采用超声导波检测触头接触状态的实验研究

江新琴, 郑文成, 刘刚

(1. 福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2. 华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

电力系统不断向高电压、大容量规模发展，其安全可靠运行备受关注，据统计，2012年度广东电网SF6瓷柱式断路器故障事故占全部高压开关设备故障的33%[1-2]。断路器长期运行，其触头会因电弧烧蚀和机械摩擦受到侵蚀，从而出现接触不良的情况[3]。断路器触头接触不良将导致接触电阻增大，同时交流集肤效应使接触进一步恶化，产生大量热能，对电力系统和人身安全构成极大威胁[4-5]。针对该问题，目前常采用回路电阻测试、温度监测、振动检测等检测手段，但它们在检测触头接触状态上均有一定的不足之处，如回路电阻测试只可用于停电检查，温度监测仅可测取外壳温度，而振动检测干扰因素较多不易判断。

近年来，无损检测技术在结构状态检查方面受到广泛关注，国内外诸多学者对此展开研究[6-19]。沈功田[14]对承压设备的无损检测技术进行了研究，根据检测结果评价设备的安全状况和评估其剩余寿命；马书义[14]等人根据超声导波回波幅度判断管道变形程度；邓红雷[16]等人从理论分析、建模仿真、实验研究来验证超声导波检测复合绝缘子的可行性；朱力强[17]等人通过分析振型等信息选取超声导波检测无缝钢轨完整性的最佳检测导波模态。在超声导波检测技术方面，相关研究通过对导波信号进行分析处理，根据导波上的特征值对构件进行探伤，从而评估设备的运行状态。超声导波检测技术能够对构件进行快速且全范围检测，但目前尚未应用于断路器触头接触状态检测。超声导波检测技术能够有效解决断路器全封闭式结构限制的问题，直接对触头接触状态进行判断，而不会影响设备的正常运行。

借鉴国内外学者对超声导波检测技术的相关研究成果，本文提出利用超声导波检测断路器内部触头接触状态的新型检测技术。从超声导波发生衰减的特性出发，理论上分析利用超声导波检测触头接触状态的可行性；同时搭建超声导波实验平台，模拟触头4种接触状态，分析不同接触状态下散射信号特征，进而验证利用超声导波检测触头接触状态的可行性。

1 超声导波检测触头接触状态可行性分析

超声导波是由纵波和横波这两种基本体波在交界面处反射和叠加形成的，其声波频率高于20 kHz，如图1所示。

图1 超声导波的产生Fig.1 Generation of ultrasonic guided waves

随着传播距离的增加，超声导波的能量将因扩散、散射和吸收等诸多因素而减小，即超声导波衰减现象[20]。当超声导波遇到不连续的界面，会发生散射、反射等现象。两种传播介质之间的声阻差值影响超声导波能量在分界面上的散射和反射。

声阻是介质密度与波速的乘积，而不连续处和构件几何形状的改变将使超声导波传播速度发生变化，从而使触头的接触状态影响声阻的差异状况[21-22]。触头的接触状态越差，声阻差值越大，则反射波能量越大，折射波能量越小，反之亦然。在触头接触面传播的超声导波携带触头的接触状态信息，通过对导波信号进行分析处理，即可评估判断触头的接触状态。从理论上来说，利用超声导波检测触头的接触状态是可行的。图2所示为超声导波检测触头接触状态的原理。

图2 超声导波检测触头接触状态原理Fig.2 Schematic diagram of using ultrasonic guided wave detecting contact state of contacts

2 实验设计

2.1 实验平台搭建

信号激励与采集平台主要包括计算机、任意波形发生器、电压放大器和数据采集卡，将它们统一组装于无损检测实验室当中。其中，任意波形发生器为Agilent Technologies公司的33520B型波形发生器，电压放大器为Trek Model 2100HF高频高速放大器，数据采集卡为拓普公司的PCI-20614型号采集卡。通过BenchVue软件在计算机上远程控制波形发生器，利用TopView软件采集信号数据。

实验试件采用断路器的梅花触头开关，其导电部分包括有静触头(630 A Ф35 mm×82 mm)、梅花触头(630 A 24片)、触臂(630 A)。图3所示为实验平台。

图3 实验平台Fig.3 Experiment platform

2.2 实验基本流程

如图4所示，本次实验采用Pitch-catch模式，即“一发一收”模式。该模式需要2个超声探头，一个作为激励端，一个作为接收端。图5所示为实验流程图。

图4 实验连接图Fig.4 Experimental connection diagram

图5 实验流程Fig.5 Experimental flowchart

无损检测实验室中波形发生器产生特定频率、幅值的波形信号，电压放大器将信号放大后通过超声探头(激励)注入触臂，导波在触臂、梅花触头和静触臂中传播，超声探头(接收)将接收到的信号送至数据采集卡进行采集，采集后的数据输送到计算机进行处理。

3 实验过程

具体实验步骤如下。

步骤1，调节梅花触头与静触头之间的啮合情况，令梅花触头与静触头的中心轴线相重合，垂直插入20 mm左右，模拟接触良好状态。

步骤2，利用PC36C直流电阻测量仪测量当前接触状态下梅花触头与静触头、触臂连接两端之间的直流电阻大小。

步骤3，取接触式超声斜探头作为激励端和接收端，将耦合剂均匀涂抹在二者的接触面，利用扎带绑扎固定，确保其贴合在静触头、触臂表面。

步骤4，在同一接触状态下，改变激励类型，观察接收波形变化，并对数据进行采集存储。激励类型包括单个正弦波、连续正弦波、单个三角波、连续三角波、单个汉宁窗调制正弦波、连续汉宁窗调制正弦波，频率均为100 kHz。

步骤5，改变梅花触头与静触头的接触状态，分别模拟接触较好、接触不好、不接触的状态(如图6所示)，重复步骤2至4。

图6 不同接触状态形式Fig.6 Different forms of contact state

表1为不同接触状态下的接触电阻大小。

表1 不同接触状态下的接触电阻
Tab.1 Contact resistance under different contact conditions

接触状态接触电阻/μΩ接触状态接触电阻/μΩ良好19.54不好71.96较好21.05不接触∞

4 实验结果分析

4.1 滤波处理

由于硬件制作工艺缺陷以及周围环境的干扰，各导波信号均不以0 V为对称轴上下波动。为消除该影响，更好地对中心频率信号进行分析，设计一带通滤波器对数据进行滤波处理。

利用MATLAB中的FDATool工具进行IIR带通数字滤波器设计，采样频率为10 MHz，通带截止频率fp1=75 kHz，fph=125 kHz，通带范围内波动为1 dB,下阻带边界频率fs1=62.5 kHz，fsh=137.5 kHz，阻带衰减为30 dB。

4.2 时域分析与频域分析

时域分析主要分析接收端所采集到的幅值特征，通过傅里叶变换能够观察到信号频率成分和频谱的峰值变化规律。为降低计算量，采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)对超声导波信号进行频谱分析。图7所示为不同激励信号下的时域波形。表2所列为在不同接触状态下，超声探头所接收的信号经数字滤波后峰峰值大小。

图7 不同激励下的时域波形Fig.7 Time-domain waveforms under different excitations

excitation and contact conditions V

在时域曲线当中，随着触头接触状态越发恶劣，超声探头所接收的信号波形呈现出逐步衰减的状态。其中，接触良好与接触较好状态下所接收的信号之间差别较为微小，波形十分贴近；而接触不好状态下所接收的信号有较为明显的变化，振幅可降至接触良好的一半。当动、静触头彻底不接触时，仅能接收到微弱的噪声干扰信号，在时域中接近于一条幅度恒为0的直线。

由表2可知，超声探头所接收的信号峰峰值与触头的接触状态好坏存在一定的关系，接触状态越差，其所对应导波信号峰峰值就越小，可利用峰峰值的大小对触头接触状态好坏进行评估。

图8所示为不同激励信号下的频域波形。

选择激励波形时，中心频率处能量越集中以及频带越窄越好。信号质量可用品质因数来作为衡量参数，其定义为Q=f0/df。其中，f0为中心频率，df为频率带宽。Q值越大，表明能量越集中，带宽越小，反之亦然。在频域曲线中，连续汉宁窗频率宽度较窄，品质因数较大，能量更集中。

综上所述，为提高评估的灵敏度与可靠性，激励应选用连续的汉宁窗调制正弦波信号，利用时域曲线峰峰值的大小对触头接触状态好坏进行评估。

5 结论

通过以上分析，得出结论：

a)超声导波散射波形与触头的接触状态存在相应的关系。触头接触状态愈发恶劣，超声探头所接收的信号波形呈现出逐步衰减的状态。在超声导波检测触头接触状态当中，激励应选用连续的汉宁窗调制正弦波信号，利用时域曲线峰峰值的大小对触头接触状态好坏进行评估。

b)在实际应用当中，可将激励端与接收端的超声探头安装于断路器两端的母线上，传播过程中的超声导波将携带多处接触状态信息，包括母线与接线盘连接处、接线盘与触头连接处、动(静)触头

图8 不同激励下的频域波形Fig.8 Frequency-domain waveforms under different excitations

连接处等。由于母线与接线盘、接线盘与触头连接处较为固定，超声导波特征主要受动、静触头的接触状态所影响，根据本次实验探究可知该检测技术在实际应用中具有可行性。

c)超声导波检测触头接触状态技术不仅局限于断路器内部触头，其实际应用范围广泛，适用于电力设备多种电接触状态的检测。