电力电缆内部缺陷检测诊断可视化技术研究

杨华坤

摘要：本文主要结合当前电网的发展趋势，对目前电缆质量及施工问题作出了简单介绍，并基于此提出了磁声聚焦增强技术的电缆及接头快速断层扫描缺陷可视化方案，然后从应用前景、方案阐述、技术原理等几方面进行阐述，旨在为提高电力电缆运行水平提供一个研究方向，从而更好的增强配电网的运行稳定性，保障广大用户的用电安全性。

关键词：磁声聚焦增强技术；电缆及接头；快速断层扫描缺陷可视化

1前言

电力电缆由于受安装工艺、敷设环境、外力破坏、使用情况等因素影响,导致绝缘缺陷,乃至绝缘击穿事故时有发生,其中以电缆中间接头和终端头绝缘故障的比例为多[1]。主要由电缆及附件材质内部气泡、杂质和制作工艺不规范，引起电缆及接头局放原因。目前对于电缆及接头检测手段主要通过停电耐压实验和局放，这两种方式存在检修周期长、停电和正确性（局放）等问题，影响了对电缆及接头事故及时发现。

由于电缆接头内部缺陷无法通过肉眼观察发现,如环氧套管、应力锥的气泡和杂质或打磨形成尖端和金属屑或应力变形，目前现场检测手段目前还处于空白。需要一种准确有效电缆及接头内部缺陷检测技术，将使电缆及接头的内部成像可视化，为准确检验遗留和施工电缆质量起着重要作用。

2内容

基于磁声聚焦增强技术的无损检测方法，这种不依赖于电信号的非接触无损检测技术可以大显身手，实现了电缆带电或停电检测，及早发现电缆及接头其内部缺陷位置、性质及程度。按照研究规划，理论研究、技术应用的步骤进行，从以下几个方面开展技术阐述：

图1  系统技术路线图

⑴研究了磁声的激励模式特性和声场的时域频谱规律；对磁声转换层材料进行了有限元模拟研究，得到了简化模型的磁激励超声声场，为磁声转换层材料的性能评价及其在实际检测中的应用提供参考。

解决方法：磁声源转换层，通过金属磁材料镀膜方式，与声透结合实现声源的转换和聚焦，该技术需要考察金属磁材料镀膜的参杂、镀膜的厚度具体参数、声波与被测电缆及接头之间的距离等一些列相关问题，确定最优的声透镜参数和金属磁材料膜参数。

（2）研究磁声信号采集、缺陷反射信号识别，针对不同缺陷类型实验验证与结果分析； 研究快速成像方法研究：研究基于新型聚焦超声换能器的逐点扫描激励的峰值扫描重建算法。

解决方法：系统中涉及到磁场波动、声场以及固态或者液态的传输介质等，前期系统搭建需要利用多物理场的耦合分析软件进行建模分析声波信号的转换效率及最优化的传输特性，系统搭建后需要利用多物理场的耦合分析优化系统的缺陷检测效率和定位精度，因此多物理场耦合分析贯穿整个项目的研究过程。

（3）研制磁声空气耦合超声探头接收的非接触式电缆及接头快速断层扫描缺陷可视化检测样机，实现对电缆及接头缺陷位置、性质及程度检测。

解决方法：系统主要有探头阵列、磁声发射电路、接收电路、收/发隔离电路、控制电路、显示等组成。发射电路包括发射波束形成器、高压脉冲发生电路等，项目采用TI ARM Cortex-A9 +FPGA+DSP作为控制和处理核心实现发射时序和接收时序的控制。接收电路包括48通道低噪声放大器、可变增益放大器、滤波器、接收波束形成电路。收/发隔离电路的功能是防止发射时的高压脉冲信号串入接收电路，对接收电路起保护作用。

探头阵列的选取需要考虑的参数包括：频率参数、晶片最佳数量和阵元间距的确定、探头频率的选择主要依据被测缺陷的声学特性，检测的分辨率随着探头频率的增加而提高，单探头频率的增加会伴随声束衰减的增大，减小有效的检测范围。同时声束聚焦可以提高检测分辨率。

如果电缆发生形变，改时间节点将于指纹节点发生偏差，同时产生反射信号幅值变化直接反映被测部分变化。需要研究不同缺陷产生的时间节点变位与幅值信号相关性仿真实验研究，发现其相关性建立缺陷模式识别，以供检测人员判断电缆内部缺陷。

①研究磁声的激励模式特性，声场时域频谱规律；因此磁声聚焦的激励模式特性是本文研究的第一个主要内容，为后续系统的设计与研制提供做有效的实验验证。

对磁声转换层材料进行了有限元模拟研究，得到了简化模型的磁激励超声场，为磁声转换层材料的性能评价及其在实际检测中的应用提供参考。建立磁-声的多物理场耦合模型，研究磁声增强声的指向性和不同激励模式特性，为实际磁超声核心部件的设计提供理论指导。得到了不同模式声波的方向性和强度信息，给检测方案的设计提供参考。

②研究磁声信号采集、缺陷反射信号识别，针对不同缺陷类型实验验证与结果分析。项目的重点是利用磁声聚焦实现电缆及接头缺陷的类型和位置的判断，因此缺陷的分析和识别也是关键问题之一。

③研制磁声空气耦合超声探头接收的非接触式电缆及接头快速断层扫描缺陷可视化检测样机，实现对电缆及接头缺陷位置、性质及程度检测。

4本案采用的技术原理

声波在两种声阻抗不同的介质中传播，从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质的声阻抗相异，在两种介质的界面会产生反射，如下图2所示：

图2  两种介质的界面反射图

声波在不同声阻抗不同的介质中传播将声波探头置于电缆及接头外包保护罩上发射脉冲声波。声波在空气与弹簧界面由于声阻抗相异而产生反射波如下图3所示 。

图3  声阻抗相异而产生反射波图

反射回的超声波为声波探头接收。从而测出声波在保护罩表面与弹簧之间的传播时间。由此可计算出保护罩表面距弹簧表面的距离，从而获得弹簧变形情况。设声波在机构箱或弹簧外包保护罩空气中的传播速度 v 为已知量，声波在机构箱或弹簧外包保护罩表面与弹簧表面之间传播往返所需时间为 t，则有：

L =  （1）

式中 L 为声波探头至弹簧表面的距离。据此可计算出声波探头至电缆及接头表面之间的距离如果电缆及电缆接头外包保护罩的厚度，则式(1)可改写为：

L =     + Δ L （2）

其次，在均匀材料中，缺陷的存在会导致材料的不连续性，这通常会导致声阻抗的不一致性。从反射定理可知，声波会在两种声阻抗不同的介质的界面上反射，反射能量与界面两侧介质的声阻抗差以及界面的方向和大小有关。

基于磁声聚焦技术的快速断层扫描成像系统结合了电磁和超声波技术。与传统超声波技术相比，磁声聚焦技术的优势在于，它可以在单个探头组件中使用多个芯片来偏转、聚焦以及扫查。因为它可以聚焦超声波能量。磁声聚焦技术的主要优点是非接触检测。不仅消除了压电换能器技术中偶合剂的影响，同时还可以用于各种复杂形貌样品的非接触检测。

磁声相控阵技术的优点是可以检测非接触信号。磁声相控阵技术具有较宽的声谱，利用较高的激励频率来实现较高的空间分辨率。其次，磁声具有很强的适应性，能够适应不规则的检测表面以及复杂的在线检测环境。利用聚焦技术可以达到较高的探伤深度，和较高的检测的分辨率。由于采用磁声换能器，相比原有超声相比具有较高的探伤深度，和较高的检测的分辨率。

5结论

本文首次提出基于磁声集聚技术对电缆及接头内部缺陷可视化，解决目前现场作业后无法评估电缆及接头如：气泡和杂质或打磨形成尖端和金属屑或应力变形内部缺陷问题，填补电缆内部缺陷检测空，提高了电力电缆运行水平，增强了配电网的运行稳定性，提高了居民用电质量。

参考文献:

[1]. 基于超声法的XLPE电力电缆绝缘缺陷检测诊断技术研究[D].刘蓉.西北工业大学. 2015-09-01                

[2].XLPE电力电缆典型缺陷局部放电测量与分析[J].刘蓉; 李继胜; 田维坚; 樊养余. 高压电器. 2015-02-16  

[3].高压直流电缆附件内缺陷对电场分布的影响研究[D].伍国方.哈尔滨理工大学. 2017-06-01  

[4].基于模拟试验的高压电缆状态仿真平台功能分析[J].蒋愉宽;童钧;刘浩军;王少华;周象贤.电工电气. 2018-02-15 

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