基于超聲導(dǎo)波的長(zhǎng)距離高壓多芯電纜缺陷檢測(cè)

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(南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210023)

高壓電纜是電力系統(tǒng)中傳輸和分配電能的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電各個(gè)環(huán)節(jié)[1]。由于老化變質(zhì)、腐蝕破壞、材料缺陷以及過(guò)電壓等因素影響，電纜不可避免地會(huì)產(chǎn)生損傷，進(jìn)而威脅電力系統(tǒng)的安全。故，對(duì)電纜的損傷檢測(cè)成為保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要工作，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大意義。

目前，電纜內(nèi)部線芯的斷股檢測(cè)是一個(gè)難點(diǎn)。從實(shí)際情況來(lái)看，受應(yīng)力以及自然環(huán)境作用影響，高壓多芯線纜結(jié)構(gòu)發(fā)生斷股的區(qū)域往往是外側(cè)的線芯，目前主要通過(guò)人工巡檢和無(wú)人機(jī)巡查進(jìn)行電纜的損傷判斷，顯然這種勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、存在人工疏漏的方法是不可取的。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中，超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)因檢測(cè)效率高、范圍長(zhǎng)等特點(diǎn)已被成功應(yīng)用于鋼絞線的缺陷檢測(cè)中[2]，被認(rèn)為是最有效且最具應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)和診斷方法[3]。筆者通過(guò)分析電纜中存在缺陷損傷時(shí)對(duì)導(dǎo)波信號(hào)傳播影響的機(jī)理，研究了基于超聲導(dǎo)波的高壓多芯電纜缺陷檢測(cè)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究和驗(yàn)證。

1 超聲導(dǎo)波基本理論

1.1 超聲導(dǎo)波的形成

超聲導(dǎo)波是超聲波在空間有限的介質(zhì)內(nèi)多次往復(fù)反射并進(jìn)一步產(chǎn)生復(fù)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(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播，如板、棒、管道和多層結(jié)構(gòu)等。文章研究的在鋁絞線中傳播的超聲波便是一種極其復(fù)雜的導(dǎo)波。圖1為導(dǎo)波傳播示意[5]。

圖1 導(dǎo)波傳播示意

1.2 超聲導(dǎo)波的傳播特性

超聲導(dǎo)波在桿、管中傳播時(shí)的速度只與介質(zhì)材料密度和彈性性質(zhì)有關(guān)，但由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dǎo)波的頻散[6]。

根據(jù)彈性力學(xué)原理，導(dǎo)波在傳播過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)位移滿足Navier位移平衡方程：

(1)

對(duì)上述方程進(jìn)行Helmholts分解，再代入邊界條件，利用數(shù)值解法進(jìn)行求解，可得出超聲導(dǎo)波在線芯結(jié)構(gòu)中傳播的頻散曲線[8]。圖2是超聲導(dǎo)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(dǎo)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(lì)頻率的增大，鋁線中導(dǎo)波模態(tài)數(shù)增多，在0～500 kHz范圍內(nèi)，鋁線中只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)三種模態(tài)導(dǎo)波。為了降低復(fù)雜性，激勵(lì)信號(hào)應(yīng)盡量選擇低頻段且信號(hào)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(lì)信號(hào)的中心頻率。在此激勵(lì)頻率附近時(shí)，超聲導(dǎo)波低階縱向模態(tài)L(0,1)的群速度在5 000 m·s-1左右，比同頻率下其他模態(tài)的群速度大。檢測(cè)時(shí)，因?yàn)樵撃B(tài)最先到達(dá)，所以檢測(cè)信號(hào)的波形分析和處理更加簡(jiǎn)單[11]。

2 缺陷檢測(cè)系統(tǒng)原理

2.1 缺陷檢測(cè)原理

超聲導(dǎo)波對(duì)小損傷比較敏感，在傳播過(guò)程中遇到邊界、缺陷時(shí)會(huì)發(fā)生反射、透射以及模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象[12]，進(jìn)而接收信號(hào)發(fā)生相應(yīng)變化，因此可以用來(lái)檢測(cè)缺陷是否存在。筆者研究了基于超聲導(dǎo)波的電纜缺陷檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)示意如圖3所示[13]。

圖3 電纜缺陷檢測(cè)示意

檢測(cè)時(shí)，在電纜上安裝兩個(gè)超聲探頭，一是發(fā)射傳感器，用于激勵(lì)導(dǎo)波信號(hào)，導(dǎo)波以一定速度在被測(cè)物體中傳播，當(dāng)遇到斷股、破股時(shí)，發(fā)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(hào)， 對(duì)接收信號(hào)去噪后進(jìn)行時(shí)頻域分析，得到缺陷反射波與激勵(lì)導(dǎo)波準(zhǔn)確的時(shí)間差Δt。

通過(guò)在固定點(diǎn)制造缺陷，得到激勵(lì)端到缺陷端的距離x，再通過(guò)對(duì)回波的定位分析，得到相應(yīng)時(shí)間差Δt，由式(2)可得回波波速c

(2)

代入得到的已知量，可計(jì)算出回波波速c，然后利用式(3)

(3)

式中：xp為缺陷點(diǎn)與激勵(lì)端間的距離。

代入已求得波速以及回波時(shí)間，可求得xp，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜任意位置的缺陷定位。

2.2 導(dǎo)波信號(hào)的選擇

在主動(dòng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，因?yàn)槌晫?dǎo)波的傳播存在著頻散與多模態(tài)特性，所以目前大多數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都選用窄帶信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，大多通過(guò)采用一定形式和長(zhǎng)度的窗函數(shù)載取正弦信號(hào)的方式來(lái)獲得。窄帶激勵(lì)信號(hào)中，窗函數(shù)的時(shí)域長(zhǎng)度越長(zhǎng)，得到的調(diào)制信號(hào)頻帶越窄，導(dǎo)波的模態(tài)與傳播越容易控制，但也越容易發(fā)生信號(hào)波包混疊。兼顧這兩點(diǎn)，文章采用的窄帶激勵(lì)信號(hào)為5波峰的正弦調(diào)制信號(hào)[15]。中心頻率為32 kHz的窄帶信號(hào)時(shí)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(hào)的時(shí)域以及頻譜圖

2.3 超聲換能原理與裝置

目前，國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的超聲導(dǎo)波激勵(lì)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(fù)雜并且換能效率低，故為保證換能效率以便于長(zhǎng)距離檢測(cè)，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(wěn)定性與可靠性較差的問(wèn)題，還設(shè)計(jì)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(shí)物。

圖5 夾具的三維模型

圖6 夾具實(shí)物

夾具由兩個(gè)半圓形外殼以及若干個(gè)可移動(dòng)探頭底座組成。使用時(shí)，首先將兩個(gè)半圓形的外殼進(jìn)行咬合，再將電纜置于圓內(nèi)；同時(shí)將鋼箍穿過(guò)月牙形凹槽下方的小孔，通過(guò)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(dòng)。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(dòng)，滿足試驗(yàn)需要。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

對(duì)上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)在總長(zhǎng)為30 m的鋁絞線電纜上進(jìn)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(jié)構(gòu)一層一層繞成，如圖7所示。試驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)、PicoScope4824示波器、KH7500系列寬帶功率放大器、實(shí)驗(yàn)室自制的電荷放大器組成。采用PZT進(jìn)行導(dǎo)波的激勵(lì)接收換能。試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。

圖7 電纜實(shí)物與截面圖

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在上述的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，將窄帶信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入 PicoScope4824示波器的任意波形發(fā)生器模塊，再將產(chǎn)生的波形輸入到功率放大器中進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為60倍，輸出±70 V窄帶信號(hào)作為導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)PZT探頭換能后在電纜表面激勵(lì)出導(dǎo)波信號(hào)，同時(shí)在激勵(lì)端放置接收探頭作為接收傳感器。將接收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器放大后，送入示波器并在PC(計(jì)算機(jī))端顯示，試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

試驗(yàn)過(guò)程中，先對(duì)結(jié)構(gòu)完整的健康電纜進(jìn)行導(dǎo)波檢測(cè)，然后在距離換能器左側(cè)10 m處人工設(shè)置缺陷，觀察導(dǎo)波能否檢測(cè)到缺陷。試驗(yàn)中采集到了不同的導(dǎo)波信號(hào)，采集到的導(dǎo)波信號(hào)可能會(huì)存在著多方面的干擾，這些干擾很可能會(huì)影響甚至淹沒(méi)回波信號(hào)，所以在采集到導(dǎo)波信號(hào)后，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。筆者采用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪，由于激勵(lì)信號(hào)為32 kHz，故選取截止頻率分別為20,40 kHz，去噪后的信號(hào)如圖10所示。

圖10 健康與損傷電纜的導(dǎo)波信號(hào)

對(duì)比電纜有無(wú)缺陷時(shí)的信號(hào)，不難看出，當(dāng)存在損傷缺陷時(shí)，導(dǎo)波將在缺陷處反射端面回波信號(hào)，從而驗(yàn)證了該方法用于損傷定位的可行性。同時(shí)，也可看出激勵(lì)端導(dǎo)波信號(hào)比較復(fù)雜，不僅存在多模態(tài)，還伴隨著大量噪聲信號(hào)，還存在一定程度的波包混疊現(xiàn)象。由于導(dǎo)波在電纜中傳播時(shí)，其幅值呈指數(shù)衰減，而無(wú)關(guān)模態(tài)激發(fā)的波的幅值較小，故不會(huì)接收到各種不同模態(tài)的回波。但是也可以看出，回波信號(hào)幅值微弱，容易被噪聲信號(hào)淹沒(méi)。僅靠直觀地觀察回波的傳播時(shí)間而進(jìn)行定位，難以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性與精確性。故必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取，才可以更精確地實(shí)現(xiàn)缺陷的識(shí)別定位。

3.3 試驗(yàn)信號(hào)處理分析

采用小波變換處理響應(yīng)信號(hào)以獲得信號(hào)的時(shí)間-頻率關(guān)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(jìn)行信號(hào)特征檢測(cè)[17]。

對(duì)于一接收信號(hào)x(t), 其連續(xù)小波變換可表示為

(4)

考慮到小波母函數(shù)與激勵(lì)信號(hào)的相似程度，文章采用以Morlet小波為母小波的連續(xù)小波變換對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行處理[19]，Morlet小波是高斯包絡(luò)下的復(fù)指數(shù)函數(shù)，時(shí)頻窗面積小，且對(duì)稱性較好，具有較強(qiáng)的時(shí)頻域局部化性能。Morlet小波波形如圖11所示。

圖11 Morlet 小波時(shí)域圖

在MATLAB下對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波變換，首先利用centfrq函數(shù)求取小波的中心頻率，再用scal2frq函數(shù)將尺度轉(zhuǎn)換為頻率坐標(biāo)，然后用cwt函數(shù)求取小波系數(shù)，最后采用imagesc函數(shù)得出小波變換后的時(shí)頻圖。圖12為健康信號(hào)與損傷信號(hào)小波變換后的時(shí)頻圖。

圖12 健康電纜信號(hào)與損傷信號(hào)小波變換后的時(shí)頻圖

圖12中縱坐標(biāo)表示當(dāng)前時(shí)間的頻率成分，色標(biāo)表示小波變換后小波系數(shù)的大小對(duì)應(yīng)的顏色，也表征能量的強(qiáng)弱。從圖12可見(jiàn)二者差異明顯，損傷電纜在時(shí)間t=4.3 ms處捕捉到了能量較大的信號(hào)，其與噪聲信號(hào)有所差異，并且是在較長(zhǎng)時(shí)間后突然出現(xiàn)的，所以必然是端面反射回波無(wú)疑。

為了使回波信號(hào)更加清晰明顯，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行特征提取。筆者分別在相應(yīng)頻段進(jìn)行特征提取，結(jié)果如圖13所示，從圖13可以看出，健康電纜的有效信號(hào)和損傷電纜回波主要集中在32 kHz附近。

圖13 電纜回波信號(hào)的特征提取

可見(jiàn)，健康電纜只接收到了激勵(lì)端導(dǎo)波信號(hào)，只有損傷電纜在一定時(shí)間后出現(xiàn)了較大幅值的回波，而且較大幅值回波所在頻率段與激勵(lì)信號(hào)頻率相吻合，再次驗(yàn)證了其必然是端面反射回波。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行結(jié)果分析，計(jì)算導(dǎo)波傳播速度、分析導(dǎo)波模態(tài)，進(jìn)行電纜缺陷的識(shí)別定位。

從圖12可知，在時(shí)間t=4.3 ms處出現(xiàn)了回波，代入式(2) ，由此計(jì)算出導(dǎo)波的傳播速度為4 651 m·s-1，與導(dǎo)波的頻散特性曲線相吻合，為縱向模態(tài)的超聲導(dǎo)波。為避免試驗(yàn)的偶然性與更好地驗(yàn)證導(dǎo)波缺陷檢測(cè)技術(shù)，筆者還做了一些缺陷檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)一根有多處缺陷的電纜在不同位置進(jìn)行了檢測(cè)，經(jīng)與上文一致的試驗(yàn)以及信號(hào)處理方法，得到了圖14所示的信號(hào)。

圖14 電纜上不同位置的缺陷檢測(cè)信號(hào)

從圖14可看到，分別在3,3.5,3.7 ms處接收到回波信號(hào)，代入式(3)，c采用上文計(jì)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(yàn)在7.14,8.48,8.92 m處發(fā)現(xiàn)了電纜的斷股缺陷，可見(jiàn)采用以上方法可以準(zhǔn)確地對(duì)電纜缺陷進(jìn)行識(shí)別定位。同時(shí)，激勵(lì)的導(dǎo)波沿左右兩個(gè)方向傳播，故無(wú)論在哪個(gè)方向發(fā)現(xiàn)缺陷都會(huì)反射回來(lái)回波信號(hào)，故可實(shí)現(xiàn)高壓多芯電纜上20 m范圍內(nèi)缺陷的識(shí)別與定位。

4 結(jié)語(yǔ)

研究了基于超聲導(dǎo)波的高壓多芯電纜長(zhǎng)距離缺陷檢測(cè)技術(shù)，對(duì)導(dǎo)波在電纜中的傳播特性進(jìn)行了分析，給出可行的檢測(cè)方法并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性與精度較高，并且實(shí)現(xiàn)了20 m內(nèi)電纜缺陷的識(shí)別與定位。采用的檢測(cè)方法解決了傳統(tǒng)方法中的不足，提高了檢測(cè)效率且延長(zhǎng)了檢測(cè)長(zhǎng)度，具有較大的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，也為進(jìn)一步研究電纜損傷檢測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。