導(dǎo)波技術(shù)在輸電線路無損監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

殷 志 ，陳麗娟 ，陳大兵 ，許曉慧

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

研究輸電線路損傷定位及類型識(shí)別的方法是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。目前，常用的輸電線路損傷檢測(cè)方法主要有人工檢測(cè)法、航測(cè)法和巡線機(jī)器人檢測(cè)法[1]。人工檢測(cè)和航測(cè)法效率低、費(fèi)用高、檢測(cè)精度不夠；而巡線機(jī)器人每次檢測(cè)需要考慮人員的部署和機(jī)器人的搬運(yùn)問題。因此，這些方法在準(zhǔn)確性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面均不能很好滿足電力公司巡檢的需要，尤其是難以提供對(duì)輸電線路損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無法進(jìn)行損傷的早期預(yù)測(cè)。為了確保輸電線路實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大容量的電力輸送穩(wěn)定可靠，需研究一種準(zhǔn)確可靠、全面便捷、經(jīng)濟(jì)高效的輸電線路損傷定位及類型識(shí)別方法。近年來出現(xiàn)的超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠有效地解決這一問題。超聲導(dǎo)波探傷技術(shù)已經(jīng)在石油管道無損檢測(cè)、混凝土非破損檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也被用于進(jìn)行高壓傳輸電塔錨桿的腐蝕檢測(cè)。國(guó)外有一些學(xué)者開始關(guān)注超聲導(dǎo)波在電纜中的傳播問題。Haag等用壓電傳感器在多線電纜中產(chǎn)生超聲導(dǎo)波,研究了彈性波能量在單線間的傳播[2]。Hernandez-Salazar和Baltazar等也采用壓電傳感器激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，并采用時(shí)頻分析方法分析檢測(cè)信號(hào)[3]。之后，Hernandez-Salazar和Baltazar等進(jìn)行了單根鋼線和單根鋁線組成的簡(jiǎn)化模型的有限元分析，研究超聲波在纜線中的傳播模態(tài)[4]。國(guó)內(nèi)目前尚未開展超聲導(dǎo)波對(duì)輸電線路進(jìn)行無損檢測(cè)的研究。文中采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)輸電線路的損傷檢測(cè)進(jìn)行了初步的研究，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

研究輸電線路損傷定位及類型識(shí)別的方法是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。目前，常用的輸電線路損傷檢測(cè)方法主要有人工檢測(cè)法、航測(cè)法和巡線機(jī)器人檢測(cè)法[1]。人工檢測(cè)和航測(cè)法效率低、費(fèi)用高、檢測(cè)精度不夠；而巡線機(jī)器人每次檢測(cè)需要考慮人員的部署和機(jī)器人的搬運(yùn)問題。因此，這些方法在準(zhǔn)確性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面均不能很好滿足電力公司巡檢的需要，尤其是難以提供對(duì)輸電線路損傷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無法進(jìn)行損傷的早期預(yù)測(cè)。為了確保輸電線路實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大容量的電力輸送穩(wěn)定可靠，需研究一種準(zhǔn)確可靠、全面便捷、經(jīng)濟(jì)高效的輸電線路損傷定位及類型識(shí)別方法。近年來出現(xiàn)的超聲導(dǎo)波技術(shù)能夠有效地解決這一問題。超聲導(dǎo)波探傷技術(shù)已經(jīng)在石油管道無損檢測(cè)、混凝土非破損檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也被用于進(jìn)行高壓傳輸電塔錨桿的腐蝕檢測(cè)。國(guó)外有一些學(xué)者開始關(guān)注超聲導(dǎo)波在電纜中的傳播問題。Haag等用壓電傳感器在多線電纜中產(chǎn)生超聲導(dǎo)波,研究了彈性波能量在單線間的傳播[2]。Hernandez-Salazar和Baltazar等也采用壓電傳感器激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，并采用時(shí)頻分析方法分析檢測(cè)信號(hào)[3]。之后，Hernandez-Salazar和Baltazar等進(jìn)行了單根鋼線和單根鋁線組成的簡(jiǎn)化模型的有限元分析，研究超聲波在纜線中的傳播模態(tài)[4]。國(guó)內(nèi)目前尚未開展超聲導(dǎo)波對(duì)輸電線路進(jìn)行無損檢測(cè)的研究。文中采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對(duì)輸電線路的損傷檢測(cè)進(jìn)行了初步的研究，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

1超聲導(dǎo)波檢測(cè)理論

本文首先對(duì)縱波在鋼絞線地線中傳播進(jìn)行了研究。超聲波入射到有邊界特征的介質(zhì)中后，會(huì)在介質(zhì)邊界處發(fā)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換，從而形成超聲導(dǎo)波。對(duì)于鋼絞線來說，外圍鋼絲或中心鋼絲均可看作是細(xì)長(zhǎng)圓柱桿。在細(xì)長(zhǎng)桿中沿軸向方向傳播的超聲導(dǎo)波存在3種不同的模態(tài)，即縱向模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)和彎曲模態(tài)，分別記為 L（0，m），T（0，m）及 F（n，m）。其中n和m分別為模態(tài)的周向階次和模數(shù)。縱向模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)為軸對(duì)稱導(dǎo)波，彎曲模態(tài)為非軸對(duì)稱導(dǎo)波[5]。

鋼絞線由多根表面自由的圓柱桿絞合而成。設(shè)圓柱桿半徑為a，軸線沿z方向，如圖1所示。縱向模態(tài)是軸對(duì)稱的，具有徑向位移分量ur和軸向位移分量 uz。條件是周向位移分量 uθ，及 ur，uz與周向角 θ無關(guān)。考慮r=a處的應(yīng)力邊界條件為：δrr=δrz=0，求解波動(dòng)方程，可得到Pochhammer頻散方程為：

圖1柱坐標(biāo)系下實(shí)心圓柱桿

通過數(shù)值求解可以得到相速度頻散曲線。并利用cg=dω/dk可以得到群速度cg頻散曲線。在實(shí)際檢測(cè)中，根據(jù)頻散曲線選取激勵(lì)信號(hào)的頻率，以激勵(lì)頻散小的單一模態(tài)。再依據(jù)超聲波回波來檢測(cè)鋼絞線的健康狀況或物理特征。

超聲導(dǎo)波在輸電線路中傳輸?shù)陌l(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)如圖2所示。記錄超聲導(dǎo)波發(fā)射信號(hào)與端面反射信號(hào)的時(shí)間差Δt1，發(fā)射信號(hào)與損傷反射信號(hào)時(shí)間差 Δt2，由式（2）和式（3）可以得到損傷位置 SP。

圖2超聲波在輸電線路中傳輸?shù)陌l(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于超聲導(dǎo)波的輸電線路監(jiān)測(cè)原理如圖3所示，在輸電線上安裝2個(gè)超聲傳感器，一是發(fā)射傳感器，用于產(chǎn)生導(dǎo)波，一般為縱波，當(dāng)導(dǎo)波遇到損傷，如破股、斷股，部分波會(huì)反射，返回波由另一傳感器接收。通過對(duì)反射波提取損傷特征，可對(duì)損傷進(jìn)行定位和損傷程度判斷。該方法便于將傳感器長(zhǎng)期安裝在電力線上，無線發(fā)射器可集成在傳感器中，間隙式地向中心交換節(jié)點(diǎn)或桿塔上的損傷數(shù)據(jù)集中器傳送數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖3輸電線路超聲導(dǎo)波無損監(jiān)測(cè)示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，主要由美國(guó)西南研究院（SwRI）的新型檢測(cè)設(shè)備MsSR3030儀器、計(jì)算機(jī)、MsS線圈探頭、永磁鐵、鋼絞線組成。MsSR3030儀器是由發(fā)射器和接收器兩部分組成。

圖4實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用的鋼絞線是鐵磁性材料。鐵磁體在外磁場(chǎng)中磁化時(shí)，其長(zhǎng)度及體積均發(fā)生變化，這個(gè)現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)[6]。在鋼絞線外加永磁鐵，鋼絞線中施加的直流偏磁場(chǎng)使磁疇發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)。帶狀線圈探頭在被檢測(cè)的鋼絞線周圍形成一個(gè)環(huán)形的線圈，該線圈加載交流電后則會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生沿軸向的交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)使磁疇在偏置磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生來回偏轉(zhuǎn)，由此在鋼絞線內(nèi)部產(chǎn)生軸向的交變應(yīng)力，從而產(chǎn)生超聲波。

實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)1 250 mm的7芯鋼絞線，其公稱直徑為9.6 mm，中心及外圍鋼絲直徑都為3.3 mm，如圖5所示。在距離鋼絞線左端800 mm處用手鋸從1至7根逐根鋸斷鋼線，MsSR3030產(chǎn)生導(dǎo)波頻率為32 kHz。在鋼絞線左端安裝MsS線圈探頭，發(fā)射探頭發(fā)出導(dǎo)波信號(hào)，遇到斷股處有部分信號(hào)返回，接收探頭接收到回波信號(hào)，輸出給計(jì)算機(jī)。

圖5鋼絞線示意圖

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

MsSR3030接收器輸出給計(jì)算機(jī)的信號(hào)如圖6所示。波形橫坐標(biāo)為導(dǎo)波傳播距離，縱坐標(biāo)為電壓值。從圖中可清楚地觀測(cè)到斷股處的回波信號(hào)。

3.1損傷定位

圖6（a）為不斷股線的波形，導(dǎo)波傳至右端面返回，由回波返回時(shí)間和鋼絞線長(zhǎng)度計(jì)算可得波速約為4.3 km/s。為方便觀察，波形的橫坐標(biāo)可用時(shí)間與波速之積，即波傳播的距離表示。圖6（b）為斷1股線的波形，由該圖可見斷股處距離鋼絞線左端面約0.8 m。從而驗(yàn)證了該方法用于損傷定位的可行性。

圖6不斷股和斷1股時(shí)的信號(hào)波形

3.2損傷程度與回波信號(hào)的關(guān)系

從獲得的回波信號(hào)可知，隨著斷股數(shù)的增加，即損傷程度的增加，回波信號(hào)的幅值增大。

為了分析損傷程度和回波信號(hào)的關(guān)系，用matlab軟件對(duì)不斷股至斷7股的8個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換 （FFT），可得到信號(hào)的頻譜如圖7所示。由圖7（b）可見，回波主要包含一個(gè)頻率分量。回波的頻譜幅值與斷股數(shù)的關(guān)系如圖8所示，可見，隨著斷股數(shù)的增加，頻譜幅值隨之增大，回波的能量隨斷股數(shù)呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，基于此，可用于判斷損傷的程度。

4結(jié)束語(yǔ)

超聲導(dǎo)波檢測(cè)的方法對(duì)鋼絞線地線斷股損傷很敏感，可以準(zhǔn)確地對(duì)鋼絞線地線進(jìn)行損傷定位，并且根據(jù)損傷回波信號(hào)的頻譜幅值可以判斷斷股的損傷程度。本研究中采用的方法也可以應(yīng)用于其他電纜監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)。超聲波監(jiān)測(cè)對(duì)于多線電纜監(jiān)視是很有前景的無損監(jiān)測(cè)方法。本文的研究對(duì)今后進(jìn)一步研究輸電線無損監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

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