基于超聲的高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)定位檢測

摘 "要： 采用相控陣技術(shù)可以檢測高壓電纜中間接頭內(nèi)部鉛封缺陷，但此技術(shù)的成功應(yīng)用是建立在接頭結(jié)構(gòu)清晰及鉛封位置明確的基礎(chǔ)上。由于高壓電纜中間接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝后無法確定鉛封準(zhǔn)確位置，導(dǎo)致缺陷識別困難、檢出率低。為此，提出一種基于超聲的高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)定位檢測方法。首先，根據(jù)中間接頭實物建立不同結(jié)構(gòu)區(qū)域的模型；其次，利用Comsol仿真軟件對尾管段、鉛封邊緣段和鉛封段3個不同結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行超聲掃描分析；最后，對中間接頭不同結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行試驗。經(jīng)過對比分析可知，3.5 mm處出現(xiàn)明顯絕緣密封膠回波，熱縮管（防水膠帶）回波出現(xiàn)在34.5 mm、22 mm和24 mm處，鉛封（尾管）回波出現(xiàn)在36.5 mm、24 mm和26 mm處。試驗結(jié)果表明，所提方法能快速直觀地反映中間接頭各層的結(jié)構(gòu)信息，為高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)定位檢測提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞： 高壓電纜； 中間接頭； 多層結(jié)構(gòu)； 定位檢測； Comsol仿真； 超聲掃描

中圖分類號： TN911.23?34； TM75 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）18?0035?06

Ultrasonic based multi?layer structure location detection of high?voltage cable intermediate joint

GUO Yongyu， FANG Chunhua， ZHOU Gu， LIU Jialiang， CAI Shude

（College of Electrical Engineering amp; New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443000， China）

Abstract： The phased array technology can be used to detect the seal defects in the intermediate joint of high?voltage cable， but the successful application of this technology is based on the clear structure of the joint and the clear position of the seal. Because of the complex structure of the intermediate joint， it is difficult to determine the exact position of the seal after installation， resulting in difficult identification of defects and low detection rate. On this basis， an ultrasonic based multi?layer structure location detection method for high?voltage cable intermediate joint is proposed. The models of different structural regions are established according to intermediate joints. Comsol simulation software is used to analyze three different structural regions of the liner section， seal edge section and seal section by the ultrasonic scanning. Different structural areas of the intermediate joint are tested. After comparative analysis， it can be seen that obvious insulation sealant echoes appear at 3.5 mm， heat shrink pipe （waterproof tape） echoes appear at 34.5 mm， 22 mm and 24 mm， and lead seal （liner） echoes appear at 36.5 mm， 24 mm and 26 mm. The experimental results show that the proposed method can reflect the structure information of each layer of the intermediate joint quickly and intuitively， and provide a certain reference for the multi?layer structure location detection of the high?voltage cable intermediate joint.

Keywords： high?voltage cable; intermediate joint; multi?layer structure; location detection; Comsol simulation; ultrasonic scanning

0 "引 "言

近年來，電纜中間接頭作為電纜系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)，事故頻發(fā)，嚴(yán)重威脅到了輸電系統(tǒng)的安全性[1]。鉛封缺陷是導(dǎo)致中間接頭故障擊穿的主要原因之一。電力系統(tǒng)運行過程中，若發(fā)生鉛封故障，無法從外部判斷接頭是否故障。這是因為鉛封位于中間接頭深層，其上有保護(hù)盒、絕緣密封膠和熱縮管等多層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在檢測鉛封缺陷前無法準(zhǔn)確地定位鉛封。因此，亟需一種能夠在不拆除外保護(hù)盒的情況下，對鉛封缺陷檢測提供準(zhǔn)確定位的方法，從而判斷中間接頭是否故障，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。目前多層結(jié)構(gòu)檢測方法有紅外熱波、超聲等，但當(dāng)檢測目標(biāo)的聲衰減較大時，紅外熱波等方法難以有效應(yīng)用[2]。超聲波具有穿透力強(qiáng)、檢測速度快、定位精確、檢測范圍廣等優(yōu)點[3?5]，目前已廣泛應(yīng)用于電纜終端附件檢測，并取得了良好的檢測效果[6]。對于多層結(jié)構(gòu)檢測，劉嘉同等采用超聲法對多層結(jié)構(gòu)界面粘接進(jìn)行檢測，驗證其對深層結(jié)構(gòu)檢測的可行性[7?8]。馮君偉等采用超聲法對多層復(fù)合材料框架膠接接頭進(jìn)行檢測，證實了通過波形圖譜可判斷內(nèi)外不同結(jié)構(gòu)聲阻抗差異，并能分辨來自膠層上下界面的回波[9]。徐浪采用超聲縱波對CFRP?鋁多層結(jié)構(gòu)脫粘缺陷回波信號幅值及相位進(jìn)行分析，成功檢測出了CFRP?鋁多層結(jié)構(gòu)脫粘缺陷[10]。文獻(xiàn)[11]提出了一種適用于多層結(jié)構(gòu)的超聲層析法，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)和特殊材料的檢測中得到了有效的應(yīng)用。

然而，目前多層結(jié)構(gòu)檢測主要集中于復(fù)合材料界面脫粘定位研究、多層殼體檢測、金屬?橡膠結(jié)構(gòu)等，對于異種材料多層結(jié)構(gòu)[12]中聲速導(dǎo)致波形變化規(guī)律的研究較少。因此，本文采用超聲波檢測技術(shù)對高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位檢測，根據(jù)中間接頭的結(jié)構(gòu)，將其分為尾管段、鉛封邊緣段和鉛封段三個區(qū)域并進(jìn)行超聲回波對比分析；同時，利用Comsol仿真軟件建立三個不同區(qū)域的模型進(jìn)行仿真分析。根據(jù)超聲波在多層結(jié)構(gòu)下的傳播規(guī)律和特性，通過對仿真和試驗結(jié)果進(jìn)行分析，驗證了超聲對高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)鉛封定位檢測的可行性。

1 "超聲波傳播規(guī)律及模型建立

1.1 "超聲波傳播規(guī)律

多層結(jié)構(gòu)超聲波檢測主要是采用超聲縱波垂直入射獲取其回波。超聲縱波檢測時，超聲探頭發(fā)射的超聲波垂直入射進(jìn)入第1層介質(zhì)，當(dāng)聲波到達(dá)第二層界面時，一部分透射到下一層，另一部分反射到第1層介質(zhì)表面，其中一部分進(jìn)入超聲探頭，一部分又向下反射；同理進(jìn)入下一層的超聲波在遇到第三、四層界面時，同樣也發(fā)生多次透射和反射。本文根據(jù)采集到的回波幅值能量的大小來分辨不同層的材料屬性，從而達(dá)到定位檢測的目的。

當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，如果兩者的聲阻抗不同，根據(jù)不同介質(zhì)聲阻抗[Zi]決定聲波在不同介質(zhì)層的反射率[Rij]和透射率[13][Tij]，公式如下：

[Rij=Zj-ZiZi+Zj， i，j=1，2，…，5] （1）

[Tij=2ZjZi+Zj， i，j=1，2，…，5] （2）

如圖1所示，超聲波由上層介質(zhì)進(jìn)入下層介質(zhì)，結(jié)合不同介質(zhì)的衰減系數(shù)[αi]、入射波[Tr]和聲壓[Pr]，從而計算出不同界面的反射聲壓[Pi]，分別為：

[P1=1-ASR12Prα21P2=1-ASPrT12R23T21α21α22P3=1-ASPrT12T23R34T32T21α21α22α23P4=1-ASPrT12T23T34R45T34T32T21α21α22α23α24] （3）

超聲波在多層結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律由不同單層對聲波的作用組合形成，大體分為如下3種形態(tài)：

[R（n-1）（n-1）=T（n-1）（n）T（n）（n-1）R（n）（n+1）z-2dncnz-2αndn1-R（n）（n-1）R（n）（n+1）z-2dncnz-2αndnT（n-1）（n+1）=T（n-1）（n）T（n）（n+1）z-dncnz-αndn1-R（n）（n-1）R（n）（n+1）z-2dncnz-2αndnT（n+1）（n-1）=T（n+1）（n）T（n）（n-1）z-dncnz-αndn1-R（n）（n-1）R（n）（n+1）z-2dncnz-2αndn] （4）

式中：[dn]為[n]層厚度；[cn]為[n]層介質(zhì)聲速；[R（n-1）（n-1）]為從第[n-1]層射入第[n]層，經(jīng)過第[n]層反射回到第[n-1]層的聲波信號；[T（n-1）（n+1）]為從第[n-1]層射入第[n]層，經(jīng)過第[n]層透射進(jìn)入第[n+1]層的聲波信號；[T（n+1）（n-1）]為從第[n+1]層射入第[n]層，經(jīng)過第[n]層透射進(jìn)入第[n-1]層的聲波信號。

本文采用超聲垂直入射對中間接頭多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位檢測。為了清晰地觀察中間接頭多層結(jié)構(gòu)中的回波狀況，采用Comsol有限元軟件的固體力學(xué)模塊對超聲波在介質(zhì)中傳播進(jìn)行仿真分析。

仿真模型采用經(jīng)Hanning窗調(diào)制的超聲正弦波脈沖信號，以力載荷的方式施加在模型材料表面，模擬直徑為10 mm晶片的超聲探頭進(jìn)行聲場激勵和回波信號的接收。超聲定位檢測涉及的材料超聲傳播特性參數(shù)如表1所示。

本文利用瞬態(tài)激勵脈沖模擬超聲信號，對試件在豎直載荷作用下的超聲傳輸特性進(jìn)行了研究。激勵信號由對應(yīng)的高斯窗口函數(shù)來調(diào)制，激勵信號函數(shù)如下：

[F（t）=121-cos2πf0t3sin2πf0t， "0≤tlt;3T] （5）

式中：[F（t）]為施加的激勵載荷；[f0]為激勵信號的中心頻率；[t]為時間；[T]為激勵信號周期。

將超聲激勵信號中心頻率調(diào)制為2 [MHz]，激勵信號波形如圖2所示。

1.2 "模型建立

高壓電纜中間接頭制作完成之后，在其上包裹保護(hù)盒，如圖3a）所示。保護(hù)盒機(jī)械強(qiáng)度高、抗壓性能好，主要作用是保護(hù)電纜不被壓壞和絕緣。從保護(hù)盒表面看，由中間大內(nèi)徑向兩端小內(nèi)徑延伸，鉛封的位置可能在如圖3b）所示的①、②、③處。

根據(jù)中間接頭不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)，將中間接頭劃分為尾管段、鉛封邊緣段、鉛封段三個不同區(qū)域，仿真模型如圖4所示。尾管段結(jié)構(gòu)模型從上往下依次是保護(hù)盒、絕緣密封膠、防水膠帶和尾管；鉛封邊緣段結(jié)構(gòu)模型從上往下依次是保護(hù)盒、絕緣密封膠、熱縮管和鑲嵌在鉛封的尾管；鉛封段結(jié)構(gòu)模型從上往下依次是保護(hù)盒、絕緣密封膠、熱縮管和鉛封。

2 "中間接頭多層結(jié)構(gòu)掃描聲場分析

2.1 "中間接頭尾管段聲場分析

當(dāng)聲波從保護(hù)盒向下傳播，聲波遇見絕緣密封膠時，由于兩種介質(zhì)聲阻抗不同，超聲波會發(fā)生透射和反射。尾管段瞬態(tài)仿真聲場見圖5。超聲波到達(dá)不同結(jié)構(gòu)層，其反射回波一段時間后被換能器接收，透射波繼續(xù)縱向傳播。時間為0.5 μs時聲波到達(dá)絕緣密封膠層，8 μs時到達(dá)防水膠帶，9.3 μs到達(dá)尾管，10.2 μs到達(dá)尾管底部。到達(dá)不同聲阻抗結(jié)構(gòu)層超聲反射回波見圖6，超聲探頭在16.2 μs、18.6 μs和20.6 μs接收到反射回波。

2.2 "中間接頭鉛封邊緣段聲場分析

鉛封邊緣段瞬態(tài)仿真聲場如圖7所示，由于不同區(qū)域段第一層都為固定厚度和材料的保護(hù)盒，聲波都在0.5 μs時到達(dá)絕緣密封膠。當(dāng)時間為6.5 μs時到達(dá)熱縮管，8.2 μs時到達(dá)鉛封，9.0 μs時到達(dá)尾管。到達(dá)不同結(jié)構(gòu)界面反射回波如圖8所示，探頭在13.6 μs、16.8 μs和18.3 μs接收到反射回波。

2.3 "中間接頭鉛封段聲場分析

透射波經(jīng)6.2 μs到達(dá)熱縮管，7.8 μs到達(dá)鉛封，在9.6 μs時到達(dá)鉛封底部，瞬態(tài)仿真聲場如圖9所示。分別在保護(hù)盒、絕緣密封膠、熱縮管和鉛封上放置一個回波傳感器，保護(hù)盒表面接收到的回波即為超聲探頭接收到的回波，其他傳感器能表示出聲波到達(dá)該點和反射回該點的信號。各傳感器接收的信號如圖10所示。圖中一二層為傳感器位于絕緣密封膠表面接收到的超聲信號，二三層為傳感器位于熱縮管表面接收到的超聲信號，三四層為傳感器位于鉛封表面。超聲探頭在12.9 μs接收到熱縮管的反射信號，在16.5 μs接收到鉛封的反射信號。

由于鉛封在底層，密度相對較大，聲阻抗較大，聲波經(jīng)過多層不同聲阻抗介質(zhì)有一定的衰減。從結(jié)果來看，盡管在18 μs后噪聲較為頻繁，但還是較為容易地在19.6 μs接收到較高幅值的底波信號。因此，可以在不拆卸外絕緣保護(hù)盒的情況下定位中間接頭不同結(jié)構(gòu)的位置。

3 "中間接頭鉛封定位及檢測試驗

3.1 "試驗試樣

高壓電纜中間接頭試樣見圖11。保護(hù)盒采用玻璃鋼材質(zhì)的四合一阻燃保護(hù)盒，經(jīng)液狀的雙組份澆注樹脂（絕緣密封膠）與尾管和帶有熱縮管的鉛封膠合，待靜置24 h以上可完全凝固。

3.2 "試驗準(zhǔn)備

電纜中間接頭鉛封定位檢測試驗裝置如圖12所示，由電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)樣品、超聲探頭、控制顯示系統(tǒng)組成。在檢測過程中，將超聲探頭通過耦合劑向下透射到保護(hù)盒內(nèi)部，超聲反射信號經(jīng)過控制顯示系統(tǒng)處理，將反射信號通過數(shù)字轉(zhuǎn)化的形式轉(zhuǎn)化為一維波形圖，并在控制顯示系統(tǒng)上呈現(xiàn)。

為保證良好的檢測效果，使超聲探頭和試樣之間避免空氣的存在；并采用甘油作為耦合劑，其優(yōu)點是透聲效果好，對聲接觸壓力不敏感，適用于表面光潔的工件。由于保護(hù)盒表面光滑，可將超聲探頭直接與耦合劑接觸。

4 "中間接頭試樣定位檢測波形分析

4.1 "尾管段波形分析

使用超聲設(shè)備對電纜中間接頭尾管段進(jìn)行掃描檢測，檢測結(jié)果如圖13所示。在3.5 mm、34.5 mm、36.5 mm和47.5 mm處出現(xiàn)明顯的回波信號，通過位置可以知道分別是絕緣密封膠回波、防水膠帶回波、尾管回波和尾管底波。定位過程中會出現(xiàn)一些雜波，主要原因是超聲探頭與一定弧度的保護(hù)盒表面不能完全緊密結(jié)合。

4.2 "鉛封邊緣段波形分析

移動超聲探頭在鉛封邊緣段掃描時的回波信號見圖14，可知絕緣密封膠回波、熱縮管回波、鉛封回波和尾管回波分別出現(xiàn)在3.5 mm、22 mm、24 mm和32.5 mm。

由于鉛封邊緣處一部分尾管鑲嵌在鉛封中，層間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以在密封膠底波前會出現(xiàn)較多的干擾信號，但通過位置信息依然可以觀察到鉛封邊緣的各層回波定位信息。

4.3 "鉛封段波形分析

移動超聲探頭在鉛封段掃描得到的檢測結(jié)果如圖15所示，在3.5 mm、24 mm、26 mm和38 mm處可以觀察到絕緣密封膠、熱縮管和鉛封的各層回波定位信息。

從仿真和試驗結(jié)果可知，通過中間接頭不同區(qū)域的多層結(jié)構(gòu)超聲回波，可以準(zhǔn)確地定位不同聲阻抗結(jié)構(gòu)，也驗證了不同聲阻抗材料不會對超聲檢測結(jié)果造成影響。

5 "結(jié) "論

1） 利用Comsol仿真軟件建立高壓電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行仿真分析，研究了多層結(jié)構(gòu)的超聲波傳播特性，得出利用回波信號可以識別出每一層的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到對電纜中間接頭鉛封定位檢測的目的。

2） 采用超聲檢測方法對電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗檢測，通過不同結(jié)構(gòu)聲阻抗回波特性和厚度信息，能清晰地辨別各層結(jié)構(gòu)的位置信息。

3） 通過對電纜中間接頭多層結(jié)構(gòu)定位檢測，驗證了不拆卸中間接頭外絕緣保護(hù)盒的情況下，對鉛封進(jìn)行定位檢測的可行性。

注：本文通訊作者為郭永玉。

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