基于太赫兹时域光谱技术的电缆绝缘护套老化状态分析

池威威 刘海峰 李志雷 周莉梅 刘洋洋

(1.国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司,河北 雄安新区 071000;2.中国电力科学研究院,北京 100192)

0 引言

太赫兹波是介于0.1～10 THz的电磁辐射波,波长范围为0.03～3 mm,从频率上看其介于红外光学和微波毫米波之间,是宏观电子学向微观光子学的过渡波段,因此包含着丰富的物理特性和化学特性[12]。基于太赫兹波所处电磁波谱的位置,太赫兹波具有电绝缘介质材料穿透能力强、携带物质信息丰富、单光子能量低、抗干扰能力强、检测精度高等优势,在电力绝缘材料无损检测与材料老化表征方面具有较高的应用价值[3-5]。在航空航天领域,太赫兹波作为重要的检测手段应用于检测飞行器表面热障涂层的厚度均匀性、涂覆质量、内部缺陷等[6-9];在物质鉴别领域,太赫兹波主要用于鉴别不同种类的毒品、医药、炸药及农药残留等[10-12];在工业无损检测领域,太赫兹波主要用于不同样品的缺陷检测成像,对样品的内部分层及缺陷情况评估等[13-15]。

电力输送电缆常用的外表护套通常为硅橡胶、环氧树脂等绝缘材料。除了制造原材料性能差异与缺陷之外,绝缘护套在长期运行过程中容易受到风吹、雨淋、日晒、运行工况差等外界因素的影响,使外表层绝缘材料老化,进而引起电缆绝缘性能降低,严重时会产生电缆绝缘层操作、绝缘放电、对地导电等,最终导致电力电缆故障,引发供电线路短路,甚至造成大面积停电等事件[16-17]。常规电力电缆绝缘的无损检测方法主要有超声波、X 射线、红外、紫外、反射谱测量、交流耐压、局部放电、等温松弛电流等[1822],这些检测技术由于材料衰减、信号干涉等问题难以表征绝缘护套的老化程度以及内部的微小缺陷,因此无法实现电力设施绝缘护套故障的早期诊断与提前预警。而太赫兹时域光谱技术所处波段的位置使得该技术在绝缘材料检测中具有独特的优势。太赫兹波在绝缘介质材料中不仅具有衰减小、准直性强、穿透性好等优点,而且在成像可视化方面具有较高的分辨率。太赫兹时域脉冲信号携带大量的待测绝缘材料衰减信息,能够有效表征材料的老化特性,在电力电缆外表绝缘护套老化程度判定方面具有很好的应用潜力与价值。

为了获得电缆绝缘材料的老化特性,本文利用太赫兹技术对电缆的绝缘硅橡胶护套材料进行透射谱检测,通过快速傅里叶变换得到待测电缆样品橡胶护套样品的太赫兹频域信息,分析获得待检绝缘材料的吸收特性。通过建立老化程度与吸收系数的关系,实现绝缘材料老化程度的在线检测,以达到快速检测电力电缆绝缘材料老化状态的目的。

1 绝缘材料太赫兹光学参数测量理论

1.1 太赫兹波时域脉冲传播理论

根据菲涅尔光学发射定律,太赫兹波在空气-绝缘材料交界面、绝缘材料-空气交界面2种不同介质交界面传播时,由于介质折射率的不同从而产生了折射与反射现象。一般来说在利用太赫兹波进行检测时,太赫兹波需垂直或呈一定的角度入射绝缘材料,太赫兹波在平面绝缘材料介质中的传播路径如图1所示。

图1 太赫兹波在材料内部传输模型

在图1中,Eri i(=1,2,3,…,n) 为多次反射产生的反射波,Eti i(=1,2,3,…,n) 为多次反射波对应产生的透射波,当太赫兹时域光谱系统探测端探测反射或透射波时,由于Fabry-Perto 效应,接收端会接收到多次反射回波,因为各回波信号之间存在时延差,那么对于厚度为d的绝缘介质,相邻2个反射回波之间的时延差为2d/v,其中,v表示太赫兹波在待测绝缘介质内的传播速度,由于不同材料之间的折射率不同,太赫兹波在不同介质中的传播速度不同,因此在时域波形中反映为2个反射峰之间不同的时域长度。当绝缘材料的折射率n确定时,则太赫兹波在该绝缘介质内的传播速度确定为v=c/n,其中,c为真空中的光速。相邻2个反射峰或透射峰之间的时延为Δt=2nd/c。

1.2 绝缘材料太赫兹光学参数测量理论

一般情况下,在对绝缘材料进行太赫兹检测时,太赫兹波呈一定的角度入射被测物品,太赫兹波在平面绝缘材料介质中的传播途径如图2所示。

图2 太赫兹波在材料内部传播示意

绝缘材料的光学参数主要是指折射率和吸收系数等用来表征光学性质的物理量,同时这些参数又是其他研究工作的基础。根据太赫兹时域光谱信号的材料光学参数计算原理和方法,可知复折射率为-jk(ω),其中n(ω)为实折射率,用来表示被测绝缘材料样品的色散性质,k(ω)为消光系数,根据k(ω)可以简单计算出吸收系数α(ω)=2ωκ(ω)/c,表示被测样品的吸收性质。在对被测物品进行太赫兹时域光谱测量实验时,首先分别获得太赫兹波穿过空气或参考样品时的太赫兹时域脉冲波形Eref(t)和通过被测样品时的太赫兹时域脉冲波形Esam(t);然后将参考信号与测量信号分别通过傅里叶变换到频域,得到它们的频谱Eref(ω)和Esam(ω),最后根据Eref(ω)和Esam(ω)计算出被测样品的折射率和吸收系数等光学参数。

光学参数(如折射率、吸收率)是表征材料光学性质的宏观物理量,同时也间接反映了材料微观特性,太赫兹时域光谱技术能够直接获得太赫兹波电磁场的振幅和相位信息,因此可以直接获取材料在透射和反射2种模式下的光学参数,在实际应用中,可以根据具体情况选择合适的提取方式。

利用太赫兹时域光谱技术获得了绝缘材料在透射模式下的光学参数,并对其老化程度进行了表征,分别获得待测样品的折射率、消光系数和吸收系数

式中:c为真空中光速;ω为角频率;d为样品厚度。

结合太赫兹激光探测理论,通过以上推导过程利用太赫兹激光脉冲量测量电场振幅和相位的方法,能够有效获得待测样品的折射率、吸收系数、消光系数等光学参数。

2 电缆绝缘护套材料老化测试

电缆绝缘护套材料的老化因素主要包括外界环境和温度、长期超负荷运行、绝缘受潮、化学腐蚀、电缆接头故障等。

环境和温度影响。电缆所处的外界环境和热源会造成电缆温度过高、绝缘击穿,甚至爆炸起火,一般发生在直埋或排管里的电缆及接头处,电缆长期运行过程中的发热现象会造成电缆表面绝缘材料的老化最终导致电缆故障。

长期超负荷运行影响。由于电流的热效应,负载电流通过电缆时必然导致导体发热,同时电荷的集肤效应以及钢铠的涡流损耗、绝缘介质损耗也会产生附加热量,从而使电缆温度升高。长期超负荷运行时,过高的温度会加速绝缘老化,以至绝缘被击穿。尤其在炎热的夏季,电缆的温升常常导致电缆绝缘薄弱处首先被击穿,因此在夏季电缆的故障也比较多。

以上2种电缆老化主要为温度因素作用,因此模拟电缆老化特性的重要研究对象为模拟电缆在高温下的老化,利用太赫兹时域光谱技术对老化特性进行研究。

2.1 试验系统装置

试验采用透射式光纤太赫兹时域光谱系统,系统型号为QT-TS2000系列快速太赫兹时域光谱系统。系统内部飞秒光纤激光器能够稳定输出中心波长在1 550 nm±20 nm、脉冲重复频率为100 MHz的飞秒激光;光纤延迟线为基于音圈电机原理的快速光纤延迟线,其时域扫描长度为120 ps,扫描频率最高可达50 Hz;系统中的太赫兹光电导天线采用InGa As作为激发材料,在飞秒激光脉冲的激发作用下产生太赫兹波。

以上太赫兹时域光谱系统带宽可达4.5 THz,最高信噪比可达80 dB,可实现对样品单点进行光谱测量,并实现软件自动换算材料折射率与吸收系数等功能。实验样本取自雄安新区110 kV电力电缆绝缘护套材料,使用太赫兹时域光谱系统测量不同老化程度电力电缆绝缘护套材料的太赫兹时域光谱信息,试验装置及示意图如图3、图4所示。绝缘材料固定于TPX透镜聚焦光斑位置。

图3 太赫兹时域光谱系统试验装置

图4 光纤式太赫兹时域光谱系统原理示意

2.2 试样制备及老化

本试验研究采用的电力电缆绝缘护套材料取自即将服役于雄安新区110 kV 供电主干线实际使用的电力电缆,沿电力电缆方向剪切制备厚度为1.0 mm 的电缆绝缘护套材料样品,在样品制作过程中充分保证前后表面平行且厚度均匀,目的是减少太赫兹波在样本总传输过程中的损耗,增加测试准确性。将试验样品放入老化实验箱中,设定老化温度为100 ℃,分别进行0 d、2 d、4 d、8 d、16 d、24 d、32 d、48 d的老化[23],得到不同老化程度的电力电缆绝缘护套材料试验样品。

所制备的电力电缆绝缘护套材料试验样品厚度为1.0 mm,样品宽度为7.0 mm,样品长度根据现场制备情况分别为11.0～14.2 mm,图5所示为所制备样品照片。

图5 电力电缆绝缘材料待测样品

2.3 电力电缆绝缘护套样本测试结果

本试验使用太赫兹时域光谱系统对不同老化程度的电力电缆绝缘材料样品进行时域光谱测试,实验环境温度为20℃,湿度30%,将不同老化时间的待测样品置于探测光路的太赫兹聚焦光斑位置,样品放置表面垂直于太赫兹波入射方向(如图1所示),时域采集长度为120 ps。对每个待测样品进行待测区域内多点采样平均,确保测试结果的准确性。测试结果如图6所示,随着样品老化程度加剧,测试样品的时域信号延迟减小、信号幅度减小。

图6 不同老化时间样品时域测试信号

如图7所示,蓝色为参考信号,是指太赫兹时域光谱系统测试光路未放置样品情况下,太赫兹波透过空气环境采集得到的光谱;其余信号为不同老化程度样品置于探测光路聚焦点处测试所采集到的待测样品太赫兹光谱。通过光谱曲线可以看出,0.2～2.0 THz区间内,样本老化时间越长,频谱强度越小。

图7 不同老化程度样品的太赫兹透射谱

基于上述数据,通过进一步计算分析可以得到不同老化样品的吸收系数,从实验结果(如图8所示)可明显看出不同老化程度绝缘材料样品的吸收系数随着老化时间变长而呈现显著升高的现象,0.7 THz时最为明显。这是由于电缆绝缘材料在温度老化情况下材料特性发生变化,表现在太赫兹波段的吸收特性为老化时间越长吸收特性越明显,说明太赫兹时域光谱检测技术可用于电缆绝缘护套的老化特性研究,测量结果稳定可靠。

图8 不同老化程度样品的太赫兹吸收系数曲线

选取0.7 THz频率点测试结果中样品吸收系数与老化时间之间的对应关系进行数据关联。从图9可以看出,样品老化时间与吸收系数之间存在近似指数关系,随着样品老化时间的增加,样品的吸收系数变化斜率逐渐减小并趋于稳定,表明样品老化速度随着时间的增长逐渐减缓,经过长时间老化后趋于稳定且绝缘样品绝缘特性逐渐失效。同时,对0.7 THz频率点测试结果中样品太赫兹时域脉冲的延迟与老化时间之间的对应关系进行拟合得到式(4),拟合结果见图10。

图9 0.7 THz频率下样品吸收系数与老化时间对应曲线

图10 样本老化程度判断拟合结果

式中:y为电缆绝缘护套太赫兹时域脉冲透射延时量;x为老化时间(老化温度100 ℃)。通过以上拟合结果得知,当电缆绝缘护套老化时间加长时,电缆的老化速度变慢,电缆绝缘护套特性逐渐趋于平稳,绝缘性能降低,此时电缆需要进行维护与更换。基于太赫兹时域光谱信号时域测试结果,利用式(4)对服役中的电缆绝缘护套样品老化程度进行分析,即可实现对实际使用中电缆绝缘护套老化特性的科学评估。

综上所述,测量样品时域信号延迟特性与老化时间存在近似指数关系,本文选取太赫兹时域信号延迟时间与样品老化时间进行拟合,该拟合方程可作为判断电缆绝缘层老化程度的判定依据,数据处理简单,可靠性高。

3 结论

采用太赫兹时域光谱分析法研究了不同老化程度的电缆绝缘护套材料在0.1～2.0 THz下的太赫兹光谱特性,设计了样品透射测试试验,建立了该绝缘材料老化情况与太赫兹信号的关联关系,测试结果表明:在100 ℃温度下,电力电缆绝缘护套材料样品的吸收系数随老化时间的加长而不断上升;在100 ℃温度下,电力电缆绝缘护套材料样品的太赫兹波透射时延量随着老化时间呈指数下降,最终趋于稳定,表明电力电缆绝缘护套性能下降;太赫兹时域光谱分析技术能够有效表征电力电缆绝缘样品的老化特性,对不同程度的老化样品试验结果准确可靠。

THz-TDS技术在雄安新区110 kV 供电电缆外表绝缘材料老化检测中有着较高的灵敏度与分辨能力,结合现场工况可实现对样本在线实时无损检测。本文所探究的电力电缆外表绝缘材料太赫兹检测技术为电力电缆老化研究提供了新的思路,可应用于电力电缆绝缘老化现场无损检测与评估。