架空地線斷絲檢測儀器

黃延慶 霍福廣

摘? 要：為了識別架空地線的斷絲缺陷，以電渦流檢測技術為依據(jù)，研制了一種基于STM芯片的電渦流架空地線檢測裝置，重點介紹了電渦流原理與系統(tǒng)設計。此外，利用所設計的系統(tǒng)在帶有缺陷的試驗線纜上進行驗證， 試驗結(jié)果表明， 該系統(tǒng)對不同程度的斷絲缺陷具有較高的檢出能力，并可以對其進行區(qū)分。

關鍵詞：電渦流;架空地線檢測;斷絲;系統(tǒng)設計

中圖分類號：TM75 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0043-02

Abstract： In order to identify the broken wire defect of overhead ground wire， based on the eddy current detection technology， an eddy current overhead ground wire detection device based on STM chip was developed. The eddy current principle and system design were mainly introduced. In addition， the designed system is used to verify the test cables with defects， and the test results show that the system has a high detection ability for different degrees of wire breakage defects， and can be distinguished.

Keywords： eddy current; overhead ground wire detection; broken wires; system design

目前，對輸電線路的在線、在役檢測的要求越來越高，傳統(tǒng)的人工檢視法通過直觀的觀測和利用一些簡單的工具來進行檢驗，效率低下且監(jiān)測準確度不高[1]。射線檢測法存在輻射泄露隱患且設備笨重使用不便，缺乏相關的專業(yè)操作人員[2]。機器視覺法可以全角度全方位地捕捉鋼絲繩的受損情況，但線纜表面的污損會造成誤判[3]相較于其他方法，渦流法因無需耦合劑、檢測速度快、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而被眾多學者關注。本文的創(chuàng)新之處在于基于渦流法研制了一種架空地線檢測裝置，從而實現(xiàn)架空地線的斷絲缺陷檢測。

1 渦流檢測原理

渦流探傷（ET）是利用了電磁感應原理檢測導電構件表面和近表面缺陷的一種探傷方法。按其原理是用激磁線圈使導電構件內(nèi)產(chǎn)生渦流，借助探測線圈測定渦流的變化量，從而獲得構件缺陷的有關信息。檢測線圈在渦流檢驗中，為了適應不同探傷目的，按照檢測線圈和被檢構件的相互關系分為內(nèi)穿式線圈、外穿式線圈和探頭式線圈三大類。其優(yōu)點是無需破壞或接觸試件，不需要耦合劑，可獲得缺陷處的參考數(shù)據(jù)，能檢出金屬構件的表面缺陷和近表面缺陷。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

實驗系統(tǒng)包括激勵信號產(chǎn)生模塊、信號調(diào)理模塊、差分放大模塊和信號采集模塊?；陔姕u流的架空地線檢測系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1所示。系統(tǒng)的信號激勵電路以STM32F4單片機為核心，控制其啟動、停止及激勵信號相關參數(shù)的設定。將經(jīng)過功率放大的信號加載到探頭的激勵線圈，當探頭靠近線纜時，在線纜激勵出電渦流，檢測線圈感應到斷絲引起的信號變化，并將檢測到的信號經(jīng)調(diào)理模塊調(diào)理后輸入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊對數(shù)據(jù)進行采集與儲存，最終由串口屏進行顯示與分析。

2.2 激勵模塊設計

系統(tǒng)激勵模塊的信號發(fā)生電路不僅要為渦流檢測探頭提供一定頻率的正弦波激勵信號，還需要為信號調(diào)理模塊提供正弦波和余弦波作為參考信號，因此信號發(fā)生電路要求具有較高的穩(wěn)定性?；谏鲜龇治?，本文利用直接數(shù)字頻率合成 （DDS） 技術產(chǎn)生檢測線圈所需的交變正弦波激勵信號， 所選用的DDS芯片AD9850， 其采用CMOS工藝， 其在+3.3V供電時功耗僅為155mW。由于系統(tǒng)信號激勵電路產(chǎn)生的信號功率較小，若將該激勵信號直接加載到檢測探頭激勵線圈兩端，不足以激勵出檢測所需的磁場強度，故系統(tǒng)在激勵信號電路后端設計了功率放大電路。

2.3 信號調(diào)理模塊設計

信號調(diào)理模塊中，正交鎖相放大器是實現(xiàn)將缺陷信號從噪聲信號中剝離出來的關鍵。其基于互相關原理，利用缺陷信號頻率和隨機噪聲頻率的差別，通過互相關函數(shù)運算，達到去噪的功能，原理圖如圖2所示。

2.4 信號采集模塊設計

為了能夠得到含有缺陷信息的信號，在數(shù)字電路中應設計數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊的作用是對模擬信號進行處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入STM32中進行數(shù)據(jù)處理。由于STM32F4內(nèi)部自帶ADC為單極性且只有兩個轉(zhuǎn)換通道，不滿足使用要求，故在該數(shù)據(jù)采集模塊中選用4通道AD7606作為AD轉(zhuǎn)換芯片。所有的采集通道都能以高達200KSPS的采樣速率進行采樣，也可以使用多片AD7606級聯(lián)組成多通道同步采集系統(tǒng)，因為每個輸入端都有箝位保護電路，故AD7606芯片能承受最高達±16.5V的電壓。

3 檢測試驗

3.1 試驗設備與試件

基于以上分析，本文開發(fā)了一種電力線纜斷絲渦流檢測裝置，其封裝效果如圖3所示。為了驗證所設計的檢測裝置的性能，設計了一段帶有不同程度斷絲缺陷的線纜如圖4所示。1、2、3分別代表斷裂3根、2根、1根，為方便探頭放置在鋼絲繩上用紙膠帶粘上后標出斷裂位置。由于實驗線纜整體具有很大的弧度，如果直接使用探頭進行檢測會因為提離變化等因素造成實驗結(jié)果的不準確，因此本文利用3D打印制作了一個探頭外殼，外殼中心打孔放置探頭，底部圓弧與檢測線纜大小相當。檢測時，將線纜從外殼底部穿過，從而減少因抖動等原因造成的測量誤差。

3.2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

應用開發(fā)的電力線纜斷絲渦流檢測裝置開展試驗，檢測系統(tǒng)設置的激勵信號頻率為100kHz。試驗中使探頭由線纜一端運行到另一端，得到無缺陷和存在缺陷的區(qū)域的信號。圖5為不同位置的電壓信號，3個突起的地方即為經(jīng)過三處缺陷時的電壓，其他較為平緩的低處則是在無缺陷的電纜線上劃動時的電壓值。不同大小的峰值意味著可以區(qū)分不同斷絲程度的缺陷。圖6為不同位置的相位信號，相對于電壓信號，相位變化更明顯但無法區(qū)分不同程度的斷絲缺陷?？偟膩碚f，檢測裝置能夠較好地識別出線纜斷絲缺陷并對其嚴重程度進行區(qū)分。

4 結(jié)束語

本文針對架空地線的斷絲缺陷問題，研制了一種基于電渦流傳感器的檢測裝置。對具有斷絲缺陷的鋼芯鋁絞線進行測量后發(fā)現(xiàn)，該檢測裝置可以有效檢測并區(qū)分不同程度的斷絲缺陷，驗證了該裝置的有效性。

參考文獻：

[1]付紅偉，牛彥鵬，李巖森.電梯鋼絲繩檢測與維護方法探討[J].中國設備工程，2020（01）：120-122.

[2]關巍，梁利輝，何義良.X射線無損檢測技術在輸電線路狀態(tài)檢測中的系統(tǒng)研究及應用[J].電子世界，2017（16）：42.

[3]李安.輸電線路導線斷股的圖像檢測方法[D].華北電力大學，2013.