基于改進電磁檢測技術(shù)的變電站混凝土構(gòu)架鋼筋銹蝕檢測系統(tǒng)設計

劉云飛 楊 友 章小彬 劉飛揚 劉婧珂 羅晨瑀 劉 軍 劉 闖

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)的“心臟”和樞紐，承擔著電能輸送和分配的功能，一旦發(fā)生故障會導致大范圍停電，因此維持變電站安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。變電站內(nèi)有很多鋼筋混凝土構(gòu)架，包括設備混凝土基礎(chǔ)、母線（管）混凝土橫梁和混凝土桿（砼）等[1]。在鋼筋混凝土澆筑過程中，建設者通常太過于追求混凝土結(jié)構(gòu)的強度，對其耐久性并不重視。鋼筋混凝土的耐久性就是其暴露在惡劣的環(huán)境中以及承受本身結(jié)構(gòu)作用的過程中，在規(guī)定的時間內(nèi)仍能維持其自身性能的能力[2]。但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般在未達到預期的服役年限之前就已不再可靠，其結(jié)構(gòu)強度已無法承受自身的重量和外部因素的影響，因此頻頻引發(fā)安全事故。

對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生危害的因素有很多，包括鋼筋銹蝕、惡劣環(huán)境影響等，據(jù)統(tǒng)計鋼筋銹蝕是危害最嚴重的因素之一。鋼筋銹蝕會生成鐵銹使其橫截面積減少，造成混凝土表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。另外，混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫，將進一步加快鋼筋銹蝕，這兩種影響因素會產(chǎn)生惡性循環(huán)[3]。鋼筋銹蝕對變電站混凝土構(gòu)架的耐久性和可靠性產(chǎn)生不良影響，大大降低了使用年限，嚴重威脅變電站的安全穩(wěn)定運行[4]。因此，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕情況的實時檢測成為了當下的重點課題。

鋼筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，目前常用的有源、有線檢測方式在施工時會損壞混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到變電站的重要性和特殊性，在檢測過程中應避免破壞其鋼筋混凝土架構(gòu)的完整性和耐久性，因此需采用無損檢測技術(shù)[5]。無損檢測技術(shù)是利用聲、電和磁等對混凝土缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理反應，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析其與各項性能指標的關(guān)系，來判定混凝土的各項性能指標是否達標[6]。無損檢測方法有很多種，如電磁法、宏電流法、交流阻抗法等，據(jù)統(tǒng)計電磁檢測法適用場合最多。電磁檢測法具有無引線、無源的特點，避免了實際操作事對混凝土結(jié)構(gòu)的損害。

傳統(tǒng)的電磁檢測系統(tǒng)只能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，無法實時檢測鋼筋的銹蝕程度，存在一定的局限性。因此，本文在傳統(tǒng)電磁檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了改進和優(yōu)化，實現(xiàn)了對變電站混凝土構(gòu)架里鋼筋銹蝕的實時無引線檢測。本系統(tǒng)操作方便、測量準確，滿足對變電站混凝土構(gòu)架進行實時無損檢測的要求。

1 電磁檢測系統(tǒng)原理

電磁檢測系統(tǒng)以LC振蕩電路為基礎(chǔ)，由四個模塊組成，包括埋入式傳感器、外部檢測電路、數(shù)據(jù)處理及人機交互系統(tǒng)和無線收發(fā)器[7]。在運行過程中由埋入式傳感器來檢測混凝土結(jié)構(gòu)里鋼筋銹蝕狀態(tài)，再利用電磁耦合的方式將采集到的模擬信號傳送到外部檢測電路，然后把模擬信號變換為數(shù)字信號并通過無線收發(fā)器發(fā)送給終端并顯示。鋼筋銹蝕檢測系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

圖1 鋼筋銹蝕檢測系統(tǒng)的組成圖

本文主要設計電磁檢測系統(tǒng)最關(guān)鍵的兩個模塊：傳感器電路和外部檢測電路。傳感器電路的感應電感L2經(jīng)過密封處理后提前放入混凝土結(jié)構(gòu)里，外部檢測電路的讀取電感L1放在表面，位置與感應電感正對，如圖2所示。

圖2 電磁傳感器的安裝圖

傳感器電路由L2、電容與鋼筋等效物組成，外部檢測電路由L1與信號發(fā)生電路組成。信號發(fā)生電路生成信號傳送到L1，會讓其產(chǎn)生變化的磁場，若傳感器電路諧振頻率與該磁場頻率一樣，則L1阻抗最小，可據(jù)此性質(zhì)來確定傳感器電路的頻率，原理圖如圖3所示。

圖3 電磁耦合電路

由圖3可知，在L1上施加交變電流I1會產(chǎn)生交變磁場，當交變磁場穿過L2就會產(chǎn)生感應電壓U2，如此就實現(xiàn)了對L2無源供電的目的[8]。但此電路的效率較低，改進方法是在L2兩端并聯(lián)電容C，該電路的公式可由湯姆遜公式推出：

綜上可得如下的公式：

化簡得：

其中，Z表示L1的等效阻抗，ZL2表示L2對L1的耦合阻抗[9]。

根據(jù)式（3）能推導出以下的特殊頻率點：

（1）當ω=0時，ZL2→0，此時Z→jωL1；

（2）當LC振蕩電路發(fā)生并聯(lián)諧振時，此時jωL2+1/jωC=0，可得：

其中，k為耦合系數(shù)，此時Z=0；

（4）當ω→∞時，

根據(jù)以上分析可以得出如下規(guī)律：

①0<ω<ωop時，Z顯感性，|Z|隨ω的增大而增大；

②ω=ωop時，Z顯純阻性，|Z|為極大值；

③ωop<ω<ωos時，Z顯容性，|Z|隨ω的增大而減??；

④ω=ωos時，Z=0，|Z|為極小值；

⑤ω>ωos時，Z顯感性，|Z|隨ω的增大而增大。

根據(jù)以上規(guī)律得出阻抗Z的角頻率響應曲線，如圖4所示。

圖4 阻抗Z的角頻率響應曲線

2 改進電磁檢測系統(tǒng)設計

在實際情況中，傳感器電路要預先做好封裝并埋入混凝土中。傳統(tǒng)的電磁檢測系統(tǒng)把鋼筋等效物—鋼絲兩端并聯(lián)一個電容，再根據(jù)電磁耦合電路的原理，即能實現(xiàn)對鋼筋的銹蝕情況的檢測，電路原理圖如圖5所示。

圖5 電路原理圖

圖5中右邊電路為提前埋入混凝土中的傳感器電路，傳感器應采取封裝措施，而鋼絲要置于鋼筋旁邊，因此不必封裝，左邊電路為外部檢測電路。鋼絲和鋼筋處于相同的環(huán)境中，因此兩者將同步銹蝕，隨著銹蝕程度加深，鋼絲發(fā)生斷裂，則其所在的回路斷開，傳感器電路的總電容減少，而諧振頻率增大。鋼絲沒有斷開，此時的諧振頻率偏低，若鋼絲已經(jīng)斷開，則諧振頻率會變高，這樣就實現(xiàn)了對變電站混凝土構(gòu)架中鋼筋銹蝕情況的無線檢測[10]。

傳統(tǒng)的電磁檢測系統(tǒng)存在一定的局限性，只能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，無法實時檢測鋼筋的銹蝕程度，難以滿足變電站的生產(chǎn)運維要求，因此本文在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了改進，如圖6所示。改進后的系統(tǒng)以直徑不同的多根鋼絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的單根鋼絲，這些鋼絲會隨著銹蝕情況加重由細到粗依次斷裂。為方便實驗，本文以開關(guān)的通斷來模擬鋼絲斷裂的情況。LC振蕩電路的諧振頻率會隨著鋼絲依次斷裂而逐漸變大，因此通過測量其諧振頻率的變化即可判斷各鋼絲的通斷情況，進而判斷混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

圖6 改進的電路原理圖

由于直接測量L1阻抗的流程繁瑣，且性價比較低，因此本文采用測定L1兩端的電壓幅頻特性的方法。根據(jù)物理公式可得如下關(guān)系：

①0<ω<ωop時，隨ω的增大而增大；

②ω=ωop時，為極大值；

③ωop<ω<ωos時，隨ω的增大而減?。?/p>

④ω=ωos時，為極小值；

⑤ω>ωos時，隨ω的增大而增大。

圖7 L1兩端的電壓幅頻特性曲線圖

綜上所述，采用直接測量L1的幅頻特性的方法實現(xiàn)鋼絲通斷狀態(tài)的判斷。此方法方便測量，并且簡化了系統(tǒng)電路。

3 仿真實驗與分析

本文應用NI Multisim軟件模擬搭建改進電磁檢測系統(tǒng)的電路，如圖8所示。左邊電感為L1，右邊電感為L2，C0～C3為電容，M為互感，R2為L2的自阻，R3、R4和R5為粗細不同、阻值相同的鋼絲。

圖8 模擬電路圖

運用圖8所示的電路模擬實際中鋼筋的銹蝕過程，隨著鋼筋腐蝕程度加深，鋼絲由細到粗依次斷裂，其所在回路也相應斷開，然后根據(jù)鋼絲的斷裂情況對這些狀態(tài)分別進行仿真，得到各狀態(tài)下L1兩端電壓的幅頻特性曲線。通過分析這些諧振頻率的差異，就可確定鋼筋的銹蝕程度，電壓下降到極小值時所對應的頻率越大，鋼筋銹蝕程度就越深。在這里設置L1和L2的電感值都為150 uH，線圈之間的耦合系數(shù)M為0.6，仿真結(jié)果如下（圖9）：

圖9 不同腐蝕程度的仿真圖

具體的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真測試結(jié)果

根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕程度加重，電路的諧振頻率隨之變大，結(jié)果和上文理論分析一致，說明本文所做改進是合理的和可行的。接下來可以通過改變系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行仿真實驗，如耦合系數(shù)，L1和L2的電感等，以此來選取對系統(tǒng)性能影響最優(yōu)的數(shù)值。經(jīng)過分析大量仿真測試的結(jié)果，并綜合考慮實際應用中的需求，本設計最后選定了傳感器電路的參數(shù)：L1的電感為20 uH，L1的電感為100 uH，耦合系數(shù)M為0.05，C0～C1分別為10、20、50和100pF，其它數(shù)據(jù)與圖8保持一致。

4 結(jié)語

傳針對統(tǒng)的電磁檢測系統(tǒng)的不足，本文設計了一種基于改進電磁檢測技術(shù)的變電站混凝土構(gòu)架鋼筋銹蝕檢測系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，還可以實時檢測鋼筋的銹蝕程度，滿足變電站運維的要求。