超聲導(dǎo)波技術(shù)在避雷線纜通斷檢測中的應(yīng)用

摘要：為在不損傷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)完整性的情況下，檢測風(fēng)電機(jī)組避雷線的失效現(xiàn)象，提出了一種基于超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)的避雷線纜通斷檢測方法。通過半解析有限元法（SAFE）得到了超聲導(dǎo)波在避雷線纜中傳播的頻散特性，并確定了檢測模態(tài)和激勵頻率；設(shè)計(jì)了柔性磁致伸縮傳感器，搭建了超聲導(dǎo)波檢測的實(shí)驗(yàn)平臺，針對避雷線纜的斷裂失效開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)避雷線的通斷檢測，并確定失效位置，相比于傳統(tǒng)的檢測方法，超聲導(dǎo)波無損檢測方法具有操作簡單，檢測精度高的顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；避雷線；超聲導(dǎo)波；磁致伸縮

中圖分類號：TM315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0177-04

The application of ultrasonic guided wave technology in the on-off detection of lightning protection cables guided wave testing technology

WEI Qiaobin1，LEI Hang2，SHI Zhongqiu1，GUO Renhong1，LIU Hesheng2

（1.Guangdong Yuedian Zhuhai Offshore Wind Power Co.，Ltd.，Zhuhai 519000，Guangdong China；

2.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to detect the failure of lightning protection wires of wind turbines without damaging the structur-al integrity of wind turbines，a lightning protection cable on-off detection method based on ultrasonic guided wave nondestructive testing technology was proposed.The dispersion characteristics of ultrasonic guided wave propaga-tion in lightning cables were obtained by semi-analytical finite element method（SAFE），and the detection mode and excitation frequency were determined.A flexible magnetic strictive sensor was designed，an experimental platform for ultrasonic guided wave detection was built，and experimental research was carried out on the fracture and failure of lightning protection cables.The experimental results showed that the ultrasonic guided wave nondestructive test-ing technology could realize the on-off detection of lightning protection wires and determine the failure location，compared with the traditional detection methods，the ultrasonic guided wave nondestructive testing method had the significant advantages of simple operation and high detection accuracy.

Key words：wind turbine；lightning wire；ultrasonic guided wave；magnetic striction

目前，國內(nèi)外主要的避雷線失效檢測方法是利用電路中的歐姆定律。基于此原理進(jìn)行的避雷線測試必須將所測量的避雷線形成完整的閉合回路進(jìn)行測試。傳統(tǒng)的電學(xué)檢測需要電流傳導(dǎo)，人員需要登高作業(yè)，操作繁瑣效率低、耗時(shí)長、成本高[1-2]。此外目視檢測法、漏磁檢測法等也常用于避雷線的失效檢測。但目視檢測法受自然環(huán)境因素的影響大，人員主觀性較強(qiáng)，精度低；漏磁檢測法一般為逐點(diǎn)檢測，該方法只對鐵磁材料敏感，且用于待測件表面，對于石墨碳刷過的部位不能夠有效地進(jìn)行檢測[3]。以上方法均不適用于機(jī)組葉片內(nèi)避雷線的故障檢測。

超聲導(dǎo)波無損檢測技術(shù)可以對大面積構(gòu)件進(jìn)行全面、遠(yuǎn)距離、快速的檢測，具有高效、準(zhǔn)確、方便等特點(diǎn)，在避雷線的失效檢測方面具有很大的應(yīng)用前景。

1超聲導(dǎo)波檢測避雷線的原理

風(fēng)電機(jī)組的葉片避雷線位于槳葉中，與槳葉上接閃器相連接。避雷線斷裂的情況會導(dǎo)致接閃器傳導(dǎo)雷電或運(yùn)行中產(chǎn)生的靜電不能有效釋放，使風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電氣元件發(fā)生故障。避雷線由多股銅芯鍍錫導(dǎo)線螺旋纏繞組成，各股之間緊密貼合。為了簡化建模和理論分析過程，可以忽略避雷線復(fù)雜的螺旋纏繞現(xiàn)象，將其近似為多股直導(dǎo)線組成的波導(dǎo)來分析超聲導(dǎo)波在避雷線中傳播的頻散特性。

針對在導(dǎo)波傳播方向上具有平移不變性的波導(dǎo)，常采用半解析有限元（SAFE）方法來分析其頻散特性。使用SAFE方法求解導(dǎo)波問題時(shí)，將波導(dǎo)的橫截面離散為有限元網(wǎng)格，并且采用簡諧波來描述導(dǎo)波傳播方向上的波形，即在波傳播方向上采用解析解，通過將位移場引入控制方程來建立特征值問題[4-9]。基于變分格式，可建立一組包含頻率和波數(shù)的線性方程組，通過求解線性方程組所對應(yīng)的特征方程即可得到相應(yīng)的波數(shù)-頻率關(guān)系，進(jìn)而得到相應(yīng)的頻散曲線。SAFE方法將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題的過程如圖1所示。

假設(shè)簡諧波沿著Ox3軸傳播，因此波導(dǎo)中的位移矢量可以表示為：

式中：k為波數(shù)；ω為角頻率。對應(yīng)于圖1中的Ox1x2平面，位移梯度可以表示為：

彈性域中運(yùn)動微分方程的質(zhì)量密度ρ和彈性常數(shù)Cijkl可以表示為：

j 1[Cikjl]+ ρω2 Ui= 0 i= 1 2 3（3）

此時(shí)，式（2）可以改寫為：

Cikjl+ I（Ci3jk+ Cikj3） -kCi3j3（kUj）+

ρω2δijUj= 0（4）

作用于彈性體上的外力Ti可以表示為：

在商業(yè)有限元仿真軟件COMSOL的系數(shù)形式偏微分方程模塊中，特征問題的一般表達(dá)式為：

? ×（c? U（?）+ αU（?）- γ）- β? U（?）- αU（?）+ λda U（?）= 0（6）

對于式（4）所描述的二次特征值問題，可以引入矢量V將其轉(zhuǎn)化為線性問題：

式中：M為任意的對角矩陣。此時(shí)，式（6）的各個系數(shù)均可由材料本身的物理性質(zhì)和對角矩陣M獲得：

因此對于每個固定的頻率f，從式（6）中都可以得到相對應(yīng)的波數(shù)k的本征值。在所有的本征值中，實(shí)數(shù)本征值對應(yīng)于導(dǎo)波模式，復(fù)數(shù)本征值對應(yīng)于消逝波。通過計(jì)算不同頻率對應(yīng)的波數(shù)的本征值，即可得到超聲導(dǎo)波在避雷線中傳播的頻散特性。

2柔性超聲導(dǎo)波傳感器設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組葉片的避雷線埋于葉片內(nèi)腔，在采用超聲導(dǎo)波檢測時(shí)需要將設(shè)計(jì)的導(dǎo)波傳感器放置在葉片根部，由于葉片內(nèi)的結(jié)構(gòu)限制，需使用單點(diǎn)收發(fā)的檢測方式，且需設(shè)計(jì)為柔性導(dǎo)波傳感器。

磁致伸縮效應(yīng)用于導(dǎo)波的激勵，而逆磁致伸縮效應(yīng)用于導(dǎo)波的接收。該檢測方法主要使用磁致伸縮效應(yīng)傳感器，用于發(fā)射和接收信號。當(dāng)鐵磁性的材料處于施加的交變磁場環(huán)境中并被磁化時(shí)，在鐵磁性材料中會產(chǎn)生因磁場改變而發(fā)生變化的磁致伸縮應(yīng)變效應(yīng)。在鐵磁性材料內(nèi)激發(fā)出彈性應(yīng)力波，當(dāng)彈性波沿構(gòu)件水平方向進(jìn)行傳播時(shí)會形成導(dǎo)波[10]。同時(shí)，材料在施加的彈性應(yīng)力波作用下將發(fā)生逆磁致伸縮效應(yīng)，導(dǎo)致鐵磁材料體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變，從而使傳感器的接收線圈內(nèi)部的電勢發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了機(jī)械振動量的轉(zhuǎn)換測量[11]。傳感器激發(fā)的超聲波在風(fēng)電機(jī)避雷線內(nèi)傳導(dǎo)時(shí)會產(chǎn)生反射、折射、模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象，后續(xù)對超聲導(dǎo)波信號進(jìn)行解析，以完成避雷線的通斷檢測。

使用磁致伸縮傳感器激勵和接收超聲導(dǎo)波時(shí)要求被測對象必須為鐵磁性材料，避雷線雖然也是鐵磁性材料，但由于表面防腐鍍鋅涂層的影響，磁致伸縮現(xiàn)象不明顯，因此難以直接激勵出能量大、傳播距離遠(yuǎn)的導(dǎo)波信號。在各種現(xiàn)有的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制中，借助于具有強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁貼片可以大幅度提高能量轉(zhuǎn)換效率，研究中使用的鐵磁貼片為鐵鈷合金。鐵鈷材料具有很大的磁導(dǎo)率和磁致伸縮系數(shù)，在基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波激勵實(shí)驗(yàn)中有很大的應(yīng)用前景。對于不具備磁致伸縮效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)不明顯的被測對象，通常需要在被測對象表面用改性丙烯酸酯膠粘劑（AB膠）將鐵鈷貼片與被測對象緊密粘合來進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。為了使磁致伸縮傳感器線圈與鐵鈷貼片之間有效地傳遞動態(tài)磁場，線圈與鐵鈷貼片之間需要盡可能緊密貼合，沒有任何間隙，以免磁場泄漏。

當(dāng)傳感器線圈施加一定頻率的交變電流時(shí)，線圈內(nèi)電流會產(chǎn)生變化的磁場，磁場的波動引起鐵鈷帶的磁致伸縮效應(yīng)，會導(dǎo)致磁致伸縮效應(yīng)造成較小的應(yīng)變過程，但卻需要較大的外部施加機(jī)械力才能夠逆轉(zhuǎn)由磁致伸縮效應(yīng)所造成的應(yīng)變[12-13]。文中發(fā)生的磁致伸縮現(xiàn)象是可逆的，即處于彈性形變范圍內(nèi)，此時(shí)相對形變和磁感強(qiáng)度成正比，如式（9）所示：

= k（B）B2

式中：B為電磁感應(yīng)強(qiáng)度；k為比例常數(shù)。根據(jù)胡克定律可以得到應(yīng)力T的表達(dá)式[14]為：

T= Y（10）

式中：Y為材料的楊氏模量。將相對變形公式帶入得到式（11）：

= Yk（B）B2= γ（B）B2

由式（11）可以得到磁致伸縮應(yīng)力的變化情況，即機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。初始設(shè)計(jì)中鐵鈷帶和待測線纜是緊密耦合的狀態(tài)，隨著鐵鈷帶內(nèi)部的磁致伸縮效應(yīng)的進(jìn)行，待測線纜中形成了由磁致伸縮效應(yīng)所產(chǎn)生的機(jī)械波。

為了在避雷線中激勵出超聲導(dǎo)波，并且使激勵出的導(dǎo)波含有較大的能量，加載到激勵線圈的信號需要有較高的瞬時(shí)功率。因此，選用窄帶脈沖信號進(jìn)行激勵，該信號具有瞬時(shí)大功率能量的較好特性。因此研究選擇中心頻率為40 kHz的窄帶脈沖信號進(jìn)行超聲導(dǎo)波的激勵，既避開了缺失頻帶又選擇了群速度和相速度均相對穩(wěn)定的頻段。為了激勵出相對單一模態(tài)的彈性波，常用單頻信號作為激勵：

式中：n為周期數(shù)；fc為中心頻率；t為信號持續(xù)時(shí)間。激勵信號如圖2所示。

當(dāng)避雷線內(nèi)出現(xiàn)斷裂時(shí)，導(dǎo)波返回發(fā)生逆磁致伸縮現(xiàn)象，線圈原磁場平衡被破壞，磁場失去其穩(wěn)定性，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。通過對缺陷反射信號的提取，結(jié)合導(dǎo)波在避雷線內(nèi)傳播速度可以確定缺陷的軸向距離，進(jìn)而確定缺陷的位置，如式（13）所示：

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

基于磁致伸縮效應(yīng)的超聲導(dǎo)波無損檢測設(shè)備主要由信號發(fā)生傳感器、信號接收傳感器和磁致伸縮檢測裝置組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

超聲導(dǎo)波在傳播過程中遇到端面會產(chǎn)生較大的回波信號，通過分析回波信號的變化即可判斷避雷線的通斷情況。實(shí)驗(yàn)采用自發(fā)自收的檢測模式，自發(fā)自收示意圖如圖4所示。

由圖4可知，自發(fā)自收模式下只需要一個磁致伸縮傳感器即可實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波的接收和發(fā)射，該磁致伸縮傳感器既是發(fā)射傳感器，同時(shí)也是接收傳感器。

在實(shí)驗(yàn)過程中，首先集成在PC端的信號發(fā)生器產(chǎn)生激勵信號，功率放大器將原始信號進(jìn)行放大并作用于發(fā)射傳感器線圈，在交變電流的作用下發(fā)射傳感器線圈產(chǎn)生交變磁場。利用鐵鈷貼片在變化磁場中的磁致伸縮效應(yīng)，先在鐵鈷貼片中激勵出超聲導(dǎo)波并耦合到鋼絞線中，從而在被測鋼絞線中激勵出超聲導(dǎo)波。當(dāng)超聲導(dǎo)波通過接受傳感器線圈時(shí)，鐵鈷貼片受到應(yīng)力作用，利用逆磁致伸縮效應(yīng)通過接收傳感器線圈將接收到的導(dǎo)波信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸回PC端進(jìn)行存儲顯示和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作。

在已知L（0，1）模態(tài)在頻率為40 kHz，時(shí)波速約為5 300 m/s的情況下，可以根據(jù)式（13）通過波包出現(xiàn)的時(shí)間信息計(jì)算出避雷線斷裂的位置。40 kHz避雷線檢測信號原始圖如圖5所示。

由圖5可知，采集到的回波信號出現(xiàn)了明顯的斷面波包，可以初步判定避雷線發(fā)生了斷裂。為了能夠更加直觀地判斷避雷線的斷裂情況，可通過對原始回波信號求包絡(luò)來簡化信號，對原始信號的分析如圖6所示。

由圖6可知，判斷避雷線在1.7 m處發(fā)生斷裂，與實(shí)際的斷裂情況相符合。分別采集斷裂位置距離端面1、2、3、4、5 m的導(dǎo)波信號，檢測結(jié)果如表1所示。

由表1可知，超聲導(dǎo)波無損檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)避雷線纜的通斷檢測和通斷定位，且定位精度高于現(xiàn)有的其他避雷線纜的通斷檢測方法。

100 kHz避雷線檢測結(jié)果示意圖如圖7所示。

由圖7可知，當(dāng)用更高頻率的磁致伸縮傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波信號的噪聲增大，頻散現(xiàn)象加重，有效信號被淹沒在雜波信號中，這會造成誤檢和漏檢。因此本文通過頻散特性分析得到的檢測模態(tài)和頻率具有理想的檢測效果。

4結(jié)語

（1）通過磁致伸縮傳感器，基于超聲導(dǎo)波的風(fēng)電機(jī)組避雷線檢測設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)險(xiǎn)機(jī)組的實(shí)時(shí)無損檢測；

（2）實(shí)驗(yàn)表明，相比高頻信號，選擇低頻段的窄帶脈沖信號進(jìn)行超聲導(dǎo)波的檢測效果更好；

（3）相比于傳統(tǒng)的檢測方法，超聲導(dǎo)波無損檢測方法具有操作簡單，檢測精度高的顯著優(yōu)勢，為大型風(fēng)電機(jī)組超長葉片的避雷線導(dǎo)通性檢測技術(shù)提供了新的思路。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）