遠程電網(wǎng)變電站輕質(zhì)電纜溝蓋板故障診斷可靠性研究

楊嘉睿，李建宇，王聰燚，王婷婷，毛章波

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，杭州 314300； 2.浙江鼎浩電氣有限公司，杭州 314300）

引言

近年來，電廠和建設(shè)單位反映出許多問題，特別是在電廠的建設(shè)和運行中，普通平頂鋼混凝土板和支撐車輛荷載的厚鋼混凝土保護層是常見的敞開式，這種情況正是影響電廠建設(shè)和運行安全的常見問題。由于輕質(zhì)電纜溝蓋板被普遍用于各個電網(wǎng)，涉及到不同用電領(lǐng)域，所以電纜溝蓋板質(zhì)量已經(jīng)越來越受電網(wǎng)重視。實際設(shè)置運輸?shù)缆愤^程中會根據(jù)圖集，不再對電纜溝蓋板的固定承載或是面積進行計算，而運輸?shù)缆返南嚓P(guān)規(guī)范隨著時間的變化，也會有不同程度的更新或修改。現(xiàn)有的許多參考圖集已不能滿足目前規(guī)范要求，需要根據(jù)具體工況進行重新計算、加固和校核。誤差檢測是目前影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，發(fā)展中國家同樣也越來越重視無損檢測在各個領(lǐng)域的作用。經(jīng)濟型超聲波檢測是一項重要的無損檢測技術(shù)，由于該技術(shù)能夠快速穿透溝蓋板對其檢測，并具有測試面積大、缺乏接觸和直觀性等特點，在航空航天、機械、電力、醫(yī)藥、古董等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

童曉陽[1]等人提出一種基于正序電流故障分量的輸電線路故障檢測算法。采用線路兩端正序電流故障分量的矢量和幅值與矢量差幅值的比值作為線路的故障判斷量，給出嚴(yán)格的公式推導(dǎo)，建立了故障檢測的判據(jù)。何立柱[2]等人提出一種基于周期寬帶M序列勵磁的變壓器繞組變形故障檢測方法。給出了序列、位持續(xù)時間和采樣頻率的選擇原則，為了實現(xiàn)序列激勵法與掃頻法相結(jié)合，研制繞組變形檢測裝置。通過在實驗室模擬不同繞組位置和不同程度的匝間短路故障進行試驗。

雖然上述兩種文獻方法最終能夠完成故障檢測，但由于在檢測過程中需要對矢量進行反復(fù)計算，從而增加檢測時間，降低檢測效率。因此本文提出遠程電網(wǎng)變電站輕質(zhì)電纜溝蓋板故障診斷可靠性研究，為了解決基于傅里葉變換算法帶來的譜分析計算起伏大、圖像不完整等情況，本文將采用基于AR模型的譜分析檢測技術(shù)，通過對超聲檢測中的數(shù)字信號求解系數(shù)，獲取出適用于超聲信號研究的階數(shù)，完成電纜溝蓋板的故障檢測，最后通過對不同材質(zhì)溝蓋板在承受負荷時的故障檢測完成可靠性分析。

1 電纜溝蓋板故障類別分析

由于輕質(zhì)電纜的所處環(huán)境，導(dǎo)致電纜溝蓋板較為容易發(fā)生故障，其中主要故障原因大多數(shù)為溝蓋板外部裂開，造成裂紋的因素復(fù)雜多樣，主要體現(xiàn)在以下幾種情況：

1）垂直與水平裂縫

垂直與水平裂縫大部分出現(xiàn)在溝蓋板可以拉開區(qū)域，因為該區(qū)域在施工過程中需要經(jīng)常拉開或蓋上，所以致使裂縫出現(xiàn)。一般常見的裂縫約在0.2～1.0 mm，并且以夾角形狀呈現(xiàn)，如圖1。

當(dāng)蓋板上的裂紋達到一定程度時，水平裂紋將隨著垂直裂紋的應(yīng)力區(qū)而出現(xiàn)。形成溝蓋板縱橫裂縫的因素可分為以下兩點：

荷載系數(shù)：作用在溝蓋上的荷載變化是產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，經(jīng)過日積月累溝蓋板承受的作用力度、變異度越來越大。在電纜溝蓋板處設(shè)置運輸通道時，常用荷載都保持在20 000 Pa內(nèi)，在接下來的分析中，如圖2所示，用等于預(yù)定值的中心荷載代替對溝蓋的影響[3]。

按照彎矩相等原理，等效集中力（P）的計算表達式可以寫為：

式中：

q、b和L—設(shè)計溝蓋板的均布荷載、寬度以及計算跨度。

以某電廠溝蓋板為例，當(dāng)溝蓋板的設(shè)計均布荷載取值為10 000 Pa時，其容許等效集中荷載即表述為：

計算彎矩M=1 241.1N·m，根據(jù)正常施工結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（TJ10-74）強度進行計算。溝蓋板裂縫與承載力之間的關(guān)系圖如圖3所示。

圖1 垂直與水平裂縫

圖2 溝蓋板荷載示意圖

從圖3可以看出，當(dāng)溝蓋板的荷載高于3 P時，運輸通道所使用的鋼筋強度就會出現(xiàn)遠遠超過規(guī)定荷載的情況[4]，這樣就會導(dǎo)致超載越多，溝蓋板上裂縫寬度越大直至斷裂。

由于電纜溝蓋板數(shù)量很多，施工人員并不能保證對每一個溝蓋板都很好的管理，如果蓋板反向放置或沒有扣緊，則鋼筋的壓力將成為受拉區(qū)域，因此當(dāng)蓋板承受的荷載超過固定荷載時，蓋板外側(cè)會因應(yīng)力的影響而出現(xiàn)裂縫。

2）斜裂縫

在汽車荷載作用下，大剪力彎、小彎矩的截面通常出現(xiàn)斜裂縫，且裂縫較脆，破壞發(fā)生得十分突然。排水溝道蓋板斜裂縫示意圖如圖4所示[5]。造成溝蓋板斜裂縫的主要原因是在設(shè)計溝蓋板時，忽視了溝蓋板的抗剪計算。

3）角部裂縫

溝蓋板的角部裂紋一般出現(xiàn)在一個角部或多個角部，溝蓋板角部裂縫如圖5所示。

電廠由于施工、運行和維護等原因，板角損壞較為普遍，隨機撬、拋、壓溝蓋板是造成溝蓋板損壞的原因之一。

4）孔洞邊裂縫

孔邊裂紋常發(fā)生在溝蓋板的臨時孔處，造成溝蓋板的裂紋，如圖6所示[6]。

2 溝蓋板故障檢測

故障檢測是研究材料和成品內(nèi)部以及表面是否存在缺陷而不造成損壞的手段，也就是說通過故障檢測，可以得知溝蓋板外部、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異常變化或是因為新形成的缺陷導(dǎo)致對聲、光、電、磁等不良反應(yīng)的變化來評價結(jié)構(gòu)異常和缺陷的損傷程度。

故障檢測可直接對所生產(chǎn)的產(chǎn)品進行檢測而與物件的成本或可得到的數(shù)量無關(guān)，除去壞零件之外也沒多大的損失。可用于當(dāng)可變性很寬而又無法預(yù)計時，這樣既能對產(chǎn)品進行百分之百的檢測，也可對典型的抽樣進行檢測；可直接測量使用期內(nèi)的累積影響，并對同一產(chǎn)品重復(fù)進行同一種檢測[7]。

圖3 溝蓋板裂縫示意圖

圖4 斜裂縫示意圖

圖5 角部裂縫

圖6 孔洞邊裂縫

2.1 基于離散傅里葉變換的譜分析技術(shù)

一般情況下，可以將不同形狀的信號看作為疊加在不同頻率上的無數(shù)正弦交流信號，可以用傅立葉級數(shù)進行數(shù)學(xué)描述，假設(shè)有一組周期信號x(t)，該信號的周期表述為T，與其對應(yīng)的傅里葉序列就可以寫為：

式中：

a0,aπ,bπ—傅里葉系數(shù)；

fn—每次諧頻的頻率[8]。

對于瞬態(tài)信號（在正常使用超聲波進行故障檢測時，該信號可被視為在指定時間內(nèi)的瞬態(tài)信號），可以根據(jù)不同頻率狀態(tài)設(shè)置不同的周期信號T，T的取值趨向可以是無窮大，這樣序列計算就可寫為：

這時傅里葉系數(shù)就會轉(zhuǎn)換為連續(xù)頻率函數(shù)：

上式即是根據(jù)反變換獲取出的傅里葉變換，那么將該序列與傅里葉變換對照，即可進一步獲取出離散傅里葉變換：

這樣即可采用快速傅里葉變換，計算求解獲取出Y(k)。

一般情況計算出的Y(k)取值都是負數(shù)，對該數(shù)據(jù)取模運算便可得出該頻率點下的幅度，系列模就可以構(gòu)成x(n)的離散化幅度譜（頻率），基于FFT的譜分析即稱之為線性譜分析。如果經(jīng)過計算得知x(n)點數(shù)并不是2的整數(shù)倍，即可在x(n)后補若干零值，使其滿足總的點數(shù)為2的整數(shù)倍，這樣就可以用常規(guī)的FFT算法。

經(jīng)過傅里葉變換計算得出的頻譜圖，偶爾會出現(xiàn)變化起伏過大、頻譜圖分辨率不足等問題，因此，頻譜計算的結(jié)果無法得到詳細的結(jié)果，增加零點的數(shù)量會增加FFT點數(shù)，導(dǎo)致整體運算效果下降，本文采用AR模型來對輕質(zhì)電纜溝蓋板進行故障檢測。

2.2 AR模型譜分析

非線性譜分析方法有很多，如AR模型、自回歸模型、移動平均模型等，其中AR模型方法的研究和應(yīng)用比較成熟，快速算法較多[9]。

AR模型可以看作是一個線性預(yù)測模型，它可以從已知信號中推斷出未知范圍的預(yù)測值。

從該模型得到的信號頻譜如下：

式中：

σ2、a—待求解系數(shù)，可以根據(jù)Yule-Walker方程k計算得出：

式中：

ρ—AR模型的階數(shù)；

R( 0),R( 1),R( 2),...,R(ρ)—信號序列x(n)的自相關(guān)系數(shù)。

從式（7）計算結(jié)果即可得知，SAR(ω)表示連續(xù)譜，可以呈現(xiàn)較高分辨率的頻譜圖像。AR模型譜分析中主要不確定因素是計算過程中的階數(shù)ρ，在超聲規(guī)章檢測信號處理過程中，可以嘗試給定一個階數(shù)取值，然后根據(jù)計算結(jié)果不斷進行調(diào)試，直到選取出最優(yōu)的譜間分析結(jié)果，這樣取值對類似的超聲信號通常是有效的。本文實際計算過程中階數(shù)取值在10～20之間，如果階數(shù)取值較小，那么譜峰就會呈現(xiàn)出較為平緩的狀態(tài)，反之階數(shù)取值較大譜峰就會比較尖銳，但需要注意的是，計算過程中階數(shù)取值過大，會導(dǎo)致譜峰分裂，產(chǎn)生虛假譜峰[10]。

AR模型譜估計的特點是針對瞬態(tài)的短時間信號有計算方面的優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中對故障檢測具有良好的反應(yīng)效果，可以在短時間內(nèi)獲取出精準(zhǔn)且清晰的頻譜圖像，以便于對電纜溝蓋板裂縫的檢測，此外AR模型譜分析經(jīng)過計算還可以獲取出連續(xù)且光滑的譜，利于相關(guān)人員的判定。

3 故障診斷可靠性研究實驗

為了能夠進一步驗證所提算法的有效性，本文對13種溝蓋的試驗研究，得到了不同類型溝蓋的變形破壞特征，并對其極限承載力所產(chǎn)生的裂縫進行故障診斷，驗證方法可靠性。

3.1 實驗環(huán)境

根據(jù)工程要求，碎石板破壞量為30塊。該試驗包括鋼纖維混凝土和鋼纖維混凝土涂層以及混凝土表面對比研究。鋼纖維罩鋼筋結(jié)構(gòu)見圖7。

鋼纖維體積比為114 %，混凝土強度等級為C30和C40，鋼纖維混凝土板的影響尺寸為鋼纖維體積比和混凝土強度等級。試驗中使用了At磨纖維，長徑比為50，得率為600 MPa，Hpb235將加固所有溝渠，并在一所大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進行清理和維護。在部件的鑄造過程中，每個部件的100 mm立方體試塊，用于在與保留部件相同的環(huán)境條件下進行維護。混凝土抗壓強度應(yīng)在構(gòu)件試驗前一天或同一天進行試驗。其它強度指標(biāo)可按規(guī)定換算，測得的溝蓋板防護壓力強度見表1。

采用中跨集中加載和分層加載系統(tǒng)，通過傳感器測量每個電荷水平。荷載作用下設(shè)置每公里測量變形量的支架和溝蓋寬度，在試驗過程中對溝蓋裂縫的演變情況進行嚴(yán)密監(jiān)測。

3.2 結(jié)果分析

針對表1不同材質(zhì)的溝蓋板設(shè)計進行故障檢測以及分析其檢測結(jié)果的實際可靠性。荷載反射曲線反映了溝蓋板荷載反射曲線的力學(xué)性質(zhì)。在試驗期間，在不同編號的溝蓋上安裝兩個數(shù)字指示器，每個指示器都有一個數(shù)字指示器載體，以便實驗中方便觀察檢測可靠性。

首先給出鋼纖維混凝土溝蓋板荷載曲線圖，如圖8所示。

由圖8可見，使用中的鋼纖維鋼筋混凝土碎石保護層的變形與普通鋼筋混凝土碎石保護層的變形基本相似。這一情況間接說明，不管是用什么材料構(gòu)建的溝蓋板，都會因為使用時間來發(fā)生不同程度的彎曲，因此本文運用鋼纖維混凝土來進行實驗，該材質(zhì)的溝蓋板具有良好的變形性能鋼纖維塑性開裂強度和混凝土制成的傳聲器形成一座能夠承受最大拉伸張力的裂縫橋。

圖9表明鋼纖維混凝土和鋼筋混凝土在不同強度和體積比之下產(chǎn)生的溝蓋板裂縫，故障診斷過程中，裂縫反射曲線幾乎沒有招投標(biāo)，但只有柔性工作階段，鋼纖維體積比的增加，當(dāng)混凝土基層強度較高（至C50）時，溝蓋板覆蓋層荷載的反射曲線有明顯的水平段。因此針對不同材質(zhì)的溝蓋板進行故障檢測，其中檢測荷載撓度曲線如圖9所示。

由于在荷載較低情況下材料本身會阻礙溝蓋板表面裂縫產(chǎn)生，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)脆弱不堪，生成裂縫，但是通過圖8、9能夠得出，本文所提故障診斷方法能夠清楚得出不同材質(zhì)下溝蓋板荷載撓度曲線，明確溝蓋板內(nèi)部脆弱性，透過表面及時發(fā)現(xiàn)問題，減少重大問題發(fā)生。

圖7 溝蓋板截面示意圖

表1 溝蓋板設(shè)計參數(shù)表

圖8 鋼筋溝蓋板荷載撓度曲線

圖9 鋼纖溝蓋板荷載撓度曲線

圖10 檢測效率對比圖

圖10為對電纜溝蓋板的裂縫進行故障檢測的效率對比圖。

與文獻方法相比本文方法具有較高效率，反之文獻[1]方法則會隨著檢測次數(shù)的增加而降低檢測溝蓋板是否存在故障的效率，次數(shù)越多需要的時間越長，而文獻方法[2]呈現(xiàn)出的檢測效率并不像文獻方法[1]效率那么低，所需檢測時間直線上升，呈現(xiàn)出一種緩慢上升的趨勢。

4 結(jié)論

電纜溝蓋板作為保證用電基本安全的保障，對保護電纜起著絕對性的作用。為了能夠解決因施工運輸?shù)缆坊蚴亲匀画h(huán)境導(dǎo)致的溝蓋板裂縫情況，提出遠程電網(wǎng)變電站輕質(zhì)電纜溝蓋板故障診斷可靠性研究。構(gòu)建基于譜分析技術(shù)的AR模型，利用信號傳輸功率，計算得出適用于功率譜的取值階數(shù)，最后通過溝蓋板的故障診斷研究驗證方法可靠性。但由于在計算階數(shù)的過程中，具有較高的復(fù)雜性以及失誤率，所以計算參數(shù)仍有待優(yōu)化。