瓷套式電纜終端油位的超聲檢測

莫潤陽，牛海清，郭 然，祁宏昌

(1.陜西師范大學物理學與信息技術學院/陜西省超聲學重點實驗室，陜西西安 710119;2.華南理工大學電力學院，廣東廣州 510640;3.廣州供電局有限公司，廣東廣州 510310)

目前，廣州地區(qū)有不少電纜終端為充油瓷套型，即在交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣上套裝應力錐、瓷套，密封后充滿硅油或其他絕緣介質(zhì)［1-2］。瓷套內(nèi)填充的硅油作為絕緣和冷卻介質(zhì)，與其他絕緣件等構成電纜終端的絕緣系統(tǒng)。充油電纜終端接頭一般沒有外置油壓補償裝置，漏油是困擾電纜運行安全的問題之一。終端內(nèi)油量減少會導致電場分布改變，嚴重時導致接頭擊穿［3］。雖然現(xiàn)在干式終端接頭正在投入使用，但充油終端的大量存在使得終端滲油在很長一段時間內(nèi)還是一個需要解決的問題。滲漏是一個持續(xù)時間較長的過程，如果能夠在巡檢時對油面高度進行檢測，就可判定該瓷套是否存在滲漏現(xiàn)象，以及所剩油量是否在安全高度范圍內(nèi)。

現(xiàn)行電纜終端內(nèi)部油面高度的檢測方法需要將電纜終端瓷套打開來檢測油面高度，這是一種離線檢測方法，因此無法在巡檢時帶電檢測油位。紅外法［4］雖可帶電觀測套管內(nèi)油位，但受環(huán)境溫度和周圍紅外射線干擾等外界因素影響，檢測結果易出現(xiàn)偏差，存在一定局限性。所以有必要尋求一種不打開電纜終端就能檢測其油面高度的有效方法，以確保電纜終端正常工作。

本文基于對超聲波在陶瓷/硅油界面、陶瓷/空氣界面的反射、透射及衰減特性的研究，提出了一種基于超聲回波衰減信息的超聲液位檢測方法，模擬瓷套和實體瓷套實驗顯示了該方法的有效性。

1 終端油位超聲檢測的基本原理

超聲傳播中遇到兩種不同聲阻抗物質(zhì)構成的交界面(即異質(zhì)界面)將發(fā)生反射、折射、透射及波型轉(zhuǎn)換多種現(xiàn)象。同時由于聲波散射、吸收、聲束擴散等原因，聲波能量會衰減［5-8］。瓷套內(nèi)某位置無油，則構成陶瓷/空氣(簡稱固/氣)界面，否則構成陶瓷/絕緣油(簡稱固/液)界面。超聲波在不同異質(zhì)界面下的聲壓、聲強反射率和透射率差異取決于兩種介質(zhì)聲阻抗［9-10］。

檢測時，按照圖1所示，將換能器耦合在瓷套管外壁某個位置，換能器發(fā)出超聲波，聲波在管壁中傳播，在管壁與內(nèi)部介質(zhì)構成的界面處發(fā)生發(fā)射和透射，一部分聲能反射回來，形成界面回波，另一部分聲能透射到管內(nèi)介質(zhì)中去。通過管壁在對超聲反射回波特性的分析可區(qū)分該位置是固/氣或固/液界面，進而確定絕緣油位置即液面位置。

圖1 瓷套內(nèi)液位超聲檢測原理Fig.1 Schematic of detecting oil level in porcelain cable by ultrasound wave

對瓷套內(nèi)的固 /氣和固 /液界面，由聲波垂直入射到異質(zhì)界面的聲壓反射率r可由式(1)計算

Z1，Z2分別為沿聲波入射方向第一、第二介質(zhì)的聲阻抗。

另外，超聲波在管壁界面處聲能透射率可用下式計算

考慮到電工陶瓷固體的聲阻抗Z1近似為2.6×107kg/m2s，空氣聲阻抗 Z2=4.3 ×102kg/m2s，絕緣油液體聲阻抗 Z2=2.4 ×106kg/m2s［9］。

計算可知，超聲波在固/氣界面的聲壓反射率r約為100%，而在固/液界面的聲壓反射率為83%;固/氣界面聲能透射率為0.006 6%，而在固/液界面聲能透射率為30%。理論上利用這種差異可區(qū)分固/液、固/氣界面。

2 超聲檢測瓷套終端油位試驗

為研究超聲方法確定高壓電纜終端瓷套內(nèi)硅油液面高度的可行性，本文在陜西省超聲學重點實驗室進行了油位超聲檢測試驗，為方便尋找規(guī)律和對比，分別選用了兩種實驗樣品，一種為仿圓柱曲面的陶瓷套管(以柱形陶瓷杯代替)，另一種樣品為來自變電站現(xiàn)場的瓷套。

2.1 試驗裝置

試驗所用儀器有:超聲信號發(fā)生與接收器、數(shù)字示波器和超聲直探頭(型號:5PΦ10Z)。超聲信號發(fā)生與接收器產(chǎn)生高頻電脈沖信號，激勵超聲探頭，探頭中的壓電晶片將該電信號轉(zhuǎn)換成超聲信號，聲信號經(jīng)蜂蜜耦合進入被檢樣品內(nèi)并在樣品內(nèi)傳播，遇到異質(zhì)界面發(fā)生反射，反射波被超聲換能器接收并接入數(shù)字示波器觀察回波信號。

2.2 結果及討論分析

2.2.1 固/氣、固/液界面回波高度變化 為便于絕緣油的灌入，同時保證耦合狀態(tài)的一致性，選用壁厚均勻且厚度為2.5 mm的柱形陶瓷杯代替瓷套管，蜂蜜作為耦合劑將超聲探頭耦合于圓柱外表面。相同檢測及靈敏度條件下，測定在瓷杯同一位置處未加油(固/氣界面)與加油后(固/液界面)第一次界面回波高度差異。考慮到瓷杯壁厚小，多次回波干涉破壞了回波幅度變化的單調(diào)性，因而主要考慮第一次界面回波高度的變化。

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實驗發(fā)現(xiàn)，未加油時，調(diào)整第一次界面回波高度為滿刻度的60%，慢慢注入絕緣油，探頭位置、耦合及儀器狀態(tài)保持，當油位高出探頭所在水平高度后，讀取此時第一次界面高度位置，約為滿刻度的48%。可見，同一位置處固/氣、固/液第一次界面回波高度發(fā)生變化，且固/液界面的第一次界面回波高度較固/氣界面下降，下降比例為20%，用分貝表示的這種下降數(shù)為

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

實驗表明，在良好穩(wěn)定耦合條件下，固/氣界面與固/液第一次界面回波高度存在差異，絕緣油的加入，使界面回波高度下降。本次實驗測得固/液界面較固/氣界面第一次界面回波高度下降約20%，前面理論計算固/氣、固/液界面聲壓發(fā)射率分別為100%和83%，差異為17%，與理論計算結果基本一致。程明等［4］在壁厚20 mm、直徑0.3 m的圓柱陶瓷罐體上的實驗也表明，管內(nèi)有變壓器油和沒有變壓器油相比，不僅回波信號高度下降，而且回波信號在頻域也有大幅度下降。

值得注意的是，超聲回波高度對耦合狀態(tài)敏感，尤其對曲面結構，耦合狀態(tài)穩(wěn)定性不易保證，回波幅度1-2dB的微小差異很容易被耦合不良引起的幅度差異所淹沒。

可見，基于超聲界面第一次回波高度的變化確定液位的方法從理論上可行，但在實際操作中并不是非常有效，從而使其應用受限。

2.2.2 固/氣、固/液界面多次回波衰減特征 為研究超聲法在瓷套式終端油位檢測的有效性，取來自現(xiàn)場的一瓷套管，高1 350mm，上端外徑180mm，壁厚22mm，下端外徑270mm，管內(nèi)注入硅油高度約50cm，見圖2。在瓷套管的上端(位置1，固/氣界面)和下端(位置 2，固/液界面)分別進行檢測。

當探頭置于圖2所示位置1時，固/氣界面產(chǎn)生多次界面回波，B1，B2，B3，…分別表示第1次，第2次，第3次…界面回波(見圖3)。

圖2 來自現(xiàn)場的絕緣瓷套管Fig.2 The insulating porcelain sleeve from the scence

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

當探頭置于圖2所示位置2，即固/液界面時，回波次數(shù)較固/氣界面明顯減少，從第2次反射回波就出現(xiàn)明顯的差異性，其高度下降顯著，第三次界面回波能量由于透射衰減幾乎消失(見圖4)。這一點其實從陶瓷/絕緣硅油這一固/液界面的聲能透射率的計算也可理解，每次聲波入射到該固液界面一次，約30%的能量透射到絕緣油中去，僅經(jīng)3次，能量就會衰減殆盡。與陶瓷/空氣這一固/氣界面聲能透射率0.006 6%相比，衰減速度非常之快。

圖4 固/液界面多次回波特性Fig.4 Multiple ultrasonic echo characteristic of ceramic/silicone oil interface

保證耦合狀態(tài)良好，更換不同規(guī)格的超聲探頭，在以上兩個位置進行多次試驗，所得規(guī)律基本一致。若將兩種情況下的多次回波峰值點連接成曲線，可得固/液、固/氣界面回波幅度下降曲線，如圖4所示，兩條曲線斜率差異顯著，固/液界面衰減迅速。

圖5 固/氣、固/液界面反射回波衰減曲線Fig.5 Attenuation curve of interface reflection wave

可見，陶瓷/硅油與陶瓷/空氣兩種界面上產(chǎn)生的界面回波次數(shù)和回波幅度高低有明顯的差異，且由多次界面回波峰構成的曲線斜率差異更是明顯。因而根據(jù)回波次數(shù)和回波峰構成的曲線斜率參數(shù)可作為不同界面評判的依據(jù)。

3 結語

由圓柱瓷杯試驗以及現(xiàn)場瓷套式終端試驗表明，在保持探頭與界面耦合良好的前提下，界面超聲回波衰減特性可以作為陶瓷/空氣界面與陶瓷/硅油界面區(qū)分的標志。

由于瓷套式終端外形結構復雜，要將該方法用于實際運行中瓷套式終端油位的檢測，還需要對如下問題進行深入試驗研究:

1)試驗中超聲探頭所放置的兩個位置是瓷套的傘群起始與終了區(qū)域，外觀平整，探頭安放易于實現(xiàn)，耦合狀態(tài)也可得到保證;但在中部兩傘群之間區(qū)域，空間位置不僅狹小且是三維曲面，探頭難以與瓷套壁保持穩(wěn)定、良好的耦合，所以要解決的第一個問題是超聲探頭與被檢瓷套的耦合問題。

2)在役瓷套管壁沿管軸方向，厚度和外徑都不同，因曲率不同造成的耦合狀態(tài)變化和管壁厚度不同從而又會造成的聲程衰減變化等都會引起衰減規(guī)律擾動。所以需要對超聲檢測時整個瓷套范圍內(nèi)由耦合、壁厚差異造成的誤差進行理論估算，通過給不同部位回波信號進行適當修正，以保證整個瓷套范圍評價的一致性。

3)在瓷套各部位開展更加細致、深入、系統(tǒng)的試驗研究，建立超聲在陶瓷/空氣界面與陶瓷/硅油界面回波衰減規(guī)律和頻域變化等信息的數(shù)據(jù)庫，為區(qū)分空氣/硅油界面設立可靠評定基準。

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