電纜隧道滲漏的紅外輻射特征模擬試驗研究

程國開

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315000）

電纜隧道滲漏的紅外輻射特征模擬試驗研究

程國開

（國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315000）

目前，針對電纜隧道滲漏的紅外熱成像檢測方法的試驗模型及數據研究較少。為此，總結了影響電纜隧道滲漏的紅外特征因素（缺陷形式、缺陷尺寸、流量），并為此提出了一套正交模擬試驗方案：采用定制的強度等級為C25的不同缺陷的水泥試塊，模擬電纜隧道襯砌滲漏特征，研究分析了電纜隧道點狀缺陷、線狀缺陷以及空鼓狀缺陷。試驗結果表明該試驗方法具有良好的可行性與科學性，為電纜隧道紅外檢測提供了試驗參考依據。

電纜隧道；水泥試塊；滲漏特征；紅外輻射

0 引言

目前，電纜隧道作為供電的主要途徑之一，其存在的眾多問題也是顯而易見的，其中隧道滲漏水就是最嚴重的問題之一。它不僅會影響地下電纜隧道工作的安全系數，還會影響電量運輸過程的效率等問題。李海[1]在進行分析電力隧道滲漏水成因時總結了滲漏水可分為結構滲漏水和設施滲漏水，以及其常見的發生位置。至目前為止，國內對地下電纜隧道滲漏水特征的檢測還沒有一套完整的檢測流程和方式，檢測方式主要以目測為主。由于地下電纜隧道的結構以及環境都較為復雜，以目測為主的檢測方式不僅效率低下，而且在檢測精度上也較低，不能真正意義上地解決電纜隧道滲漏特征檢測問題。羅宏健[2]、張杰[3]等人提出了用超聲波進行缺陷檢測，此外，紅外技術作為一種新型非接觸無損檢測方式，正逐漸被國內眾多學者研究和采用。趙為民[4]、鄧靜玲[5]等人將紅外技術引入到建筑結構中，并總結了紅外熱像儀在無損檢測領域中的應用，通過案例證明了紅外技術在建筑滲漏檢查中的實用性與可靠性，指出該技術具有快速、準確、安全的特點。但目前國內外學者的研究都側重于紅外檢測的可行性，而并未提供有效的試驗模型以及檢測數據。

本次設計的紅外輻射檢測平臺，采用定制的水泥試塊，模擬電纜隧道滲漏特征的結構缺陷，其靈感來自于水利部門在處理水利災害時所采用的模擬分析方法。該方法不僅制作成本低，而且對于隧道的滲漏特征缺陷情況具有較強的代表性，在數據采集方面也具有較強的優勢。該方法對今后紅外檢測模擬隧道滲漏特征具有極強的指導意義。

1 紅外檢測平臺

1.1 試驗設備

本次試驗主要的設備如下：紅外攝像儀、水泥試塊、試驗主體框架。

1.1.1 紅外攝像儀

本次試驗采用的紅外熱像儀及其圖像采集軟件的工作界面見圖1。其設備參數如下：探測器類型為非制冷焦平面，像素為640×480（17 μm），波長范圍8～14 μm，空間分辨率為1.13 mrad，圖像最大采集幀頻為50 Hz。

圖1 紅外攝像儀及圖像采集軟件示意

1.1.2 水泥試塊的定制

不同于國內豆海濤[6-7]采用的大型室外模型試驗模擬隧道滲漏特征過程，本次采用的檢測平臺采用定制的水泥試塊來模擬隧道的各種缺陷形式，采用的這種方法不僅成本較低，而且能夠更加確切地表示出隧道滲漏特征處的結構特征。其設計思路來源于長江水利科學院的一個專項設計，并由其單位加工制成，該水利部門長期對于地下隧道檢測維修，總結了地下隧道最容易出現的幾種缺陷形式：點狀缺陷、線狀缺陷、空鼓狀缺陷。該水泥試塊的混凝土強度為C25，其定制流程是通過將水泥注入模子，烘干，然后通過鉆頭鉆孔以及預留在水泥試塊里一定尺寸的鐵片加工出所需的線條狀缺陷，再經過后期的封口形成隔層，從而加工出3種不同類型缺陷的水泥試塊。加工該水泥試塊的模子見圖2，3種水泥試塊的整體外形均為正方體，該模子的三維包容尺寸長寬高為150 mm×150 mm×150 mm，上不封口。3種水泥試塊均開有一注水口在其一面的正中心，其孔的直徑D為20 mm，深度為75 mm，加工注水口的鉆頭實物圖見圖3。

點狀缺陷水泥試塊的加工方法是在其注水口的相鄰一面用不同尺寸的鉆頭分別開孔徑d為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的孔缺陷特征，深度H均為75 mm與注水口貫通相連，其示意圖見圖4。

圖2 水泥試塊模子

圖3 鉆頭

圖4 點狀缺陷水泥試塊模型示意

線狀缺陷水泥試塊的加工方法是：烘干水泥試塊之前，在水泥試塊里預留長L為75 mm，厚度H為2 mm，寬度W分別為20 mm，25 mm，30 mm的鐵片在水泥試塊注水口的相鄰一面，與注水口貫通相連，烘干成型后將鐵片取出形成線狀缺陷的水泥試塊，其示意圖見圖5。

空鼓狀缺陷水泥試塊的加工方法是：在點狀缺陷水泥試塊的孔徑缺陷d=20 mm的加工方法基礎上，用水泥把孔缺陷封口并制成隔層，且隔層厚度t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，其示意圖見圖6。

1.2 紅外檢測平臺主體框架

本次檢測平臺主體框架材料選用鋁型材，根據水泥試塊的尺寸、三腳架的伸縮高度、紅外熱像儀對焦后的測量距離、流量控制計以及注水裝置和回流裝置等因素來設計其結構和尺寸。該框架質量較輕，裝配方便，抗壓強度突出，故符合試驗要求。該框架還可同時放置多個水泥試塊進行試驗，很大程度上能夠節省試驗時間，其實物圖見圖7。此外本次試驗采用的流量控制計為轉子流量計，其型號為LZB-6WB，其實物圖見圖8，該流量計在一根由下向上擴大的垂直管中，圓形橫截面的金屬浮子的重力是由液體動力承受的，金屬浮子可以在管內自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下運動，與浮子重量平衡后，通過磁耦合傳到刻度盤來指示流量大小。該流量計可控制的流量范圍為0～0.4 L/min，精度較高。

圖5 線狀缺陷水泥試塊模型示意

圖6 空鼓狀缺陷水泥試塊模型示意

圖7 框架實體照片

圖8 轉子流量計

2 試驗原理及意義

據了解，所有物體只要溫度高于絕對零度，就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內發射能量，產生電磁波。在1879年，斯蒂芬得出黑體全波輻射出射度和黑體熱力學溫度的四次方成正比的結論，也就是著名的斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律[8]，即

式中：WB為黑體的全波輻射出射度；ε為輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，取值為5.67×10-8W/（m2·K4）；T為熱力學溫度。

然而對于不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色的物體，所發出的紅外輻射強度各不相同。紅外熱成像技術是利用熱感應照相機的紅外線成像技術。熱感應照相機可生成熱而不是光的圖像，它可以測量紅外（IR）能量，并將數據經過處理轉換成相應的溫度圖像，進而被轉換成可見圖像，即熱圖。由于物體所發出的紅外輻射在穿過大氣到達測量系統時會受到衰減，如果不利用校正措施，那么隨著距離增大，測量的溫度讀數越來越小[9]。水泥試塊滲漏特征試驗的原理就是：有缺陷的水泥試塊滲漏特征區域的溫度要普遍低于其他區域，從而可以通過紅外圖像的試驗數據分析出溫度與圖像顯示之間的聯系，從而建立起相對應的映射，用于后期在實際隧道中的檢測。

3 試驗過程

3.1 試驗準備

本次試驗的試驗主體為3種缺陷類型的水泥試塊：點狀缺陷水泥試塊，線狀缺陷水泥試塊，空鼓狀缺陷水泥試塊。其實物圖見圖9。

圖9 水泥試塊實物

本次試驗的試驗方案如下：

（1）測量距離：將紅外攝像儀放置于水泥試塊前至屏幕顯示水泥試塊占整個畫面70%以上，然后調焦至畫面清晰，測下此時水泥試塊到攝像頭之間的距離d。

（2）室溫：用溫度計測量空氣溫度T。

（3）水溫：試驗所取的水置于試驗容器中，將溫度計置于水中一段時間，測出水的溫度T0。

（4）各類型水泥試塊進行不同分組的試驗，其具體步驟如下。

3.2 點狀缺陷水泥試塊試驗

點狀缺陷水泥試塊的試驗共分為孔徑缺陷d分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 5大組，每大組試驗分別測量不同流量下的紅外圖像，通過流量控制計控制流量分別為0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4個小組，每小組在開始注水后開始計時，每3 min拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗數據，每小組共30 min，10組數據。取其中孔徑缺陷為2 mm，試驗流量為0.3 L/min這一小組試驗中具有代表性的4個時段圖像作為參考，來表示其滲漏特征隨時間的變化情況，見圖10。

圖10 孔徑為2 mm、流量為0.3 L/min的點狀缺陷試驗

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區域，淺色部分表示高溫區域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的點狀缺陷水泥試塊試驗圖像來看，滲漏區域的溫度要低于其他區域（流水區域除外）的溫度，且滲漏區域以滲漏點為起點，往下部擴散，圖形近似為扇形，滲漏面積隨著時間的增加而增大，當時間到一定值時，滲漏面積趨于一個穩定值。

3.3 線狀缺陷水泥試塊試驗

線狀缺陷水泥試塊的試驗共分為線缺陷寬度W分別為20 mm，25 mm，30 mm 3大組，每大組實驗分別測量不同流量下的紅外圖像。通過流量控制計控制流量分別為0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4個小組。每小組在開始注水后開始測時，每3 min拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗數據，共30 min，10組數據。取其中缺陷寬度W為20 mm，試驗流量為0.3 L/min這一小組試驗中具有代表性的4個時段圖像作為參考，來表示其滲漏特征的隨時間的變化情況，見圖11。

圖11 缺陷寬度為20 mm、流量為0.3 L/min的線狀缺陷試驗

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區域，淺色部分表示高溫區域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的線狀缺陷水泥試塊的試驗來看，滲漏區域的溫度要低于其他區域（流水區域除外）的溫度，且滲漏區域的圖形近似為長方形，滲漏面積隨著時間的增加而增大，當時間增大到一定值時，滲漏面積趨于一個穩定值。

3.4 空鼓狀缺陷水泥試塊試驗

空鼓狀水泥試塊試驗共分為隔層厚度缺陷t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 4組。由于空鼓狀缺陷水泥試塊的隔層厚度t對滲漏特征影響較大，且試驗效果需要較長的時間才會顯示出來，故每組試驗在注滿水后開始測時，先放置2 h，然后每0.5 h拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗數據，共4 h，8組試驗數據。取其中隔層厚度缺陷t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的試塊經過4 h后的圖像作為參考，來分析空鼓狀缺陷水泥試塊不同的隔層厚度t對滲漏特征的影響情況，見圖12。

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區域，淺色部分表示高溫區域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的空鼓缺陷水泥試塊的試驗來看，滲漏區域的溫度要低于其他區域（流水區域除外）的溫度，且滲漏區域的圖形近似為分布在中心的圓形，溫度差異對比度隨著隔層厚度t的增大而減小。

圖12 空鼓狀缺陷試驗

4 結論

研究組通過對電纜隧道實際滲漏情況的分析以及對試驗框架和試驗方案的驗證分析，得出了如下結論：

（1）設計的試驗框架模型在強度以及試驗實用性方面突出。

（2）檢測平臺采用定制的水泥試塊來模擬地下電纜隧道的各種缺陷形式來進行試驗，這種方法不僅成本較低，而且能夠更加準確地表示出隧道滲漏特征處的結構特征。

（3）試驗通過橫向和縱向比較流量因素、缺陷尺寸因素以及缺陷類型因素，能得出較為全面的滲漏特征影響因素，在后期的實際電纜隧道檢測分析中有極強的指導意義。

（4）試驗所采集的紅外圖像數據清晰地呈現了滲漏區域的溫度差異，為接下來的紅外圖像處理、圖像分析提供了重要的原始數據。

綜上所述，該試驗方案具有科學性與可行性。

[1]李海，葉菲菲，楊雨冰，等.電力隧道滲漏水成因分析及控制技術[J].華東電力，2011，39（8）∶1311-1313.

[2]羅宏建，周重回，夏強峰.特高壓GIS罐體對接焊縫的超聲波檢測[J].浙江電力，2015，34（1）∶24-26.

[3]張杰，張浩權，王炯耿，等.封閉式組合電器罐體對接焊縫的超聲波檢測[J].浙江電力，2012，31（4）∶29-31.

[4]趙為民，趙鴻，趙鳴.紅外熱像技術在檢測建筑物滲漏中的應用[J].住宅科技，2004，24（5）∶38-40.

[5]鄧靜玲，陸志煜.論紅外熱像技術在建筑物滲漏檢測上的應用[J].門窗，2014（10）∶95.

[6]豆海濤，黃宏偉，薛亞東.隧道襯砌滲漏水紅外輻射特征影響因素試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（12）∶2426-2434.

[7]豆海濤，黃宏偉，薛亞東.隧道滲漏水紅外輻射特征模型試驗及圖像處理[J].巖石力學與工程學報，2011，30（2）∶3386-3391.

[8]田裕鵬.紅外輻射成像無損檢測關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[9]郭建軍，辛偉大.紅外熱像原理及應用[J].山西建筑，2013，39（24）∶201-202.

（本文編輯：陸瑩）

Simulation Study on Infrared Radiation Characteristics of Cable Tunnel Leakage

CHENG Guokai
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315000，China）

So far there are few test model and data research on infrared thermal imaging detection method for cable tunnel leakage.Therefore，the infrared characteristics（defect form，size and flow）of the cable tunnel leakage are summarized，and a set of orthogonal simulation test scheme is proposed∶defective cement test blocks with strength grade of C25 are used to simulate the characteristics of the cable tunnel leakage；spot defects，linear defects and hollow-like defects of cable tunnel are investigated and analyzed.The test result shows that the method is feasible and scientific，and can provide reference for infrared detection test of cable tunnel.

cable tunnel；cement test block；leakage characteristic；infrared radiation

10.19585/j.zjdl.201705015

1007-1881（2017）05-0056-06

TM726.4

A

2017-03-14

程國開（1982），男，高級工程師，主要從事高壓電纜運維檢修管理工作。