基于太赫茲時域光譜技術的電纜絕緣護套老化狀態分析

池威威 劉海峰 李志雷 周莉梅 劉洋洋

(1.國網河北省電力有限公司雄安新區供電公司,河北 雄安新區 071000;2.中國電力科學研究院,北京 100192)

0 引言

太赫茲波是介于0.1～10 THz的電磁輻射波,波長范圍為0.03～3 mm,從頻率上看其介于紅外光學和微波毫米波之間,是宏觀電子學向微觀光子學的過渡波段,因此包含著豐富的物理特性和化學特性[12]。基于太赫茲波所處電磁波譜的位置,太赫茲波具有電絕緣介質材料穿透能力強、攜帶物質信息豐富、單光子能量低、抗干擾能力強、檢測精度高等優勢,在電力絕緣材料無損檢測與材料老化表征方面具有較高的應用價值[3-5]。在航空航天領域,太赫茲波作為重要的檢測手段應用于檢測飛行器表面熱障涂層的厚度均勻性、涂覆質量、內部缺陷等[6-9];在物質鑒別領域,太赫茲波主要用于鑒別不同種類的毒品、醫藥、炸藥及農藥殘留等[10-12];在工業無損檢測領域,太赫茲波主要用于不同樣品的缺陷檢測成像,對樣品的內部分層及缺陷情況評估等[13-15]。

電力輸送電纜常用的外表護套通常為硅橡膠、環氧樹脂等絕緣材料。除了制造原材料性能差異與缺陷之外,絕緣護套在長期運行過程中容易受到風吹、雨淋、日曬、運行工況差等外界因素的影響,使外表層絕緣材料老化,進而引起電纜絕緣性能降低,嚴重時會產生電纜絕緣層操作、絕緣放電、對地導電等,最終導致電力電纜故障,引發供電線路短路,甚至造成大面積停電等事件[16-17]。常規電力電纜絕緣的無損檢測方法主要有超聲波、X 射線、紅外、紫外、反射譜測量、交流耐壓、局部放電、等溫松弛電流等[1822],這些檢測技術由于材料衰減、信號干涉等問題難以表征絕緣護套的老化程度以及內部的微小缺陷,因此無法實現電力設施絕緣護套故障的早期診斷與提前預警。而太赫茲時域光譜技術所處波段的位置使得該技術在絕緣材料檢測中具有獨特的優勢。太赫茲波在絕緣介質材料中不僅具有衰減小、準直性強、穿透性好等優點,而且在成像可視化方面具有較高的分辨率。太赫茲時域脈沖信號攜帶大量的待測絕緣材料衰減信息,能夠有效表征材料的老化特性,在電力電纜外表絕緣護套老化程度判定方面具有很好的應用潛力與價值。

為了獲得電纜絕緣材料的老化特性,本文利用太赫茲技術對電纜的絕緣硅橡膠護套材料進行透射譜檢測,通過快速傅里葉變換得到待測電纜樣品橡膠護套樣品的太赫茲頻域信息,分析獲得待檢絕緣材料的吸收特性。通過建立老化程度與吸收系數的關系,實現絕緣材料老化程度的在線檢測,以達到快速檢測電力電纜絕緣材料老化狀態的目的。

1 絕緣材料太赫茲光學參數測量理論

1.1 太赫茲波時域脈沖傳播理論

根據菲涅爾光學發射定律,太赫茲波在空氣-絕緣材料交界面、絕緣材料-空氣交界面2種不同介質交界面傳播時,由于介質折射率的不同從而產生了折射與反射現象。一般來說在利用太赫茲波進行檢測時,太赫茲波需垂直或呈一定的角度入射絕緣材料,太赫茲波在平面絕緣材料介質中的傳播路徑如圖1所示。

圖1 太赫茲波在材料內部傳輸模型

在圖1中,Eri i(=1,2,3,…,n) 為多次反射產生的反射波,Eti i(=1,2,3,…,n) 為多次反射波對應產生的透射波,當太赫茲時域光譜系統探測端探測反射或透射波時,由于Fabry-Perto 效應,接收端會接收到多次反射回波,因為各回波信號之間存在時延差,那么對于厚度為d的絕緣介質,相鄰2個反射回波之間的時延差為2d/v,其中,v表示太赫茲波在待測絕緣介質內的傳播速度,由于不同材料之間的折射率不同,太赫茲波在不同介質中的傳播速度不同,因此在時域波形中反映為2個反射峰之間不同的時域長度。當絕緣材料的折射率n確定時,則太赫茲波在該絕緣介質內的傳播速度確定為v=c/n,其中,c為真空中的光速。相鄰2個反射峰或透射峰之間的時延為Δt=2nd/c。

1.2 絕緣材料太赫茲光學參數測量理論

一般情況下,在對絕緣材料進行太赫茲檢測時,太赫茲波呈一定的角度入射被測物品,太赫茲波在平面絕緣材料介質中的傳播途徑如圖2所示。

圖2 太赫茲波在材料內部傳播示意

絕緣材料的光學參數主要是指折射率和吸收系數等用來表征光學性質的物理量,同時這些參數又是其他研究工作的基礎。根據太赫茲時域光譜信號的材料光學參數計算原理和方法,可知復折射率為-jk(ω),其中n(ω)為實折射率,用來表示被測絕緣材料樣品的色散性質,k(ω)為消光系數,根據k(ω)可以簡單計算出吸收系數α(ω)=2ωκ(ω)/c,表示被測樣品的吸收性質。在對被測物品進行太赫茲時域光譜測量實驗時,首先分別獲得太赫茲波穿過空氣或參考樣品時的太赫茲時域脈沖波形Eref(t)和通過被測樣品時的太赫茲時域脈沖波形Esam(t);然后將參考信號與測量信號分別通過傅里葉變換到頻域,得到它們的頻譜Eref(ω)和Esam(ω),最后根據Eref(ω)和Esam(ω)計算出被測樣品的折射率和吸收系數等光學參數。

光學參數(如折射率、吸收率)是表征材料光學性質的宏觀物理量,同時也間接反映了材料微觀特性,太赫茲時域光譜技術能夠直接獲得太赫茲波電磁場的振幅和相位信息,因此可以直接獲取材料在透射和反射2種模式下的光學參數,在實際應用中,可以根據具體情況選擇合適的提取方式。

利用太赫茲時域光譜技術獲得了絕緣材料在透射模式下的光學參數,并對其老化程度進行了表征,分別獲得待測樣品的折射率、消光系數和吸收系數

式中:c為真空中光速;ω為角頻率;d為樣品厚度。

結合太赫茲激光探測理論,通過以上推導過程利用太赫茲激光脈沖量測量電場振幅和相位的方法,能夠有效獲得待測樣品的折射率、吸收系數、消光系數等光學參數。

2 電纜絕緣護套材料老化測試

電纜絕緣護套材料的老化因素主要包括外界環境和溫度、長期超負荷運行、絕緣受潮、化學腐蝕、電纜接頭故障等。

環境和溫度影響。電纜所處的外界環境和熱源會造成電纜溫度過高、絕緣擊穿,甚至爆炸起火,一般發生在直埋或排管里的電纜及接頭處,電纜長期運行過程中的發熱現象會造成電纜表面絕緣材料的老化最終導致電纜故障。

長期超負荷運行影響。由于電流的熱效應,負載電流通過電纜時必然導致導體發熱,同時電荷的集膚效應以及鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質損耗也會產生附加熱量,從而使電纜溫度升高。長期超負荷運行時,過高的溫度會加速絕緣老化,以至絕緣被擊穿。尤其在炎熱的夏季,電纜的溫升常常導致電纜絕緣薄弱處首先被擊穿,因此在夏季電纜的故障也比較多。

以上2種電纜老化主要為溫度因素作用,因此模擬電纜老化特性的重要研究對象為模擬電纜在高溫下的老化,利用太赫茲時域光譜技術對老化特性進行研究。

2.1 試驗系統裝置

試驗采用透射式光纖太赫茲時域光譜系統,系統型號為QT-TS2000系列快速太赫茲時域光譜系統。系統內部飛秒光纖激光器能夠穩定輸出中心波長在1 550 nm±20 nm、脈沖重復頻率為100 MHz的飛秒激光;光纖延遲線為基于音圈電機原理的快速光纖延遲線,其時域掃描長度為120 ps,掃描頻率最高可達50 Hz;系統中的太赫茲光電導天線采用InGa As作為激發材料,在飛秒激光脈沖的激發作用下產生太赫茲波。

以上太赫茲時域光譜系統帶寬可達4.5 THz,最高信噪比可達80 dB,可實現對樣品單點進行光譜測量,并實現軟件自動換算材料折射率與吸收系數等功能。實驗樣本取自雄安新區110 kV電力電纜絕緣護套材料,使用太赫茲時域光譜系統測量不同老化程度電力電纜絕緣護套材料的太赫茲時域光譜信息,試驗裝置及示意圖如圖3、圖4所示。絕緣材料固定于TPX透鏡聚焦光斑位置。

圖3 太赫茲時域光譜系統試驗裝置

圖4 光纖式太赫茲時域光譜系統原理示意

2.2 試樣制備及老化

本試驗研究采用的電力電纜絕緣護套材料取自即將服役于雄安新區110 kV 供電主干線實際使用的電力電纜,沿電力電纜方向剪切制備厚度為1.0 mm 的電纜絕緣護套材料樣品,在樣品制作過程中充分保證前后表面平行且厚度均勻,目的是減少太赫茲波在樣本總傳輸過程中的損耗,增加測試準確性。將試驗樣品放入老化實驗箱中,設定老化溫度為100 ℃,分別進行0 d、2 d、4 d、8 d、16 d、24 d、32 d、48 d的老化[23],得到不同老化程度的電力電纜絕緣護套材料試驗樣品。

所制備的電力電纜絕緣護套材料試驗樣品厚度為1.0 mm,樣品寬度為7.0 mm,樣品長度根據現場制備情況分別為11.0～14.2 mm,圖5所示為所制備樣品照片。

圖5 電力電纜絕緣材料待測樣品

2.3 電力電纜絕緣護套樣本測試結果

本試驗使用太赫茲時域光譜系統對不同老化程度的電力電纜絕緣材料樣品進行時域光譜測試,實驗環境溫度為20℃,濕度30%,將不同老化時間的待測樣品置于探測光路的太赫茲聚焦光斑位置,樣品放置表面垂直于太赫茲波入射方向(如圖1所示),時域采集長度為120 ps。對每個待測樣品進行待測區域內多點采樣平均,確保測試結果的準確性。測試結果如圖6所示,隨著樣品老化程度加劇,測試樣品的時域信號延遲減小、信號幅度減小。

圖6 不同老化時間樣品時域測試信號

如圖7所示,藍色為參考信號,是指太赫茲時域光譜系統測試光路未放置樣品情況下,太赫茲波透過空氣環境采集得到的光譜;其余信號為不同老化程度樣品置于探測光路聚焦點處測試所采集到的待測樣品太赫茲光譜。通過光譜曲線可以看出,0.2～2.0 THz區間內,樣本老化時間越長,頻譜強度越小。

圖7 不同老化程度樣品的太赫茲透射譜

基于上述數據,通過進一步計算分析可以得到不同老化樣品的吸收系數,從實驗結果(如圖8所示)可明顯看出不同老化程度絕緣材料樣品的吸收系數隨著老化時間變長而呈現顯著升高的現象,0.7 THz時最為明顯。這是由于電纜絕緣材料在溫度老化情況下材料特性發生變化,表現在太赫茲波段的吸收特性為老化時間越長吸收特性越明顯,說明太赫茲時域光譜檢測技術可用于電纜絕緣護套的老化特性研究,測量結果穩定可靠。

圖8 不同老化程度樣品的太赫茲吸收系數曲線

選取0.7 THz頻率點測試結果中樣品吸收系數與老化時間之間的對應關系進行數據關聯。從圖9可以看出,樣品老化時間與吸收系數之間存在近似指數關系,隨著樣品老化時間的增加,樣品的吸收系數變化斜率逐漸減小并趨于穩定,表明樣品老化速度隨著時間的增長逐漸減緩,經過長時間老化后趨于穩定且絕緣樣品絕緣特性逐漸失效。同時,對0.7 THz頻率點測試結果中樣品太赫茲時域脈沖的延遲與老化時間之間的對應關系進行擬合得到式(4),擬合結果見圖10。

圖9 0.7 THz頻率下樣品吸收系數與老化時間對應曲線

圖10 樣本老化程度判斷擬合結果

式中:y為電纜絕緣護套太赫茲時域脈沖透射延時量;x為老化時間(老化溫度100 ℃)。通過以上擬合結果得知,當電纜絕緣護套老化時間加長時,電纜的老化速度變慢,電纜絕緣護套特性逐漸趨于平穩,絕緣性能降低,此時電纜需要進行維護與更換。基于太赫茲時域光譜信號時域測試結果,利用式(4)對服役中的電纜絕緣護套樣品老化程度進行分析,即可實現對實際使用中電纜絕緣護套老化特性的科學評估。

綜上所述,測量樣品時域信號延遲特性與老化時間存在近似指數關系,本文選取太赫茲時域信號延遲時間與樣品老化時間進行擬合,該擬合方程可作為判斷電纜絕緣層老化程度的判定依據,數據處理簡單,可靠性高。

3 結論

采用太赫茲時域光譜分析法研究了不同老化程度的電纜絕緣護套材料在0.1～2.0 THz下的太赫茲光譜特性,設計了樣品透射測試試驗,建立了該絕緣材料老化情況與太赫茲信號的關聯關系,測試結果表明:在100 ℃溫度下,電力電纜絕緣護套材料樣品的吸收系數隨老化時間的加長而不斷上升;在100 ℃溫度下,電力電纜絕緣護套材料樣品的太赫茲波透射時延量隨著老化時間呈指數下降,最終趨于穩定,表明電力電纜絕緣護套性能下降;太赫茲時域光譜分析技術能夠有效表征電力電纜絕緣樣品的老化特性,對不同程度的老化樣品試驗結果準確可靠。

THz-TDS技術在雄安新區110 kV 供電電纜外表絕緣材料老化檢測中有著較高的靈敏度與分辨能力,結合現場工況可實現對樣本在線實時無損檢測。本文所探究的電力電纜外表絕緣材料太赫茲檢測技術為電力電纜老化研究提供了新的思路,可應用于電力電纜絕緣老化現場無損檢測與評估。