李濛 洪曉豐 黃嘉盛

特約論文

高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷周向超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

李濛1洪曉豐2黃嘉盛1

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000 2.廣東工華高新檢測科技有限公司，廣東 廣州 510765）

高壓電纜鋁護套腐蝕是電纜附件接地系統(tǒng)故障的主要原因之一。針對現(xiàn)有無損檢測技術(shù)難以準(zhǔn)確檢測被多層材料包裹的鋁護套腐蝕缺陷問題，提出一種基于周向超聲導(dǎo)波的高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷檢測方法。首先，分析周向?qū)Рㄔ诟邏弘娎|鋁護套腐蝕缺陷檢測中的傳播機理；然后，通過Abaqus有限元軟件建立周向超聲導(dǎo)波傳播模型，確定高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷周向超聲導(dǎo)波檢測方式和關(guān)鍵參數(shù)，仿真結(jié)果表明周向超聲導(dǎo)波相較于軸向超聲導(dǎo)波具有更好的檢測靈敏度和定位精度激勵信號，且激勵信號為1 MHz的周向超聲導(dǎo)波相較于500 kHz和1.5 MHz的周向超聲導(dǎo)波對鋁護套腐蝕缺陷有更好的檢測效果，為現(xiàn)場檢測提供重要依據(jù)。

周向超聲導(dǎo)波；電纜鋁護套；腐蝕缺陷；有限元仿真

0　引言

隨著城市化水平的不斷提高，電力需求也急劇上升；電力電纜作為城市電網(wǎng)的重要組成部分，其需求也急劇增長[1]。電纜附件接地系統(tǒng)主要由兩部分組成：1）電纜附件尾管與電纜金屬護套連接處，該處采用鉛封或焊接銅編織帶工藝進行電氣連接；2）接地線或同軸電纜。電纜金屬護套為能夠承受短路電流沖擊，防止徑向透水，保護絕緣線芯，通常使用皺紋鋁護套與電纜附件尾管連接[2]。在電纜附件尾管與電纜鋁護套連接處，由于焊接不良或防水措施不佳，可能致使焊接處的電纜鋁護套發(fā)生電化學(xué)腐蝕，使電纜鋁護套未能有效接地，從而產(chǎn)生懸浮電壓，導(dǎo)致電纜或附件被擊穿，對電力系統(tǒng)造成破壞，甚至危害人員生命安全[3]。因此，針對電纜鋁護套的腐蝕缺陷檢測具有現(xiàn)實意義[4]。

常用的無損檢測方式有磁粉檢測、渦流檢測、紅外檢測、超聲檢測等[5]。磁粉檢測僅用于檢測鐵磁材料，對于高壓電纜附件這種具有多層不同類型材料的結(jié)構(gòu)難以準(zhǔn)確檢測；渦流檢測主要集中于數(shù)個集膚深度，檢測深度較淺，難以檢測到高壓電纜鋁護套上的腐蝕缺陷；紅外檢測穿透力低，抗干擾能力差，對早期缺陷和微弱損傷識別的靈敏度低，不適合電纜內(nèi)部損傷檢測；常規(guī)超聲檢測僅限于點對點檢測，在多層結(jié)構(gòu)中超聲的折射和反射較為復(fù)雜，難以提取有效的回波信號。

超聲導(dǎo)波檢測具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測范圍大、檢測效率高等特點[6]，廣泛應(yīng)用于鐵路、石油運輸管道、船舶、航空航天等領(lǐng)域。同時，超聲導(dǎo)波技術(shù)對早期損傷和微小缺陷具有較好的敏感度[7]。將超聲導(dǎo)波引入高壓電纜附件的腐蝕缺陷檢測，具有重要的實用價值和潛在的經(jīng)濟效益。近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對管道結(jié)構(gòu)的超聲導(dǎo)波檢測進行了大量研究。朱龍翔等[8]利用半解析有限元法對彎管中的導(dǎo)波傳播特性進行研究，計算導(dǎo)波頻散曲線和各模態(tài)導(dǎo)波的振動特征，并分析兩者間的關(guān)系。WILCOX等[9]結(jié)合仿真實驗，驗證管道中縱向模態(tài)導(dǎo)波遇到缺陷時的模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，并建立缺陷尺寸與導(dǎo)波反射強度之間的關(guān)系。ICHCHOU等[10]研究管道中導(dǎo)波傳播的混疊效應(yīng)，討論導(dǎo)波有限元法的數(shù)值敏感性、群速度和能流速度的關(guān)系。然而，高壓電纜附件中的鋁護套為復(fù)雜的螺紋管結(jié)構(gòu)，超聲導(dǎo)波在電纜鋁護套中的傳播機理復(fù)雜，且不同模態(tài)的導(dǎo)波在鋁護套的傳播過程中群速度隨頻率的變化較大，出現(xiàn)較為明顯的頻散現(xiàn)象。目前，亟需一種合適的導(dǎo)波模態(tài)，以準(zhǔn)確檢測腐蝕缺陷。

本文提出一種基于周向超聲導(dǎo)波的高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷檢測方法及仿真研究，在分析高壓電纜鋁護套中周向超聲導(dǎo)波傳播特性的基礎(chǔ)上，基于有限元仿真技術(shù)驗證周向超聲導(dǎo)波在高壓電纜鋁護套中的傳播路徑和腐蝕缺陷檢測的可行性，并得到適合的頻率，為激勵和采集方式的確定提供理論依據(jù)。

1 高壓電纜鋁護套周向超聲導(dǎo)波傳播機理

超聲導(dǎo)波在高壓電纜鋁護套的螺紋管結(jié)構(gòu)中以彈性波的形式傳播。超聲導(dǎo)波具有頻散和多模態(tài)特性。其中，頻散特性主要表現(xiàn)為群速度與相速度不相等；多模態(tài)特性主要表現(xiàn)為在一定頻率下存在不止一種導(dǎo)波模態(tài)。在管道結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波按照傳播方向可分為軸向?qū)Рê椭芟驅(qū)Р▋深?。檢測時根據(jù)管道的材料種類和結(jié)構(gòu)選取適合的導(dǎo)波類型。軸向?qū)Рê椭芟驅(qū)Рㄔ诟邏弘娎|鋁護套中的傳播示意圖如圖1所示。

(a) 軸向?qū)Р▊鞑ナ疽鈭D (b) 周向?qū)Р▊鞑ナ疽鈭D

為便于有限元仿真，將高壓電纜鋁護套結(jié)構(gòu)簡化為波紋管結(jié)構(gòu)。周向?qū)Рㄔ诓y管的傳播過程滿足Navier控制方程：

式中：

和——Lame常數(shù)；

——各向同性介質(zhì)位移矢量；

——被測物密度；

周向?qū)Рǖ恼駝臃较蛑挥幸粋€，且與傳播方向垂直，故此時只有軸向位移，可將式(1)簡化為

將管道看作無限長，其應(yīng)力自由邊界條件為

式中：

管道內(nèi)徑；

管道外徑。

對Navier控制方程求解得到相應(yīng)的位移場。此時頻率方程為

該式可以分解為

式中：

1——2×2矩陣；

= (1,2)T。

為使線性方程組有非零解，系數(shù)行列式必為零，即

方程(6)即為周向?qū)Рǖ膫鞑シ匠獭?/p>

2 高壓電纜鋁護套超聲導(dǎo)波檢測有限元仿真

2.1 高壓電纜鋁護套建模

本文采用Abaqus軟件進行有限元仿真，研究超聲導(dǎo)波激勵信號在高壓電纜鋁護套的傳播路徑和腐蝕缺陷檢測的可行性。將高壓電纜鋁護套的螺紋管結(jié)構(gòu)簡化為波紋管結(jié)構(gòu)，便于后面的建模和網(wǎng)格劃分，模型如圖2所示。高壓電纜鋁護套建模參數(shù)從實物測量得到，參數(shù)如表1所示。為了模擬缺陷，在高壓電纜鋁護套表面切一個直徑為10 mm，深度為1 mm的圓形槽，且距離激勵處為255 mm，如圖3所示。

圖2 高壓電纜鋁護套簡化三維模型

表1 高壓電纜鋁護套參數(shù)

圖3 腐蝕缺陷設(shè)置

網(wǎng)格劃分是有限元仿真的重要部分。劃分的網(wǎng)格尺寸越小，對模型的描述越精確，但會大幅度增加內(nèi)存、硬盤等硬件要求和計算時間。在超聲導(dǎo)波仿真中，為使仿真能夠真實有效地模擬導(dǎo)波傳播，劃分的網(wǎng)格尺寸Δ與聲波波長需要滿足公式(7)、公式(8)。

由于激勵頻率不同，網(wǎng)格劃分大小也會相應(yīng)地改變。此時導(dǎo)波理論波速為3 120 m/s，頻率設(shè)為500 kHz代入公式(8)得到min= 6.3 mm，因此仿真中的網(wǎng)格尺寸應(yīng)滿足Δ< 0.63 mm。考慮到模型幾何準(zhǔn)確性和網(wǎng)格精確劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為0.5 mm，對600 mm長的高壓電纜鋁護套模型進行網(wǎng)格化。高壓電纜鋁護套的外壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法使用常用的六面體單元網(wǎng)格，因此采用四面體單元網(wǎng)格對高壓電纜鋁護套模型進行自由網(wǎng)格劃分。仿真計算采用Abaqus/ Explicit顯式積分求解器。鋁的主要模態(tài)導(dǎo)波速度約為3 120 m/s，根據(jù)鋁護套長度，將分析時間長度設(shè)置為0.000 1，仿真步長為自動，場輸出的時間增量步為0.1 μs，相當(dāng)于用10 MHz采樣率進行仿真輸出。載荷施加在高壓電纜鋁護套的一個端面，分別采用周向加載、軸向加載的方式。載荷強度采用經(jīng)Hanning窗調(diào)制的10個振蕩周期的正弦波，其中心頻率設(shè)置為1 MHz。載荷強度在加載面內(nèi)均勻分布，邊界條件自由。

2.2 仿真結(jié)果分析

對不同激勵方式的導(dǎo)波檢測進行分析，高壓電纜鋁護套中1 MHz的周向?qū)Рǜg缺陷檢測仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 1 MHz周向?qū)Рǚ抡嫘盘?/p>

由圖4可清晰看到導(dǎo)波在高壓電纜鋁護套傳播過程中的始波、端面回波及遇到腐蝕缺陷時接收的缺陷回波信號，且雜波包較少。波速計算公式為

式中：

——激勵端到缺陷處的距離；

Δ——接收到缺陷回波信號的時間與始波的時間差。

此時Δ為0.167 ms，通過公式(9)可得到此時的波速為3 054 m/s，周向?qū)Рㄔ? MHz下的理論速度為3 120 m/s，誤差為2.1%，表明此時在管道中傳播的是周向?qū)Р?，且結(jié)果中的缺陷回波信號確定的位置為腐蝕缺陷所在處；1 MHz的周向?qū)Р軌驕?zhǔn)確地獲得高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷位置。

高壓電纜鋁護套中1 MHz的軸向超聲導(dǎo)波腐蝕缺陷檢測仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 1 MHz軸向?qū)Рǚ抡嫘盘?/p>

由圖5可知：缺陷位置處出現(xiàn)較明顯的突出波包；相比1 MHz周向?qū)Рǖ姆抡娼Y(jié)果，軸向?qū)Рㄔ诜抡孢^程中出現(xiàn)許多雜波包，且接收波形信噪比較小，缺陷回波不易分辨。

此時Δ為0.149 ms，通過公式(9)可以得到波速為3 424 m/s，軸向?qū)Рㄔ? MHz下的理論速度為 3 800 m/s，誤差為9.8%，理論波速與實際波速相差較大，得到的缺陷位置與實際缺陷位置有較大差距。其原因可能為軸向?qū)Рㄔ诟邏弘娎|鋁護套腐蝕缺陷檢測的過程中，群速度隨頻率變化較大，出現(xiàn)較為明顯的頻散現(xiàn)象，使實際波速與理論波速差距較大。同時，這種頻散現(xiàn)象導(dǎo)致的模態(tài)轉(zhuǎn)換，使接收波形出現(xiàn)了許多不應(yīng)出現(xiàn)的波包，影響高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷檢測的準(zhǔn)確度。

圖4和圖5的仿真結(jié)果表明，在高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷檢測方面，周向?qū)Рㄏ噍^于軸向?qū)Рǜ邇?yōu)勢，能得到清晰的缺陷信號，獲得更準(zhǔn)確的缺陷位置。

激勵信號的頻率是影響周向?qū)Рz測激勵接收效果和缺陷識別效果的重要參數(shù)。采用激勵信號為500 kHz和1.5 MHz的周向?qū)Рㄅc圖4中激勵信號為1 MHz的周向?qū)РㄟM行比較。高壓電纜鋁護套中 500 kHz的周向?qū)Рǜg缺陷檢測仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 500 kHz周向?qū)Рǚ抡嫘盘?/p>

由圖6可以清晰地看到腐蝕缺陷的位置，且雜波包較少。此時Δ為0.149 ms，通過計算得到波速為 3 355 m/s，與理論波速3 120 m/s的誤差為7.5%，與圖4中激勵信號為1 MHz的周向?qū)РㄟM行比較， 500 kHz時的理論波速與實際波速相差較大，其缺陷位置檢測的準(zhǔn)確度降低。其原因為當(dāng)導(dǎo)波頻率較低時，導(dǎo)波模態(tài)較為單一，產(chǎn)生的雜波包較少；同時，超聲導(dǎo)波檢測準(zhǔn)確度隨導(dǎo)波頻率的增加而提高，故頻率較低時，實際波速與理論波速相差較大。

高壓電纜鋁護套中1.5 MHz的周向?qū)Рǜg缺陷檢測仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 1.5 MHz周向?qū)Рǚ抡嫘盘?/p>

由圖7可看到缺陷回波。此時Δ為0.162 ms，通過計算可得到波速為3 148 m/s，與理論波速3 120 m/s的誤差為1%，誤差相對于圖4中1 MHz的仿真結(jié)果更小，缺陷位置檢測準(zhǔn)確度更高。但在仿真過程中出現(xiàn)許多雜波包，且回波信噪比較小，使缺陷回波不易分辨。其原因為超聲導(dǎo)波檢測準(zhǔn)確度隨導(dǎo)波頻率的增加而提高，故頻率較高時，實際波速與理論波速相差較小，對缺陷位置的檢測準(zhǔn)確度更高。但頻率越高，導(dǎo)波的模態(tài)也增多，產(chǎn)生頻散現(xiàn)象，造成雜波包較多，增加檢測難度。

根據(jù)上述分析，可得到周向超聲導(dǎo)波在高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷檢測中的特點：1）在500 kHz～1 MHz的較寬頻率范圍內(nèi)，能夠得到更清晰的缺陷信號；2）周向?qū)Рㄔ诼菁y管結(jié)構(gòu)中的傳播更符合其結(jié)構(gòu)特征，使導(dǎo)波在傳播過程中的能量損耗較少；3）當(dāng)周向?qū)Рl率較低時，雖然能夠激勵出較為干凈的周向?qū)Р?，但缺陷位置的檢測準(zhǔn)確度降低；同時，當(dāng)周向?qū)Рl率較高時，缺陷位置的檢測準(zhǔn)確度會提高，但回波信噪比較小而難以分辨缺陷回波，故選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)波激勵頻率是準(zhǔn)確檢測的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

通過上述模型的仿真過程，基于高壓電纜鋁護套螺紋管結(jié)構(gòu)幾何特征，可以看出利用Abaqus有限元仿真軟件可精準(zhǔn)獲得高壓電纜鋁護套超聲導(dǎo)波模型。通過對模型施加周向載荷的方式模擬激勵出周向?qū)Р?。仿真結(jié)果表明：周向?qū)Рㄏ噍^于軸向?qū)Рㄔ跈z測高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷方面更有優(yōu)勢，能夠得到清晰的缺陷信號和更準(zhǔn)確的缺陷位置；同時激勵信號為 1 MHz時的周向?qū)Рㄏ噍^于500 kHz和1.5 MHz時的檢測效果更好，為后續(xù)損傷檢測提供重要依據(jù)。

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Circumferential Ultrasonic Guided Wave Detection Technology for Corrosion Defect of Aluminum Sheath of High Voltage Cable

LI Meng1HONG Xiaofeng2HUANG Jiasheng1

(1. Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd. Guangzhou 510000, China 2. Guangdong Gonghua High Tech Testing Technology Co., Ltd. Guangzhou 510765, China)

The corrosion of aluminum sheath of high voltage cable is one of the main problems in the grounding system of cable accessories. Aiming at the problem that the existing nondestructive testing technology is difficult to accurately detect the corrosion damage of aluminum sheath wrapped by multi-layer materials, a method for detecting the corrosion defect of aluminum sheath of high-voltage cable based on circumferential ultrasonic guided wave is proposed. Firstly, the propagation mechanism of the circumferential guided wave in the corrosion detection of the aluminum sheath of the high-voltage cable is analyzed; Then, the propagation model of circumferential ultrasonic guided wave is established by Abaqus finite element software, and the circumferential ultrasonic guided wave detection mode and key parameters of corrosion defects of high-voltage cable aluminum sheath are determined. The simulation results show that the circumferential ultrasonic guided wave has better detection sensitivity and positioning accuracy than the axial ultrasonic guided wave, And the circumferential ultrasonic guided wave with the excitation signal of 1 MHz has better detection effect on the corrosion defects of aluminum sheath than the circumferential ultrasonic guided wave with the excitation signal of 500 kHz and 1.5 MHz, which provides an important basis for on-site inspection.

circumferential ultrasonic guided wave; cable aluminum sheath; corrosion defect; finite element simulation

TH128

A

1674-2605(2022)04-0001-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.04.001

李濛,洪曉豐,黃嘉盛.高壓電纜鋁護套腐蝕缺陷周向超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)[J].自動化與信息工程,2022,43(4):1-6.

LI Meng, HONG Xiaofeng, HUANG Jiasheng. Circumferential ultrasonic guided wave detection technology for corrosiondefect of aluminum sheath of high voltage cable[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(4):1-6.

李濛，男，1993，碩士研究生，工程師，主要研究方向：高壓電纜運維及檢修。E-mail: 502509705@qq.com

洪曉豐，男，1989，本科，工程師，主要研究方向：高壓電纜附件中超聲導(dǎo)波的傳播特性。E-mail: 175290455@qq.com

黃嘉盛，男，1985，碩士，正高級工程師，主要研究方向：電力電纜運維檢測技術(shù)。E-mail: genius223344@126.com