池威威 劉海峰 李志雷 周莉梅 劉洋洋

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071000;2.中國電力科學(xué)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(xué)和微波毫米波之間,是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡波段,因此包含著豐富的物理特性和化學(xué)特性[12]?；谔掌澆ㄋ庪姶挪ㄗV的位置,太赫茲波具有電絕緣介質(zhì)材料穿透能力強(qiáng)、攜帶物質(zhì)信息豐富、單光子能量低、抗干擾能力強(qiáng)、檢測精度高等優(yōu)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(yīng)用價(jià)值[3-5]。在航空航天領(lǐng)域,太赫茲波作為重要的檢測手段應(yīng)用于檢測飛行器表面熱障涂層的厚度均勻性、涂覆質(zhì)量、內(nèi)部缺陷等[6-9];在物質(zhì)鑒別領(lǐng)域,太赫茲波主要用于鑒別不同種類的毒品、醫(yī)藥、炸藥及農(nóng)藥殘留等[10-12];在工業(yè)無損檢測領(lǐng)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(nèi)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(hù)套通常為硅橡膠、環(huán)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(hù)套在長期運(yùn)行過程中容易受到風(fēng)吹、雨淋、日曬、運(yùn)行工況差等外界因素的影響,使外表層絕緣材料老化,進(jìn)而引起電纜絕緣性能降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電纜絕緣層操作、絕緣放電、對地導(dǎo)電等,最終導(dǎo)致電力電纜故障,引發(fā)供電線路短路,甚至造成大面積停電等事件[16-17]。常規(guī)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(shù)由于材料衰減、信號干涉等問題難以表征絕緣護(hù)套的老化程度以及內(nèi)部的微小缺陷,因此無法實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施絕緣護(hù)套故障的早期診斷與提前預(yù)警。而太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)所處波段的位置使得該技術(shù)在絕緣材料檢測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。太赫茲波在絕緣介質(zhì)材料中不僅具有衰減小、準(zhǔn)直性強(qiáng)、穿透性好等優(yōu)點(diǎn),而且在成像可視化方面具有較高的分辨率。太赫茲時(shí)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(hù)套老化程度判定方面具有很好的應(yīng)用潛力與價(jià)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(shù)對電纜的絕緣硅橡膠護(hù)套材料進(jìn)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(hù)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(shù)的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)絕緣材料老化程度的在線檢測,以達(dá)到快速檢測電力電纜絕緣材料老化狀態(tài)的目的。

1 絕緣材料太赫茲光學(xué)參數(shù)測量理論

1.1 太赫茲波時(shí)域脈沖傳播理論

根據(jù)菲涅爾光學(xué)發(fā)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(zhì)交界面?zhèn)鞑r(shí),由于介質(zhì)折射率的不同從而產(chǎn)生了折射與反射現(xiàn)象。一般來說在利用太赫茲波進(jìn)行檢測時(shí),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(zhì)中的傳播路徑如圖1所示。

圖1 太赫茲波在材料內(nèi)部傳輸模型

在圖1中,Eri i(=1,2,3,…,n) 為多次反射產(chǎn)生的反射波,Eti i(=1,2,3,…,n) 為多次反射波對應(yīng)產(chǎn)生的透射波,當(dāng)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)探測端探測反射或透射波時(shí),由于Fabry-Perto 效應(yīng),接收端會(huì)接收到多次反射回波,因?yàn)楦骰夭ㄐ盘栔g存在時(shí)延差,那么對于厚度為d的絕緣介質(zhì),相鄰2個(gè)反射回波之間的時(shí)延差為2d/v,其中,v表示太赫茲波在待測絕緣介質(zhì)內(nèi)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(zhì)中的傳播速度不同,因此在時(shí)域波形中反映為2個(gè)反射峰之間不同的時(shí)域長度。當(dāng)絕緣材料的折射率n確定時(shí),則太赫茲波在該絕緣介質(zhì)內(nèi)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(gè)反射峰或透射峰之間的時(shí)延為Δt=2nd/c。

1.2 絕緣材料太赫茲光學(xué)參數(shù)測量理論

一般情況下,在對絕緣材料進(jìn)行太赫茲檢測時(shí),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(zhì)中的傳播途徑如圖2所示。

圖2 太赫茲波在材料內(nèi)部傳播示意

絕緣材料的光學(xué)參數(shù)主要是指折射率和吸收系數(shù)等用來表征光學(xué)性質(zhì)的物理量,同時(shí)這些參數(shù)又是其他研究工作的基礎(chǔ)。根據(jù)太赫茲時(shí)域光譜信號的材料光學(xué)參數(shù)計(jì)算原理和方法,可知復(fù)折射率為-jk(ω),其中n(ω)為實(shí)折射率,用來表示被測絕緣材料樣品的色散性質(zhì),k(ω)為消光系數(shù),根據(jù)k(ω)可以簡單計(jì)算出吸收系數(shù)α(ω)=2ωκ(ω)/c,表示被測樣品的吸收性質(zhì)。在對被測物品進(jìn)行太赫茲時(shí)域光譜測量實(shí)驗(yàn)時(shí),首先分別獲得太赫茲波穿過空氣或參考樣品時(shí)的太赫茲時(shí)域脈沖波形Eref(t)和通過被測樣品時(shí)的太赫茲時(shí)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(jù)Eref(ω)和Esam(ω)計(jì)算出被測樣品的折射率和吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。

光學(xué)參數(shù)(如折射率、吸收率)是表征材料光學(xué)性質(zhì)的宏觀物理量,同時(shí)也間接反映了材料微觀特性,太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)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(xué)參數(shù),在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)具體情況選擇合適的提取方式。

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

式中:c為真空中光速;ω為角頻率;d為樣品厚度。

結(jié)合太赫茲激光探測理論,通過以上推導(dǎo)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(shù)、消光系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。

2 電纜絕緣護(hù)套材料老化測試

電纜絕緣護(hù)套材料的老化因素主要包括外界環(huán)境和溫度、長期超負(fù)荷運(yùn)行、絕緣受潮、化學(xué)腐蝕、電纜接頭故障等。

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

長期超負(fù)荷運(yùn)行影響。由于電流的熱效應(yīng),負(fù)載電流通過電纜時(shí)必然導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱,同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)以及鋼鎧的渦流損耗、絕緣介質(zhì)損耗也會(huì)產(chǎn)生附加熱量,從而使電纜溫度升高。長期超負(fù)荷運(yùn)行時(shí),過高的溫度會(huì)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(dǎo)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(shí)域光譜技術(shù)對老化特性進(jìn)行研究。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置

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

以上太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)帶寬可達(dá)4.5 THz,最高信噪比可達(dá)80 dB,可實(shí)現(xiàn)對樣品單點(diǎn)進(jìn)行光譜測量,并實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)換算材料折射率與吸收系數(shù)等功能。實(shí)驗(yàn)樣本取自雄安新區(qū)110 kV電力電纜絕緣護(hù)套材料,使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測量不同老化程度電力電纜絕緣護(hù)套材料的太赫茲時(shí)域光譜信息,試驗(yàn)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(shí)域光譜系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

圖4 光纖式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)原理示意

2.2 試樣制備及老化

本試驗(yàn)研究采用的電力電纜絕緣護(hù)套材料取自即將服役于雄安新區(qū)110 kV 供電主干線實(shí)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(hù)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(zhǔn)確性。將試驗(yàn)樣品放入老化實(shí)驗(yàn)箱中,設(shè)定老化溫度為100 ℃,分別進(jìn)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(hù)套材料試驗(yàn)樣品。

所制備的電力電纜絕緣護(hù)套材料試驗(yàn)樣品厚度為1.0 mm,樣品寬度為7.0 mm,樣品長度根據(jù)現(xiàn)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(hù)套樣本測試結(jié)果

本試驗(yàn)使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對不同老化程度的電力電纜絕緣材料樣品進(jìn)行時(shí)域光譜測試,實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為20℃,濕度30%,將不同老化時(shí)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(shí)域采集長度為120 ps。對每個(gè)待測樣品進(jìn)行待測區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)采樣平均,確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。測試結(jié)果如圖6所示,隨著樣品老化程度加劇,測試樣品的時(shí)域信號延遲減小、信號幅度減小。

圖6 不同老化時(shí)間樣品時(shí)域測試信號

如圖7所示,藍(lán)色為參考信號,是指太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測試光路未放置樣品情況下,太赫茲波透過空氣環(huán)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(diǎn)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(qū)間內(nèi),樣本老化時(shí)間越長,頻譜強(qiáng)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(shù)據(jù),通過進(jìn)一步計(jì)算分析可以得到不同老化樣品的吸收系數(shù),從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)隨著老化時(shí)間變長而呈現(xiàn)顯著升高的現(xiàn)象,0.7 THz時(shí)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(fā)生變化,表現(xiàn)在太赫茲波段的吸收特性為老化時(shí)間越長吸收特性越明顯,說明太赫茲時(shí)域光譜檢測技術(shù)可用于電纜絕緣護(hù)套的老化特性研究,測量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

圖8 不同老化程度樣品的太赫茲吸收系數(shù)曲線

選取0.7 THz頻率點(diǎn)測試結(jié)果中樣品吸收系數(shù)與老化時(shí)間之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。從圖9可以看出,樣品老化時(shí)間與吸收系數(shù)之間存在近似指數(shù)關(guān)系,隨著樣品老化時(shí)間的增加,樣品的吸收系數(shù)變化斜率逐漸減小并趨于穩(wěn)定,表明樣品老化速度隨著時(shí)間的增長逐漸減緩,經(jīng)過長時(shí)間老化后趨于穩(wěn)定且絕緣樣品絕緣特性逐漸失效。同時(shí),對0.7 THz頻率點(diǎn)測試結(jié)果中樣品太赫茲時(shí)域脈沖的延遲與老化時(shí)間之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合得到式(4),擬合結(jié)果見圖10。

圖9 0.7 THz頻率下樣品吸收系數(shù)與老化時(shí)間對應(yīng)曲線

圖10 樣本老化程度判斷擬合結(jié)果

式中:y為電纜絕緣護(hù)套太赫茲時(shí)域脈沖透射延時(shí)量;x為老化時(shí)間(老化溫度100 ℃)。通過以上擬合結(jié)果得知,當(dāng)電纜絕緣護(hù)套老化時(shí)間加長時(shí),電纜的老化速度變慢,電纜絕緣護(hù)套特性逐漸趨于平穩(wěn),絕緣性能降低,此時(shí)電纜需要進(jìn)行維護(hù)與更換?；谔掌潟r(shí)域光譜信號時(shí)域測試結(jié)果,利用式(4)對服役中的電纜絕緣護(hù)套樣品老化程度進(jìn)行分析,即可實(shí)現(xiàn)對實(shí)際使用中電纜絕緣護(hù)套老化特性的科學(xué)評估。

綜上所述,測量樣品時(shí)域信號延遲特性與老化時(shí)間存在近似指數(shù)關(guān)系,本文選取太赫茲時(shí)域信號延遲時(shí)間與樣品老化時(shí)間進(jìn)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(jù),數(shù)據(jù)處理簡單,可靠性高。

3 結(jié)論

采用太赫茲時(shí)域光譜分析法研究了不同老化程度的電纜絕緣護(hù)套材料在0.1～2.0 THz下的太赫茲光譜特性,設(shè)計(jì)了樣品透射測試試驗(yàn),建立了該絕緣材料老化情況與太赫茲信號的關(guān)聯(lián)關(guān)系,測試結(jié)果表明:在100 ℃溫度下,電力電纜絕緣護(hù)套材料樣品的吸收系數(shù)隨老化時(shí)間的加長而不斷上升;在100 ℃溫度下,電力電纜絕緣護(hù)套材料樣品的太赫茲波透射時(shí)延量隨著老化時(shí)間呈指數(shù)下降,最終趨于穩(wěn)定,表明電力電纜絕緣護(hù)套性能下降;太赫茲時(shí)域光譜分析技術(shù)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(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

THz-TDS技術(shù)在雄安新區(qū)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(jié)合現(xiàn)場工況可實(shí)現(xiàn)對樣本在線實(shí)時(shí)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(shù)為電力電纜老化研究提供了新的思路,可應(yīng)用于電力電纜絕緣老化現(xiàn)場無損檢測與評估。