高压电缆终端铅封缺陷超声检测方法研究

方春华， 胡冻三， 郭凯歌， 卢佳杨， 陈 杰， 曹京荥， 陶玉宁

(1. 三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002; 2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 210000)

0 引 言

高压电缆终端由尾管、铝护套、铅封等材料制成，是输电线路重要组成部分。搪铅作为高压电缆终端附件制作的关键工艺之一，其现场制作质量直接影响高压电缆安全稳定运行[1-2]。

目前高压电缆附件制作仍大量依靠人工现场作业，诸如导线压接、附件铜管-电缆铝套铅封密封等工艺，安装质量不合格及运行过程中受外力或震动影响将导致电缆终端铅封出现裂纹和孔洞等缺陷，严重时引起电网非计划停运事故[3-5]。为确保电缆本体及其附件安全稳定运行，并且能够掌握高压电缆终端处铅封内部是否存在缺陷以及缺陷的类型和大小，迫切需要研究出能够快速、准确检测出电缆终端铅封内部缺陷的有效方法。

目前X射线检测、红外线检测、局部放电检测、电场分布式检测、金属护层接地电流检测等多种检测技术已广泛应用于电力电缆附件缺陷诊断[6]。实际电缆终端铅封结构复杂，且这些方法存在操作复杂、检测耗时长、成像不明显、检测精度不高等问题，都无法有效运用到电缆终端铅封缺陷检测之中。超声缺陷检测方法具有操作便捷、成本低、检测速度快、缺陷定位准确等突出优点，目前已经被广泛应用于绝缘子、管道、板类构件等缺陷检测，并取得了较好的检测效果[7-8]。

谢从珍等[9]使用常规超声无损检测方法对复合绝缘子内部气孔缺陷进行检测，可检测出较小的气孔缺陷，验证了超声波对复杂结构物体内部缺陷检测的可行性。但该方法无法让超声探头与曲率较大的物体实现良好耦合。高英等[10]采用超声脉冲回波法对浸泡在水中的复合绝缘子内部缺陷进行检测，可检测伞裙中微小缺陷。该方法可以实现超声检测曲率较大的物体，但是需要将待检测物体浸泡在水中，会影响被检测物体后期使用。薛光辉等[11]利用超声检测技术对压接工件压接质量的检测，径向和轴向检测精度可达0.1 mm，验证了超声检测技术对压接质量检测的可行性和有效性。Wang等[12]通过对点焊易出现的压痕、裂纹、缩孔缺陷分别建立仿真模型，分析声波在不同缺陷情况下的传播影响规律。曹俊平等[13]运用了涡流检测方法对高压电缆终端铅封开裂缺陷进行实验，取得良好效果。但该方法存在一定局限性，只能检测铅封开裂缺陷，并不能有效检测出铅封内部以及铅封与铝护套层间缺陷。电缆终端铅封因材料和结构特殊性，采用超声波检测技术实现无损检测的可行性亟需研究。

本文采用超声波检测技术对电缆终端铅封典型缺陷检测进行研究，利用多物理场仿真软件COMSOL分析声波在高压电缆终端铅封存在不同缺陷情况下的传播特性和规律，同时制作铅封典型缺陷样品进行超声缺陷检测试验，通过对仿真和试验结果进行分析，确定超声波检测技术对电缆终端铅封缺陷检测的可行性。

1 超声检测原理与模型建立

1.1 超声检测理论

超声波是一种频率高于20 kHz的弹性振动波，常用于超声无损检测的频率范围为0.5～10 MHz，其传播过程遵循牛顿第二定律、能量守恒定律和动量守恒定律。由于不同材料声学性质差异，超声波从一种介质透射进入声阻抗不同的另外一种介质时，会在异质界面发生折射、反射现象，两种介质的声阻抗差值越大，反射程度也会越强。

如图1所示，当声波由介质1垂直入射介质2中，介质1和介质2的声阻抗分别为z1和z2，入射波Io的一部分变为透射波，其声强为It，另一部分能量从介质1与介质2的界面反射回来，为反射波，声强为Ir，根据能量守恒定律[14]：

图1 声波垂直入射时的反射和透射

在实际现场测试过程中，反射波声压、入射波声压、透射波声压分别为Pr，Po，Pt，则界面上的声压反射系数R、声强透射系数T可以表示为：

铅封缺陷测试涉及的材料超声传输参数如表1所示。当超声波束被铅封与铝护套界面反射时，其声压反射系数R=0.18，反射系数很小，说明超声波束在此界面不容易被发射；当超声波束被含有空气的缺陷反射时，由于空气声阻抗值几乎为零，其声压反射系数为R=-1。

表1 超声波传输参数

本文采用瞬态驱动脉冲模拟超声波，研究了垂直加载于模型表面超声波的传播特性。通过相应的高斯窗函数对驱动信号进行调制，驱动信号函数为

式中：f——换能器的中心频率；

t——时间变量；

T0——驱动信号周期。

将信号中心频率设置为5 MHz，激励信号波形如图2所示。

图2 激励信号波形图

1.2 超声声场仿真模型

电缆终端铅封结构复杂，表面呈圆弧形、曲率较大、超声耦合困难，声波在其内部传播情况较为复杂，为更清晰了解铅封内部声波传播情况，应用COMSOL声-固耦合场对电缆终端铅封缺陷进行超声仿真计算。仿真模型中对探头、终端铅封、缺陷结构进行适当简化，采用限制适当边界条件的二维模型模拟三维仿真计算，模型如图3所示。铅封底部长度为10 cm，最厚位置为3 cm，铅封内部缺陷直径为1 mm，铅封与铝护套层间位置的缺陷直径为3 mm。

图3 电缆终端铅封仿真模型

2 电缆终端铅封缺陷声场特征

2.1 铅封内部缺陷

对铅封中出现的缺陷进行超声检测模拟，研究铅封缺陷对超声传播特性的影响。当铅封内部缺陷距上表面1 cm处时，内部声场瞬态分布仿真结果如图4所示。超声波在铅封内部传播的过程中，会在缺陷处发生反射和透射。当时间为2.7 μs时，声波到达缺陷位置，缺陷反射回波在5.4 μs时到达探头与铅封表面耦合处，缺陷透射波在7.06 μs时到达底部铝护套位置处。内部缺陷回波如图5所示，在回波三分之一位置处，出现明显的内部缺陷反射回波，与仿真模型中内部缺陷位置吻合较好。铅封底部铝护套为波纹状，对超声会有反射和散射影响，使底面反射回波有明显衰减。

图4 内部缺陷瞬态声场分布图

图5 铅封内部缺陷回波

2.2 铅封层间缺陷

铅封层间缺陷位于铅封与铝护套粘接位置处，内部声场瞬态仿真结果如图6所示。当时间为6.5 μs时，声波到达缺陷位置，部分声波被反射，缺陷反射回波在12.58 μs时到达探头与铅封表面耦合处，被探头接收到。层间缺陷回波如图7所示，在铝护套底面回波前面出现幅值较大层间缺陷回波，与仿真模型中层间缺陷的位置吻合较好。

图6 层间缺陷瞬态声场分布图

图7 铅封层间缺陷回波图

2.3 铅封内部与层间缺陷

为进一步研究铅封内部同时存在多种缺陷时对超声传播特性的影响规律，建立内部缺陷和层间缺陷同时存在的模型，观察其对超声缺陷检测的影响。图8为内部声场瞬态分布情况，声波在两处缺陷位置处发生反射和透射现象。图9为超声缺陷回波图，整个缺陷回波波形中出现了2个明显的缺陷回波，通过位置判断分别为内部缺陷和层面缺陷回波，说明随着铅封缺陷位置的变化，缺陷反射回波随之移动，与仿真模型中铅封缺陷的位置吻合较好。

图8 内部和层间缺陷瞬态声场分布图

图9 铅封内部和层间缺陷回波图

3 电缆终端铅封缺陷试验

3.1 试验样品

高压电力电缆系统运行中常见的终端铅封故障如图10所示。

图10 高压电缆铅封故障

为模拟电缆终端铅封在电网运行中可能出现的缺陷，本文制作3种人工缺陷试样：铅封内部缺陷试样、铅封层间缺陷试样、内部和层间缺陷同时存在的试样。

缺陷制作方法：电缆终端处的铅封是使用浇铅法或触铅法制作完成的，在制作铅封缺陷试样时，人工无法直接模拟出气孔、裂纹和脱粘等缺陷，可采用与铅封声阻抗差异比较大的黏性物质代替气孔，图11为铅封缺陷制作图、铅封缺陷位置示意图和试样外观图。

图11 电缆终端铅封试样

3.2 实验平台

电缆终端铅封缺陷检测试验装置如图12所示，主要由电缆终端铅封样品、超声探头、电源、数字控制器和显示系统组成。在检测过程中，超声探头通过耦合剂与铅封表面直接接触，超声波在耦合剂作用下透射进入铅封样品内部，反射信号经过数字控制器处理后，将反射信号转换成波形呈现在显示系统界面上。

图12 电缆终端铅封缺陷检测实验装置

铅封表面曲率大，直接将超声探头与铅封表面接触进行缺陷检测，耦合性差，故本文采用水浸法将超声探头放置在底部用硅橡胶薄膜密封的装置中，与传统水浸法将检测样品直接放置在水中相比，将超声探头放置在水中进行缺陷检测，不会对检测样品造成影响。在实际测试中，向装置中注入水作为耦合剂，将装置放置在待检测的样品上方，硅橡胶薄膜具有很好的弹性，可以实现装置中水与铅封良好的耦合。

4 铅封典型缺陷波形识别与分析

4.1 铅封内部缺陷

使用超声设备对铅封中仅存内部缺陷试样进行检测，A扫回波如图13所示。14.4～18.0 mm处出现较为明显的缺陷回波信号，通过位置可以知道，其属于铅封内部缺陷回波，缺陷回波前面出现部分杂波，其主要原因是水平超声探头与具有一定弧度的铅封表面不能完全紧密贴合。

图13 铅封内部缺陷回波图

4.2 铅封层间缺陷

当缺陷位于铅封与铝护套层间位置时，对应的A扫超声回波如图14所示，缺陷回波位于25.2～28.8 mm处。可以发现，随着缺陷与超声探头的距离发生变化，超声设备成像的缺陷回波位置也会发生相应变化；与内部缺陷回波进行对比，层间缺陷回波到超声探头的距离比内部缺陷回波到超声探头的距离远，与实际情况相符，即可以通过缺陷回波可以判断缺陷位置。

图14 铅封与铝护套层间缺陷回波图

4.3 铅封内部和层间缺陷

当电缆终端铅封试样在其内部和层间位置都存在缺陷时，如图15所示，A扫回波在18.0～21.6 mm和25.2～28.8 mm位置处出现两处幅值较高的缺陷回波，与前面两次试验结果进行对比，两处缺陷回波分别为内部缺陷和层间缺陷的回波，说明随着缺陷距离探头的距离发生改变，超声设备检测对应的缺陷回波位置也会发生相应变化。

图15 电缆铅封内部缺陷和层间缺陷回波图

从仿真和检测试验结果可知，铅封中不同位置同时存在缺陷时，使用超声检测方法，通过缺陷回波可以准确判断出铅封中是否存在缺陷以及缺陷类型，也验证了不同位置的缺陷不会对超声检测结果造成影响。

5 结束语

1）利用COMSOL多物理场软件模拟存在气孔缺陷的电缆终端铅封缺陷检测，研究了不同位置铅封缺陷对超声波传播特性的影响。结果表明，超声波会在缺陷位置处发生反射和透射，随着缺陷位置的变化，缺陷回波也会随之移动。

2）采用超声检测方法对电缆终端铅封缺陷进行检测试验，可以检测出铅封内部缺陷和层间缺陷，缺陷回波清晰，并且能够同时分辨出两处不同位置的缺陷。

3）超声检测方法克服了铅封缺陷检测困难的问题，通过对铅封缺陷试样进行检测试验，验证了该方法应用于铅封缺陷检测的可行性，使电缆终端铅封缺陷在线检测成为可能。