电力设备绝缘老化在很大程度上决定着电力设备绝缘性能及其寿命^[1,2]。大型发电机主绝缘在长期的运行过程中,受到电、热、机械和环境因素的联合作用,绝缘会发生老化,最终导致绝缘失效。目前针对大型发电机定子绝缘进行的状态评估,还缺乏统一和公认的标准和方法^[3]。事实上,绝缘结构老化主要表现为绝缘内部损伤的形成与发展。因此,及时、准确地检测并识别出定子绝缘结构损伤,确定损伤程度,就能够为大电机绝缘状态诊断与寿命评估提供有效、可靠的参考信息。

结构健康性监测^[4]能够通过检测发生在结构内部和表面的损伤,对结构状态进行早期诊断和预报,提高设备运行的可靠性。由于导波对定子绝缘结构中的初始损伤较为敏感,因此,利用导波可以进行定子绝缘损伤检测与识别^[5,6,7]。由于大电机定子绝缘线棒为狭长棒状结构,导波传播模式更为复杂,波包混叠严重。为此,本文从优化导波激励模式的角度出发,研究不同激励模式下导波的传播特性,为大电机定子绝缘损伤检测激励方法设计提供有效的参考依据。

Lamb波的传播特性十分复杂,主要体现在它的频散特性以及多模式现象。Lamb波在结构中传播时存在多种模式,例如对称模式S0、S1、S2……,反对称模式A0、A1、A2……,这些Lamb波模式有不同的相速度和群速度,其大小依赖于频率和板厚的乘积（频厚积）,对称波和反对称波可相互独立地在波导结构中进行传播。描述Lamb波传播特性的理论依据是Rayleigh-Lamb频率方程[8],分别见下式

（1）

（2）

其中

（3）

（4）

（5）

式中,d为板厚;p、q分别为Lamb波中纵波和横波波数分别在y轴上的分量;k为Lamb波在板中沿平行板的表面方向传播的波数;cl和ct分别为板材的纵波和横波速度;cp为波的相速度;ω为波的角频率,ω = 2πf,f为波的频率。将p、q和k代入式（1）和式（2）后可得

（6）

（7）

其中

（8）

又

（9）

式中,E为弹性模量;υ为泊松比;ρ为材料密度;μ和λ是由材料参数决定的两个无量纲量。材料参数可以通过材料拉伸等实验测量获得。

将式（9）代入式（8）,可得到cl和ct的表达式。由于E、υ和ρ可以通过测量得到,所以代入数据可以计算出被检测对象的横波和纵波速度。

由上述可知,Lamb波传播特性及频散方程的求解主要取决于结构的材料属性,由于大电机定子绝缘线棒属于层压复合材料结构,且定子绝缘线棒中心为铜芯导体（铜芯内部还存在气隙）。为了使Lamb波传播特性更接近于实际,本文利用实验方法将定子绝缘结构等效为一种各向同性、具有单一属性的定子绝缘结构,大电机定子绝缘结构的属性参数通过等效计算后见表1。

利用Matlab编程求解Lamb波的Rayleigh-Lamb频率方程获取的定子绝缘结构群速度频散曲线如图1所示。

依据定子绝缘结构的群速度频散曲线,就可以选择合适的导波激励频率和导波传播的模式,一般的选取原则为：尽可能选取激励出的导波模式越少越好,波包的幅值越大越有利于波包识别。

当Lamb波在板状、杆状等波导结构中传播时,由于受到波导结构几何尺寸的影响,使得导波传播速度受其频率的影响,导致了导波几何频散,且不同频率下导波各模式频散程度不同。另外,Lamb波存在无限多种模式,这样导波在定子绝缘结构中传播遇到定子边界或损伤时会发生散射、反射,甚至模式转换等现象,这些都使得Lamb波传播信号变得非常复杂。

用数值模拟与实验方法可以得到利用Lamb波最佳激励频率为13kHz。从图1可看出,该频率下Lamb波仅存在两种模式,即对称模式S0和反对称模式A0,本文拟采用双面激励以激发出单一模式Lamb波,能够提高导波接收信号的信噪比,便于不同模式波包的有效分离和识别。

双面激励从Lamb波各模式波传播特性角度出发,通过在板的上下表面对称位置同时施加同相或反相信号来增强Lamb波一种模式而削弱另一种模式。在定子线棒上下表面同一位置各布置一个作动器,分别施加激励信号,如图2a和2b所示。

图2a中两个作动器施加同相激励信号,以此增强对称模式S0削弱反对称模式A0;图2b中两个作动器施加反相位激励信号,以此增强反对称模式A0削弱对称模式S0。

针对以上激励模式,利用ABAQUS有限元软件进行数值分析。定子绝缘线棒结构模型等效为长1 200mm×宽60mm×厚30mm的实心结构模型（模型材料属性参数见表1）,数值仿真模型和传感器布置分别如图3和图4所示。

仿真分析中导波激励信号采用单脉冲5个波头汉宁窗正弦波信号,激励中心频率13kHz,其信号表达方式表示如下

（10）

式中,vpp为信号峰–峰值;fc为信号中心频率;H(t)为Heaviside阶梯函数。

为了便于分析,在无损情况下分别进行单面、双面激励,接收传感器A1与作动器A并排放置（见图4）,数值模拟结果分别如图5~图7所示。

由图5~图7可看出,双面激励较之单面激励有明显的效果。双面同相激励增强了导波的S0模式,削弱了A0模式,但并没能完全消除A0模式,这与各模式信号本身幅值有关,A0本身的幅值较大;双面反相激励增强了A0模式,削弱了S0模式,由于S0模式本身幅值较小,故能更容易激励出单一的模式,有利于A0波包的提取。

为进一步分析导波激励模式的特点,本文针对典型损伤（表面损伤）情况下各激励模式导波传播特性进行数值分析。在图4中,传感器A4、A5之间制造一条表面裂纹损伤,损伤宽度60mm（x方向）、长度1mm（z方向）、深度6mm（y方向）,损伤位置距离作动器A一端525mm,在该损伤下进行单面、双面激励,结果别如图8~图10所示。

从图8~图10可以看出,与无损情况相类似,双面激励较之单面激励效果明显。通过控制双面激励模式,可以根据需要增强或者削弱导波的S0模式或者A0模式,从而激励出单一的波包模式,易于导波波包的提取与识别。

另外,导波波包峰值是一个能够有效反映结构损伤特性的重要特征参数。如果能够提取有效波包峰值,则有利于各模式波包的识别。为了分析不同激励模式下导波信号波包峰值特征,利用希尔伯特变换提取导波信号的时域包络如图11和图12所示。

利用Hilbert变换分别对三种激励方式下导波信号峰值特征进行了提取,各波包峰值统计结果见表2。

由表2的统计结果可以看出,无论是无损还是有损情况,相对于单面激励模式,双面同相激励能够使S0模式的波包峰值增大,双面反相激励使A0模式的波包峰值大大增强,这样在进行损伤检测时更容易识别出导波的各模式波包。同时,观察各激励方式下导波信号的复杂程度,可以看出双面反相激励方式下导波接收信号信噪比更大,这为后续的信号分析降低了一定的难度。

为了实验验证不同导波激励模式下的效果,定子绝缘损伤检测实验系统构成如图13所示。

其中,AFG3022B产生导波激励波形;7602M实现功率放大,以驱动PZT;DPO3014实现导波信号采集;DELL T7600工作站实现定子绝缘结构损伤检测的数值模拟分析与信号处理。定子线棒绝缘层表面粘贴有压PZT,其中PZT A10作为作动器激励导波信号,PZT A1~A11作为传感器接收导波传播信号。实验中,任意波形发生器产生激励信号施加给PZT A10,PZT A1~A11接收导波信号可根据需要由示波器采集波形和保存,以供进一步分析处理。

实验所用定子线棒试样取自18kV/300MW大电机。实验中采用A10（下表面对应位置处也粘贴有PZT）作为作动器激励导波信号。以距离作动器750mm的传感器A5作为接收器接收导波信号（见图13）,在无损情况下采用各激励模式激励定子线棒,传感器接收的导波信号分别如图14~图16所示。

由图14~图16可看出,双面激励对于增强S0（A0）模式削弱A0（S0）模式具有明显的效果。双面同相激励增强S0模式,A0模式信号幅值有所削弱;双面反相激励增强A0模式,削弱了S0模式,以上结果与数值模拟结果相一致。实验采集S0波包信号偏小而A0波包信号明显易辨,双面反相激励导波接收信号更为简单清晰。

另外,在有损实验中,距离左端部525mm处存在一道自然裂纹（见图17）,表面裂纹损伤大小大约为长60mm×宽0.8mm×深0.75mm,接收传感器A5距离作动器750mm。采用各激励方式,接收到的导波信号分别如图18~图20所示。

由图18~图20也可以看出三种激励方式下导波信号对损伤情况都有一定的反映,接收信号的特性与数值分析结果一致。另外,接收信号的Hilbert变换结果如图21和图22所示,各模式波包峰值统计结果见表3。

由图21、图22及表3可以看出,在有损情况下,相对于单面激励模式,双面同相激励增强了S0波包峰值,双面反相激励增强了A0波包的峰值,这样在进行损伤检测时更容易识别出导波的各模式波包,这些结果与数值模拟结果相一致。

从数值分析和实验结果可以看出,在双面激励模式下,定子绝缘存在表面裂纹损伤时,相对于无损情况,导波特征波包峰值均有一定程度的衰减,这和Lamb波作为一种板波沿着定子线棒表面进行传播的物理特性相一致,应用Lamb波A0模式波包更能有效识别定子绝缘的表面裂纹损伤。

另外,通过对比可以看出：双面反相激励模式下,导波信号经过表面裂纹损伤后,A0模式波包较无损信号相比,其幅值有明显的减小。因此更容易识别出定子绝缘损伤的存在。这里需要特别说明的是,本实验测试结果是在实验室条件下进行的,与发电机实际运行和损伤大小还具有一定的差别,对于现场条件下的定子绝缘损伤检测效果还需要进一步的分析和验证。

本文通过数值分析和实验方法针对定子绝缘损伤检测中的导波激励模式进行了研究。从数值分析和实验结果可以得出以下结论：

（1）依据Lamb波频散曲线可以选择大电机定子绝缘损伤检测导波激励频率与导波模式,激励出单一模式的导波能有效地提高导波接收信号信噪比,将有利于分离导波特征波包和进行损伤识别。

（2）相对于单面激励模式,双面同相激励能够增强S0模式波包,而双面反相激励能够使A0模式波包得到加强,这样可以根据实际需要选择合适的激励模式,突出需要的模式波包同时削弱其他模式波包,简化了导波模态。

（3）应用希尔伯特变换方法提取的导波模式波包峰值,能够有效评价不同导波激励模式的激励效果;应用双面反相激励模式,A0模式波包更能有效识别出定子绝缘的表面裂纹损伤。