Page 105 - 《应用声学》2020年第4期

第 39 卷 第 4 期 倪辉等： 10 kV 交联聚乙烯电缆中超声波传播规律 591

仅限于幅值大小变化的研究，缺乏幅值衰减和传播
1 电缆中超声波的衰减问题
过程之间影响机制的研究，也就不能完全掌握幅值
图1 是所研究的某型号 10 kV XLPE 电缆的本 衰减所包含的所有信息，研究结果难以对工程实际
体结构示意图，由铜导线和多层介质组成，各层材料 有指导意义。
的相关参数如表 1 所示 [21] 。当绝缘中存在气泡、杂
质颗粒或者绝缘内外表面有半导电层突起的尖刺 1
时，局放易从这些绝缘的薄弱处发生，随之而生的超 2
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声波信号也会从这些位置开始向电缆的各处传播。 4
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在无限大均匀介质中，波的传播模态比较单一， 6
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只有横波和纵波这两种波。但当波与边界相互作用
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时，就会产生新的类型的波。这类波一部分被视作
入射波的反射波，另一部分是与边界相关的完全新
的类型的波 (如瑞利波或表面波等)，具有多模态特
1. ܱઐݓ; 2. ᨂᨻ; 3. Яઐݓ; 4. ᨷࡖᘉ; 5. ܱӧ࠮ႃࡏ;
性和频散特性，波的传播就变得复杂。目前只有关 6. XLPE; 7. Яӧ࠮ႃࡏ; 8. ᨷᔇ; 9. ࠹҈; 10. ඡจ֗ా᠏
于一些简单的有界结构 (如杆、梁、薄板、薄膜等) 中 图 1 某型号 10 kV XLPE 电缆截面和绝缘缺陷示
波传播的比较成熟的结论，对于具有复杂边界结构 意图
的电力电缆中波的传播的研究还不成熟，所以局放 Fig. 1 Map of a 10 kV XLPE cable section and
超声在电缆中的传播过程不清楚，对其衰减的研究 defection

表 1 10 kV XLPE 电缆各层媒质声学参数
Table 1 Acoustic parameters of each layer structure of 10 kV XLPE cable
结构 厚度/mm 密度/(kg·m −3 ) 速度/(km·s −1 ) 杨氏模量/GPa 泊松比 声阻抗/(10 N·s·m −3 )
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铜芯 R8.4 8960 5.1 110 0.35 45.6
XLPE 绝缘 5 930 1.9 0.13 0.32 1.77
内/外半导电层 1 1150 2 0.11 0.33 2.3
铜屏蔽 0.2 8960 5.1 110 0.35 45.6
内护套 2 2230 2.4 0.00195 0.45 5.35
钢铠 0.2 7930 5.8 195 0.247 46
外护套 3 2230 2.4 0.00195 0.45 5.35
根据声学知识可知，在某一媒质中插入某一厚
2 电缆中超声波幅值衰减规律仿真分析 度的中间层时，声波从中间层的一侧透射到另一侧
时的反射波和透射波的大小，不仅与两种媒质的特
2.1 仿真模型
性阻抗有关，还与中间层的厚度有关。当中间层的
利用 COMSOL 有限元仿真软件按照表 1 所示
厚度和声波波长相比很小时，声波可以完全透过，中
的10 kV XLPE电缆本体结构参数构建三维仿真模
间层可以忽略。钢铠和铜屏蔽均只有0.2 mm，本仿
型并模拟局放脉冲声源声压场，仿真计算超声波传
真中设置的声源3 dB频带是2.72 kHz ∼ 40.82 kHz
播过程。用高斯脉冲波形体积流率模拟电缆局放频
(见图 2(b))，按照电缆材料最小声速 1900 m/s 计算
带声源，表达式如下：
(见表 1)，电缆中的声波波长均大于 46.55 mm，是钢
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Q s = A · exp[−π · f · (t − t p ) ], (1) 铠和铜屏蔽厚度的至少 233 倍，故可以近似认为钢
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其中，Q s 是体积流率，单位 m /s；A 是体积流率 铠和铜屏蔽可以被声波完全透过。基于以上理论，
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初值，A = 1 m /s；脉冲峰值时间 t p = 10 µs； 为了简化仿真模型，提高计算效率，在建立模型时忽
f 0 = 50 kHz，其波形及频谱图如图 2 所示 (后文实 略了钢铠层和铜屏蔽层，但同时为了保持电缆外尺
验中声源波形和仿真一致)。 寸不变，这两层均用临近的护套材料代替，仿真模