祁宏昌，劉 遠(yuǎn)，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(xué)，廣東 廣州 510641)

0 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市現(xiàn)代化水平不斷提高。作為城市電網(wǎng)中的重要設(shè)備，電力電纜的市場(chǎng)需求量也在急劇增長(zhǎng)。其中，高壓電纜通過提高電壓等級(jí)、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(jiǎn)稱瓷套管）作為外絕緣裝置，并對(duì)其具有一定的支撐作用。與硅橡膠復(fù)合套管相比，瓷套管穩(wěn)定性更好，耐污穢能力更強(qiáng)，長(zhǎng)期耐老化性能也更優(yōu)秀。瓷套管中通常充入硅油作為絕緣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)載流導(dǎo)體的對(duì)地絕緣，同時(shí)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(nèi)的填充介質(zhì)絕緣油的損耗或泄露會(huì)導(dǎo)致瓷套管局部發(fā)熱異常等問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)瓷套管的爆炸，對(duì)周圍設(shè)備、建筑造成破壞，甚至威脅人員生命安全[1]。

瓷套管內(nèi)部絕緣油泄漏及損耗是一個(gè)長(zhǎng)期過程，如果在剩余油量處于安全高度范圍時(shí)，對(duì)瓷套管內(nèi)部油位進(jìn)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(nèi)部油位檢測(cè)常采用離線檢測(cè)法和超聲回波法。離線檢測(cè)法就是在巡檢時(shí)通過斷電打開電纜終端瓷套檢測(cè)油位高度。檢測(cè)程序繁雜，需耗費(fèi)大量人力物力，檢測(cè)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(qiáng)度不同來實(shí)現(xiàn)液位的定點(diǎn)檢測(cè)。程明等[2]建立了瓷套管簡(jiǎn)易模型進(jìn)行試驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了瓷套管油位帶電檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了充油瓷套管內(nèi)部油位的帶電檢測(cè)。莫潤(rùn)陽(yáng)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(chǔ)上提出了通過界面回波衰減規(guī)律來判別瓷套管內(nèi)部是否為陶瓷/硅油界面。馬雪艷等[4]采用厚度補(bǔ)償方法對(duì)變壁厚絕緣瓷套管內(nèi)部液位進(jìn)行檢測(cè)。但超聲回波檢測(cè)法的探頭受瓷套管傘裙的影響并不能對(duì)任意高度進(jìn)行測(cè)量。

近年來，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)因其具有傳播距離長(zhǎng)、檢測(cè)效率高等特點(diǎn)而受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注[5-8]。何存富等[9]研究了Lamb波在薄板負(fù)載液體時(shí)的傳播特性，利用Lamb在液體負(fù)載時(shí)衰減頻散曲線影響較大的特性對(duì)密閉容器的液位進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè)。徐鴻等[10]通過對(duì)平板負(fù)載液體的導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)采用特定模態(tài)的導(dǎo)波在不同液位密閉容器的傳播時(shí)間呈線性關(guān)系，并以此測(cè)量容器液位。然而，有關(guān)超聲Lamb波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于瓷套管油位檢測(cè)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(cè)方法，為實(shí)現(xiàn)瓷套式高壓電纜終端內(nèi)部液位帶電檢測(cè)奠定了研究基礎(chǔ)。首先介紹超聲Lamb波的液位檢測(cè)機(jī)理，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了瓷套式高壓電纜終端內(nèi)部液位檢測(cè)。

1 瓷套管超聲Lamb波液位檢測(cè)方法

1.1 瓷套管液位超聲Lamb波檢測(cè)機(jī)理分析

超聲Lamb波是指在板狀類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳播的彈性波，傳播的波型既存在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與板面垂直的橫波又存在質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與板面平行的縱波。作為超聲導(dǎo)波的一種類型，超聲Lamb波具有頻散與多模態(tài)特性。主要表現(xiàn)為群速度與相速度不一致及傳播過程中存在多種振動(dòng)模態(tài)。通常超聲Lamb波在柱狀管道結(jié)構(gòu)中的傳播可近似為在板中的傳播。當(dāng)傳播介質(zhì)是在真空或空氣中時(shí)，可認(rèn)為超聲Lamb波的傳播為無衰減系統(tǒng)或衰減較小。而當(dāng)傳播介質(zhì)為層狀介質(zhì)或在液體介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中傳播的超聲Lamb波會(huì)泄漏到液體或其他層介質(zhì)中去，超聲Lamb波的傳播系統(tǒng)衰減較大。此時(shí)，可引入復(fù)頻率或波數(shù)[11]處理：

瓷套管在液位檢測(cè)時(shí)，管壁外部與空氣接觸，內(nèi)部與液體接觸，超聲Lamb波實(shí)際上是在多層介質(zhì)（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(jù)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(píng)估

由于瓷套管內(nèi)部液體的存在，接收信號(hào)的能量會(huì)有部分泄漏到液體中去，致使接收信號(hào)的能量下降。研究采用小波包分解對(duì)接收信號(hào)的進(jìn)行分析，提取信號(hào)中的特性信息，進(jìn)而對(duì)瓷套管內(nèi)部液位進(jìn)行評(píng)估[12-13]。

對(duì)于給定的尺度函數(shù)和小波函數(shù)，定義其雙尺度方程為

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

根據(jù)式（2），可以將信號(hào)x（t）按小波包基函數(shù)進(jìn)行展開：

以1個(gè)信號(hào)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(hào)依次被分解為低頻和高頻部分，如第1層中A0為信號(hào)中的低頻部分，A1為信號(hào)中的高頻部分。三層小波包分解關(guān)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(duì)于反映瓷套管液位的超聲Lamb波信號(hào)，接收信號(hào)通過l層小波包變換進(jìn)行分解，得到2l個(gè)子集其中，每個(gè)小波子集對(duì)應(yīng)在一個(gè)頻段，假設(shè)接收信號(hào)的采樣率是2 MHz，根據(jù)采樣定理，奈奎斯特采樣頻率是1 MHz。利用小波包進(jìn)行3層分解，這里l=3，可以分為8個(gè)頻帶范圍，每個(gè)頻率區(qū)間的長(zhǎng)度為1/8=0.125 MHz。所以每個(gè)小波子集信號(hào)可以代表某段頻率區(qū)間信號(hào)的能量，其能量值為

其中Ri，m為第i個(gè)子集的第m個(gè)小波包分解系數(shù)。

對(duì)于原始信號(hào)來說，不同頻段的小波能量代表了信號(hào)處于這個(gè)頻段的成分大小，能量越大則說明信號(hào)成分主要存在于這個(gè)頻段。研究中通過小波分解計(jì)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(hào)特征，減小了噪聲等其他干擾，使檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為進(jìn)行超聲Lamb波瓷套管內(nèi)部液位檢測(cè)研究，搭建了瓷套管檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示。該平臺(tái)主要包括：Agilent 33522B信號(hào)發(fā)生器、TREK2100HF功率放大器、拓普PCI-20614數(shù)據(jù)采集卡以及高性能PC上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)過程中，首先由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過功率放大器放大以產(chǎn)生足夠大的電壓驅(qū)動(dòng)超聲換能器，超聲信號(hào)在瓷套管中傳播并由數(shù)據(jù)采集卡通過接收換能器采集，最終傳送給高性能PC進(jìn)行處理。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

采用PZT壓電片（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷）作為激勵(lì)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(lì)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(guī)避掉瓷套管傘裙部位換能器不易粘貼的問題。實(shí)驗(yàn)中采用藍(lán)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(jīng)24 h完全固化后實(shí)驗(yàn)效果最佳。激勵(lì)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(shí)物圖如圖4所示。

圖4 瓷套管PZT粘貼實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

為增強(qiáng)接收信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)通過掃頻實(shí)驗(yàn)獲取瓷套管最佳響應(yīng)頻率。激勵(lì)信號(hào)從瓷套管頂部超聲換能器激勵(lì)，由底部超聲換能器進(jìn)行接收。掃頻信號(hào)為0～500 kHz的正弦信號(hào)。掃頻時(shí)間為1 s。激勵(lì)幅值為Vpp=6 V，經(jīng)50倍功率放大器后放大至300 V。接收掃頻信號(hào)及其頻譜如圖5所示。接收信號(hào)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(yīng)，頻譜僅顯示到500 kHz。

從圖5中可以看出，瓷套管的頻域響應(yīng)在150 kHz～250 kHz范圍內(nèi)較為敏感，在218 kHz頻率響應(yīng)最強(qiáng)。因此，采取頻率為218 kHz的正弦信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，震蕩周期為10。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同高度的液位進(jìn)行測(cè)量，液位從0 mm開始測(cè)量，并依次增加100 mm，最終完成1 400 mm液位測(cè)量。液位為0 mm和100 mm時(shí)接收信號(hào)如圖6所示。液位由0 mm升至100 mm時(shí)，幅值下降較大，頻率均在213 kHz達(dá)到最大值，與激勵(lì)頻率相差不大。

圖5 瓷套管掃頻信號(hào)

3.2 基于小波能量的液位檢測(cè)

為減小測(cè)量誤差并提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，每一液位高度均采集10次信號(hào)進(jìn)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(huì)對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾，研究中截取接收信號(hào)達(dá)到峰值后一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1 224。并通過小波包分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。接收信號(hào)的采樣率是2 MHz，利用小波包進(jìn)行3層分解，可以分為 8 個(gè)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(shí)頻圖如圖7所示，橫軸為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，縱軸為第3層小波包節(jié)點(diǎn)，由下至上分別對(duì)應(yīng)8個(gè)頻帶。從圖7中可以看出，接收信號(hào)的前半段信號(hào)能量非常低，此時(shí)，激勵(lì)信號(hào)尚未到達(dá)瓷套管底部的壓電換能器。在后半段接收信號(hào)逐漸增強(qiáng)，但信號(hào)能量主要集中于（125 kHz，250 kHz）和（250 kHz，375 kHz）兩個(gè)頻帶范圍，尤其在（125 kHz，250 kHz）頻帶內(nèi)信號(hào)能量非常強(qiáng)。這是因?yàn)榧?lì)信號(hào)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(zhǔn)確地評(píng)估瓷套管的液位高度，研究選取（125 kHz，250 kHz）頻帶的能量進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)一步衡量液位高度。

圖6 液位為0 mm和100 mm時(shí)接收信號(hào)

圖7 接收信號(hào)小波包分解時(shí)頻圖

不同液位高度的接收信號(hào)在（125 kHz，250 kHz）頻帶內(nèi)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(shí)，能量的衰減非常迅速，尤其是在液位為0 mm和100 mm時(shí)能量衰減程度最大。一方面，由于液位為100 mm時(shí)已經(jīng)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(hào)。另一方面，激勵(lì)信號(hào)首次由陶瓷/空氣界面轉(zhuǎn)換到陶瓷/液體界面對(duì)信號(hào)能量的影響較大。而當(dāng)液位較高時(shí)，由于激勵(lì)信號(hào)的能量大部分泄漏到內(nèi)部液體中去，接收到的信號(hào)能量在數(shù)值上較低。整體上，接收信號(hào)的小波能量隨著液位高度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。采用超聲Lamb波能量的衰減可以有效檢測(cè)瓷套管內(nèi)部液位。但是，由于接收信號(hào)能量隨液位高度呈幾何式下降，在液位較低時(shí)能量的區(qū)分度較高，液位高度較易區(qū)分。而當(dāng)液位較高時(shí)能量的區(qū)分度下降，液位高度評(píng)估的準(zhǔn)確性也隨之下降。

4 結(jié)束語

圖8 不同液位高度的小波能量

針對(duì)瓷套式高壓電纜終端內(nèi)部液位帶電檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)這一問題，提出了一種基于超聲Lamb波的液位檢測(cè)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(guī)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(jù)瓷套管的掃頻信號(hào)，選取滿足條件的激勵(lì)頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過小波包分解對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由空氣/陶瓷界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w/陶瓷界面對(duì)超聲Lamb波的衰減影響較大。接收信號(hào)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(shí)能量的區(qū)分度較高，液位高度較易區(qū)分，表明采用超聲Lamb波能量的衰減可以有效評(píng)估瓷套管內(nèi)部液位。針對(duì)液位較高時(shí)能量的區(qū)分度下降問題，下一步將圍繞激勵(lì)信號(hào)加強(qiáng)及壓電傳感器布置等方面進(jìn)行研究。