基于超声导波的长距离高压多芯电缆缺陷检测

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(南京邮电大学 自动化学院，南京 210023)

高压电缆是电力系统中传输和分配电能的重要设备，广泛应用于发电、输电、配电各个环节[1]。由于老化变质、腐蚀破坏、材料缺陷以及过电压等因素影响，电缆不可避免地会产生损伤，进而威胁电力系统的安全。故，对电缆的损伤检测成为保证电力系统安全运行的重要工作，对国民经济具有重大意义。

目前，电缆内部线芯的断股检测是一个难点。从实际情况来看，受应力以及自然环境作用影响，高压多芯线缆结构发生断股的区域往往是外侧的线芯，目前主要通过人工巡检和无人机巡查进行电缆的损伤判断，显然这种劳动强度大、效率低、存在人工疏漏的方法是不可取的。在现有结构健康监测技术中，超声导波无损检测技术因检测效率高、范围长等特点已被成功应用于钢绞线的缺陷检测中[2]，被认为是最有效且最具应用前景的结构损伤检测和诊断方法[3]。笔者通过分析电缆中存在缺陷损伤时对导波信号传播影响的机理，研究了基于超声导波的高压多芯电缆缺陷检测方法，并进行了试验研究和验证。

1 超声导波基本理论

1.1 超声导波的形成

超声导波是超声波在空间有限的介质内多次往复反射并进一步产生复杂的叠加干涉以及几何弥漫形成的[4],其能够在不同的波导结构中传播，如板、棒、管道和多层结构等。文章研究的在铝绞线中传播的超声波便是一种极其复杂的导波。图1为导波传播示意[5]。

图1 导波传播示意

1.2 超声导波的传播特性

超声导波在杆、管中传播时的速度只与介质材料密度和弹性性质有关，但由于介质结构尺寸的影响，波速依赖于波的频率，频率不同，波速也随之改变，即为超声导波的频散[6]。

根据弹性力学原理，导波在传播过程中，质点位移满足Navier位移平衡方程：

(1)

对上述方程进行Helmholts分解，再代入边界条件，利用数值解法进行求解，可得出超声导波在线芯结构中传播的频散曲线[8]。图2是超声导波在直径为3.4 mm的铝材金属丝中传播的群速度频散曲线[9]。

图2 导波在直径为3.4 mm的铝材单丝中的频散曲线

由图2可看出，随着激励频率的增大，铝线中导波模态数增多，在0～500 kHz范围内，铝线中只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)三种模态导波。为了降低复杂性，激励信号应尽量选择低频段且信号频带处于频散曲线中的平缓位置，使波包群速度接近以减少频散[10]；因此选择32 kHz作为激励信号的中心频率。在此激励频率附近时，超声导波低阶纵向模态L(0,1)的群速度在5 000 m·s-1左右，比同频率下其他模态的群速度大。检测时，因为该模态最先到达，所以检测信号的波形分析和处理更加简单[11]。

2 缺陷检测系统原理

2.1 缺陷检测原理

超声导波对小损伤比较敏感，在传播过程中遇到边界、缺陷时会发生反射、透射以及模式转换等现象[12]，进而接收信号发生相应变化，因此可以用来检测缺陷是否存在。笔者研究了基于超声导波的电缆缺陷检测技术，其检测示意如图3所示[13]。

图3 电缆缺陷检测示意

检测时，在电缆上安装两个超声探头，一是发射传感器，用于激励导波信号，导波以一定速度在被测物体中传播，当遇到断股、破股时，发生反射[14]；二是接收传感器，由接收传感器接收反射回波信号， 对接收信号去噪后进行时频域分析，得到缺陷反射波与激励导波准确的时间差Δt。

通过在固定点制造缺陷，得到激励端到缺陷端的距离x，再通过对回波的定位分析，得到相应时间差Δt，由式(2)可得回波波速c

(2)

代入得到的已知量，可计算出回波波速c，然后利用式(3)

(3)

式中：xp为缺陷点与激励端间的距离。

代入已求得波速以及回波时间，可求得xp，就可实现对电缆任意位置的缺陷定位。

2.2 导波信号的选择

在主动健康监测系统中，因为超声导波的传播存在着频散与多模态特性，所以目前大多数监测系统都选用窄带信号作为激励信号，大多通过采用一定形式和长度的窗函数载取正弦信号的方式来获得。窄带激励信号中，窗函数的时域长度越长，得到的调制信号频带越窄，导波的模态与传播越容易控制，但也越容易发生信号波包混叠。兼顾这两点，文章采用的窄带激励信号为5波峰的正弦调制信号[15]。中心频率为32 kHz的窄带信号时域归一化图形和频谱如图4所示。

图4 中心频率为32 kHz的窄带信号的时域以及频谱图

2.3 超声换能原理与装置

目前，国内外普遍应用的超声导波激励换能器有：脉冲激光传感器、磁致伸缩传感器、电磁声传感器、PVDF压电薄膜传感器、压电传感器等[16]，而前几种换能器装置复杂并且换能效率低，故为保证换能效率以便于长距离检测，笔者采用了压电陶瓷(PZT)探头作为换能器。为克服人工固定稳定性与可靠性较差的问题，还设计并制作了夹具，夹具可使探头与电缆更好地贴合与固定，图5为夹具的三维模型，图6为夹具实物。

图5 夹具的三维模型

图6 夹具实物

夹具由两个半圆形外壳以及若干个可移动探头底座组成。使用时，首先将两个半圆形的外壳进行咬合，再将电缆置于圆内；同时将钢箍穿过月牙形凹槽下方的小孔，通过缩小钢箍将电缆固定于月牙形凹槽中，以起到固定作用。并且，夹具外壳表面存在圆弧形凹槽，匹配探头底座的凹槽，可让探头以电缆为中心移动。该夹具不仅起到了固定电缆与夹具的作用，而且可以使探头灵活移动，满足试验需要。

3 试验系统与试验

3.1 试验系统

对上述试验方法进行试验验证，试验在总长为30 m的铝绞线电缆上进行，电缆总直径为25 mm，单根铝线直径为3.4 mm，并由54根单丝铝线以螺旋结构一层一层绕成，如图7所示。试验装置由计算机、PicoScope4824示波器、KH7500系列宽带功率放大器、实验室自制的电荷放大器组成。采用PZT进行导波的激励接收换能。试验系统实物如图8所示。

图7 电缆实物与截面图

图8 试验系统实物

3.2 系统试验验证

在上述的试验装置上进行试验，将窄带信号数据导入 PicoScope4824示波器的任意波形发生器模块，再将产生的波形输入到功率放大器中进行放大，放大倍数为60倍，输出±70 V窄带信号作为导波激励信号，经PZT探头换能后在电缆表面激励出导波信号，同时在激励端放置接收探头作为接收传感器。将接收到的回波信号经过电荷放大器放大后，送入示波器并在PC(计算机)端显示，试验系统框图如图9所示。

图9 试验系统框图

试验过程中，先对结构完整的健康电缆进行导波检测，然后在距离换能器左侧10 m处人工设置缺陷，观察导波能否检测到缺陷。试验中采集到了不同的导波信号，采集到的导波信号可能会存在着多方面的干扰，这些干扰很可能会影响甚至淹没回波信号，所以在采集到导波信号后，需对信号进行降噪处理。笔者采用带通滤波器对信号进行去噪，由于激励信号为32 kHz，故选取截止频率分别为20,40 kHz，去噪后的信号如图10所示。

图10 健康与损伤电缆的导波信号

对比电缆有无缺陷时的信号，不难看出，当存在损伤缺陷时，导波将在缺陷处反射端面回波信号，从而验证了该方法用于损伤定位的可行性。同时，也可看出激励端导波信号比较复杂，不仅存在多模态，还伴随着大量噪声信号，还存在一定程度的波包混叠现象。由于导波在电缆中传播时，其幅值呈指数衰减，而无关模态激发的波的幅值较小，故不会接收到各种不同模态的回波。但是也可以看出，回波信号幅值微弱，容易被噪声信号淹没。仅靠直观地观察回波的传播时间而进行定位，难以保证检测的准确性与精确性。故必须对信号进行特征提取，才可以更精确地实现缺陷的识别定位。

3.3 试验信号处理分析

采用小波变换处理响应信号以获得信号的时间-频率关系。小波变换具有很好的尺度和空间局部化特性，因此可在不同尺度上进行信号特征检测[17]。

对于一接收信号x(t), 其连续小波变换可表示为

(4)

考虑到小波母函数与激励信号的相似程度，文章采用以Morlet小波为母小波的连续小波变换对导波信号进行处理[19]，Morlet小波是高斯包络下的复指数函数，时频窗面积小，且对称性较好，具有较强的时频域局部化性能。Morlet小波波形如图11所示。

图11 Morlet 小波时域图

在MATLAB下对信号进行小波变换，首先利用centfrq函数求取小波的中心频率，再用scal2frq函数将尺度转换为频率坐标，然后用cwt函数求取小波系数，最后采用imagesc函数得出小波变换后的时频图。图12为健康信号与损伤信号小波变换后的时频图。

图12 健康电缆信号与损伤信号小波变换后的时频图

图12中纵坐标表示当前时间的频率成分，色标表示小波变换后小波系数的大小对应的颜色，也表征能量的强弱。从图12可见二者差异明显，损伤电缆在时间t=4.3 ms处捕捉到了能量较大的信号，其与噪声信号有所差异，并且是在较长时间后突然出现的，所以必然是端面反射回波无疑。

为了使回波信号更加清晰明显，对回波信号进行特征提取。笔者分别在相应频段进行特征提取，结果如图13所示，从图13可以看出，健康电缆的有效信号和损伤电缆回波主要集中在32 kHz附近。

图13 电缆回波信号的特征提取

可见，健康电缆只接收到了激励端导波信号，只有损伤电缆在一定时间后出现了较大幅值的回波，而且较大幅值回波所在频率段与激励信号频率相吻合，再次验证了其必然是端面反射回波。

3.4 试验结果分析

对处理后的信号进行结果分析，计算导波传播速度、分析导波模态，进行电缆缺陷的识别定位。

从图12可知，在时间t=4.3 ms处出现了回波，代入式(2) ，由此计算出导波的传播速度为4 651 m·s-1，与导波的频散特性曲线相吻合，为纵向模态的超声导波。为避免试验的偶然性与更好地验证导波缺陷检测技术，笔者还做了一些缺陷检测试验，对一根有多处缺陷的电缆在不同位置进行了检测，经与上文一致的试验以及信号处理方法，得到了图14所示的信号。

图14 电缆上不同位置的缺陷检测信号

从图14可看到，分别在3,3.5,3.7 ms处接收到回波信号，代入式(3)，c采用上文计算出的波速4 651 m·s-1，即可得到在 6.97,8.14,8.61 m处存在缺陷，试验在7.14,8.48,8.92 m处发现了电缆的断股缺陷，可见采用以上方法可以准确地对电缆缺陷进行识别定位。同时，激励的导波沿左右两个方向传播，故无论在哪个方向发现缺陷都会反射回来回波信号，故可实现高压多芯电缆上20 m范围内缺陷的识别与定位。

4 结语

研究了基于超声导波的高压多芯电缆长距离缺陷检测技术，对导波在电缆中的传播特性进行了分析，给出可行的检测方法并进行了试验验证，检测结果准确性与精度较高，并且实现了20 m内电缆缺陷的识别与定位。采用的检测方法解决了传统方法中的不足，提高了检测效率且延长了检测长度，具有较大的实际工程应用价值，也为进一步研究电缆损伤检测奠定了坚实的基础。