基于超聲Lamb波的高壓電纜瓷套式終端液位檢測

祁宏昌，劉 遠，黃嘉盛，周孜毅，吳 倩，洪曉斌

(1.廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510310; 2.華南理工大學，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展，城市現代化水平不斷提高。作為城市電網中的重要設備，電力電纜的市場需求量也在急劇增長。其中，高壓電纜通過提高電壓等級、增大電纜截面提高線路載流量，可以提升線路輸電容量，其用量逐年劇增。高壓電纜戶外終端常采用瓷套式終端（簡稱瓷套管）作為外絕緣裝置，并對其具有一定的支撐作用。與硅橡膠復合套管相比，瓷套管穩定性更好，耐污穢能力更強，長期耐老化性能也更優秀。瓷套管中通常充入硅油作為絕緣介質，實現載流導體的對地絕緣，同時具有散熱冷卻、滅弧以及緩沖減震等作用。但瓷套式充油終端在使用過程中，由于終端內的填充介質絕緣油的損耗或泄露會導致瓷套管局部發熱異常等問題，嚴重時會引發瓷套管的爆炸，對周圍設備、建筑造成破壞，甚至威脅人員生命安全[1]。

瓷套管內部絕緣油泄漏及損耗是一個長期過程，如果在剩余油量處于安全高度范圍時，對瓷套管內部油位進行定期巡檢，就可判定該瓷套管是否存在泄漏問題。目前，電纜終端內部油位檢測常采用離線檢測法和超聲回波法。離線檢測法就是在巡檢時通過斷電打開電纜終端瓷套檢測油位高度。檢測程序繁雜，需耗費大量人力物力，檢測效率低。超聲回波法是通過超聲回波在不同界面條件下回波強度不同來實現液位的定點檢測。程明等[2]建立了瓷套管簡易模型進行試驗，并設計了瓷套管油位帶電檢測設備，實現了充油瓷套管內部油位的帶電檢測。莫潤陽等[3]研究了陶瓷/硅油界面和陶瓷/空氣界面的超聲回波特性，并在此基礎上提出了通過界面回波衰減規律來判別瓷套管內部是否為陶瓷/硅油界面。馬雪艷等[4]采用厚度補償方法對變壁厚絕緣瓷套管內部液位進行檢測。但超聲回波檢測法的探頭受瓷套管傘裙的影響并不能對任意高度進行測量。

近年來，超聲導波檢測技術因其具有傳播距離長、檢測效率高等特點而受到國內外研究學者關注[5-8]。何存富等[9]研究了Lamb波在薄板負載液體時的傳播特性，利用Lamb在液體負載時衰減頻散曲線影響較大的特性對密閉容器的液位進行定點檢測。徐鴻等[10]通過對平板負載液體的導波模態進行分析研究，發現采用特定模態的導波在不同液位密閉容器的傳播時間呈線性關系，并以此測量容器液位。然而，有關超聲Lamb波檢測技術應用于瓷套管油位檢測的研究仍然涉及很少。本文提出了一種基于超聲Lamb波的密閉容器液位檢測方法，為實現瓷套式高壓電纜終端內部液位帶電檢測奠定了研究基礎。首先介紹超聲Lamb波的液位檢測機理，并搭建了實驗平臺，最后對實驗結果進行分析，實現了瓷套式高壓電纜終端內部液位檢測。

1 瓷套管超聲Lamb波液位檢測方法

1.1 瓷套管液位超聲Lamb波檢測機理分析

超聲Lamb波是指在板狀類波導結構中傳播的彈性波，傳播的波型既存在質點振動方向與板面垂直的橫波又存在質點振動方向與板面平行的縱波。作為超聲導波的一種類型，超聲Lamb波具有頻散與多模態特性。主要表現為群速度與相速度不一致及傳播過程中存在多種振動模態。通常超聲Lamb波在柱狀管道結構中的傳播可近似為在板中的傳播。當傳播介質是在真空或空氣中時，可認為超聲Lamb波的傳播為無衰減系統或衰減較小。而當傳播介質為層狀介質或在液體介質時，介質中傳播的超聲Lamb波會泄漏到液體或其他層介質中去，超聲Lamb波的傳播系統衰減較大。此時，可引入復頻率或波數[11]處理：

瓷套管在液位檢測時，管壁外部與空氣接觸，內部與液體接觸，超聲Lamb波實際上是在多層介質（空氣、陶瓷及液體）中傳播。超聲Lamb波的傳播過程中有較大衰減。因此，可以根據Lamb波傳播過程中的能量衰減來判斷Lamb波傳播途徑中是否與液體接觸。超聲Lamb波在瓷套管中的傳播示意圖如圖1所示。

圖1 瓷套管中Lamb波傳播示意圖

1.2 基于小波能量的液位評估

由于瓷套管內部液體的存在，接收信號的能量會有部分泄漏到液體中去，致使接收信號的能量下降。研究采用小波包分解對接收信號的進行分析，提取信號中的特性信息，進而對瓷套管內部液位進行評估[12-13]。

對于給定的尺度函數和小波函數，定義其雙尺度方程為

其中，Z 為整數合集，h（k）和g（k）是一組共軛鏡像濾波器，滿足關系g（k）=（-1）kh（1-k）。

根據式（2），可以將信號x（t）按小波包基函數進行展開：

以1個信號的小波包變換來說明小波包分解的過程，三層小波包分解樹如圖2所示。信號依次被分解為低頻和高頻部分，如第1層中A0為信號中的低頻部分，A1為信號中的高頻部分。三層小波包分解關系為：x（t）=C0+C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7。

圖2 三層小波包分解樹示意圖

對于反映瓷套管液位的超聲Lamb波信號，接收信號通過l層小波包變換進行分解，得到2l個子集其中，每個小波子集對應在一個頻段，假設接收信號的采樣率是2 MHz，根據采樣定理，奈奎斯特采樣頻率是1 MHz。利用小波包進行3層分解，這里l=3，可以分為8個頻帶范圍，每個頻率區間的長度為1/8=0.125 MHz。所以每個小波子集信號可以代表某段頻率區間信號的能量，其能量值為

其中Ri，m為第i個子集的第m個小波包分解系數。

對于原始信號來說，不同頻段的小波能量代表了信號處于這個頻段的成分大小，能量越大則說明信號成分主要存在于這個頻段。研究中通過小波分解計算不同頻段的小波能量，并提取小波能量較大的頻率成分作為信號特征，減小了噪聲等其他干擾，使檢測結果更準確。

2 實驗平臺

為進行超聲Lamb波瓷套管內部液位檢測研究，搭建了瓷套管檢測實驗平臺，如圖3所示。該平臺主要包括：Agilent 33522B信號發生器、TREK2100HF功率放大器、拓普PCI-20614數據采集卡以及高性能PC上位機。實驗過程中，首先由信號發生器產生激勵信號，經過功率放大器放大以產生足夠大的電壓驅動超聲換能器，超聲信號在瓷套管中傳播并由數據采集卡通過接收換能器采集，最終傳送給高性能PC進行處理。

圖3 實驗平臺

采用PZT壓電片（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷）作為激勵與接收換能器。PZT壓電片的中心頻率為2 MHz，直徑為10 mm。瓷套管為YJZWC4型110 kV高壓電纜終端，瓷套管高度為1 410 mm。激勵與接收換能器分別粘貼于瓷套管的頂部與底部中間位置，可以有效規避掉瓷套管傘裙部位換能器不易粘貼的問題。實驗中采用藍田9005型AB膠將PZT壓電片粘貼于瓷套管壁上并盡量保持PZT壓電片與管壁平行，待AB膠經24 h完全固化后實驗效果最佳。激勵與接收換能器分別與頂部和底部端面相距100 mm，兩換能器相距1 210 mm瓷套管PZT粘貼實物圖如圖4所示。

圖4 瓷套管PZT粘貼實物圖

3 實驗結果及分析

3.1 實驗過程

為增強接收信號強度，實驗通過掃頻實驗獲取瓷套管最佳響應頻率。激勵信號從瓷套管頂部超聲換能器激勵，由底部超聲換能器進行接收。掃頻信號為0～500 kHz的正弦信號。掃頻時間為1 s。激勵幅值為Vpp=6 V，經50倍功率放大器后放大至300 V。接收掃頻信號及其頻譜如圖5所示。接收信號的采樣率為2 MHz，奈奎斯特頻率為1 MHz。由于頻率大于500 kHz后無響應，頻譜僅顯示到500 kHz。

從圖5中可以看出，瓷套管的頻域響應在150 kHz～250 kHz范圍內較為敏感，在218 kHz頻率響應最強。因此，采取頻率為218 kHz的正弦信號進行激勵，震蕩周期為10。實驗對不同高度的液位進行測量，液位從0 mm開始測量，并依次增加100 mm，最終完成1 400 mm液位測量。液位為0 mm和100 mm時接收信號如圖6所示。液位由0 mm升至100 mm時，幅值下降較大，頻率均在213 kHz達到最大值，與激勵頻率相差不大。

圖5 瓷套管掃頻信號

3.2 基于小波能量的液位檢測

為減小測量誤差并提高實驗結果可靠性，每一液位高度均采集10次信號進行處理。由于接收換能器離瓷套管底部較近，底部反射回波會對接收信號產生較大的干擾，研究中截取接收信號達到峰值后一定長度的數據進行分析，總數據點數為1 224。并通過小波包分解對信號進行分析。接收信號的采樣率是2 MHz，利用小波包進行3層分解，可以分為 8 個頻帶范圍：（0，125 kHz），（125 kHz，250 kHz），（250 kHz，375 kHz），（375 kHz，500 kHz），（500 kHz，625 kHz），（625 kHz，750 kHz），（750 kHz，875 kHz），（875 kHz，1 MHz）。小波包分解后的時頻圖如圖7所示，橫軸為數據點數，縱軸為第3層小波包節點，由下至上分別對應8個頻帶。從圖7中可以看出，接收信號的前半段信號能量非常低，此時，激勵信號尚未到達瓷套管底部的壓電換能器。在后半段接收信號逐漸增強，但信號能量主要集中于（125 kHz，250 kHz）和（250 kHz，375 kHz）兩個頻帶范圍，尤其在（125 kHz，250 kHz）頻帶內信號能量非常強。這是因為激勵信號的初始頻率為218 kHz，由于超聲Lamb波的頻散特性，部分能量泄漏到（250 kHz，375 kHz）頻帶范圍。為更準確地評估瓷套管的液位高度，研究選取（125 kHz，250 kHz）頻帶的能量進行計算并進一步衡量液位高度。

圖6 液位為0 mm和100 mm時接收信號

圖7 接收信號小波包分解時頻圖

不同液位高度的接收信號在（125 kHz，250 kHz）頻帶內的小波能量如圖8所示。從圖中可以看出，隨著液位高度的增加，小波能量值逐漸降低。在液位較低時，能量的衰減非常迅速，尤其是在液位為0 mm和100 mm時能量衰減程度最大。一方面，由于液位為100 mm時已經處于底部接收換能器位置，直接影響著接收換能器接收信號。另一方面，激勵信號首次由陶瓷/空氣界面轉換到陶瓷/液體界面對信號能量的影響較大。而當液位較高時，由于激勵信號的能量大部分泄漏到內部液體中去，接收到的信號能量在數值上較低。整體上，接收信號的小波能量隨著液位高度的增加而呈現下降趨勢。采用超聲Lamb波能量的衰減可以有效檢測瓷套管內部液位。但是，由于接收信號能量隨液位高度呈幾何式下降，在液位較低時能量的區分度較高，液位高度較易區分。而當液位較高時能量的區分度下降，液位高度評估的準確性也隨之下降。

4 結束語

圖8 不同液位高度的小波能量

針對瓷套式高壓電纜終端內部液位帶電檢測難以實現這一問題，提出了一種基于超聲Lamb波的液位檢測方法。該方法通過將壓電換能器粘貼在瓷套終端頂部與底部中間位置，可以有效規避掉瓷套管傘裙處無法粘貼壓電片和放置探頭等問題。根據瓷套管的掃頻信號，選取滿足條件的激勵頻率進行實驗，并通過小波包分解對信號進行分析。實驗結果表明由空氣/陶瓷界面轉變為液體/陶瓷界面對超聲Lamb波的衰減影響較大。接收信號的小波能量隨液位高度的增加呈幾何式衰減。在液位較低時能量的區分度較高，液位高度較易區分，表明采用超聲Lamb波能量的衰減可以有效評估瓷套管內部液位。針對液位較高時能量的區分度下降問題，下一步將圍繞激勵信號加強及壓電傳感器布置等方面進行研究。