用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法、系统及装置与流程

1.本发明涉及电力电缆附件结构及性能传感与量测技术领域，具体涉及一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法、系统及装置。


背景技术：

2.在高压（hv）电缆系统中，电缆接头起到将各段电缆连接为一个整体的作用，硅橡胶因其摩擦系数高、耐压强度大和绝缘性良好等特点而通常被选为制作电缆附件的材料。一般采用过盈配合的方式为电缆本体与附件（如硅橡胶材料）的接触界面提供压力。电缆本体与电缆附件间的界面压力是保证电缆附件安全运行的关键。目前电缆与附件界面压力的测量方法包括内置传感器法、电阻应变测量法、光弹性法、有限元分析法。
3.由于高压电缆附件的复杂性、难测量性，现有方法尚存在许多不足之处，内置压力传感器与被测对象融合安装受限，一定程度改变了电缆本体与附件之间界面绝缘特性；电阻应变片测量法适用于实验室内电缆本体与附件界面压力的研究试验，无法用于工程现场；光弹性法面向被测对象非真型电缆及附件，采用光弹材料根据相似定律制备测试模型；有限元分析法只限于被测对象几何模型软件仿真，理论计算值与真实值差异需试验验证。综上，目前电缆附件界面压力的测试技术有以下不足：检测方法为有损方法，对试品对象结构完整性有破坏；检测方法不适用于真型高压电缆附件；与检测试品真实测量误差较大。前述方法的开展依赖于实验环境，不能运用于现场安装测试。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法，包括：获取高压电缆接头多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号；根据所述反射波信号周期，对所述反射波信号进行快速傅里叶变换，获得反射波信号的基波幅值和二次谐波幅值；根据所述基波幅值和二次谐波幅值，确定非线性特征参量；根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力的关联映射关系，确定所述高压电缆接头接触界面压力。
5.进一步的，获取高压电缆接头多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号，包括：根据高压电缆接头两侧尾端内部应力锥的场强控制元件的轴向长度，在高压电缆接头外表面设置多个检测点位；每个检测点位对应固定超声探头；通过所述超声探头，接收每个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号。
6.进一步的，所述高压电缆接头外表面设置多个检测点位，具体为5个，其中，第一点位，位于应力锥的端部在高压电缆接头外表面的正交投影点；
第二点位，位于应力锥的根部在高压电缆接头外表面的正交投影点；第三点位，位于中间接头的绝缘部分，在高压电缆接头外表面的正交投影点；第四点位，位于高压屏蔽管端部，在高压电缆接头外表面的正交投影点；第五点位，位于高压屏蔽管与导体压接管压接的部分在高压电缆接头外表面的正交投影点。
7.进一步的，在根据所述反射波信号的周期，对所述反射波信号进行快速傅里叶变换的步骤之前，包括：通过频域振幅叠加或时变平滑滤波，依次处理多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号，消除所述反射波信号的噪声。
8.进一步的，根据所述基波幅值和二次谐波幅值，确定非线性特征参量，包括：根据所述二次谐波幅值与基波幅值的平方的比值，确定非线性特征参量，具体公式为：。
9.进一步的，根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力的关联映射关系，确定所述高压电缆接头接触界面压力，包括：根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力x的关联映射关系，获得所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力x的拟合数学表达式：β=f(x)=-1.29e-4 x3 -7.539e-5
x2 2.063e-4
x1 0.01333通过非线性回归计算，得出所述高压电缆接头接触界面压力x的数值。
10.本发明同时提供一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试系统，包括：高压电缆接头（1），超声波探头（2），超声波信号输入与输出同轴缆（3），超声波信号接收与发送双工器（4），接收端信号输出同轴缆（5），接收端信号滤波器（6），接收端信号滤波器输出同轴缆（7），纵向超声波反射波采集处理单元（8），发送端信号输出同轴缆（9），发送端信号滤波器（10），发送端信号滤波器输入同轴缆（11），发送端信号放大器（12），发送端信号放大器输入同轴缆（13），纵向超声波激励单元（14）；高压电缆接头（1）与超声波探头（2）相连接，接受来自超声波探头（2）注入的一维纵向超声波信号，并产生对应反射波信号；超声波探头（2）通过超声波信号输入与输出同轴缆（3）与超声波信号接收与发送双工器（4）相连接，接受来自超声波信号接收与发送双工器（4）输出的第一预设频率的一维纵向超声波的入射波信号，或者向超声波信号接收与发送双工器（4）输入一维纵向超声波的反射波信号；超声波信号接收与发送双工器（4）通过接收端信号输出同轴缆（5）与接收端信号滤波器（6）相连接，接收端信号滤波器（6）滤除回波信号中高于第二预设频率的信号分量，并经接收端信号滤波器输出同轴缆（7）向纵向超声波反射波采集处理单元（8）输出一维纵向超声波的反射波信号；发送端信号滤波器（10）经发送端信号滤波器输入同轴缆（11）与发送端信号放大器（12）相连接，发送端信号放大器（12）通过发送端信号放大器输入同轴缆（13）与纵向超声波激励单元（14）相连接，接受来自纵向超声波激励单（14）元输出的第一预设频率的一维纵
向超声波信号。
11.进一步的，超声波信号接收与发送双工器（4）还通过发送端信号输出同轴缆（9）与-发送端信号滤波器（10）相连接，接受来自-发送端信号滤波器（10）输出的频率为第一预设频率的一维纵向超声波信号；发送端信号滤波器（10）用以阻止由信号源和功率放大器所产生的干扰噪声以及高于第一预设频率的信号进入发送端信号放大器（12）。
12.进一步的，所述第一预设频率具体为1.5mhz，第二预设频率具体为2.25mhz。
13.本发明同时提供一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试装置，包括：反射波信号获取单元，用于获取高压电缆接头多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号；基波幅值和二次谐波幅值获取单元，用于根据所述反射波信号周期，对所述反射波信号进行快速傅里叶变换，获得反射波信号的基波幅值和二次谐波幅值；非线性特征参量确定单元，用于根据所述基波幅值和二次谐波幅值，确定非线性特征参量；接触界面压力确定单元，用于根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力的关联映射关系，确定所述高压电缆接头接触界面压力。
14.本发明同时提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的方法的步骤。
15.本发明提供的一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法、系统及装置，通过获取高压电缆接头多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号；根据所述反射波信号周期，对所述反射波信号进行快速傅里叶变换，获得反射波信号的基波幅值和二次谐波幅值；根据所述基波幅值和二次谐波幅值，确定非线性特征参量；根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力的关联映射关系，确定所述高压电缆接头接触界面压力，对试品结构没有破坏，适用于真型高压电缆附件，并可运用于现场安装测试，解决现有技术对试品对象结构完整性有破坏；检测方法不适用于真型高压电缆附件；与检测试品真实测量误差较大，不能运用于现场安装测试等的技术问题。
附图说明
16.图1是本发明实施例提供的一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法的流程示意图；图2是本发明实施例涉及的110（66）kv及以上预制式交联电缆接头接触界面压力测试架构图；图3是本发明实施例涉及的110（66）kv及以上预制式交联电缆接头与电缆本体界面轴向上的5个检测点位设置示意图；检测点位1-应力锥的端部，检测点位2-应力锥的根部，检测点位3-中间接头的绝缘部分，检测点位4-高压屏蔽管端部，检测点位5-高压屏蔽管与半导电带压接的部分；图4是本发明实施例涉及的110（66）kv及以上预制式交联电缆接头接触界面压力二次计算流程图。
具体实施方式
17.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
18.下面结合图1提供的一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法的流程示意图，结合图1对发明提供的方法进行详细说明。
19.在本发明中涉及的高压电缆接头具体指的是1-110（66）kv及以上预制式交联电缆接头。本发明提出的基于纵向超声波非线性效应的预制式高压交联电缆接头的弹塑性承压接触界面压力无损测试方法及系统，突破现有内置传感器、电阻应变测量、光弹性、有限元分析等方法存在的痛点及制约，解决业界无损、直接、可多场景应用的附件界面压力量测方法缺失难题。
20.本发明所提出的方法及系统典型应用场景包括：工程电气施工环节110（66）kv及以上电压等级交联电缆附件制作安装关键环节工序缺陷检测及质量把关、设备运维环节在运线路35kv交联电缆附件附件界面应力松弛现场探查、110（66）kv及以上电压等级交联电缆附件制作安装技能培训环节附件制作关键工艺质量评价，解决当前检测并评价高压电缆附件安装关键环节质量仍采用人工经验视查结合安装尺寸校核方式检验，存在工艺缺陷现场检测效率不高、制作质量评价标准化和一致性程度较低等突出问题，大幅优化附件制作安装关键环节工序缺陷检测及质量评价的经济性及执行效率，支撑电力电缆系统本质安全水平进一步提升。具体步骤如下：实施例一步骤s101，获取高压电缆接头多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号。
21.根据具体型号的预制式高压电缆接头结构尺寸图，确定其两侧尾端内部应力锥场强控制元件的轴向长度，超声探头对应布置在预制橡胶应力锥轴向长度覆盖的附件外表面区域。沿着预制式高压电缆接头两侧尾端内部应力锥场强控制元件的轴向长度，在高压电缆接头外表面设置多个检测点位，优选的，可设置5个测试点位，如图3所示，第一点位，位于应力锥的端部在高压电缆接头外表面的正交投影点；第二点位，位于应力锥的根部在高压电缆接头外表面的正交投影点；第三点位，位于中间接头的绝缘部分，在高压电缆接头外表面的正交投影点；第四点位，位于高压屏蔽管端部，在高压电缆接头外表面的正交投影点；第五点位，位于高压屏蔽管与导体压接管压接的部分在在高压电缆接头外表面的正交投影点。
22.每个检测点位对应固定超声探头，每个测试点具体采用1只超声探头通过表面涂抹适量超声耦合剂后，依次固定在每个检测点位上，超声探头应具备双工模式，能自发自收超声波信号。
23.每个点位上，超声探头垂直预制式高压电缆接头两侧尾端内部应力锥场强控制元件的轴向长度方向，向电缆接头内发送第一预设频率的一维纵向超声波信号；第一预设频率为1.5mhz。
24.通过超声探头依次在5个点位接收一维纵向超声波的反射波信号，通过纵向超声波反射波采集处理单元保存、汇聚数字化信号数据。
25.步骤s102，根据所述反射波信号周期，对所述反射波信号进行快速傅里叶变换，获
得反射波信号的基波幅值和二次谐波幅值。
26.通过频域振幅叠加或时变平滑滤波，依次处理多个检测点位的一维纵向超声波的反射波信号，消除所述反射波信号的噪声。具体在纵向超声波反射波采集处理单元里，采用频域振幅叠加或时变平滑滤波方法依次处理5个点位接收一维纵向超声波的反射波信号数据，进一步消除源测试回路中随机噪声，以提高信噪比。
27.步骤s103，根据所述基波幅值和二次谐波幅值，确定非线性特征参量。
28.基于反射波信号的回波时间、幅值，首先经傅里叶变换得到来自接触界面反射的纵向超声波信号的基波幅值、高次谐波幅值2个特征参数；其次，根据所述二次谐波幅值与基波幅值的平方的比值，确定非线性特征参量，具体公式为： 。
29.步骤s104，根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力的关联映射关系，确定所述压电缆接头接触界面压力。
30.根据所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力x的关联映射关系，获得所述非线性特征参量与高压电缆接头接触界面压力x的拟合数学表达式：β=f(x)=-1.29e-4 x3 -7.539e-5
x2 2.063e-4
x1 0.01333通过非线性回归计算，得出所述压电缆接头接触界面压力x的数值。
31.实施例二基于同一发明构思，本发明提供一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试系统，其结构图如图2所示，包括：高压电缆接头（1），超声波探头（2），超声波信号输入与输出同轴缆（3），超声波信号接收与发送双工器（4），接收端信号输出同轴缆（5），接收端信号滤波器（6），接收端信号滤波器输出同轴缆（7），纵向超声波反射波采集处理单元（8），发送端信号输出同轴缆（9），发送端信号滤波器（10），发送端信号滤波器输入同轴缆（11），发送端信号放大器（12），发送端信号放大器输入同轴缆（13），纵向超声波激励单元（14）；高压电缆接头（1）与超声波探头（2）相连接，接受来自超声波探头（2）注入的一维纵向超声波信号，并产生对应反射波信号；超声波探头（2）通过超声波信号输入与输出同轴缆（3）与超声波信号接收与发送双工器（4）相连接，接受来自超声波信号接收与发送双工器（4）输出的第一预设频率的一维纵向超声波的入射波信号，或者向超声波信号接收与发送双工器（4）输入一维纵向超声波的反射波信号；超声波信号接收与发送双工器（4）通过接收端信号输出同轴缆（5）与接收端信号滤波器（6）相连接，接收端信号滤波器（6）滤除回波信号中高于第二预设频率的信号分量，并经接收端信号滤波器输出同轴缆（7）向纵向超声波反射波采集处理单元（8）输出一维纵向超声波的反射波信号；发送端信号滤波器（10）经发送端信号滤波器输入同轴缆（11）与发送端信号放大器（12）相连接，发送端信号放大器（12）通过发送端信号放大器输入同轴缆（13）与纵向超声波激励单元（14）相连接，接受来自纵向超声波激励单（14）元输出的第一预设频率的一维纵向超声波信号。
32.进一步的，超声波信号接收与发送双工器（4）还通过发送端信号输出同轴缆（9）与-发送端信号滤波器（10）相连接，接受来自-发送端信号滤波器（10）输出的频率为第一预设频率的一维纵向超声波信号；发送端信号滤波器（10）用以阻止由信号源和功率放大器所产生的干扰噪声以及高于第一预设频率的信号进入发送端信号放大器（12）。
33.进一步的，所述第一预设频率具体为1.5mhz，第二预设频率具体为2.25mhz。
34.实施例三一个检测点位下接触界面压力二次计算的具体实施过程如图4所示，包括如下步骤：：步骤1：通过纵向超声波反射波采集处理单元依次按照基频1.5mhz的周期进行采样、保存、汇聚5个检测点位的一维纵向超声波的反射波数字化信号数据；步骤2：采用频域振幅叠加对一维纵向超声波的反射波数字化信号时间序列数据，按照每个信号周期进行快速傅里叶变换，得到每个周期的频谱：式中：m是叠加的频谱个数，n是时间序列长度，x(n)是所述步骤1中得到的时间信号，ak为周期信号的傅里叶级数，wn是矩阵系数，a(σ)是叠加后的频谱；根据数据长度选择叠加2倍或4倍的频谱，用叠加后的频谱代替原频谱；步骤3：小波去噪选择db3小波对时域波形进行5层分解；将5层细节信号进行fft变换得到频域细节信号图谱，所关注的二次谐波信号主要集中在第3层；步骤4：基波幅值、二次谐波幅值在所述步骤3中不同压力下界面回波的第3层细节信号频域图谱中获得；步骤5：β为非线性特征参量，由所述步骤4中得到的二次谐波幅值与基波幅值平方的比值得到；步骤6：根据所述步骤5中计算得到的β值，进行对应压力值下的多项式拟合，典型拟合数学表达式β=f(x)=-1.29e-4
x3 -7.539e-5
x2 2.063e-4
x1 0.01333，其中x为接触界面压力值，f(x)为非线性特征参量β值；步骤7：根据所述步骤6得到的拟合表达数学关系式，通过非线性回归即可计算得出接触界面压力x的具体数值。
35.本发明提供的一种用于高压电缆接头接触界面的压力测试方法及系统，对试品结构没有破坏，适用于真型高压电缆附件，并可运用于现场安装测试，解决现有技术对试品对象结构完整性有破坏；检测方法不适用于真型高压电缆附件；与检测试品真实测量误差较大，不能运用于现场安装测试等的技术问题。
36.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实
施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
37.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
38.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
39.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
40.最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。