瓷套式电缆终端油位的超声检测

2015-01-01莫润阳牛海清祁宏昌

西北大学学报（自然科学版） 2015年5期

莫润阳，牛海清，郭然，祁宏昌

(1.陕西师范大学物理学与信息技术学院/陕西省超声学重点实验室，陕西西安 710119;2.华南理工大学电力学院，广东广州 510640;3.广州供电局有限公司，广东广州 510310)

目前，广州地区有不少电缆终端为充油瓷套型，即在交联聚乙烯电缆绝缘上套装应力锥、瓷套，密封后充满硅油或其他绝缘介质［1-2］。瓷套内填充的硅油作为绝缘和冷却介质，与其他绝缘件等构成电缆终端的绝缘系统。充油电缆终端接头一般没有外置油压补偿装置，漏油是困扰电缆运行安全的问题之一。终端内油量减少会导致电场分布改变，严重时导致接头击穿［3］。虽然现在干式终端接头正在投入使用，但充油终端的大量存在使得终端渗油在很长一段时间内还是一个需要解决的问题。渗漏是一个持续时间较长的过程，如果能够在巡检时对油面高度进行检测，就可判定该瓷套是否存在渗漏现象，以及所剩油量是否在安全高度范围内。

现行电缆终端内部油面高度的检测方法需要将电缆终端瓷套打开来检测油面高度，这是一种离线检测方法，因此无法在巡检时带电检测油位。红外法［4］虽可带电观测套管内油位，但受环境温度和周围红外射线干扰等外界因素影响，检测结果易出现偏差，存在一定局限性。所以有必要寻求一种不打开电缆终端就能检测其油面高度的有效方法，以确保电缆终端正常工作。

本文基于对超声波在陶瓷/硅油界面、陶瓷/空气界面的反射、透射及衰减特性的研究，提出了一种基于超声回波衰减信息的超声液位检测方法，模拟瓷套和实体瓷套实验显示了该方法的有效性。

1 终端油位超声检测的基本原理

超声传播中遇到两种不同声阻抗物质构成的交界面(即异质界面)将发生反射、折射、透射及波型转换多种现象。同时由于声波散射、吸收、声束扩散等原因，声波能量会衰减［5-8］。瓷套内某位置无油，则构成陶瓷/空气(简称固/气)界面，否则构成陶瓷/绝缘油(简称固/液)界面。超声波在不同异质界面下的声压、声强反射率和透射率差异取决于两种介质声阻抗［9-10］。

检测时，按照图1所示，将换能器耦合在瓷套管外壁某个位置，换能器发出超声波，声波在管壁中传播，在管壁与内部介质构成的界面处发生发射和透射，一部分声能反射回来，形成界面回波，另一部分声能透射到管内介质中去。通过管壁在对超声反射回波特性的分析可区分该位置是固/气或固/液界面，进而确定绝缘油位置即液面位置。

图1 瓷套内液位超声检测原理Fig.1 Schematic of detecting oil level in porcelain cable by ultrasound wave

对瓷套内的固 /气和固 /液界面，由声波垂直入射到异质界面的声压反射率r可由式(1)计算

Z1，Z2分别为沿声波入射方向第一、第二介质的声阻抗。

另外，超声波在管壁界面处声能透射率可用下式计算

考虑到电工陶瓷固体的声阻抗Z1近似为2.6×107kg/m2s，空气声阻抗 Z2=4.3 ×102kg/m2s，绝缘油液体声阻抗 Z2=2.4 ×106kg/m2s［9］。

计算可知，超声波在固/气界面的声压反射率r约为100%，而在固/液界面的声压反射率为83%;固/气界面声能透射率为0.006 6%，而在固/液界面声能透射率为30%。理论上利用这种差异可区分固/液、固/气界面。

2 超声检测瓷套终端油位试验

为研究超声方法确定高压电缆终端瓷套内硅油液面高度的可行性，本文在陕西省超声学重点实验室进行了油位超声检测试验，为方便寻找规律和对比，分别选用了两种实验样品，一种为仿圆柱曲面的陶瓷套管(以柱形陶瓷杯代替)，另一种样品为来自变电站现场的瓷套。

2.1 试验装置

试验所用仪器有:超声信号发生与接收器、数字示波器和超声直探头(型号:5PΦ10Z)。超声信号发生与接收器产生高频电脉冲信号，激励超声探头，探头中的压电晶片将该电信号转换成超声信号，声信号经蜂蜜耦合进入被检样品内并在样品内传播，遇到异质界面发生反射，反射波被超声换能器接收并接入数字示波器观察回波信号。

2.2 结果及讨论分析

2.2.1 固/气、固/液界面回波高度变化为便于绝缘油的灌入，同时保证耦合状态的一致性，选用壁厚均匀且厚度为2.5 mm的柱形陶瓷杯代替瓷套管，蜂蜜作为耦合剂将超声探头耦合于圆柱外表面。相同检测及灵敏度条件下，测定在瓷杯同一位置处未加油(固/气界面)与加油后(固/液界面)第一次界面回波高度差异。考虑到瓷杯壁厚小，多次回波干涉破坏了回波幅度变化的单调性，因而主要考虑第一次界面回波高度的变化。

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实验发现，未加油时，调整第一次界面回波高度为满刻度的60%，慢慢注入绝缘油，探头位置、耦合及仪器状态保持，当油位高出探头所在水平高度后，读取此时第一次界面高度位置，约为满刻度的48%。可见，同一位置处固/气、固/液第一次界面回波高度发生变化，且固/液界面的第一次界面回波高度较固/气界面下降，下降比例为20%，用分贝表示的这种下降数为

其中，h1为固/液界面第一次界面回波高度，h2为固 /气界面第一次界面回波高度。

实验表明，在良好稳定耦合条件下，固/气界面与固/液第一次界面回波高度存在差异，绝缘油的加入，使界面回波高度下降。本次实验测得固/液界面较固/气界面第一次界面回波高度下降约20%，前面理论计算固/气、固/液界面声压发射率分别为100%和83%，差异为17%，与理论计算结果基本一致。程明等［4］在壁厚20 mm、直径0.3 m的圆柱陶瓷罐体上的实验也表明，管内有变压器油和没有变压器油相比，不仅回波信号高度下降，而且回波信号在频域也有大幅度下降。

值得注意的是，超声回波高度对耦合状态敏感，尤其对曲面结构，耦合状态稳定性不易保证，回波幅度1-2dB的微小差异很容易被耦合不良引起的幅度差异所淹没。

可见，基于超声界面第一次回波高度的变化确定液位的方法从理论上可行，但在实际操作中并不是非常有效，从而使其应用受限。

2.2.2 固/气、固/液界面多次回波衰减特征为研究超声法在瓷套式终端油位检测的有效性，取来自现场的一瓷套管，高1 350mm，上端外径180mm，壁厚22mm，下端外径270mm，管内注入硅油高度约50cm，见图2。在瓷套管的上端(位置1，固/气界面)和下端(位置 2，固/液界面)分别进行检测。

当探头置于图2所示位置1时，固/气界面产生多次界面回波，B1，B2，B3，…分别表示第1次，第2次，第3次…界面回波(见图3)。

图2 来自现场的绝缘瓷套管Fig.2 The insulating porcelain sleeve from the scence

图3 固/气界面多次回波特性Fig.3 Multiple ultrasonic echo characteristic of ceramic/air interface

当探头置于图2所示位置2，即固/液界面时，回波次数较固/气界面明显减少，从第2次反射回波就出现明显的差异性，其高度下降显著，第三次界面回波能量由于透射衰减几乎消失(见图4)。这一点其实从陶瓷/绝缘硅油这一固/液界面的声能透射率的计算也可理解，每次声波入射到该固液界面一次，约30%的能量透射到绝缘油中去，仅经3次，能量就会衰减殆尽。与陶瓷/空气这一固/气界面声能透射率0.006 6%相比，衰减速度非常之快。