江新琴, 鄭文成, 劉剛

(1. 福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

電力系統(tǒng)不斷向高電壓、大容量規(guī)模發(fā)展，其安全可靠運(yùn)行備受關(guān)注，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年度廣東電網(wǎng)SF6瓷柱式斷路器故障事故占全部高壓開關(guān)設(shè)備故障的33%[1-2]。斷路器長(zhǎng)期運(yùn)行，其觸頭會(huì)因電弧燒蝕和機(jī)械摩擦受到侵蝕，從而出現(xiàn)接觸不良的情況[3]。斷路器觸頭接觸不良將導(dǎo)致接觸電阻增大，同時(shí)交流集膚效應(yīng)使接觸進(jìn)一步惡化，產(chǎn)生大量熱能，對(duì)電力系統(tǒng)和人身安全構(gòu)成極大威脅[4-5]。針對(duì)該問題，目前常采用回路電阻測(cè)試、溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)等檢測(cè)手段，但它們?cè)跈z測(cè)觸頭接觸狀態(tài)上均有一定的不足之處，如回路電阻測(cè)試只可用于停電檢查，溫度監(jiān)測(cè)僅可測(cè)取外殼溫度，而振動(dòng)檢測(cè)干擾因素較多不易判斷。

近年來，無損檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查方面受到廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)此展開研究[6-19]。沈功田[14]對(duì)承壓設(shè)備的無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)設(shè)備的安全狀況和評(píng)估其剩余壽命；馬書義[14]等人根據(jù)超聲導(dǎo)波回波幅度判斷管道變形程度；鄧紅雷[16]等人從理論分析、建模仿真、實(shí)驗(yàn)研究來驗(yàn)證超聲導(dǎo)波檢測(cè)復(fù)合絕緣子的可行性；朱力強(qiáng)[17]等人通過分析振型等信息選取超聲導(dǎo)波檢測(cè)無縫鋼軌完整性的最佳檢測(cè)導(dǎo)波模態(tài)。在超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)方面，相關(guān)研究通過對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析處理，根據(jù)導(dǎo)波上的特征值對(duì)構(gòu)件進(jìn)行探傷，從而評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)?gòu)件進(jìn)行快速且全范圍檢測(cè)，但目前尚未應(yīng)用于斷路器觸頭接觸狀態(tài)檢測(cè)。超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)能夠有效解決斷路器全封閉式結(jié)構(gòu)限制的問題，直接對(duì)觸頭接觸狀態(tài)進(jìn)行判斷，而不會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究成果，本文提出利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)斷路器內(nèi)部觸頭接觸狀態(tài)的新型檢測(cè)技術(shù)。從超聲導(dǎo)波發(fā)生衰減的特性出發(fā)，理論上分析利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)的可行性；同時(shí)搭建超聲導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬觸頭4種接觸狀態(tài)，分析不同接觸狀態(tài)下散射信號(hào)特征，進(jìn)而驗(yàn)證利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)的可行性。

1 超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)可行性分析

超聲導(dǎo)波是由縱波和橫波這兩種基本體波在交界面處反射和疊加形成的，其聲波頻率高于20 kHz，如圖1所示。

圖1 超聲導(dǎo)波的產(chǎn)生Fig.1 Generation of ultrasonic guided waves

隨著傳播距離的增加，超聲導(dǎo)波的能量將因擴(kuò)散、散射和吸收等諸多因素而減小，即超聲導(dǎo)波衰減現(xiàn)象[20]。當(dāng)超聲導(dǎo)波遇到不連續(xù)的界面，會(huì)發(fā)生散射、反射等現(xiàn)象。兩種傳播介質(zhì)之間的聲阻差值影響超聲導(dǎo)波能量在分界面上的散射和反射。

聲阻是介質(zhì)密度與波速的乘積，而不連續(xù)處和構(gòu)件幾何形狀的改變將使超聲導(dǎo)波傳播速度發(fā)生變化，從而使觸頭的接觸狀態(tài)影響聲阻的差異狀況[21-22]。觸頭的接觸狀態(tài)越差，聲阻差值越大，則反射波能量越大，折射波能量越小，反之亦然。在觸頭接觸面?zhèn)鞑サ某晫?dǎo)波攜帶觸頭的接觸狀態(tài)信息，通過對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行分析處理，即可評(píng)估判斷觸頭的接觸狀態(tài)。從理論上來說，利用超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭的接觸狀態(tài)是可行的。圖2所示為超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)的原理。

圖2 超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)原理Fig.2 Schematic diagram of using ultrasonic guided wave detecting contact state of contacts

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

信號(hào)激勵(lì)與采集平臺(tái)主要包括計(jì)算機(jī)、任意波形發(fā)生器、電壓放大器和數(shù)據(jù)采集卡，將它們統(tǒng)一組裝于無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中。其中，任意波形發(fā)生器為Agilent Technologies公司的33520B型波形發(fā)生器，電壓放大器為Trek Model 2100HF高頻高速放大器，數(shù)據(jù)采集卡為拓普公司的PCI-20614型號(hào)采集卡。通過BenchVue軟件在計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程控制波形發(fā)生器，利用TopView軟件采集信號(hào)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)試件采用斷路器的梅花觸頭開關(guān)，其導(dǎo)電部分包括有靜觸頭(630 A Ф35 mm×82 mm)、梅花觸頭(630 A 24片)、觸臂(630 A)。圖3所示為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experiment platform

2.2 實(shí)驗(yàn)基本流程

如圖4所示，本次實(shí)驗(yàn)采用Pitch-catch模式，即“一發(fā)一收”模式。該模式需要2個(gè)超聲探頭，一個(gè)作為激勵(lì)端，一個(gè)作為接收端。圖5所示為實(shí)驗(yàn)流程圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)連接圖Fig.4 Experimental connection diagram

圖5 實(shí)驗(yàn)流程Fig.5 Experimental flowchart

無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中波形發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率、幅值的波形信號(hào)，電壓放大器將信號(hào)放大后通過超聲探頭(激勵(lì))注入觸臂，導(dǎo)波在觸臂、梅花觸頭和靜觸臂中傳播，超聲探頭(接收)將接收到的信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)過程

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下。

步驟1，調(diào)節(jié)梅花觸頭與靜觸頭之間的嚙合情況，令梅花觸頭與靜觸頭的中心軸線相重合，垂直插入20 mm左右，模擬接觸良好狀態(tài)。

步驟2，利用PC36C直流電阻測(cè)量?jī)x測(cè)量當(dāng)前接觸狀態(tài)下梅花觸頭與靜觸頭、觸臂連接兩端之間的直流電阻大小。

步驟3，取接觸式超聲斜探頭作為激勵(lì)端和接收端，將耦合劑均勻涂抹在二者的接觸面，利用扎帶綁扎固定，確保其貼合在靜觸頭、觸臂表面。

步驟4，在同一接觸狀態(tài)下，改變激勵(lì)類型，觀察接收波形變化，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)。激勵(lì)類型包括單個(gè)正弦波、連續(xù)正弦波、單個(gè)三角波、連續(xù)三角波、單個(gè)漢寧窗調(diào)制正弦波、連續(xù)漢寧窗調(diào)制正弦波，頻率均為100 kHz。

步驟5，改變梅花觸頭與靜觸頭的接觸狀態(tài)，分別模擬接觸較好、接觸不好、不接觸的狀態(tài)(如圖6所示)，重復(fù)步驟2至4。

圖6 不同接觸狀態(tài)形式Fig.6 Different forms of contact state

表1為不同接觸狀態(tài)下的接觸電阻大小。

表1 不同接觸狀態(tài)下的接觸電阻
Tab.1 Contact resistance under different contact conditions

接觸狀態(tài)接觸電阻/μΩ接觸狀態(tài)接觸電阻/μΩ良好19.54不好71.96較好21.05不接觸∞

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 濾波處理

由于硬件制作工藝缺陷以及周圍環(huán)境的干擾，各導(dǎo)波信號(hào)均不以0 V為對(duì)稱軸上下波動(dòng)。為消除該影響，更好地對(duì)中心頻率信號(hào)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)一帶通濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

利用MATLAB中的FDATool工具進(jìn)行IIR帶通數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，采樣頻率為10 MHz，通帶截止頻率fp1=75 kHz，fph=125 kHz，通帶范圍內(nèi)波動(dòng)為1 dB,下阻帶邊界頻率fs1=62.5 kHz，fsh=137.5 kHz，阻帶衰減為30 dB。

4.2 時(shí)域分析與頻域分析

時(shí)域分析主要分析接收端所采集到的幅值特征，通過傅里葉變換能夠觀察到信號(hào)頻率成分和頻譜的峰值變化規(guī)律。為降低計(jì)算量，采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)對(duì)超聲導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。圖7所示為不同激勵(lì)信號(hào)下的時(shí)域波形。表2所列為在不同接觸狀態(tài)下，超聲探頭所接收的信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波后峰峰值大小。

圖7 不同激勵(lì)下的時(shí)域波形Fig.7 Time-domain waveforms under different excitations

excitation and contact conditions V

在時(shí)域曲線當(dāng)中，隨著觸頭接觸狀態(tài)越發(fā)惡劣，超聲探頭所接收的信號(hào)波形呈現(xiàn)出逐步衰減的狀態(tài)。其中，接觸良好與接觸較好狀態(tài)下所接收的信號(hào)之間差別較為微小，波形十分貼近；而接觸不好狀態(tài)下所接收的信號(hào)有較為明顯的變化，振幅可降至接觸良好的一半。當(dāng)動(dòng)、靜觸頭徹底不接觸時(shí)，僅能接收到微弱的噪聲干擾信號(hào)，在時(shí)域中接近于一條幅度恒為0的直線。

由表2可知，超聲探頭所接收的信號(hào)峰峰值與觸頭的接觸狀態(tài)好壞存在一定的關(guān)系，接觸狀態(tài)越差，其所對(duì)應(yīng)導(dǎo)波信號(hào)峰峰值就越小，可利用峰峰值的大小對(duì)觸頭接觸狀態(tài)好壞進(jìn)行評(píng)估。

圖8所示為不同激勵(lì)信號(hào)下的頻域波形。

選擇激勵(lì)波形時(shí)，中心頻率處能量越集中以及頻帶越窄越好。信號(hào)質(zhì)量可用品質(zhì)因數(shù)來作為衡量參數(shù)，其定義為Q=f0/df。其中，f0為中心頻率，df為頻率帶寬。Q值越大，表明能量越集中，帶寬越小，反之亦然。在頻域曲線中，連續(xù)漢寧窗頻率寬度較窄，品質(zhì)因數(shù)較大，能量更集中。

綜上所述，為提高評(píng)估的靈敏度與可靠性，激勵(lì)應(yīng)選用連續(xù)的漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)，利用時(shí)域曲線峰峰值的大小對(duì)觸頭接觸狀態(tài)好壞進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)論

通過以上分析，得出結(jié)論：

a)超聲導(dǎo)波散射波形與觸頭的接觸狀態(tài)存在相應(yīng)的關(guān)系。觸頭接觸狀態(tài)愈發(fā)惡劣，超聲探頭所接收的信號(hào)波形呈現(xiàn)出逐步衰減的狀態(tài)。在超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)當(dāng)中，激勵(lì)應(yīng)選用連續(xù)的漢寧窗調(diào)制正弦波信號(hào)，利用時(shí)域曲線峰峰值的大小對(duì)觸頭接觸狀態(tài)好壞進(jìn)行評(píng)估。

b)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可將激勵(lì)端與接收端的超聲探頭安裝于斷路器兩端的母線上，傳播過程中的超聲導(dǎo)波將攜帶多處接觸狀態(tài)信息，包括母線與接線盤連接處、接線盤與觸頭連接處、動(dòng)(靜)觸頭

圖8 不同激勵(lì)下的頻域波形Fig.8 Frequency-domain waveforms under different excitations

連接處等。由于母線與接線盤、接線盤與觸頭連接處較為固定，超聲導(dǎo)波特征主要受動(dòng)、靜觸頭的接觸狀態(tài)所影響，根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)探究可知該檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有可行性。

c)超聲導(dǎo)波檢測(cè)觸頭接觸狀態(tài)技術(shù)不僅局限于斷路器內(nèi)部觸頭，其實(shí)際應(yīng)用范圍廣泛，適用于電力設(shè)備多種電接觸狀態(tài)的檢測(cè)。