江新琴, 鄭文成, 劉剛

(1. 福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2. 華南理工大學 電力學院，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，其安全可靠運行備受關(guān)注，據(jù)統(tǒng)計，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]。斷路器長期運行，其觸頭會因電弧燒蝕和機械摩擦受到侵蝕，從而出現(xiàn)接觸不良的情況[3]。斷路器觸頭接觸不良將導致接觸電阻增大，同時交流集膚效應使接觸進一步惡化，產(chǎn)生大量熱能，對電力系統(tǒng)和人身安全構(gòu)成極大威脅[4-5]。針對該問題，目前常采用回路電阻測試、溫度監(jiān)測、振動檢測等檢測手段，但它們在檢測觸頭接觸狀態(tài)上均有一定的不足之處，如回路電阻測試只可用于停電檢查，溫度監(jiān)測僅可測取外殼溫度，而振動檢測干擾因素較多不易判斷。

近年來，無損檢測技術(shù)在結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查方面受到廣泛關(guān)注，國內(nèi)外諸多學者對此展開研究[6-19]。沈功田[14]對承壓設(shè)備的無損檢測技術(shù)進行了研究，根據(jù)檢測結(jié)果評價設(shè)備的安全狀況和評估其剩余壽命；馬書義[14]等人根據(jù)超聲導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、實驗研究來驗證超聲導波檢測復合絕緣子的可行性；朱力強[17]等人通過分析振型等信息選取超聲導波檢測無縫鋼軌完整性的最佳檢測導波模態(tài)。在超聲導波檢測技術(shù)方面，相關(guān)研究通過對導波信號進行分析處理，根據(jù)導波上的特征值對構(gòu)件進行探傷，從而評估設(shè)備的運行狀態(tài)。超聲導波檢測技術(shù)能夠?qū)?gòu)件進行快速且全范圍檢測，但目前尚未應用于斷路器觸頭接觸狀態(tài)檢測。超聲導波檢測技術(shù)能夠有效解決斷路器全封閉式結(jié)構(gòu)限制的問題，直接對觸頭接觸狀態(tài)進行判斷，而不會影響設(shè)備的正常運行。

借鑒國內(nèi)外學者對超聲導波檢測技術(shù)的相關(guān)研究成果，本文提出利用超聲導波檢測斷路器內(nèi)部觸頭接觸狀態(tài)的新型檢測技術(shù)。從超聲導波發(fā)生衰減的特性出發(fā)，理論上分析利用超聲導波檢測觸頭接觸狀態(tài)的可行性；同時搭建超聲導波實驗平臺，模擬觸頭4種接觸狀態(tài)，分析不同接觸狀態(tài)下散射信號特征，進而驗證利用超聲導波檢測觸頭接觸狀態(tài)的可行性。

1 超聲導波檢測觸頭接觸狀態(tài)可行性分析

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

隨著傳播距離的增加，超聲導波的能量將因擴散、散射和吸收等諸多因素而減小，即超聲導波衰減現(xiàn)象[20]。當超聲導波遇到不連續(xù)的界面，會發(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Р〝y帶觸頭的接觸狀態(tài)信息，通過對導波信號進行分析處理，即可評估判斷觸頭的接觸狀態(tài)。從理論上來說，利用超聲導波檢測觸頭的接觸狀態(tài)是可行的。圖2所示為超聲導波檢測觸頭接觸狀態(tài)的原理。

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

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗平臺搭建

信號激勵與采集平臺主要包括計算機、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)一組裝于無損檢測實驗室當中。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型號采集卡。通過BenchVue軟件在計算機上遠程控制波形發(fā)生器，利用TopView軟件采集信號數(shù)據(jù)。

實驗試件采用斷路器的梅花觸頭開關(guān)，其導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所示為實驗平臺。

圖3 實驗平臺Fig.3 Experiment platform

2.2 實驗基本流程

如圖4所示，本次實驗采用Pitch-catch模式，即“一發(fā)一收”模式。該模式需要2個超聲探頭，一個作為激勵端，一個作為接收端。圖5所示為實驗流程圖。

圖4 實驗連接圖Fig.4 Experimental connection diagram

圖5 實驗流程Fig.5 Experimental flowchart

無損檢測實驗室中波形發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率、幅值的波形信號，電壓放大器將信號放大后通過超聲探頭(激勵)注入觸臂，導波在觸臂、梅花觸頭和靜觸臂中傳播，超聲探頭(接收)將接收到的信號送至數(shù)據(jù)采集卡進行采集，采集后的數(shù)據(jù)輸送到計算機進行處理。

3 實驗過程

具體實驗步驟如下。

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直流電阻測量儀測量當前接觸狀態(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，改變激勵類型，觀察接收波形變化，并對數(shù)據(jù)進行采集存儲。激勵類型包括單個正弦波、連續(xù)正弦波、單個三角波、連續(xù)三角波、單個漢寧窗調(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 實驗結(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，各導波信號均不以0 V為對稱軸上下波動。為消除該影響，更好地對中心頻率信號進行分析，設(shè)計一帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波處理。

利用MATLAB中的FDATool工具進行IIR帶通數(shù)字濾波器設(shè)計，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 時域分析與頻域分析

時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頻率成分和頻譜的峰值變化規(guī)律。為降低計算量，采用快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)對超聲導波信號進行頻譜分析。圖7所示為不同激勵信號下的時域波形。表2所列為在不同接觸狀態(tài)下，超聲探頭所接收的信號經(jīng)數(shù)字濾波后峰峰值大小。

圖7 不同激勵下的時域波形Fig.7 Time-domain waveforms under different excitations

excitation and contact conditions V

在時域曲線當中，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)下所接收的信號有較為明顯的變化，振幅可降至接觸良好的一半。當動、靜觸頭徹底不接觸時，僅能接收到微弱的噪聲干擾信號，在時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，其所對應導波信號峰峰值就越小，可利用峰峰值的大小對觸頭接觸狀態(tài)好壞進行評估。

圖8所示為不同激勵信號下的頻域波形。

選擇激勵波形時，中心頻率處能量越集中以及頻帶越窄越好。信號質(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，為提高評估的靈敏度與可靠性，激勵應選用連續(xù)的漢寧窗調(diào)制正弦波信號，利用時域曲線峰峰值的大小對觸頭接觸狀態(tài)好壞進行評估。

5 結(jié)論

通過以上分析，得出結(jié)論：

a)超聲導波散射波形與觸頭的接觸狀態(tài)存在相應的關(guān)系。觸頭接觸狀態(tài)愈發(fā)惡劣，超聲探頭所接收的信號波形呈現(xiàn)出逐步衰減的狀態(tài)。在超聲導波檢測觸頭接觸狀態(tài)當中，激勵應選用連續(xù)的漢寧窗調(diào)制正弦波信號，利用時域曲線峰峰值的大小對觸頭接觸狀態(tài)好壞進行評估。

b)在實際應用當中，可將激勵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(靜)觸頭

圖8 不同激勵下的頻域波形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，超聲導波特征主要受動、靜觸頭的接觸狀態(tài)所影響，根據(jù)本次實驗探究可知該檢測技術(shù)在實際應用中具有可行性。

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