基于超聲導波的高壓電纜鋁護套檢測技術可行性研究*

曹俊平，胡文堂，劉浩軍，王少華，伍建軍，呂福在,唐志峰

(1.國網浙江省電力公司 電力科學研究院，浙江 杭州 310014;2.浙江大學 流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；3.浙江大學 數字技術與儀器研究所，浙江 杭州 310027)

0 引 言

當今社會中，電力網絡的快速發展對于國內乃至世界的經濟建設都起著至關重要的作用[1-2]。電纜鋁護套作為電力網絡中高壓電纜的重要組成部分，主要作用有以下3個方面：鋁護套是高壓電纜的防水層，可以防止絕緣接觸到水分而產生水樹枝，起到徑向阻水作用；鋁護套應滿足電力系統要求的最大短路電流和短路持續時間，具有良好的承受短路電流的熱穩定性；鋁護套起到電纜線芯、絕緣等機械保護作用，使其免受外力破壞[3]。然而，高壓電纜鋁護套在安裝過程中易受到現場施工影響，運行過程中電纜本身的熱脹冷縮、振動以及地面沉降等原因都會導致電纜鋁護套的機械損傷。此外，在運行過程中，在潮濕環境下的酸液腐蝕和電化學腐蝕以及生物蛀蝕也會導致電纜鋁護套的結構失效，從而對電網的安全運行造成威脅[4-5]。由此可見，對于高壓電纜鋁護套缺陷的無損檢測至關重要。

常規的無損檢測技術包括漏磁檢測、渦流檢測、超聲檢測、機器視覺檢測、射線檢測等[6]。這些無損檢測方法理論上都可實現對于高壓電纜鋁護套的無損檢測，然而實際應用中都存在著需剝離外護套、逐點檢測等局限性。對于出廠的電纜鋁護套，可使用渦流測厚的方法檢測成品中是否存在缺陷[7]，而對于運行電纜的鋁護套，行之有效的檢測方法尚待研究。

超聲導波檢測技術是近些年迅速發展起來的一種無損檢測技術，相比于傳統的幾種無損檢測技術，導波檢測具有如下優點：(1)全截面覆蓋，對于被檢對象中的內外表面缺陷都具有檢測能力；(2)單點激勵，可實現被檢對象大范圍、長距離的檢測，傳播衰減小；(3)檢測設備安裝方便，快速高效；(4)耦合效率高，對于被檢對象表面處理要求低；(5)檢測精度高，最高精度可達到聲場覆蓋范圍1%截面損失；(6)實用性強，可對難以觸及的區域，例如架空、埋地等情況下的對象進行檢測。該技術廣泛應用于管道[8-12]、鋼軌[13-17]、錨桿等結構的無損檢測中[18-20]，是一種較為理想的電纜鋁護套檢測方法。在電纜加工出廠之前，可將超聲導波換能器預先嵌入安裝在電纜中，電纜服役過程中，換能器配合超聲導波檢測設備即可實現對于高壓電纜鋁護套的長距離在線無損檢測與監測，無需剝離外護套及人工巡檢，極大程度降低檢測成本，保障高壓電纜的安全運行。

本研究將在分析電纜鋁護套中超聲導波傳播特性的基礎上，通過有限元仿真和試驗，驗證利用超聲導波檢測高壓電纜鋁護套的可行性，為智能電纜的無損檢測與監測技術進行有益探索。

1 鋁護套中導波模態分析

電纜鋁護套結構可簡化為波紋管，導波在管道中的傳播過程是一個彈性波傳播的過程。

各向同性彈性介質中的波動方程為：

(1)

利用Helmholtz分解定理，位移矢量u可分解為膨脹標量勢函數和等容矢量函數ψ表示為：

u=▽·φ+▽×ψ

(2)

φ和ψ滿足方程：

(3)

(4)

對于無限長管道，應力自由邊界條件為：

σrr=σrθ=σrz=0(r=a,b)

(5)

式中：a，b—管道內外半徑。

可以假設質點的位移分量為：

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)

求解波動方程，可以得到相應的位移場。管道導波檢測時，通常采用L(0,2)模態和T(0,1)模態，這兩種模態都是軸對稱模態，故取n=0，此時頻率方程為：

(9)

該式可分解為：

D=D1·D2=0

(10)

(11)

(12)

D1=0和D2=0的解分別對應縱向模態和扭轉模態。可見，已知管道內外徑、楊氏模量、泊松比、密度等材料參數，就能由頻率方程得到頻散曲線。

而對于波紋管，其最顯著特征為內外邊界為波紋函數，因此其自由應力邊界條件為邊界函數切平面內的3個應力分量為零。由此本研究建立局部坐標系如圖1所示。

新坐標系與原坐標系的夾角為φ，則坐標變換矩陣為：

(13)

式中：tgφ=?(f1(r,z))/?z。

高壓電纜鋁護套的材料參數如表1所示。

表1 鋁護套模型基本參數

由式(13)計算所得鋁護套的導波頻散曲線如圖2所示。

圖2 鋁護套導波頻散曲線圓點—縱波模態;星號—扭轉波模態

頻散曲線由不同模態在離散的頻率點下求得的相速度和群速度值構成。從圖2中可以看出，在0～1 000 kHz范圍內，0～2階縱波模態都存在較為明顯的頻散現象，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，但是在激勵的過程中，無論選擇那個頻率點，這兩種模態總是被同時激勵出來，T(0,1)模態不頻散，T(0,2)模態的截止頻率在600 kHz左右，因此，在600 kHz以下的頻率點激勵扭轉波可激勵出純凈的非頻散的T(0,1)扭轉模態。此外，超聲導波在傳播過程中，低頻導波衰減慢，但檢測靈敏度低，高頻導波衰減快但檢測靈敏度高。實際選擇檢測頻率點應考慮激勵模態、衰減率、檢測靈敏度等多方面因素，根據以上理論分析結合實際試驗條件，本研究選擇激勵頻率為32 kHz，檢測模態為T(0,1)模態。

2 超聲導波檢測鋁護套的有限元仿真

2.1 高壓電纜鋁護套建模

為通過仿真確定導波檢測鋁護套缺陷的可行性，本研究對于鋁護套進行建模，在不考慮鋁護套螺旋角的情況下，鋁護套可簡化為波紋管，簡化示意圖與三維模型如圖3所示。

圖3 鋁護套簡化模型

鋁護套厚度為2.8 mm，波谷內徑為125 mm，波峰外徑為145 mm，軋紋深度為7.2 mm，軋紋節距為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，模型軸向長度為1.5 m。

仿真設置如圖4所示。

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

圖4 仿真設置

2.2 仿真分析

本研究設置的缺陷截面占比從小到大分別為3%、5%和10%。選擇的頻率點為32 kHz，激勵信號為5個周期的經過調制的正弦信號，激勵信號波形及其頻譜如圖5所示。

圖5 激勵信號

無損傷情況下鋁護套中32 kHz的T(0,1)模態傳播仿真結果如圖6所示。

圖6 鋁護套中T(0,1)模態傳播過程

從圖6中可以看出，導波從端面開始激勵，傳播過程中，波包保持良好的完整性，未發生明顯擴散。

鋁護套中32 kHz的扭轉波缺陷檢測仿真結果如圖7所示。

圖7 缺陷檢測仿真結果

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

第二個仿真試驗為驗證32 kHz的T(0,1)模態長距離傳播特征，激勵導波在鋁護套中往復傳播，設置的仿真時間為0.05 s，實際傳播距離約130 m。仿真接收信號如圖8所示。

圖8 長距離傳播仿真檢測信號

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

3 超聲導波檢測鋁護套試驗研究

3.1 試驗裝置

試驗裝置原理接線圖如圖9所示。

圖9 試驗原理接線圖A—上位機；B—激勵信號發生單元；C—功率放大模塊；D—換能器；E—鋁護套；F—前置放大模塊；G—回波信號處理單元；H—時序控制單元；I—信號處理與控制模塊；J—嵌入式系統

整個試驗的流程為由上位機控制激勵信號發生單元產生特定脈沖信號經時序控制單元調理后被功率放大模塊放大輸入換能器中，換能器將電信號轉化成鋁護套中的導波，并接收回波信號重新轉化成電信號，再經由前置放大模塊放大，然后通過回波信號處理單元處理，并經過時序控制單元調制后得到最終的檢測信號返回到上位機，在上位機中做軟件上的處理、儲存與顯示。

試驗設置如圖10所示。

圖10 導波檢測試驗設置及相關配件

本研究采用的主要設備為超聲導波檢測儀，其余配件包括適配器、激勵線圈、探頭夾、磁化器、磁致伸縮帶材等。被檢測的鋁護套長度為1.73 m，除長度外其他結構尺寸與仿真建模一致。

3.2 試驗分析

試驗中在鋁護套上激勵單一模態，根據頻散曲線結論，選擇導波激勵頻率為32 kHz，激勵模態為T(0,1)，周期數為1，增益為1 dB。設定波速為2 600 m/s，檢測方式為脈沖回波。試驗過程中，本研究先在結構完整的情況下進行導波檢測，然后在距離換能器1.1 m處人工設置裂紋缺陷，缺陷所占的截面百分比分別為4.25%、和12.8%，觀察導波能否檢測到缺陷。

鋁護套檢測信號如圖11所示。

圖11 鋁護套檢測信號

無缺陷狀態下鋁護套管的檢測信號如圖11(a)所示。以峰值定位波包位置，1.725 m處為端面波包信號，計算可得實際波速為2 607 m/s，與仿真結果相差0.8%，基本一致。首個端面回波之前區域，噪聲幅值較小，信號整體信噪比較高。

4.25%缺陷和12.8%缺陷的典型檢測信號分別如圖11(b，c)所示。從圖中可以看出，當缺陷的截面占比大小為4.25%，信號中1.1 m處可以觀察到缺陷回波特征，缺陷擴大到12.8%時，回波信號特征更為明顯。該試驗證明：導波具有檢測高壓電纜鋁護套中存在的缺陷以及監測缺陷生長的能力。

4 結束語

本研究通過仿真與試驗驗證了超聲導波應用于高壓電纜鋁護套無損檢測的可行性，具體結論如下：

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

(2)隨著缺陷的增大，缺陷回波信號幅值相應的增加，故利用超聲導波可實現鋁護套健康狀態監測，且利用監測方法可排除固有特征的回波信號的影響，有效提高缺陷檢出靈敏度；

(3)采用超聲導波檢測技術檢測高壓電纜鋁護套時，缺陷判別與定位較易實現，但是缺陷的尺寸定量與缺陷分類定性還需通過對檢測信號進一步處理來提取波形特征來實現。

在下一階段的研究中，本研究將通過在實際在役電纜中進行檢測實驗驗證超聲導波無損檢測技術的檢測效果，在役電纜鋁護套長度遠長于試驗鋁護套，所處環境也更為復雜，可能需要對導波換能器、信號處理算法等進行進一步的改善，以提高導波檢測距離及檢測信號的信噪比，實現較好的檢測效果。

[1] 孫玉嬌,周勤勇,申 洪.未來中國輸電網發展模式的分析與展望[J].電網技術,2013,37(7)：1929-1935.

[2] 姚美齊,李乃湖.歐洲超級電網的發展及其解決方案[J].電網技術,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套的應用[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位論文[D].廣州：華南理工大學電力學院，2014.

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

[6] 竺 冉.磁致伸縮縱向導波傳感器設計和應用研究[D].杭州：浙江大學機械工程學院，2011.

[7] 梁鴻生，劉慶豐，方永興.電纜鋁護套厚度在線測量的研究[J].西安理工大學學報，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波數值模擬與試驗研究[J].機械工程學報，2014，50(8)：10-16.

[9] 張小偉.扭轉波檢測管道橫向和縱向缺陷的數值模擬和試驗研究[R].2012遠東無損檢測新技術論壇，南京：江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，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波檢測試驗研究[J].機械工程學報,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,常俊杰.鋼軌軌底垂直振動模式導波檢測技術的試驗研究[J].試驗力學,2012,27(5):593-600.

[18] 劉 洋.磁致伸縮導波錨桿無損檢測試驗研究[D].杭州：浙江大學機械工程學院，2010.

[19] 馬潔騰.超聲導波在錨桿錨固質量檢測中的應用研究[D].太原：太原理工大學礦業工程學院，2013.

[20] 潘立業.超聲導波在錨桿中的傳播速度的試驗和模擬研究[D].太原：太原理工大學礦業工程學院，2013.