一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价方法及装置和装置使用方法

摘要

本发明提供一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价方法及装置和装置使用方法，通过加速老化试验，采集电缆主绝缘内表面回波信号，并利用小波分析法分析电缆主绝缘内表面回波信号得到不同尺度下的频率响应的最大振幅值和平均振幅值，从而建立了电缆主绝缘内表面回波信号不同尺度下的频率响应的最大振幅值和平均振幅值与其90℃下等效运行年限的关系曲线，根据实际运行电缆的最大振幅值和平均振幅值以及该关系曲线，可以判断出运行电缆的90℃下等效运行年限，根据其实际运行年限和90℃下等效运行年限的比较，对其老化最薄弱点及整体老化状态进行评价。本发明可同时检测整体老化状态和局部老化状态，具有更高的可靠性，可用于实时检测。

说明书

技术领域

本发明属于电缆的检测技术领域，涉及一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价方法及装置和装置使用方法。

背景技术

立体网状结构的XLPE因其良好的机械性能、耐热性能、绝缘性能和稳定的化学性能而被广泛应用于电力电缆绝缘中。然而电缆在实际运行中，受到水、热、电及机械应力因素的长期联合作用，其理化性能和电性能会劣化，从而影响电网运行的稳定性与经济性。目前，我国现役的运行电缆中，服役时间已经超过了30年，最早一批电缆的设计使用寿命一般为30～40年，如何准确有效地评估电缆绝缘的老化状态，成了电力部门急需解决的问题。国内外学者对如何评估电缆绝缘的老化状态，已有大量研究，主要从微观分子结构和宏观性能与老化状态的关联展开。

由于运行工况不同的电缆承受的电-热-力联合作用不同，电缆在运行中产生的缺陷大小、种类、数量均不同，老化状态也不同。此外，即使同一种工况下运行的电缆，由于电缆包裹着高温导电铜导体，电缆主绝缘内测温度高于外侧温度，内侧老化也较外侧严重，缺陷分布较外侧密集。随着电缆工作年限的增加，一部分缺陷由内侧发展至外侧，缺陷呈由小到大、由少至多的发展趋势，电缆不同位置的局部老化状态也随运行年限改变。因此，电缆的整体老化状态和老化最严重处的状态对电缆的正常运行都有影响，即电缆的老化状态评估应包括：(1)整体老化状态；(2)局部老化状态。

国内外的研究多基于实验室研究，如击穿测试、热重实验、SEM电镜实验(需对样品进行腐蚀)这些检测手段都具有一定的破坏性，不能用于电力电缆的现场实时监测与分析。此前，已有学者提出利用超声波声速法测试电缆老化状态，但此方法只能反映电缆的整体老化状态，无法同时反映老化最严重处的状态，且无法应用于整条电缆的现场实时移动检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价方法及装置和装置使用方法，解决了无法用一种方法同时检测整体与局部老化状态的问题，并可以实现实时连续无损检测。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价方法，包括如下步骤：

S1，取与待评价运行电缆型号相同的从未使用过的电缆，设置加速老化温度，对电缆进行加速老化实验；

S2，按周期取样，每个周期取样一次，待取出的电缆冷却至室温后，用超声探头置于电缆表面发射脉冲波并接收回波信号，得到不同老化时间对应的电缆回波信号；

S3，在电缆回波信号中截取得到电缆主绝缘内表面回波信号，对电缆主绝缘内表面回波信号进行小波变换，得到不同尺度下时间与振幅值数据，找出不同尺度下的最大振幅值并计算得到平均振幅值，得到不同尺度下老化时间与最大振幅值和平均振幅值的对应关系；

S4，通过加速老化温度反推得到不同老化时间对应的90℃下等效运行年限，得到不同尺度下不同90℃下等效运行年限对应的最大振幅值和平均振幅值，绘制不同尺度下90℃下等效运行年限与最大振幅值和平均振幅值的关系曲线；

S5，现场测试同一型号的运行电缆的回波信号，依照S3和S4处理得出不同尺度下的最大振幅值和平均振幅值，与S4得到的关系曲线进行对比，得到该运行电缆的90℃下等效运行年限，将该运行电缆的90℃下等效运行年限与运行电缆实际运行年限对比，判断运行电缆的运行历史并评估电缆老化最严重处的状态和整体老化状态。

优选的，S1中，对电缆进行加速老化实验前，用无水乙醇擦拭清洗电缆表面，然后干燥。

优选的，S2中，每个周期测试多个位于电缆不同位置的回波信号，S3中，每个周期测试的最大振幅值为电缆不同位置的最大振幅值的平均值，每个周期测试的平均振幅值为电缆不同位置的平均振幅值的平均值。

优选的，S2中，周期数大于等于5。

优选的，S3中，对电缆主绝缘内表面回波信号进行小波变换具体是：对电缆主绝缘内表面回波信号进行加零处理，然后对加零处理后的电缆主绝缘内表面回波信号进行小波变换。

优选的，S4中，根据温度每升高8℃，绝缘材料寿命减少一半的规律反推得到加速老化温度下不同老化时间对应的90℃下等效运行年限。

优选的，S5中，判断运行电缆的运行历史并评估其状态具体是：

若按照最大振幅值和平均振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限均大于其实际运行年限，说明该运行电缆在运行过程中存在过负荷运行情况，其主绝缘的缺陷情况和整体老化状态比正常运行电缆更为严重，整体运行条件不变的情况下，其实际使用寿命将低于90℃下设计使用寿命；

若按照最大振幅值和平均振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限均等于其实际运行年限，说明该运行电缆运行状态正常，整体运行条件不变的情况下，其能够达到90℃下设计使用寿命；

若按照最大振幅值和平均振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限均小于其实际运行年限，说明该运行电缆运行状态良好，整体运行条件不变的情况下，其能够达到或超过90℃下设计使用寿命；

若按照最大振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限均大于其实际运行年限，按照平均振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限小于其实际运行年限，说明该运行电缆整体老化状态良好，但存在个别严重老化点，整体运行条件不变的情况下，其实际使用寿命将低于90℃下设计使用寿命；

若按照最大振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限均小于其实际运行年限，按照平均振幅值对比得到的运行电缆的90℃下等效运行年限大于其实际运行年限，说明该运行电缆不存在个别严重老化点，但整体老化状态比正常运行电缆更为严重，整体运行条件不变的情况下，其实际使用寿命将低于90℃下设计使用寿命。

一种用于电缆老化状态评估的超声检测评价装置，包括超声检测模块和信号处理模块；

超声检测模块，用于向运行电缆表面发射脉冲波并接收电缆回波信号，将电缆回波信号传输给信号处理模块；

信号处理模块，用于在接收到的电缆回波信号中截取得到电缆主绝缘内表面回波信号，对电缆主绝缘内表面回波信号进行小波变换，得到运行电缆的不同尺度下的最大振幅值和平均振幅值。

优选的，还包括对比模块和指示模块；

信号处理模块，还用于将得到的运行电缆的不同尺度下的最大振幅值和平均振幅值传输给对比模块；

对比模块，保存有权利要求1-7任一项所得到的不同尺度下不同90℃下等效运行年限对应的最大振幅值和平均振幅值，并根据待测运行电缆的实际使用年限和不同尺度下不同90℃下等效运行年限对应的最大振幅值和平均振幅值设定多个老化状态级别，将运行电缆的不同尺度下的最大振幅值和平均振幅值与不同尺度下不同90℃下等效运行年限对应的最大振幅值和平均振幅值进行比较，确定运行电缆的老化状态级别，根据老化状态级别发送相应的指令至指示模块；

指示模块，用于根据接收到的指令进行老化状态级别的指示。

所述的用于电缆老化状态评估的超声检测评价装置的使用方法，将超声检测评价装置沿电缆长度方向移动，移动过程中，超声检测模块始终对准电缆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明方法进行加速老化试验，采集电缆主绝缘内表面回波信号，并利用小波分析法分析电缆主绝缘内表面回波信号得到不同尺度下的频率响应的最大振幅值和平均振幅值，从而建立了电缆主绝缘内表面回波信号不同尺度下的频率响应的最大振幅值和平均振幅值与其90℃下等效运行年限的关系曲线，并指出了电缆主绝缘内表面回波信号频率响应的最大振幅值和平均振幅值随电缆主绝缘老化程度的增加而减小的变化关系，并将超声回波信号的频率响应最大振幅值与老化最严重点关联、平均振幅值与整体老化状态关联，从而同时检测整体老化状态和局部老化状态；根据实际运行电缆的最大振幅值和平均振幅值以及该关系曲线，可以判断出运行电缆的90℃下等效运行年限，根据其实际运行年限和90℃下等效运行年限的比较，对其老化最薄弱点及整体老化状态进行评价。本发明基于小波分析法，建立了超声回波的时间-尺度(频率)-振幅值关系曲线，由于小波分析法具有精确的频率及时间分辨率(对于频率分辨率和时间分辨率的理解：频率分辨率精确表示可以确切获得信号中不同频率点分量信息，频率分辨率差表示只能获得某一频率段的分量信息；时间分辨率精确表示可以确切获得某一时间点对应的信息，时间分辨率差代表只能获得某一时间段出现了信息，并不能判断信息出现的具体时间点)，因此本发明的方法可用于现场实时连续检测一整条电缆的局部与整体老化程度，并根据时间信息精确定位老化最严重点的位置。本发明利用超声波信号的实时小波分析方法，分析电缆主绝缘内侧的回波信号，相比于声速分析法，穿过整个主绝缘的回波信号，不仅携带了电缆主绝缘的整体信息，也携带了主绝缘内表面老化最严重处的信息，可同时检测整体老化状态和局部老化状态。因此本发明中的方法，相比于声速法，更能全面准确反映电缆的老化状态，具有更高的可靠性；并且由于小波分析法携带了时间信息，故而可用于实时检测。

本发明所述的装置使用时，使装置以一定的速度顺沿电缆移动，从而可以得到沿电缆长度方向的不同位置处的最大振幅值和平均振幅值，可用于现场实时连续检测一整条电缆的局部与整体老化程度，并根据时间信息精确定位老化最严重点的位置。

进一步的，通过设置比较模块和指示模块，不但可以现场实时连续检测整条电缆的老化状态，而且装置还能判断并指示不同位置的老化状态，便于工作人员快速找到严重老化点。

附图说明

图1为主绝缘内表面回波信号的尺度(频率)-时间-幅值关系图。

图2为不同尺度下90℃等效运行年限与最大振幅值关系图。

图3为不同尺度下90℃等效运行年限与平均振幅值关系图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明通过发射脉冲超声波并接收从电力电缆主绝缘内表面反射回来的回波信号，利用软件在时频域上对回波信号进行小波分析，得到不同尺度(频率)下时间与振幅趋势图，绘制电缆主绝缘内表面回波信号在不同尺度下最大振幅和平均振幅与电缆90℃下等效运行年限的关系曲线。然后通过现场采集电缆主绝缘内表面回波信号，对回波信号进行分析并得到不同尺度下的最大振幅和平均振幅数值，通过与绘制的关系曲线对比，判断电缆的运行状态并评估电缆的老化状态。

本发明方法的具体实施步骤如下：

步骤1，选取某厂家某型号的新电缆，切割机加工为30cm的电缆段，用无水乙醇擦拭清洗，之后置于烘箱中70℃干燥5h；

步骤2，根据温度每升高8℃，绝缘材料寿命减少一半的规律设置加速老化温度并进行加速老化实验，设置周期间隔，并设置多个老化周期，其中老化烘箱采用符合GB/T11026.4-2012规定的单室烘箱；

步骤3，每加速老化一个周期取一次样，待样品自然冷却至室温后，立刻用1-2.5MHz超声探头置于电缆表面发射脉冲波并接收回波信号，根据电缆结构中的层数，确定出回波信号中的电缆主绝缘内表面回波信号，并在接收到的回波信号中截取得到电缆主绝缘内表面回波信号，每周期样品测试不低于5个位于样品不同位置的回波信号，测试完成后，将试样继续放回烘箱中老化，以便进行下个周期实验；

步骤4，步骤3中测得的电缆主绝缘内表面回波信号进行加零处理；

步骤5，对步骤4中加零处理获得的数据进行小波变换；本发明以origin软件的小波分析法为例，进入origin界面选择Analysis-Signal processing-Wavelet-ContinuousWavelet，在跳出来的选框中，Discrete Signal选择回波时幅中的振幅值，Scale选择尺度为1,5,10,50,100,200,500，Wavelet Type选择Morlet小波，拟合出来的数据选择Stack堆叠呈现，如图1所示。(关于尺度与频率关系的理解：小波分析中的尺度类似地图上的标尺，尺度高意味着没有细节，尺度低意味着可以看到更多细节。类似的，在频率中，低频即高尺度，对应信号的全景信息；高频即低尺度，则能给出更多更详细信息。根据图1，尺度从1到500依次增大，对应从相对高频信息到相对低频信息的分区分析，相较于傅里叶分析，小波分析可以精确反映时间、频率和振幅值关系，分辨率可变，可用于分析非平稳信号。)

步骤6，步骤5中小波变换之后获得的数据，保存不同尺度(频率)下时间与振幅值数据并绘制频-时-幅关系图，找出不同尺度(频率)下最大振幅值并计算平均振幅值，然后记录；得到不同尺度下不同老化时间与最大振幅值和平均振幅值的关系；

步骤7，通过加速老化温度和老化时间反推得到不同老化时间对应的90℃下等效运行年限，绘制不同尺度下90℃下等效运行年限与最大振幅值和平均振幅值的关系曲线；

步骤8，现场测试同一型号不同运行年限电缆回波信号，截取得到运行电缆主绝缘内表面回波信号，依照步骤4、步骤5和步骤6处理得出不同尺度下最大振幅值和平均振幅值，与不同尺度下90℃下等效运行年限与最大振幅值和平均振幅值的关系曲线对比，判断电缆主绝缘的90℃下等效运行年限，根据90℃下等效运行年限与实际运行年限对比，判断电缆的运行历史并评估电缆老化最严重处的状态和整体老化状态。

本发明的部分具体实施案例如下：

实施例1

对某型号的XLPE电缆进行186℃加速老化，根据公式T₁＝T+N*8，加速倍数为2^N倍，T为工作温度，T₁为加速老化温度，因此本实施例加速倍数为2¹²，每周期10.69h(等效于90℃下5年)，共设置老化5个周期，对未老化及老化后的试样进行测试。按照技术方案步骤4-6对电缆主绝缘内表面回波信号进行处理，得到不同老化时间下试样主绝缘内表面回波信号的尺度(频率)-时间-幅值关系图(图1)并分别记录不同周期试样主绝缘内表面回波信号频率响应最大振幅值和计算平均振幅值。建立186℃下老化时间与电缆主绝缘内表面回波信号频率响应最大振幅值和平均振幅值关系表如表1和表2所示。根据加速老化规律，反推得到90℃下等效运行年限，并绘制出不同尺度下90℃下等效运行年限与频率响应最大振幅值和平均振幅值关系曲线，如图2和图3所示(采用分段线性拟合)。

表1 186℃老化时间与尺度(频率)下频率响应最大幅值关系表

表2 186℃老化时间与尺度(频率)下频率响应平均幅值关系表

将现场实际运行的某型号电缆的测试及处理后的数据与图2和图3的曲线做对比，即可判断电缆的运行历史并评估电缆的局部老化状态和整体老化状态。

实施例2

按照技术方案中的相关步骤，对于某地已运行5年的某型号(与实施例1型号相同)XLPE电缆进行测试，记录其在1、5、10、50、100、200和500尺度下的频率响应最大振幅值分别为0.0046249、0.0242547、0.029273、0.0365282、0.0445753、1.7322649和2.1759119，平均振幅值分别为0.000675、0.003674、0.004461、0.007816、0.012951、0.419216和0.620941。与图2和图3对照，可以判断此电缆90℃下等效运行年限介于5-10年之间。按照图2、图3的分段线性拟合曲线计算，尺度为1时，其90℃下等效运行时间分别为10-5*(0.0046249-0.00456)/(0.00467-0.00456)＝7.05年，10-5*(0.000675-0.00064)/(0.0007-0.00064)＝7.083，同理得到其他尺度下，频率响应最大振幅值和平均振幅值分别为7.05和7.08。90℃下等效运行年限大于5年，说明此电缆在运行过程中存在长期受电-热-力联合作用，电缆长期过负荷运行其主绝缘整体老化状态比正常运行电缆更为严重，还存在个别较严重的老化点，因此，90℃下等效运行年限大于5年。此电缆实际使用寿命将低于90℃下设计的理论使用寿命，需注意局部老化点和整体老化状态，但考虑到使用年限较短，电缆可定期抽检。

实施例3

按照技术方案中的相关步骤，对于某地运行15年的某型号(与实施例1型号相同)XLPE电缆进行测试，记录其在1、5、10、50、100、200和500尺度下的最大振幅数值分别为0.004515、0.02396、0.028355、0.03427、0.039745、1.246295和1.58907，平均振幅值分别为0.00061、0.003145、0.004395、0.00664、0.0126、0.33586和0.44896，与图2和图3对照对照，可以判断此电缆90℃下等效运行年限介于10-15年之间。按照图2和图3对照的分段线性拟合曲线计算，尺度为1时，其90℃下等效运行年限分别为15-5*(0.004515-0.00447)/(0.00456-0.00447)＝12.5年，15-5*(0.00061-0.00058)/(0.00064-0.00058)＝12.5，同理得到其他尺度下，频率响应最大振幅值和平均振幅值为12.5。因此，90℃下的等效使用寿命小于实际使用寿命，局部老化情况与整体老化状况都比正常运行电缆好，说明此电缆运行状态良好。整体运行条件不变的情况下，此电缆实际使用寿命将超过90℃下的设计使用寿命。

实施例4

按照技术方案中的相关步骤，对于某地已运行16年的某型号(与实施例1型号相同)XLPE电缆进行测试，记录其在1、5、10、50、100、200和500尺度下的频率响应最大振幅值数值分别为0.004415、0.02357、0.027435、0.03366、0.037515、0.89064和1.081635，平均振幅值分别为0.000601、0.0031、0.004387、0.006603、0.012544、0.320552和0.431085，与图2和图3对照对照，根据最大振幅值判断尺度为1时，此电缆90℃等效运行年限介于15-20年之间，根据平均振幅值可判断尺度为1时，此电缆90℃等效运行年限介于10-15年之间。按照图2的分段线性拟合曲线计算，其90℃下等效运行年限为20-5*(0.004415-0.00436)/(0.00447-0.00436)＝17.5年，根据图3的分段线性拟合曲线计算，其90℃下等效运行年限15-5*(0.000601-0.00058)/(0.00064-0.00058)＝13.25年，同理得到其他尺度下，最大振幅值和平均振幅值分别为17.5年和13.25年。根据最大幅值得出使用寿命大于实际使用寿命，而根据平均幅值得出使用寿命小于实际使用寿命，说明此电缆整体老化状态良好，但存在个别严重老化点，需重点监测和关注。在整体运行条件不变的情况下，此电缆可能因为个别严重老化点的存在造成使用寿命年限缩短。

实施例5

按照技术方案中的相关步骤，对于某地已运行20年的某型号(与实施例1型号相同)XLPE电缆进行测试，记录其不同频率尺度下的最大振幅数值分别为0.004412、0.023554、0.027412、0.033654、0.037506、0.879432和1.069614，平均振幅值分别为0.000495、0.002331、0.004175、0.006297、0.011372、0.178884和0.253252。与图2对比，可判断此电缆90℃等效运行时间位于15-20年之间，与图3对比，可判断此电缆90℃等效运行时间位于20-25年之间。按照图1的分段线性拟合曲线计算，其90℃下等效运行年限为20-5*(0.004412-0.00436)/(0.00447-0.00436)＝17.64年，按照图2的分段线性拟合曲线计算，其90℃下等效运行年限为25-5*(0.000495-0.00048)/(0.00052-0.00048)＝23.125年，同理得到其他尺度下，最大振幅值和平均振幅值分别为17.64年和23.13年。根据最大幅值得出使用寿命小于实际使用寿命，而根据平均幅值得出使用寿命大于实际使用寿命，说明此电缆不存在个别严重老化点，但电缆整体性能比实际使用的差，整体老化状态需重点监测和关注。在整体运行条件不变的情况下，此电缆可能因为过多缺陷或者不很严重的老化点的存在，量变造成质变，最终使得使用寿命年限缩短。

实施例6

超声检测评价装置的对比模块中保存有实施例1中表1和表2的数据，待测运行电缆的运行年限为22年，因此，超声检测评价装置的指示模块进行如下的设置：当采集信号中各尺度下最大振幅值低于表1中90℃下等效运行年限为25年的相应值即0.00338、0.01407、0.01575、0.01713、0.02885、0.43369和0.47447，采集信号中各尺度平均振幅值低于表2中90℃下等效运行年限为25年的相应值即0.00048、0.00204、0.00411、0.00627、0.01110、0.16716和0.21977时，装置闪红灯并报警；同理，采集信号中各尺度最大振幅值低于表1中90℃下等效运行年限为20年而高于90℃下等效运行年限为25年、平均振幅值低于90℃下等效运行年限为20年而高于90℃下等效运行年限为25年时，装置闪黄灯；采集信号中各尺度最大振幅值低于表1中90℃下等效运行年限为15年而高于90℃下等效运行年限为20年、平均振幅值低于90℃下等效运行年限为15年而高于90℃下等效运行年限为20年时，装置闪绿灯；采集信号中各尺度最大振幅值低于表1中90℃下等效运行年限为10年而高于90℃下等效运行年限为15年、平均幅振幅低于90℃下等效运行年限为10年而高于90℃下等效运行年限为15年时，装置闪蓝灯；采集信号中各尺度最大幅值低于表1中90℃下等效运行年限为5年而高于90℃下等效运行年限为10年、平均振幅值低于90℃下等效运行年限为5年而高于90℃下等效运行年限为10年时，装置闪紫灯；采集信号中各尺度最大振幅值低于表1中90℃下等效运行年限为0年而高于90℃下等效运行年限为5年、平均振幅值低于90℃下等效运行年限为0年而高于90℃下等效运行年限为5年时，装置闪白灯；按照技术方案中的相关步骤，对运行22年的某型号电缆进行整根电缆测试，手持超声检测评价装置以1m/s的速度顺沿电缆移动，超声波发射频率10⁴/s，采样率10⁹/s。在5.8s前，装置最大振幅值和平均振幅值对应灯一直为黄色，在5.8s时，最大振幅值对应灯转变为红色并发出警报，表明此时间点对应的电缆部分存在严重老化点，在此后电缆运行中应格外注意定期监测，一但发现严重危险电网安全运行时，应及时更换。指示灯颜色及设置间隔密度可根据实际需要更改，以便更加精确检测。

本实验室此前还做过基于傅里叶分析法的电缆状态评估，由于傅里叶变换的精确度取决于信号时长以及选取的窗口宽度，相对低频的谐波分量的幅值容易失真，更适合于单独研究电缆老化最严重处的状态；且其难以兼顾频率分辨率和时间分辨率，而小波分析法可同时兼顾。因此相比起来小波分析法更适合用于同时评估整体与局部老化状态，也更适合应用于实时检测。

本发明相比于声速法和傅里叶分析最大幅值法，本发明方法优势之一在于可以同时评估老化最严重处的状态和整体老化状态；优势之二在于时间分辨率和频率分辨率更高，测试更精准；优势之三在于同时提供了更加精准的时间-频率-幅值三种信息，有利于现场实时检测。