- 頭條太赫茲時域光譜技術：交聯聚乙烯電纜絕緣缺陷檢測的新方法2021-08-10 作者：謝聲益 楊帆 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隱藏氣隙缺陷會嚴重影響交聯聚乙烯（XLPE）電纜的絕緣性能，造成安全隱患。輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員提出一種基于太赫茲時域光譜技術（THz-TDS）的XLPE無損檢測新方法。基于THz-TDS系統對XLPE隱藏氣隙缺陷無損檢測的新方法，可為電纜絕緣缺陷的無損檢測提供一種新的思路，且可應用于其他電氣設備檢測中。
交聯聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）電纜具有易于敷設、維護簡便、絕緣性能優良、傳輸容量大等優勢，因而被廣泛地應用于城市電網系統當中。
交聯聚乙烯電纜雖然擁有優越的電氣特性，但由于各廠家制造工藝與技術水平參差不齊，在XLPE電纜成品中難免會出現氣隙、含雜的缺陷，容易造成電纜絕緣層內部出現電場應力集中，從而嚴重影響交聯聚乙烯電力電纜的絕緣性能，形成放電微通道，極易引發電力電纜絕緣層擊穿現象甚至導致爆炸等事故的發生。
因此對XLPE電纜出廠質量嚴格把關，對絕緣層缺陷準確檢測定位有利于及時發現安全隱患，為供電可靠性提供保障。
目前對于電纜絕緣層的檢測方法主要有交流耐壓試驗、介質損耗角法、局部放電檢測法等，但是這些傳統方法在檢測時普遍需要高電壓、強電流的實驗環境，不僅在操作上較為復雜繁瑣，對安全的要求更高，而且無法對氣隙尺寸、形狀等信息進行檢測。
太赫茲時域光譜（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）技術作為一種新型的檢測技術，利用太赫茲脈沖電磁波來反映物質性質，已被廣泛應用于多個領域。太赫茲波介于微波和紅外之間，對非導電介質材料有著較高的穿透性，利用這一特點可以方便地對介電材料中的雜質、空隙等缺陷進行探測。
D. Zimdars和J. A. Valdmanis等在2005年對航天絕緣泡沫進行了太赫茲無損檢測，并取得了較好的成像效果；成立等利用太赫茲時域光譜技術成功地檢測出了復合絕緣子中的脫粘缺陷；
N. Nishimura、K. Geunju以及S. Gorenflo等使用太赫茲時域光譜儀對絕緣油進行質量檢測，分析了絕緣油中的氧化問題，并確定了油中的含水量。
太赫茲時域光譜檢測技術具有高分辨率、高靈敏度的特點，利用其光譜數據可以直接、便利地提取材料在太赫茲頻段下諸如折射率、介電常數等物理信息，進而對樣本的物化特性進行研究；另一方面，相較于X射線，THz波光子能量極低，僅有前者的百萬分之一，可以保障檢測人員的人身安全。
輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員，針對XLPE電纜中存在的隱藏氣隙缺陷問題，提出了一種新穎的基于太赫茲時域光譜技術的檢測方法。他們建立了含有氣隙缺陷的XLPE多層色散模型，設計了電纜樣品的THz檢測實驗，利用頻域和時域方法計算了XLPE的物理參數。
圖1 太赫茲時域光譜系統
圖2 太赫茲幅值成像和樣品實物
針對所研究的XLPE氣隙缺陷對象，THz光譜技術表現出了良好的檢測效果：
1）可以準確定位XLPE電纜當中的氣隙缺陷，并且能夠獲取氣隙缺陷的幾何形狀信息，其分辨率可以達到亞毫米量級。
2）能夠直接、便捷地提取XLPE的介電常數、折射率等物理量。
3）利用簡單的數據處理可以較為準確地計算出氣隙缺陷的尺寸信息，針對本研究對象其誤差僅為2.9%。
THz-TDS技術在XLPE氣隙缺陷探測當中有著出眾的靈敏度和分辨能力，并且若采用近場成像的方式可以進一步提升分辨率，能夠滿足微米量級的觀測需求。本研究為XLPE中隱藏氣隙的探測提供了新的思路，并且可以應用在其他電氣材料諸如氣隙、雜質等缺陷的檢測當中，用于電氣絕緣材料的無損檢測和狀態評估。
本文編自《電工技術學報》，原文標題為“基于太赫茲時域光譜技術的交聯聚乙烯電纜絕緣層氣隙檢測分析”，作者為謝聲益、楊帆、黃鑫、余曉、高兵。
