倪 輝 吳旭濤 余海博 程養(yǎng)春 何寧輝 馬波 馬云龍 李日東 鄭夏暉 邢 琳

(1 國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院 銀川 750002)

(2 華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室 北京 102206)

(3 國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 石家莊 050000)

0 引言

交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電力電纜被廣泛應用于各大城市供電網(wǎng)絡中[1]。電力電纜故障往往能夠引發(fā)重大的電網(wǎng)安全事故，造成巨大的經(jīng)濟損失[2]。局部放電(局放)缺陷是引發(fā)電纜故障的重要誘因，及時發(fā)現(xiàn)電纜中的局放缺陷非常重要。電力電纜局放缺陷檢測技術(shù)包括電檢測法和非電檢測法兩大類。電檢測法有脈沖電流法、電磁耦合法、差分法、特高頻法等，非電檢測法有超聲波法、溫度法、光檢測法，以及用于附件檢測的紅外成像法和紫外成像法等[3?14]。

超聲波法通過檢測局放引發(fā)的超聲信號來檢測局放缺陷，并診斷缺陷所在位置。通常認為，局放發(fā)生時，一方面放電區(qū)域介質(zhì)受到帶電粒子的劇烈撞擊，另一方面介質(zhì)由于放電發(fā)熱而瞬間體積膨脹，從而產(chǎn)生介質(zhì)疏密波，這也就是聲波[3,15]。超聲檢測法可以避免與電纜直接電氣連接，適用于電纜局放在線檢測，并有效降低外界電磁環(huán)境對檢測的干擾；與光纖傳感技術(shù)相配合，可以實現(xiàn)分布式、準分布式檢測，因而近年來受到廣泛關(guān)注。

Wang 等[16]在XLPE電纜中間接頭制作了內(nèi)部氣隙、毛刺、滑閃、懸浮放電4種缺陷，并利用壓電陶瓷超聲波傳感器獲取了這4種缺陷的局放超聲波信號波形，探討了波形的時域和頻域特征。李繼勝等[17]在實驗室環(huán)境下獲得了XLPE 材料上的尖端放電氣隙放電和沿面放電3種缺陷局部放超聲信號的時域特征和相位譜圖特征，研究了不同電壓與最大放電幅值平均放電幅值及放電次數(shù)之間的關(guān)系。Rohwetter 等[18]利用單模光纖Sagnac 超聲傳感器研究了電纜接頭的硅橡膠在交直流電壓下的局放過程，在正極性直流局部放電起始電壓(Partial discharge inception voltage,PDIV)以上同時測到了大約100 pC的直流局放脈沖，驗證了Sagnac 光纖傳感系統(tǒng)在電纜接頭典型缺陷局放檢測上的性能；Rohwetter等[19]還利用基于瑞利反射相干光時域干涉的準分布式光纖超聲檢測系統(tǒng)檢測40 kV XLPE電纜接頭的局放缺陷，測到了nC級的放電信號，首次證明了這一準分布式光纖聲傳感技術(shù)是電力電纜接頭和端子局放超聲監(jiān)測的一種候選技術(shù)。Czaszejko等[20]利用布拉格光纖光柵傳感器檢測XLPE 試品內(nèi)部和沿面的局放超聲信號，能夠檢測到10 pC的內(nèi)部放電。

放電量的大小、放電源的位置和放電缺陷的種類對于局放缺陷的診斷至關(guān)重要。電氣設備的絕緣通常由多種復合絕緣材料組成，結(jié)構(gòu)復雜，許多絕緣材料對聲波的衰減和聲速的影響都不同，會對局放強度測量和放電源定位造成影響[3]。因此，研究局放超聲信號在XLPE電纜中的傳播衰減規(guī)律至關(guān)重要，只有掌握該規(guī)律之后，才能依據(jù)傳感器所在位置的超聲信號推斷放電源的位置及放電強度。李科林[21]通過仿真研究了局放超聲波在XPLE電纜附件中的傳播特性，指出在電纜終端法蘭、接頭金屬壓縮管外圍的銅槽和臨近接頭電纜外接金屬卡具等部位外置安裝超聲波傳感器能夠獲得較高的靈敏度。在高模量固體介質(zhì)中，聲波傳播距離較遠，而低模量固體中聲衰減大，聲傳播距離較近。

局放產(chǎn)生的超聲信號一般來說比較小。此外，XPLE電纜由多層復合絕緣材料組成，超聲傳播過程復雜、衰減比較嚴重，這必然對現(xiàn)有超聲檢測傳感器的靈敏度提出挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有關(guān)于XPLE電纜中超聲信號傳播規(guī)律的研究很不完善，缺乏在實際電纜上的實測數(shù)據(jù)，缺乏明確的衰減規(guī)律，難以通過傳感器所在位置的超聲信號推算局放強度。

為了研究超聲波在電纜中的傳播規(guī)律，建立了10kVXLPE電纜本體的聲壓場仿真模型，詳細研究了超聲波從聲源點開始在電纜中的傳播過程；通過搭建10kVXLPE電纜超聲衰減實驗系統(tǒng)，實測了10kVXLPE電纜本體中超聲波衰減情況。

1 電纜中超聲波的衰減問題

圖1是所研究的某型號10kVXLPE電纜的本體結(jié)構(gòu)示意圖，由銅導線和多層介質(zhì)組成，各層材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示[21]。當絕緣中存在氣泡、雜質(zhì)顆?；蛘呓^緣內(nèi)外表面有半導電層突起的尖刺時，局放易從這些絕緣的薄弱處發(fā)生，隨之而生的超聲波信號也會從這些位置開始向電纜的各處傳播。

在無限大均勻介質(zhì)中，波的傳播模態(tài)比較單一，只有橫波和縱波這兩種波。但當波與邊界相互作用時，就會產(chǎn)生新的類型的波。這類波一部分被視作入射波的反射波，另一部分是與邊界相關(guān)的完全新的類型的波(如瑞利波或表面波等)，具有多模態(tài)特性和頻散特性，波的傳播就變得復雜。目前只有關(guān)于一些簡單的有界結(jié)構(gòu)(如桿、梁、薄板、薄膜等)中波傳播的比較成熟的結(jié)論，對于具有復雜邊界結(jié)構(gòu)的電力電纜中波的傳播的研究還不成熟，所以局放超聲在電纜中的傳播過程不清楚，對其衰減的研究僅限于幅值大小變化的研究，缺乏幅值衰減和傳播過程之間影響機制的研究，也就不能完全掌握幅值衰減所包含的所有信息，研究結(jié)果難以對工程實際有指導意義。

圖1 某型號10kVXLPE電纜截面和絕緣缺陷示意圖Fig.1 Map of a 10kVXLPE cable section and defection

表1 10kVXLPE電纜各層媒質(zhì)聲學參數(shù)Table1 Acoustic parameters of each layer structure of 10kVXLPE cable

2 電纜中超聲波幅值衰減規(guī)律仿真分析

2.1 仿真模型

利用COMSOL有限元仿真軟件按照表1所示的10kVXLPE電纜本體結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建三維仿真模型并模擬局放脈沖聲源聲壓場，仿真計算超聲波傳播過程。用高斯脈沖波形體積流率模擬電纜局放頻帶聲源，表達式如下：

其中，Qs是體積流率，單位m3/s；A是體積流率初值，A=1 m3/s；脈沖峰值時間tp=10 μs；f0=50 kHz，其波形及頻譜圖如圖2所示(后文實驗中聲源波形和仿真一致)。

根據(jù)聲學知識可知，在某一媒質(zhì)中插入某一厚度的中間層時，聲波從中間層的一側(cè)透射到另一側(cè)時的反射波和透射波的大小，不僅與兩種媒質(zhì)的特性阻抗有關(guān)，還與中間層的厚度有關(guān)。當中間層的厚度和聲波波長相比很小時，聲波可以完全透過，中間層可以忽略。鋼鎧和銅屏蔽均只有0.2 mm，本仿真中設置的聲源3 dB頻帶是2.72 kHz～40.82 kHz(見圖2(b))，按照電纜材料最小聲速1900 m/s計算(見表1)，電纜中的聲波波長均大于46.55 mm，是鋼鎧和銅屏蔽厚度的至少233倍，故可以近似認為鋼鎧和銅屏蔽可以被聲波完全透過?；谝陨侠碚?，為了簡化仿真模型，提高計算效率，在建立模型時忽略了鋼鎧層和銅屏蔽層，但同時為了保持電纜外尺寸不變，這兩層均用臨近的護套材料代替，仿真模型軸向切面示意圖如圖3所示。模型軸向長度設為1 m，徑向尺寸與真實電纜一致。在模型上建立三維直角坐標系，如圖3所示切面在z=0 平面上，為模擬XLPE中的內(nèi)半導電層尖刺缺陷，將聲源設置在模型左端內(nèi)半導電層和銅芯之間點S處，S的坐標是(0,12.4,0)。

圖2 高斯脈沖聲源波形及頻譜Fig.2 Waveform of Gauss pulse sound source and its spectrum

圖3 電纜本體聲壓場仿真模型Fig.3 Model of cable sound pressure field simulation

2.2 仿真結(jié)果分析

局放超聲傳感器一般安裝在電纜外護套表面，按照圖3坐標系，在模型z=0 平面上的外護套表面沿軸向的不同距離處設置聲壓檢測點Ti(i=1,2,···,19)，其y坐標yi=0，x坐標如表2所示。

檢測點T1、T6和T10的聲壓時間曲線p-t如圖4所示。可見，曲線隨時間均呈振蕩衰減趨勢，并且隨檢測點距聲源距離增加而逐漸呈現(xiàn)出峰值能量分散的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象和聲波在與多層介質(zhì)邊界作用時發(fā)生折/反射有關(guān)。接下來主要分析檢測點聲壓峰峰值的變化規(guī)律，實質(zhì)上反映的是p-t曲線中的最大峰值的變化規(guī)律。

圖4 檢測點T1、T6、T10 聲壓時域波形仿真結(jié)果Fig.4 Sound pressure-time curve of detection points T1,T6,T10

表2 聲壓檢測點x坐標Table2 x coordinate of detection points of acoustic pressure

檢測點聲壓峰峰值和距聲源點軸向距離(傳播距離)的關(guān)系pp-p-x如圖5所示，按照曲線變化趨勢可以將其分為4個區(qū)間：A：x ∈(10,30)；B：x ∈(30,60)；C：x ∈(60,100)；D：x ∈(100,1000)。本文對這4段數(shù)據(jù)分別選擇最優(yōu)的模型進行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。區(qū)間A聲壓峰峰值和距聲源點軸向距離符合反冪函數(shù)關(guān)系，區(qū)間B符合二次函數(shù)關(guān)系，區(qū)間C符合一次函數(shù)關(guān)系，區(qū)間D符合“指數(shù)+常數(shù)項”的函數(shù)關(guān)系。

電纜內(nèi)部聲波從聲源點開始會經(jīng)歷一個擴散的過程，擴散過程的發(fā)展可以反映在波陣面的變化上。如圖7和圖8所示，電纜內(nèi)部超聲波波陣面的形狀逐漸由不規(guī)則的曲面向平面過渡，在距聲源點大約113 mm的位置，波陣面已經(jīng)基本變成平面，這說明在電纜內(nèi)部聲波的擴散過程在大概113 mm處結(jié)束，大概對應于圖5、圖6曲線100 mm處。電纜內(nèi)部聲波擴散的過程示意圖如圖9所示，聲波從聲源點開始向四周擴散，可以推斷當波陣面完全抵達電纜的邊界時，區(qū)間A的擴散過程結(jié)束，可以根據(jù)公式(2)計算得到此時聲波傳播的距離L1約為26.44 mm，和區(qū)間A擬合曲線的終止位置30 mm 基本一致，證明了仿真及分析的正確性。同時，區(qū)間A的曲線擬合結(jié)果顯示，電纜外護套表面聲壓峰峰值和距聲源點軸向距離的0.65次方呈反冪關(guān)系，這意味著在區(qū)間A聲波的擴散速度介于球面波和柱面波之間。區(qū)間B、C，聲波波陣面仍然在向平面的過渡階段，擴散過程還在繼續(xù)。從時間上來估計，區(qū)間B和區(qū)間C出現(xiàn)的聲壓峰峰值的變化趨勢可能分別是“銅芯面”以及“下電纜表面”的反射波到達了“上電纜表面”的緣故。區(qū)間D，波陣面基本成為平面，電纜表面聲波峰峰值減小的主要原因是聲波透射到了電纜外部，但其透射系數(shù)很小，其聲波峰峰值隨傳播距離減小的平均速度為3.61×10?4GPa/mm，遠小于區(qū)間A的2.82×10?2GPa/mm。

圖5 pp-p-x曲線Fig.5 Curve of pp-p-x

圖6 仿真中電纜表面聲壓峰峰值分段擬合曲線Fig.6 Piecewise fitting curve of sound pressure amplitude on cable surface in simulation

圖7 不同時刻電纜z =0 切面聲壓場分布Fig.7 Distribution of sound field in cable section of z =0

圖8 電纜橫切面聲壓場分布Fig.8 Distribution of sound pressure field in the cross-section of cable

圖9 電纜中超聲波擴散過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of diffusion process of ultrasonic in cable

綜上可知，電纜內(nèi)部超聲波的擴散過程受到電纜結(jié)構(gòu)影響而只能進行一段距離，對于仿真中型號的電纜，局放超聲波在電纜內(nèi)部有限的擴散過程大約在距聲源100 mm處結(jié)束。在有限的擴散距離上，電纜表面聲波峰峰值的衰減很快，衰減速度明顯比擴散結(jié)束后快。

3 電纜中超聲波幅值衰減實驗及分析

3.1 實驗系統(tǒng)

本文搭建了長度為3 m的某型號10kV單相電纜超聲波衰減規(guī)律試驗平臺，實驗系統(tǒng)如圖10所示。用信號發(fā)生器產(chǎn)生和圖2波形形狀一致且幅值為10 V的脈沖電信號來激勵壓電傳感器(Piezoelectric transducer,PZT)產(chǎn)生聲波信號作為聲源，同時用另一個PZT 對電纜外護套表面的聲波幅值進行檢測。

圖10 實驗系統(tǒng)圖Fig.10 Experimental system diagram

電纜的端部絕緣層以外被剝除，絕緣層被打磨成厚度為1 mm的平臺，聲源PZT放置在該平臺上，能夠通過緊密接觸的平面將超聲波注入電纜。檢測PZT被逐次布置在和聲源PZT夾角為零的電纜外護套表面距聲源PZT分別20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm、80 mm、90 mm、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm的位置。為了增大PZT檢測的靈敏度，在電纜外護套的檢測點用環(huán)氧樹脂澆注成一個個PZT安裝平臺，同時給聲源PZT和檢測PZT 均施加11 N的力，以增強耦合效果。檢測結(jié)果表明，和沒有增敏措施相比，檢測幅值增大了1倍左右。

3.2 實驗結(jié)果分析

電纜外護套聲波檢測數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后如圖11所示，和仿真一樣，曲線隨時間均呈振蕩衰減趨勢，并且隨檢測點距聲源距離增加而逐漸呈現(xiàn)出峰值能量分散的現(xiàn)象。每個檢測點測得3組數(shù)據(jù)，濾除噪聲后求得峰峰值的平均值Up-p，將Up-p和傳播距離x進行曲線擬合，最佳擬合公式如式(3)所示，擬合曲線如圖12所示，可決系數(shù)R2=0.96，可見，實際電纜中超聲波幅值隨傳播距離的衰減是符合指數(shù)規(guī)律的，此規(guī)律可以用于電纜局放位置或局放強度的估算。其衰減系數(shù).α=0.07 Np/mm(或0.62 dB/mm)，U0=1678.63 mV，已知超聲波在硅橡膠材料中衰減系數(shù)為0.40 dB/mm[22]，實際電纜結(jié)構(gòu)中超聲波衰減系數(shù)是其1.55倍，所以實際電纜結(jié)構(gòu)中超聲波的衰減相對來說是比較嚴重的，其原因和電纜本身結(jié)構(gòu)復雜有關(guān)，比如電纜的鋼鎧層和外護套及內(nèi)護套之間實際上有很多氣隙，會加劇超聲波的衰減，這無疑增加了電纜局放超聲波檢測的難度，對傳感器的靈敏度提出了更高的要求。

圖11 檢測點聲波實測結(jié)果Fig.11 Acoustic wave on detection points

圖12 實驗聲波幅值衰減指擬合曲線Fig.12 Experimental acoustic amplitude attenuation refers to the fitting curve

并且，從圖12顯然可以發(fā)現(xiàn)，在約100 mm處是一個轉(zhuǎn)折點，從聲源至100 mm之間超聲波峰-峰值衰減速度最快，此規(guī)律和仿真一致，從而也證明了前文超聲波在電纜中擴散過程理論的正確性。因此，針對實驗中規(guī)格的電纜局放超聲檢測，傳感器布置在距局放易發(fā)位置100 mm以內(nèi)比較合理。

如圖9所示，若將L3=100 mm處確定為擴散過程結(jié)束位置，此時波陣面平面化程度用擴散半徑r和電纜直徑2R0之比k表示：

k值越大，波陣面相對越接近平面。本文中電纜k值大于2.42 就可以判定波陣面已經(jīng)近似平面，擴散過程基本結(jié)束。因此可以按照公式(4)的原理來估計任意型號電纜中聲波擴散過程結(jié)束的位置。

4 討論

將圖7所示聲壓圖的顏色圖例范圍調(diào)小至107Pa得到如圖13所示的聲壓分布圖。對比圖7和圖13可發(fā)現(xiàn)，電纜中的聲波可以分為兩個分量：一個分量聲波幅值較大(主要分量)，如圖7所示，約在109Pa的數(shù)量級，其在整個電纜結(jié)構(gòu)中的傳播速度基本一致；另一個分量聲波幅值較小(次要分量)，如圖13所示，約在107Pa的數(shù)量級，其在銅芯中的傳播速度大于外層絕緣。原因可能是局放超聲在電纜中的實際傳播路線與x軸有夾角，會不斷在銅芯與外層絕緣的界面來回反射，從而沿“Z”字形路線軸向傳播，這樣傳播路徑會變長，可造成聲波在銅芯中傳播速度和外層絕緣一致的現(xiàn)象。相反，銅芯中與x軸平行的聲波的傳播速度自然大于外層絕緣。

圖13 縮小圖例范圍的不同時刻電纜z =0 切面聲壓場分布Fig.13 Distribution of sound field in cable section of z =0 when the scope of the legend is reduced

局放聲源是一個點聲源，其初始波陣面是一個球面，聲波傳播方向中和電纜x軸平行的聲束自然少于非平行聲束，所以沿“Z”字形路徑傳播的聲波能量比較大，聲壓也比較大，聲壓約是平行于x軸傳播聲束聲壓的100倍。

本文的結(jié)論是基于主要分量所體現(xiàn)的規(guī)律，也是電纜中聲波幅值所體現(xiàn)的主要規(guī)律。關(guān)于主要分量和次要分量所蘊含的波的傳播模態(tài)的解析研究或數(shù)值分析研究有待進一步展開。

5 結(jié)論

本文通過建立10kVXLPE電纜仿真模型，研究了模擬局放超聲波電纜內(nèi)部傳播過程，并通過搭建10kVXLPE電纜超聲衰減實驗系統(tǒng)，實測了10kV單相XLPE電纜本體中超聲波衰減情況，仿真和實驗對比研究表明：

(1)實際10kVXLPE電纜中超聲波幅值隨傳播距離的衰減是符合指數(shù)規(guī)律的，此規(guī)律可以用于電纜局放位置或局放強度的估算。聲波衰減系數(shù)α=0.07 Np/mm(或0.62 dB/mm)，是硅橡膠材料中的1.55倍，故衰減比較嚴重，增加了電纜局放超聲波檢測的難度，對傳感器的靈敏度提出了更高的要求。

(2)電纜內(nèi)部超聲波的擴散過程受到電纜結(jié)構(gòu)影響而只能進行一小段距離，對于文中的10kVXLPE電纜，超聲波在電纜內(nèi)部有限距離的擴散過程大約在距聲源100 mm處結(jié)束，擴散過程導致電纜表面聲波峰峰值衰減嚴重，是電纜表面聲波峰峰值衰減的重要原因。因此，考慮聲波在電纜內(nèi)部的擴散過程，建議此規(guī)格電纜局放超聲傳感器布置在距局放易發(fā)位置100 mm以內(nèi)。

(2)用擴散半徑r和電纜直徑2R0之比k表示電纜內(nèi)部波陣面平面化程度，當k值等于2.42時判定電纜中聲波波陣面近似變成平面，擴散過程基本結(jié)束。此判斷方法也可以推廣到其他類似規(guī)格的電纜。