CN106033073B

CN106033073B - 一种基于超声反射的电缆检测及评价方法

Info

Publication number: CN106033073B
Application number: CN201610505594.0A
Authority: CN
Inventors: 金海云; 李禹锋; 李志伟; 聂诗超; 高乃奎
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-12-07
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN106033073A

Abstract

本发明涉及一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，对新电缆和使用中的电缆进行超声反射法测试，获得新电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t，以及使用中的电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t1；采用阈值法分析t和t1，评价使用中的电缆老化状态，或者对新电缆进行老化实验直至电缆报废，定期测量老化过程中电缆中超声波的发射波与底波的时间间隔t2；将时间间隔t2作为标准时间间隔，将时间间隔t2对应的测量时间作为该电缆的理论使用时间绘制图表，通过查图表法评价使用中的电缆老化状态。本发明中通过超声波检测获得相关时间间隔，无需破坏使用中的电缆来测试分析相关缺陷或参数，能够快速方便地获知电缆老化状态。

Description

一种基于超声反射的电缆检测及评价方法

【技术领域】

本发明涉及电缆检测评价领域，具体涉及一种基于超声反射的电缆检测及评价方法。

【背景技术】

在电力电缆以及电缆接头的制造、安装和使用过程中，由于生产工艺不当，安装时的撞击和损伤都会给电缆内部的绝缘造成损伤与缺陷。当电缆投入运行后，首先，电缆内部的铜导线在运行时会发热，使得电缆的正常运行温度都在90℃以上，使得电缆在使用过程中需要承受一个热老化的过程；其次，在电缆的日常工作环境下，电缆周围还会存在着大量其他电力设备，由于电力设备之间电动力的作用，使得电缆还需要承受着机械应力的作用；最后，由于电缆及其附件在在生产、安装、制造过程中产生的内部缺陷，会使得电缆内部电场发生畸变，引起电场集中，使得电缆及其附件也要承受电老化的影响。因此，在电、热及机械作用的影响下，电缆会逐渐发生老化及劣化，而这主要体现在2个方面。第一，电缆及其附件内部的局部缺陷会在电、热及机械作用下逐步扩大，表现为在电缆内部及附件处的聚合物材料(聚乙烯及硅橡胶等材料)出现树枝化的绝缘损伤，集中表现为电树枝与水树枝。第二，电缆及其附件材料主要为聚乙烯及硅橡胶等聚合物材料，在电、热及机械作用下，材料会发生老化，使得材料的本征属性发生改变，具体表现为材料的弹性模量等发生改变。而对于电缆的这种缺陷及老化状态的评估，目前还没有行之有效的方法，这主要是因为无论是分析电缆内部的缺陷(诸如气孔，杂质，气体薄层，电树枝与水树枝等)，还是分析电缆材料的本征参数(如弹性模量等)，都需要将电缆进行破坏，进而进行测试，而这对于运行中的电缆是无法完成的。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，能够对使用中的电缆老化状态直接进行检测和评价，无需破坏。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括以下步骤：

步骤一：对新电缆进行超声反射法测试，获得新电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t；

步骤二：对使用中的电缆进行超声反射法测试，获得使用中的电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t1；

步骤三：采用阈值法分析t和t1，评价使用中的电缆老化状态；

或者对新电缆进行老化实验，直至该电缆报废，定期测量老化过程中该电缆中超声波的发射波与底波的时间间隔t2；将时间间隔t2作为标准时间间隔，将时间间隔t2对应的测量时间作为该电缆的理论使用时间绘制图表，通过查图表法评价使用中的电缆老化状态。

进一步地，步骤一和步骤二中的超声反射法具体包括：

首先将若干个超声探头粘贴于待检测电缆上，形成检测点，记录各检测点超声波的发射波波形和反射波波形，形成波形图；然后判断反射波的类型为缺陷波或者底波，计算出各检测点中超声波的发射波和底波的时间间隔。

进一步地，超声探头通过室温硫化硅橡胶粘贴于待检测电缆上。

进一步地，波形图上包括两个或三个波形，如果有三个波形，则发射波、缺陷波和底波同时存在且按时间先后依次分布，该波形图对应的检测点处存在小缺陷；

如果只有两个波形，则对所有检测点的发射波和反射波的时间间隔做比对，若所有检测点的时间间隔一致，则反射波全部为底波，待检测电缆完好无损；否则反射波为缺陷波，待检测电缆中存在大缺陷。

进一步地，步骤三的阈值法中，在1/t1≤W×(1/t)时，判断电缆老化，其中W为阈值且0＜W＜1。

进一步地，步骤三的查图表法具体包括：首先在图表中查找与实际时间间隔t1相等的标准时间间隔所对应的理论使用时间，将使用中电缆的实际使用时间与理论使用时间进行对比，在实际使用时间小于理论使用时间时，判断电缆老化。

进一步地，老化试验具体包括：首先将一新电缆在其额定工作条件下投入运行，运用超声反射法测出新电缆内部超声波的发射波与底波的时间间隔；之后，每隔24h测量一次电缆内部超声波的发射波与底波的时间间隔，直至电缆报废。

进一步地，老化试验具体包括：首先设定加速倍数N，电缆工作温度为T；然后在实际老化实验温度T1下进行老化实验，每隔7天测量一次电缆内部超声波发射波与底波的时间间隔，直至电缆报废，其中T1＝T+N×6。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中通过采用超声反射法测试，获得新电缆中以及使用中电缆的超声波的发射波与底波的实际时间间隔；电缆的老化情况，可依据聚合物的弹性模量进行判定，当材料发生老化后，材料内部分子链会发生断裂，从宏观则表现为材料变硬，弹性模量降低，则超声波在电缆中的声速也会随之发生变化，对某一确定的电缆及其附件而言，其厚度是一定的，因此可以由电缆中超声波发射波与底波的时间间隔来进行分析，从而评价电缆老化状态，本发明中只需通过超声波检测获得相关时间间隔即可，无需破坏使用中的电缆来测试分析相关缺陷或参数。同时，本发明中可以通过阈值法或者查图表法对新电缆以及使用中电缆的超声波的发射波与底波的实际时间间隔进行分析，能够快速方便地获知电缆老化状态，利于了解电缆剩余使用寿命，便于提前维护或更换，避免电缆老化发生事故。

进一步地，本发明中通过对检测点的所有波形进行记录，由于超声波以一定的速度在待测电缆绝缘层传播，遇到缺陷时会提前反射，本发明在评价电缆老化状态的同时，能够分析波形和时间间隔的差异，从而判断电缆的缺陷情况。

【附图说明】

图1是本发明超声检测电缆及其附件原理示意图；

图2(a)至图2(j)分别是实施例1中的一年后10个超声探头发射波与反射波接收波形图；

图3是实施例1中电缆附件使用时间与超声传播时间关系图；

图4(a)至图4(j)分别是实施例2中的10个超声探头发射波与反射波接收波形图；

图5(a)至图5(j)分别是实施例3中的10个超声探头发射波与反射波接收波形；

图6是实施例4中电缆附件使用时间与超声传播时间关系；

图7(a)至图7(j)分别是实施例5中10个超声探头发射波与反射波接收波形；

图8是实施例6中电缆附件超声探头布置示意图；

图9是实施例6中测线1所在截面的缺陷分布。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，对于电缆内部的缺陷，由于超声波以一定的速度在待测电缆绝缘层传播，其中一部分超声波在遇到缺陷时会反射，形成缺陷波F；另一部分超声波则会继续传至导线与绝缘分界面，反射回来，即底波B。由缺陷和底面反射回来的声波信号，转化为电脉冲后，在显示屏上显示，即可判断缺陷大小和位置。根据待测试样品的大小，可以布置一系列阵列超声探头，根据多个超声探头的数据，即可分析出整个样品的缺陷。

对于样品的老化情况，则可依据聚合物的弹性模量进行判定。纵波在介质中的声速为：

K为体积弹性模量，μ为剪切弹性模量，ρ为材料密度。

众所周知，对于聚合物材料，当材料发生老化后，材料内部分子链会发生断裂，从宏观则表现为材料变硬，弹性模量降低，进而导致超声波在固体中的声速也会发生变化。通过对固体中超声波声速的变化进行分析，即可判断电缆的老化状态。

本发明采用超声反射法进行检测缺陷，具体包括：

首先，用室温硫化硅橡胶将多个可发射与接收超声波的超声探头粘贴于待检测的一段电缆及其附件上，形成检测点，利用采集卡记录各检测点超声波的发射波和反射波的波形，形成波形图。超声探头的两端分别连接脉冲发生器和接收放大器，脉冲发生器用于超声波的产生，接收放大器用于放大接收信号并由采集卡实时记录波形数据，采集卡连接显示屏，显示屏用于波形的显示。

然后根据记录的超声波波形，计算出各个检测点发射波和反射波的时间间隔，并分析反射波类型，以确定反射波是由于发射波遇到缺陷反射后所形成的缺陷波，还是发射波遇到底面后反射所形成的底波，以判断电缆及其附件内部的缺陷情况。

最后根据计算出的时间间隔判断待检测电缆上是否存在缺陷；考虑到缺陷是局部存在的，因此得到的检测信号可能有3种形式。a发射波T、缺陷波F和底波B同时存在；b发射波T和缺陷波F；c发射波T和底波B。对于这3种情况判别，需要综合考虑所有检测到的超声波波形。判断方式如下；

1、如果波形图上有3个波形，则只可能是发射波、缺陷波和底波同时存在，且按时间先后依次分布在波形图上。这说明该波形图对应的检测点处存在小缺陷。

2、如果波形图上有2个波形，则需要同时考虑所有检测点的波形。将所有检测点的发射波和反射波的时间间隔做比对。如果所有点的时间间隔一致，考虑到缺陷是局部存在的，则说明反射波全部为底波，该电缆完好无损。如果所有点时间间隔不一致，有大有小，则说明反射波为缺陷波，待检测电缆内部存在着大的缺陷。

对于电缆老化的评价，考虑到不同电缆的使用情况不同，评价方法也有差别。本发明利用超声反射法检测的数据，采用两种评价方法进行老化状态评价，具体包括：

步骤一：对新电缆进行超声反射法测试，获得新电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t。

步骤二：对使用中的电缆进行超声反射法测试，获得使用中的电缆中超声波的发射波与底波的实际时间间隔t1。

步骤三：通过阈值法或查图表法分析t和t1，评价使用中的电缆状态。

301、阈值法：在1/t1≤W×(1/t)时，判断电缆老化，需要进行维护；其中W为阈值且0＜W＜1。

在阈值法中，首先对新电缆进行超声反射法测试，获得新电缆的声速V＝s/t。之后，根据电力部门的对于电力可靠性要求，制定阈值W，其中0＜W＜1。当实际使用中的电缆中的声速V1≤W×V时，即判断电缆老化，进行维护。考虑到声速的计算公式为v＝s/t。对于电缆中的声速测量而言，由于对某一确定的电缆及其附件而言，其厚度是一定的，即s是固定的，所以对于V1≤W×V，可以换算成1/t1≤W×(1/t)。因此，对于电缆老化状态的评估，可以由电缆及其附件中超声波发射波与底波的时间间隔来进行分析。

302、查图表法：

3021、对新电缆进行老化实验，直至该电缆报废，定期测量老化过程中该电缆中超声波的发射波与底波的时间间隔t2；

3022、将时间间隔t2作为标准时间间隔，将时间间隔t2对应的测量时间作为该电缆的理论使用时间绘制图表；

3023、电力部门可以根据实际需要，评估电缆使用状态，进而对电缆老化状态进行分析，需要时，直接在图表中查找与实际时间间隔t1相等的标准时间间隔所对应的理论使用时间，将使用中电缆的实际使用时间与理论使用时间进行对比，在实际使用时间小于理论使用时间时，判断电缆老化。

步骤3021中老化数据获取与老化实验设计采用两种形式：

a、针对实际线路中运行的电缆测量超声波发射波与底波的时间间隔，直至电缆退出运行。首先将一新电缆投入运行，并使其按照其额定工作条件下进行工作，一般额定工作条件包括对工作电压、工作温度以及最小弯曲半径等条件的限制；运用超声反射法测出新电缆及其附件内部超声波发射波与底波的时间间隔。之后，每隔24h测量一次电缆及其附件内部超声波发射波与底波的时间间隔，直至电缆达到其预定使用寿命后报废，获得电缆使用时间与时间间隔的曲线和表格。

b模拟实际工况，采用加速老化实验。由于温度每升高6℃，电缆寿命减少一半，根据这一原则，首先设定加速倍数N，电缆工作温度为T，则实际老化实验温度则为T1＝T+N×6。在T1温度下进行老化实验，然后每隔一个星期测量一次电缆及其附件内部超声波发射波与底波的时间间隔，直至实验结束，获得电缆使用时间与时间间隔的曲线和表格。

本发明利用超声反射波探测电缆及其附件运行状态(包括内部损伤和老化状态)，可以精确对电缆内部的缺陷以及老化状态进行探测与分析。

实施例1

对某厂家的电缆接头进行十年全程老化实验，用室温硫化硅橡胶将10个超声探头粘接到电缆接头处，对电缆接头进行探测。老化一年后获得十个检测点的发射波与接收波的记录波形如图2(a)-图2(j)所示，十个检测点的发射波与反射波的间隔时间如表1所示。

表1发射波与反射波接收时间间隔

时间t(10^-4s)

1

0.98

1.04

0.96

1.04

1.03

0.99

0.98

1

1.01

从表1可以看出，这十个检测点发射波与反射波时间间隔的平均值是1.003×10^-4，每个检测点的时间间隔与平均值之间的差距均不超过平均值的10％，这说明对于这10个检测点而言，发生反射波的位置与超声探头的距离是一致的。考虑到缺陷是局部存在的，既然反射波的位置与超声探头的距离是一致的，这说明反射波全部为底波，电缆接头内部无缺陷。

运用直接老化实验，在10年过程中每隔24h记录每个超声探头的波形并记录，获得电缆使用时间与电缆接头中超声波传播时间间隔的曲线和表格，如图3和表2所示。

表2十年间电缆发射波与底波时间间隔关系

使用时间(年)	时间间隔(10^-4s)
		0	0.95
1	1.003
		2	1.04
3	1.09
		4	1.16
5	1.19
		6	1.26
7	1.31
		8	1.34
9	1.40
		10	1.46

通过图3和表2，再根据实际运行中电缆附件的超声传播时间，即可判断出电缆状态及使用寿命。

实施例2

对于某投入运行中已有半年的电缆接头，用室温硫化硅橡胶将10个超声探头粘接到电缆接头处，对某一厂家的电缆接头进行探测，获得十个检测点的发射波与接收波的记录波形如图4(a)-图4(j)所示，十个检测点的发射波与底波的间隔时间如表3所示。

表3发射波与底波接收时间间隔

时间t(×10^-4s)

1.15

1.14

1.15

1.16

1.14

1.15

1.14

1.16

1.15

从图4(e)可以看出，由于波形图上同时存在的发射波、缺陷波与底波，所以在第5个检测点处存在小的缺陷。考虑到发射波与底波的时间间隔是t1＝1.149×10^-4(取平均值)，发射波与底波反射处的距离为s1，发射波与缺陷波的时间间隔是t2＝0.675×10-⁴，发射波与缺陷的距离是s2，所以s2/s1＝v×t2/2/(v×t1/2)＝t2/t1＝0.587。所以可以判断缺陷位置位于电缆附件上表面下方，离上表面的距离为58.7％s1。

由于发射波与底波的时间间隔是1.149×10-⁴，通过查实施例1的图3和表2，可知该电缆已处于老化约4年的状态，实际使用时间远小于理论使用时间，这说明该电缆接头在使用过程中处于过载运行，加速了电缆的老化，实际使用寿命将低于理论寿命。

实施例3

对于某投入运行中已有1年的电缆接头，用室温硫化硅橡胶将10个超声探头粘接到电缆接头处，对某一厂家的电缆接头进行探测，获得的记录波形如图5(a)-图5(j)所示。发射波与底波的间隔时间如表4所示。

表4发射波与底波接收时间间隔

时间t(10^-4s)

1.39

1.41

1.39

1.40

1.41

1.39

1.40

1.41

从图5(d)-图5(f)可以看出，由于波形图上同时存在的发射波、缺陷波与底波，所以在这3个测试点处存在小的缺陷。考虑到发射波与底波的时间间隔是t1＝1.401×10^-4(取平均值)，发射波与底波反射处的距离为s1，3个测试点发射波与缺陷波的时间间隔依次是8.01×10^-5，8.00×10^-5，8.02×10^-5。所以可以判断缺陷位置位于电缆附件上表面下方，离上表面的距离为57.17％s1，57.10％s1，57.24％s1。

设电力系统中设定的阈值W＝0.7，而新电缆的声速v＝s1/(0.95×10^-4),该电缆的声速v1＝s1/(1.401×10^-4),则该电缆v1<0.7v，所以电缆不合格。

实施例4

采用加速老化实验，对于某电缆本体，设实际工作温度为T＝90℃，加速3倍，则电缆老化温度为T1＝90+6×3＝108℃。获得电缆在加速老化过程中的发射波与反射波时间间隔如图6和表5所示。

表5十年间电缆发射波与反射波时间间隔

实施例5

对于某投入运行中已有一年的电缆本体，用室温硫化硅橡胶将10个超声探头粘接到电缆本体处，对某一厂家的电缆接头进行探测，获得的记录波形如图7(a)-图7(j)所示。发射波与底波的间隔时间如表6所示。

表6发射波与底波接收时间间隔

时间t(10^-4s)

1.44

1.46

1.45

—

1.46

1.45

1.44

从图7(a)-图7(j)可以看出，发射波与接受波均只有两个波形。然而图7(d)—图7(g)的时间间隔明显小于其他的图。这说明图7(d)—图7(g)反映出这些测试点处存在大的缺陷。考虑到发射波与底波的时间间隔是t1＝1.45×10^-4(取平均值)，发射波与底波反射处的距离为s1，4个测试点发射波与缺陷波的时间间隔依次是8.01×10^-5，8.00×10^-5，8.02×10^-5。所以可以判断缺陷位置位于电缆附件上表面下方，离上表面的距离为55.24％s1，55.17％s1，55.31％s1。

考虑到发射波与底波的时间间隔是t1＝1.45×10^-4(取平均值)，通过查阅实施例4中的表5和图6可知，电缆的理论使用时间大约为10年，其实际使用时间远小于理论使用时间，这表明该电缆已严重老化。

实施例6

当在电缆接头处布置足够多的超声探头后，借鉴有限元的思想，可以认为每个超声探头所探测的数据可以近似代表此超声探头下方的局部的缺陷情况，综合所有探头的数据，即可得到电缆某一截面上的缺陷情况进行分析，绘制出某一截面上的缺陷分布。

图8(a)为电缆附件的截面。对某长度为50cm的电缆附件，在其截面上下左右设定4条测线，将50个超声探头用室温硫化硅橡胶粘接到每条测线上，每条测线获得50个超声探头的发射波与接收波数据。以测线1为例，如图8(b)所示，利用实施例2和实施例3确定缺陷位置的方法，获得50个超声探头所探测到的缺陷位置，获得该测线所在剖面的缺陷情况，如图9所示。

在图9中，底线y＝0代表着电缆附件硅橡胶层的下表面，y＝1代表电缆附件硅橡胶层的上表面。从图9可以看出，测线1下方存在着2条线状的裂纹缺陷，位于电缆附件硅橡胶层的下方。对于左侧的缺陷，其已经延伸至附件厚度总长的大约30％，对于右侧的缺陷，其延长至厚度总长的约20％。这说明此电缆附件已经有损伤。

Claims

1.一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

或者对新电缆进行老化实验，直至该电缆报废，定期测量老化过程中该电缆中超声波的发射波与底波的时间间隔t2；将时间间隔t2作为标准时间间隔，将时间间隔t2对应的测量时间作为该电缆的理论使用时间绘制图表，通过查图表法评价使用中的电缆老化状态；

步骤三的阈值法中，在1/t1≤W×(1/t)时，判断电缆老化，其中W为阈值且0＜W＜1；

老化实验具体包括：首先将一新电缆在其额定工作条件下投入运行，运用超声反射法测出新电缆内部超声波的发射波与底波的时间间隔；之后，每隔24h测量一次电缆内部超声波的发射波与底波的时间间隔，直至电缆报废；

或者老化实验具体包括：首先设定加速倍数N，电缆工作温度为T；然后在实际老化实验温度T1下进行老化实验，每隔7天测量一次电缆内部超声波发射波与底波的时间间隔，直至电缆报废，其中T1＝T+N×6。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，其特征在于：步骤一和步骤二中的超声反射法具体包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，其特征在于：超声探头通过室温硫化硅橡胶粘贴于待检测电缆上。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，其特征在于：波形图上包括两个或三个波形，如果有三个波形，则发射波、缺陷波和底波同时存在且按时间先后依次分布，该波形图对应的检测点处存在小缺陷；

5.根据权利要求1所述的一种基于超声反射的电缆检测及评价方法，其特征在于：步骤三的查图表法具体包括：首先在图表中查找与实际时间间隔t1相等的标准时间间隔所对应的理论使用时间，将使用中电缆的实际使用时间与理论使用时间进行对比，在实际使用时间小于理论使用时间时，判断电缆老化。