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|太赫兹时域光谱技术：交联聚乙烯电缆绝缘缺陷检测的新方法


隐藏气隙缺陷会严重影响交联聚乙烯（XLPE）电缆的绝缘性能 ， 造成安全隐患 。 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员提出一种基于太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）的XLPE无损检测新方法 。 基于THz-TDS系统对XLPE隐藏气隙缺陷无损检测的新方法 ， 可为电缆绝缘缺陷的无损检测提供一种新的思路 ， 且可应用于其他电气设备检测中 。
|太赫兹时域光谱技术：交联聚乙烯电缆绝缘缺陷检测的新方法
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【|太赫兹时域光谱技术：交联聚乙烯电缆绝缘缺陷检测的新方法】交联聚乙烯（Cross-Linked Polyethylene, XLPE）电缆具有易于敷设、维护简便、绝缘性能优良、传输容量大等优势 ， 因而被广泛地应用于城市电网系统当中 。
交联聚乙烯电缆虽然拥有优越的电气特性 ， 但由于各厂家制造工艺与技术水平参差不齐 ， 在XLPE电缆成品中难免会出现气隙、含杂的缺陷 ， 容易造成电缆绝缘层内部出现电场应力集中 ， 从而严重影响交联聚乙烯电力电缆的绝缘性能 ， 形成放电微通道 ， 极易引发电力电缆绝缘层击穿现象甚至导致爆炸等事故的发生 。
因此对XLPE电缆出厂质量严格把关 ， 对绝缘层缺陷准确检测定位有利于及时发现安全隐患 ， 为供电可靠性提供保障 。
目前对于电缆绝缘层的检测方法主要有交流耐压试验、介质损耗角法、局部放电检测法等 ， 但是这些传统方法在检测时普遍需要高电压、强电流的实验环境 ， 不仅在操作上较为复杂繁琐 ， 对安全的要求更高 ， 而且无法对气隙尺寸、形状等信息进行检测 。
太赫兹时域光谱（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）技术作为一种新型的检测技术 ， 利用太赫兹脉冲电磁波来反映物质性质 ， 已被广泛应用于多个领域 。 太赫兹波介于微波和红外之间 ， 对非导电介质材料有着较高的穿透性 ， 利用这一特点可以方便地对介电材料中的杂质、空隙等缺陷进行探测 。
D. Zimdars和J. A. Valdmanis等在2005年对航天绝缘泡沫进行了太赫兹无损检测 ， 并取得了较好的成像效果；成立等利用太赫兹时域光谱技术成功地检测出了复合绝缘子中的脱粘缺陷；
N. Nishimura、K. Geunju以及S. Gorenflo等使用太赫兹时域光谱仪对绝缘油进行质量检测 ， 分析了绝缘油中的氧化问题 ， 并确定了油中的含水量 。
太赫兹时域光谱检测技术具有高分辨率、高灵敏度的特点 ， 利用其光谱数据可以直接、便利地提取材料在太赫兹频段下诸如折射率、介电常数等物理信息 ， 进而对样本的物化特性进行研究；另一方面 ， 相较于X射线 ， THz波光子能量极低 ， 仅有前者的百万分之一 ， 可以保障检测人员的人身安全 。
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员 ， 针对XLPE电缆中存在的隐藏气隙缺陷问题 ， 提出了一种新颖的基于太赫兹时域光谱技术的检测方法 。 他们建立了含有气隙缺陷的XLPE多层色散模型 ， 设计了电缆样品的THz检测实验 ， 利用频域和时域方法计算了XLPE的物理参数 。
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图1 太赫兹时域光谱系统

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图2 太赫兹幅值成像和样品实物
针对所研究的XLPE气隙缺陷对象 ， THz光谱技术表现出了良好的检测效果：
1）可以准确定位XLPE电缆当中的气隙缺陷 ， 并且能够获取气隙缺陷的几何形状信息 ， 其分辨率可以达到亚毫米量级 。
2）能够直接、便捷地提取XLPE的介电常数、折射率等物理量 。
3）利用简单的数据处理可以较为准确地计算出气隙缺陷的尺寸信息 ， 针对本研究对象其误差仅为2.9% 。
THz-TDS技术在XLPE气隙缺陷探测当中有着出众的灵敏度和分辨能力 ， 并且若采用近场成像的方式可以进一步提升分辨率 ， 能够满足微米量级的观测需求 。 本研究为XLPE中隐藏气隙的探测提供了新的思路 ， 并且可以应用在其他电气材料诸如气隙、杂质等缺陷的检测当中 ， 用于电气绝缘材料的无损检测和状态评估 。
本文编自《电工技术学报》 ， 原文标题为“基于太赫兹时域光谱技术的交联聚乙烯电缆绝缘层气隙检测分析” ， 作者为谢声益、杨帆、黄鑫、余晓、高兵 。


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