超聲波在電纜中的傳播規律與檢測技術研究

朱健 劉寧 劉恒門 高曉寧 王昊一 席傲然

摘 ?要：電纜因其具有良好的電氣特性、機械性能、傳輸容量大與運行維護方便等特點，從而被廣泛應用于高壓供電。運行中一旦發生故障將造成重大經濟損失。研究發現電纜故障90%是因為電纜絕緣發生局部放電引起的。電纜絕緣發生局部放電時除了發出電信號，還會發出超聲波信號。文章將對電纜故障信號——超聲波的產生機理、傳播規律及檢測技術進行深入研究。

關鍵詞：電纜;局部放電;超聲波

中圖分類號：TM855 ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）15-0158-03

Abstract： Cable is widely used in high voltage power supply because of its good electrical characteristics， mechanical properties， large transmission capacity and convenient operation and maintenance. Once the failure occurs in operation， it will cause great economic losses. It is found that 90% of the cable faults are caused by partial discharge of cable insulation. When partial discharge occurs in cable insulation， in addition to sending out electrical signals， it will also send out ultrasonic signals. In this paper， the cable fault signal， that is， thegeneration mechanism， transmission law and detection technology of ultrasonic wave， will be deeply studied.

Keywords： cable; partial discharge; ultrasonic wave

引言

超聲波具有能量高、方向性好、穿透力強等優點，被廣泛應用于無損檢測。但是超聲波作為波的一種，在傳播過程中會發生反射、透射等現象。電纜絕緣發生局部放電產生的超聲波需要穿過層層不同聲阻抗的絕緣層、屏蔽層才能到達外界被檢測到，而且電纜發生局放電的時間很短，這就需要檢測裝置具有很高的靈敏度。

1 超聲波產生機理

電纜的絕緣材料為固態塑料結構。在制造過程中如果因為制作工藝不精良混入固體雜質，或者出現氣泡都會引起高壓場強分布不均，在長時間帶電運行后會引起絕緣局部放電。當發生局部放電時，在放電的區域內，分子間產生劇烈的撞擊，從而產生超聲波信號。局部放電原理圖如圖1：

2.2 超聲波在異質界面的傳播規律

超聲波在異質界面傳播時，會發生反射和透射現象，反射率和透射率由介質的聲阻抗決定。當超聲波由聲阻抗低的介質傳播到聲阻抗高的介質，反射率低，基本會全部透射;當超聲波由聲阻抗高的介質傳播到聲阻抗低的介質，透射率低，基本會全部反射回去。電纜絕緣發生局部放電產生的超聲波時需要穿過屏蔽層，再經過空氣到達超聲波傳感器，空氣聲阻抗遠遠小于電纜絕緣，超聲波會發生大量的反射。

3 超聲波檢測

針對電纜絕緣局部放電特性及超聲波的傳播規律。本文所設計的電纜絕緣狀態在線檢測裝置主要包括四個部分，其一為故障信號采集，其二為信號處理，其三為信號傳輸，其四為信號顯示。檢測辦法特征為：基于超聲波傳感器檢測電纜接頭絕緣發生局部放電時發出的超聲波信號強弱，作為電纜接頭絕緣狀態是否良好的判據，實時檢測電纜狀況。其檢測原理圖如圖3所示。

3.1 超聲波傳感器

當電纜絕緣發生局部放電時，發出的超聲波信號的頻率一般在20-60kHz之間，環境中所存在的干擾噪聲，如機械振動噪聲約為120Hz-4kHz，電暈噪聲9-18kHz。本文所設計的超聲傳感器的期望中心頻率為37kHz帶寬為20kHz。

超聲波傳感器主要由金屬外殼和壓電體構成，壓電體將接收到的聲信號轉成電信號輸出。其壓電體采用切割壓電陶瓷并填充有機物的方法制作成弧形，曲率可根據切割深度進行調整。弧形壓電體可增大超聲波傳感器接收廣角，提高檢測效率和精度。超聲波傳感器金屬殼底部也成凹曲面，并用環氧樹脂緊密貼合在電纜接頭表面。排除空氣薄膜對超聲波的反射干擾，提高檢測精度。

3.2 超聲波信號調理電路

電纜絕緣發生局部放電時所產生的超聲波信號很微弱，在傳播過程中因為信號的反射、散射等原因會造成信號能量的衰減。為了減少有用信號的損耗、以及降低噪聲干擾需要調理電路。

本文所設計的調理電路如圖4所示，主要包含電壓跟隨器、一級放大電路、帶通濾波電路、二級放大電路。由于A/D模塊額定輸入電壓為0-3V，而超聲波傳感器產生的為交流電壓，存在負半周期，所以要加入1.5V電壓進行電位抬升，并在電路輸出端加3V穩壓二極管，保證A/D模塊運行安全。

3.2.1 阻抗匹配

超聲波傳感器所生成的電壓很微弱，在mv級別，傳輸時需要進行阻抗匹配，避免超聲波信號被反射回源點，造成有用信號的損失。電壓跟隨器的輸入阻抗非常大，而輸出阻抗又非常小，可以作為超聲波信號的阻抗匹配電路。

3.2.2 放大電路

超聲波產生的電壓在mv級別，需要進行相應的放大處理，才能更好的濾波，濾波之后部分雜波被濾除，電壓的有效值降低，需要進行二次放大，如圖4所示。

4 下位機控制及上位機顯示

調理電路處理過的信號經過A/D轉換模塊進入下位機，下位機進行處理后經過光纖傳輸給上位機，之所以選用光纖傳輸，是因為光纖傳輸抗干擾性強，可減小電磁信號對有用信號的干擾。上位機具有用C#編寫的顯示界面，具有數據顯示和報警功能，可對電纜絕緣狀態進行實時檢測及故障報警。

5 結論

局部放電會造成絕緣電解質損壞，長期帶病運行會導致電纜故障，造成巨大的經濟損失。基于超聲波的電纜絕緣局部放電檢測法，實現電纜故障在線檢測，在保證檢測精度的前提下，提供可參考的檢測數據和運行趨勢來判斷電纜運行的狀態，預警故障隱患和先兆，為電纜的安全運行提供依據，從而可以進一步實現電纜的合理、安全動態增容，實現電纜的“智能化”運行，同時緊密結合工作實際，可提升電網安全運行水平。

參考文獻：

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