基于超聲導波的長距離高壓多芯電纜缺陷檢測

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(南京郵電大學 自動化學院，南京 210023)

高壓電纜是電力系統中傳輸和分配電能的重要設備，廣泛應用于發電、輸電、配電各個環節[1]。由于老化變質、腐蝕破壞、材料缺陷以及過電壓等因素影響，電纜不可避免地會產生損傷，進而威脅電力系統的安全。故，對電纜的損傷檢測成為保證電力系統安全運行的重要工作，對國民經濟具有重大意義。

目前，電纜內部線芯的斷股檢測是一個難點。從實際情況來看，受應力以及自然環境作用影響，高壓多芯線纜結構發生斷股的區域往往是外側的線芯，目前主要通過人工巡檢和無人機巡查進行電纜的損傷判斷，顯然這種勞動強度大、效率低、存在人工疏漏的方法是不可取的。在現有結構健康監測技術中，超聲導波無損檢測技術因檢測效率高、范圍長等特點已被成功應用于鋼絞線的缺陷檢測中[2]，被認為是最有效且最具應用前景的結構損傷檢測和診斷方法[3]。筆者通過分析電纜中存在缺陷損傷時對導波信號傳播影響的機理，研究了基于超聲導波的高壓多芯電纜缺陷檢測方法，并進行了試驗研究和驗證。

1 超聲導波基本理論

1.1 超聲導波的形成

超聲導波是超聲波在空間有限的介質內多次往復反射并進一步產生復雜的疊加干涉以及幾何彌漫形成的[4],其能夠在不同的波導結構中傳播，如板、棒、管道和多層結構等。文章研究的在鋁絞線中傳播的超聲波便是一種極其復雜的導波。圖1為導波傳播示意[5]。

圖1 導波傳播示意

1.2 超聲導波的傳播特性

超聲導波在桿、管中傳播時的速度只與介質材料密度和彈性性質有關，但由于介質結構尺寸的影響，波速依賴于波的頻率，頻率不同，波速也隨之改變，即為超聲導波的頻散[6]。

根據彈性力學原理，導波在傳播過程中，質點位移滿足Navier位移平衡方程：

(1)

對上述方程進行Helmholts分解，再代入邊界條件，利用數值解法進行求解，可得出超聲導波在線芯結構中傳播的頻散曲線[8]。圖2是超聲導波在直徑為3.4 mm的鋁材金屬絲中傳播的群速度頻散曲線[9]。

圖2 導波在直徑為3.4 mm的鋁材單絲中的頻散曲線

由圖2可看出，隨著激勵頻率的增大，鋁線中導波模態數增多，在0～500 kHz范圍內，鋁線中只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)三種模態導波。為了降低復雜性，激勵信號應盡量選擇低頻段且信號頻帶處于頻散曲線中的平緩位置，使波包群速度接近以減少頻散[10]；因此選擇32 kHz作為激勵信號的中心頻率。在此激勵頻率附近時，超聲導波低階縱向模態L(0,1)的群速度在5 000 m·s-1左右，比同頻率下其他模態的群速度大。檢測時，因為該模態最先到達，所以檢測信號的波形分析和處理更加簡單[11]。

2 缺陷檢測系統原理

2.1 缺陷檢測原理

超聲導波對小損傷比較敏感，在傳播過程中遇到邊界、缺陷時會發生反射、透射以及模式轉換等現象[12]，進而接收信號發生相應變化，因此可以用來檢測缺陷是否存在。筆者研究了基于超聲導波的電纜缺陷檢測技術，其檢測示意如圖3所示[13]。

圖3 電纜缺陷檢測示意

檢測時，在電纜上安裝兩個超聲探頭，一是發射傳感器，用于激勵導波信號，導波以一定速度在被測物體中傳播，當遇到斷股、破股時，發生反射[14]；二是接收傳感器，由接收傳感器接收反射回波信號， 對接收信號去噪后進行時頻域分析，得到缺陷反射波與激勵導波準確的時間差Δt。

通過在固定點制造缺陷，得到激勵端到缺陷端的距離x，再通過對回波的定位分析，得到相應時間差Δt，由式(2)可得回波波速c

(2)

代入得到的已知量，可計算出回波波速c，然后利用式(3)

(3)

式中：xp為缺陷點與激勵端間的距離。

代入已求得波速以及回波時間，可求得xp，就可實現對電纜任意位置的缺陷定位。

2.2 導波信號的選擇

在主動健康監測系統中，因為超聲導波的傳播存在著頻散與多模態特性，所以目前大多數監測系統都選用窄帶信號作為激勵信號，大多通過采用一定形式和長度的窗函數載取正弦信號的方式來獲得。窄帶激勵信號中，窗函數的時域長度越長，得到的調制信號頻帶越窄，導波的模態與傳播越容易控制，但也越容易發生信號波包混疊。兼顧這兩點，文章采用的窄帶激勵信號為5波峰的正弦調制信號[15]。中心頻率為32 kHz的窄帶信號時域歸一化圖形和頻譜如圖4所示。

圖4 中心頻率為32 kHz的窄帶信號的時域以及頻譜圖

2.3 超聲換能原理與裝置

目前，國內外普遍應用的超聲導波激勵換能器有：脈沖激光傳感器、磁致伸縮傳感器、電磁聲傳感器、PVDF壓電薄膜傳感器、壓電傳感器等[16]，而前幾種換能器裝置復雜并且換能效率低，故為保證換能效率以便于長距離檢測，筆者采用了壓電陶瓷(PZT)探頭作為換能器。為克服人工固定穩定性與可靠性較差的問題，還設計并制作了夾具，夾具可使探頭與電纜更好地貼合與固定，圖5為夾具的三維模型，圖6為夾具實物。

圖5 夾具的三維模型

圖6 夾具實物

夾具由兩個半圓形外殼以及若干個可移動探頭底座組成。使用時，首先將兩個半圓形的外殼進行咬合，再將電纜置于圓內；同時將鋼箍穿過月牙形凹槽下方的小孔，通過縮小鋼箍將電纜固定于月牙形凹槽中，以起到固定作用。并且，夾具外殼表面存在圓弧形凹槽，匹配探頭底座的凹槽，可讓探頭以電纜為中心移動。該夾具不僅起到了固定電纜與夾具的作用，而且可以使探頭靈活移動，滿足試驗需要。

3 試驗系統與試驗

3.1 試驗系統

對上述試驗方法進行試驗驗證，試驗在總長為30 m的鋁絞線電纜上進行，電纜總直徑為25 mm，單根鋁線直徑為3.4 mm，并由54根單絲鋁線以螺旋結構一層一層繞成，如圖7所示。試驗裝置由計算機、PicoScope4824示波器、KH7500系列寬帶功率放大器、實驗室自制的電荷放大器組成。采用PZT進行導波的激勵接收換能。試驗系統實物如圖8所示。

圖7 電纜實物與截面圖

圖8 試驗系統實物

3.2 系統試驗驗證

在上述的試驗裝置上進行試驗，將窄帶信號數據導入 PicoScope4824示波器的任意波形發生器模塊，再將產生的波形輸入到功率放大器中進行放大，放大倍數為60倍，輸出±70 V窄帶信號作為導波激勵信號，經PZT探頭換能后在電纜表面激勵出導波信號，同時在激勵端放置接收探頭作為接收傳感器。將接收到的回波信號經過電荷放大器放大后，送入示波器并在PC(計算機)端顯示，試驗系統框圖如圖9所示。

圖9 試驗系統框圖

試驗過程中，先對結構完整的健康電纜進行導波檢測，然后在距離換能器左側10 m處人工設置缺陷，觀察導波能否檢測到缺陷。試驗中采集到了不同的導波信號，采集到的導波信號可能會存在著多方面的干擾，這些干擾很可能會影響甚至淹沒回波信號，所以在采集到導波信號后，需對信號進行降噪處理。筆者采用帶通濾波器對信號進行去噪，由于激勵信號為32 kHz，故選取截止頻率分別為20,40 kHz，去噪后的信號如圖10所示。

圖10 健康與損傷電纜的導波信號

對比電纜有無缺陷時的信號，不難看出，當存在損傷缺陷時，導波將在缺陷處反射端面回波信號，從而驗證了該方法用于損傷定位的可行性。同時，也可看出激勵端導波信號比較復雜，不僅存在多模態，還伴隨著大量噪聲信號，還存在一定程度的波包混疊現象。由于導波在電纜中傳播時，其幅值呈指數衰減，而無關模態激發的波的幅值較小，故不會接收到各種不同模態的回波。但是也可以看出，回波信號幅值微弱，容易被噪聲信號淹沒。僅靠直觀地觀察回波的傳播時間而進行定位，難以保證檢測的準確性與精確性。故必須對信號進行特征提取，才可以更精確地實現缺陷的識別定位。

3.3 試驗信號處理分析

采用小波變換處理響應信號以獲得信號的時間-頻率關系。小波變換具有很好的尺度和空間局部化特性，因此可在不同尺度上進行信號特征檢測[17]。

對于一接收信號x(t), 其連續小波變換可表示為

(4)

考慮到小波母函數與激勵信號的相似程度，文章采用以Morlet小波為母小波的連續小波變換對導波信號進行處理[19]，Morlet小波是高斯包絡下的復指數函數，時頻窗面積小，且對稱性較好，具有較強的時頻域局部化性能。Morlet小波波形如圖11所示。

圖11 Morlet 小波時域圖

在MATLAB下對信號進行小波變換，首先利用centfrq函數求取小波的中心頻率，再用scal2frq函數將尺度轉換為頻率坐標，然后用cwt函數求取小波系數，最后采用imagesc函數得出小波變換后的時頻圖。圖12為健康信號與損傷信號小波變換后的時頻圖。

圖12 健康電纜信號與損傷信號小波變換后的時頻圖

圖12中縱坐標表示當前時間的頻率成分，色標表示小波變換后小波系數的大小對應的顏色，也表征能量的強弱。從圖12可見二者差異明顯，損傷電纜在時間t=4.3 ms處捕捉到了能量較大的信號，其與噪聲信號有所差異，并且是在較長時間后突然出現的，所以必然是端面反射回波無疑。

為了使回波信號更加清晰明顯，對回波信號進行特征提取。筆者分別在相應頻段進行特征提取，結果如圖13所示，從圖13可以看出，健康電纜的有效信號和損傷電纜回波主要集中在32 kHz附近。

圖13 電纜回波信號的特征提取

可見，健康電纜只接收到了激勵端導波信號，只有損傷電纜在一定時間后出現了較大幅值的回波，而且較大幅值回波所在頻率段與激勵信號頻率相吻合，再次驗證了其必然是端面反射回波。

3.4 試驗結果分析

對處理后的信號進行結果分析，計算導波傳播速度、分析導波模態，進行電纜缺陷的識別定位。

從圖12可知，在時間t=4.3 ms處出現了回波，代入式(2) ，由此計算出導波的傳播速度為4 651 m·s-1，與導波的頻散特性曲線相吻合，為縱向模態的超聲導波。為避免試驗的偶然性與更好地驗證導波缺陷檢測技術，筆者還做了一些缺陷檢測試驗，對一根有多處缺陷的電纜在不同位置進行了檢測，經與上文一致的試驗以及信號處理方法，得到了圖14所示的信號。

圖14 電纜上不同位置的缺陷檢測信號

從圖14可看到，分別在3,3.5,3.7 ms處接收到回波信號，代入式(3)，c采用上文計算出的波速4 651 m·s-1，即可得到在 6.97,8.14,8.61 m處存在缺陷，試驗在7.14,8.48,8.92 m處發現了電纜的斷股缺陷，可見采用以上方法可以準確地對電纜缺陷進行識別定位。同時，激勵的導波沿左右兩個方向傳播，故無論在哪個方向發現缺陷都會反射回來回波信號，故可實現高壓多芯電纜上20 m范圍內缺陷的識別與定位。

4 結語

研究了基于超聲導波的高壓多芯電纜長距離缺陷檢測技術，對導波在電纜中的傳播特性進行了分析，給出可行的檢測方法并進行了試驗驗證，檢測結果準確性與精度較高，并且實現了20 m內電纜缺陷的識別與定位。采用的檢測方法解決了傳統方法中的不足，提高了檢測效率且延長了檢測長度，具有較大的實際工程應用價值，也為進一步研究電纜損傷檢測奠定了堅實的基礎。