間缺陷

鉛封層間缺陷位于鉛封與鋁護套粘接位置處，內(nèi)部聲場瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖6所示。當(dāng)時間為6.5 μs時，聲波到達缺陷位置，部分聲波被反射，缺陷反射回波在12.58 μs時到達探頭與鉛封表面耦合處，被探頭接收到。層間缺陷回波如圖7所示，在鋁護套底面回波前面出現(xiàn)幅值較大層間缺陷回波，與仿真模型中層間缺陷的位置吻合較好。

圖6 層間缺陷瞬態(tài)聲場分布圖

圖7 鉛封層間缺陷回波圖

2.3 鉛封內(nèi)部與層間缺陷

為進一步研究鉛封內(nèi)部同時存在多種缺陷時對超聲傳播特性的影響規(guī)律，建立內(nèi)部缺陷和層間缺陷同時存在的模型，觀察其對超聲缺陷檢測的影響。圖8為內(nèi)部聲場瞬態(tài)分布情況，聲波在兩處缺陷位置處發(fā)生反射和透射現(xiàn)象。圖9為超聲缺陷回波圖，整個缺陷回波波形中出現(xiàn)了2個明顯的缺陷回波，通過位置判斷分別為內(nèi)部缺陷和層面缺陷回波，說明隨著鉛封缺陷位置的變化，缺陷反射回波隨之移動，與仿真模型中鉛封缺陷的位置吻合較好。

圖8 內(nèi)部和層間缺陷瞬態(tài)聲場分布圖

圖9 鉛封內(nèi)部和層間缺陷回波圖

3 電纜終端鉛封缺陷試驗

3.1 試驗樣品

高壓電力電纜系統(tǒng)運行中常見的終端鉛封故障如圖10所示。

圖10 高壓電纜鉛封故障

為模擬電纜終端鉛封在電網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)的缺陷，本文制作3種人工缺陷試樣：鉛封內(nèi)部缺陷試樣、鉛封層間缺陷試樣、內(nèi)部和層間缺陷同時存在的試樣。

缺陷制作方法：電纜終端處的鉛封是使用澆鉛法或觸鉛法制作完成的，在制作鉛封缺陷試樣時，人工無法直接模擬出氣孔、裂紋和脫粘等缺陷，可采用與鉛封聲阻抗差異比較大的黏性物質(zhì)代替氣孔，圖11為鉛封缺陷制作圖、鉛封缺陷位置示意圖和試樣外觀圖。

圖11 電纜終端鉛封試樣

3.2 實驗平臺

電纜終端鉛封缺陷檢測試驗裝置如圖12所示，主要由電纜終端鉛封樣品、超聲探頭、電源、數(shù)字控制器和顯示系統(tǒng)組成。在檢測過程中，超聲探頭通過耦合劑與鉛封表面直接接觸，超聲波在耦合劑作用下透射進入鉛封樣品內(nèi)部，反射信號經(jīng)過數(shù)字控制器處理后，將反射信號轉(zhuǎn)換成波形呈現(xiàn)在顯示系統(tǒng)界面上。

圖12 電纜終端鉛封缺陷檢測實驗裝置

鉛封表面曲率大，直接將超聲探頭與鉛封表面接觸進行缺陷檢測，耦合性差，故本文采用水浸法將超聲探頭放置在底部用硅橡膠薄膜密封的裝置中，與傳統(tǒng)水浸法將檢測樣品直接放置在水中相比，將超聲探頭放置在水中進行缺陷檢測，不會對檢測樣品造成影響。在實際測試中，向裝置中注入水作為耦合劑，將裝置放置在待檢測的樣品上方，硅橡膠薄膜具有很好的彈性，可以實現(xiàn)裝置中水與鉛封良好的耦合。

4 鉛封典型缺陷波形識別與分析

4.1 鉛封內(nèi)部缺陷

使用超聲設(shè)備對鉛封中僅存內(nèi)部缺陷試樣進行檢測，A掃回波如圖13所示。14.4～18.0 mm處出現(xiàn)較為明顯的缺陷回波信號，通過位置可以知道，其屬于鉛封內(nèi)部缺陷回波，缺陷回波前面出現(xiàn)部分雜波，其主要原因是水平超聲探頭與具有一定弧度的鉛封表面不能完全緊密貼合。

圖13 鉛封內(nèi)部缺陷回波圖

4.2 鉛封層間缺陷

當(dāng)缺陷位于鉛封與鋁護套層間位置時，對應(yīng)的A掃超聲回波如圖14所示，缺陷回波位于25.2～28.8 mm處。可以發(fā)現(xiàn)，隨著缺陷與超聲探頭的距離發(fā)生變化，超聲設(shè)備成像的缺陷回波位置也會發(fā)生相應(yīng)變化；與內(nèi)部缺陷回波進行對比，層間缺陷回波到超聲探頭的距離比內(nèi)部缺陷回波到超聲探頭的距離遠，與實際情況相符，即可以通過缺陷回波可以判斷缺陷位置。

圖14 鉛封與鋁護套層間缺陷回波圖

4.3 鉛封內(nèi)部和層間缺陷

當(dāng)電纜終端鉛封試樣在其內(nèi)部和層間位置都存在缺陷時，如圖15所示，A掃回波在18.0～21.6 mm和25.2～28.8 mm位置處出現(xiàn)兩處幅值較高的缺陷回波，與前面兩次試驗結(jié)果進行對比，兩處缺陷回波分別為內(nèi)部缺陷和層間缺陷的回波，說明隨著缺陷距離探頭的距離發(fā)生改變，超聲設(shè)備檢測對應(yīng)的缺陷回波位置也會發(fā)生相應(yīng)變化。

圖15 電纜鉛封內(nèi)部缺陷和層間缺陷回波圖

從仿真和檢測試驗結(jié)果可知，鉛封中不同位置同時存在缺陷時，使用超聲檢測方法，通過缺陷回波可以準確判斷出鉛封中是否存在缺陷以及缺陷類型，也驗證了不同位置的缺陷不會對超聲檢測結(jié)果造成影響。

5 結(jié)束語

1）利用COMSOL多物理場軟件模擬存在氣孔缺陷的電纜終端鉛封缺陷檢測，研究了不同位置鉛封缺陷對超聲波傳播特性的影響。結(jié)果表明，超聲波會在缺陷位置處發(fā)生反射和透射，隨著缺陷位置的變化，缺陷回波也會隨之移動。

2）采用超聲檢測方法對電纜終端鉛封缺陷進行檢測試驗，可以檢測出鉛封內(nèi)部缺陷和層間缺陷，缺陷回波清晰，并且能夠同時分辨出兩處不同位置的缺陷。

3）超聲檢測方法克服了鉛封缺陷檢測困難的問題，通過對鉛封缺陷試樣進行檢測試驗，驗證了該方法應(yīng)用于鉛封缺陷檢測的可行性，使電纜終端鉛封缺陷在線檢測成為可能。