超声波在电缆中的传播规律与检测技术研究

朱健 刘宁 刘恒门 高晓宁 王昊一 席傲然

摘  要：电缆因其具有良好的电气特性、机械性能、传输容量大与运行维护方便等特点，从而被广泛应用于高压供电。运行中一旦发生故障将造成重大经济损失。研究发现电缆故障90%是因为电缆绝缘发生局部放电引起的。电缆绝缘发生局部放电时除了发出电信号，还会发出超声波信号。文章将对电缆故障信号——超声波的产生机理、传播规律及检测技术进行深入研究。

关键词：电缆;局部放电;超声波

中图分类号：TM855        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）15-0158-03

Abstract： Cable is widely used in high voltage power supply because of its good electrical characteristics， mechanical properties， large transmission capacity and convenient operation and maintenance. Once the failure occurs in operation， it will cause great economic losses. It is found that 90% of the cable faults are caused by partial discharge of cable insulation. When partial discharge occurs in cable insulation， in addition to sending out electrical signals， it will also send out ultrasonic signals. In this paper， the cable fault signal， that is， thegeneration mechanism， transmission law and detection technology of ultrasonic wave， will be deeply studied.

Keywords： cable; partial discharge; ultrasonic wave

引言

超聲波具有能量高、方向性好、穿透力强等优点，被广泛应用于无损检测。但是超声波作为波的一种，在传播过程中会发生反射、透射等现象。电缆绝缘发生局部放电产生的超声波需要穿过层层不同声阻抗的绝缘层、屏蔽层才能到达外界被检测到，而且电缆发生局放电的时间很短，这就需要检测装置具有很高的灵敏度。

1 超声波产生机理

电缆的绝缘材料为固态塑料结构。在制造过程中如果因为制作工艺不精良混入固体杂质，或者出现气泡都会引起高压场强分布不均，在长时间带电运行后会引起绝缘局部放电。当发生局部放电时，在放电的区域内，分子间产生剧烈的撞击，从而产生超声波信号。局部放电原理图如图1：

2.2 超声波在异质界面的传播规律

超声波在异质界面传播时，会发生反射和透射现象，反射率和透射率由介质的声阻抗决定。当超声波由声阻抗低的介质传播到声阻抗高的介质，反射率低，基本会全部透射;当超声波由声阻抗高的介质传播到声阻抗低的介质，透射率低，基本会全部反射回去。电缆绝缘发生局部放电产生的超声波时需要穿过屏蔽层，再经过空气到达超声波传感器，空气声阻抗远远小于电缆绝缘，超声波会发生大量的反射。

3 超声波检测

针对电缆绝缘局部放电特性及超声波的传播规律。本文所设计的电缆绝缘状态在线检测装置主要包括四个部分，其一为故障信号采集，其二为信号处理，其三为信号传输，其四为信号显示。检测办法特征为：基于超声波传感器检测电缆接头绝缘发生局部放电时发出的超声波信号强弱，作为电缆接头绝缘状态是否良好的判据，实时检测电缆状况。其检测原理图如图3所示。

3.1 超声波传感器

当电缆绝缘发生局部放电时，发出的超声波信号的频率一般在20-60kHz之间，环境中所存在的干扰噪声，如机械振动噪声约为120Hz-4kHz，电晕噪声9-18kHz。本文所设计的超声传感器的期望中心频率为37kHz带宽为20kHz。

超声波传感器主要由金属外壳和压电体构成，压电体将接收到的声信号转成电信号输出。其压电体采用切割压电陶瓷并填充有机物的方法制作成弧形，曲率可根据切割深度进行调整。弧形压电体可增大超声波传感器接收广角，提高检测效率和精度。超声波传感器金属壳底部也成凹曲面，并用环氧树脂紧密贴合在电缆接头表面。排除空气薄膜对超声波的反射干扰，提高检测精度。

3.2 超声波信号调理电路

电缆绝缘发生局部放电时所产生的超声波信号很微弱，在传播过程中因为信号的反射、散射等原因会造成信号能量的衰减。为了减少有用信号的损耗、以及降低噪声干扰需要调理电路。

本文所设计的调理电路如图4所示，主要包含电压跟随器、一级放大电路、带通滤波电路、二级放大电路。由于A/D模块额定输入电压为0-3V，而超声波传感器产生的为交流电压，存在负半周期，所以要加入1.5V电压进行电位抬升，并在电路输出端加3V稳压二极管，保证A/D模块运行安全。

3.2.1 阻抗匹配

超声波传感器所生成的电压很微弱，在mv级别，传输时需要进行阻抗匹配，避免超声波信号被反射回源点，造成有用信号的损失。电压跟随器的输入阻抗非常大，而输出阻抗又非常小，可以作为超声波信号的阻抗匹配电路。

3.2.2 放大电路

超声波产生的电压在mv级别，需要进行相应的放大处理，才能更好的滤波，滤波之后部分杂波被滤除，电压的有效值降低，需要进行二次放大，如图4所示。

4 下位机控制及上位机显示

调理电路处理过的信号经过A/D转换模块进入下位机，下位机进行处理后经过光纤传输给上位机，之所以选用光纤传输，是因为光纤传输抗干扰性强，可减小电磁信号对有用信号的干扰。上位机具有用C#编写的显示界面，具有数据显示和报警功能，可对电缆绝缘状态进行实时检测及故障报警。

5 结论

局部放电会造成绝缘电解质损坏，长期带病运行会导致电缆故障，造成巨大的经济损失。基于超声波的电缆绝缘局部放电检测法，实现电缆故障在线检测，在保证检测精度的前提下，提供可参考的检测数据和运行趋势来判断电缆运行的状态，预警故障隐患和先兆，为电缆的安全运行提供依据，从而可以进一步实现电缆的合理、安全动态增容，实现电缆的“智能化”运行，同时紧密结合工作实际，可提升电网安全运行水平。

参考文献：

[1]生利英.超声波检测技术[M].北京：化学工业出版社，2014.

[2]井涛.电缆局部放电在线检测方法研究[D].沈阳工业大学，2017.

[3]史宏俊.无线式高压电机定子绕组绝缘薄弱点定位装置设计[D].扬州大学，2018.