CN102841143B - 基于压电传感器侧面加载检测接地网圆钢棒腐蚀的方法 - Google Patents

Abstract

基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法：1）计算圆钢棒中超声导波的群速度频散曲线；2）通过超声检测耦合胶，将至少4片压电传感器在圆钢棒一端的侧面沿周向均布地与圆钢棒耦合在一起，压电传感器通过超声导波信号激励/接收模块连接到计算机；3）选择50kHz-80kHz内的频率并通过频散曲线图获取超声导波传播速度；4）压电传感器激励出超声导波沿圆钢棒发射、接收、传给给计算机，获得传感器到腐蚀缺陷的传播时间，乘以超声导波传播速度，获得压电传感器与腐蚀缺陷之间的距离s＝v×t。本发明优点：压电传感器沿钢棒侧面安置，安装方便；检测成本较低；检测精度高，获得的缺陷信息丰富；检测结果直观。

Description

基于压电传感器侧面加载检测接地网圆钢棒腐蚀的方法

技术领域

本发明涉及一种钢棒腐蚀的检测方法，特指一种利用压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法。

背景技术

变电站接地网是维护电力系统安全可靠运行的重要设施，它不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的电位参考地，而且在系统发生故障时还能迅速排泄故障电流。变电站接地网一般采用网格式。我国铺设接地网所用的导体材料主要为镀锌圆钢棒或镀锌扁钢，焊接连接后呈网状结构，埋置于变电站等电力设施地面下，平行导体之间的间距一般为6-12m，埋深约0.6-0.8m，面积一般为电站的占地面积。

接地网导体寿命一般为8-10年。接地网导体材料结构为圆棒型，由于构成接地网的导体埋设在地下，常因腐蚀导致接地网导体电阻变化出现故障点。若遇电力系统发生接地短路故障，将造成接地网本身局部电位差和接地网电位异常升高，严重时直接危及电力系统的安全运行。因接地网腐蚀发生断裂而引起的电力系统的事故时有发生，每次事故都带来了巨大的经济损失。因此，定期进行接地网检测，及早发现问题以采取相应的防护措施，防患于未然，对接地装置的检测与维护显得十分迫切和重要。

华中科技大学的张蓬鹤在《自动化与仪器仪表》上发表的文章“接地网缺陷诊断的研究综述”，归纳出目前接地网诊断方法主要包括大电流分析法、接地网节点分析法、电磁场分析法、电化学分析法和无损检测方法等。

大电流分析法属于大型接地网常规检测内容。我国《电力设备预防性试验规程》要求，每2～3年应对110kV及以上变电站的接地网进行一次试验，试验方法就是采用大电流法。利用大电流法对地网进行全面检测存在很多困难，主要有：需要停电及大电流源，测量工作复杂，因此实施起来有较大的困难。

有很多研究机构对接地网节点分析法进行了研究。张晓玲在《高电压技术》上发表文章“优化技术在发、变电所接地网故障诊断中的应用”采用参数识别法，利用电路网络理论的节点分析方法，结合矩阵理论，建立了灵敏度矩阵诊断方程，通过求取满足整个接地网能耗最低的支路电阻，达到接地网腐蚀故障诊断的目的。重庆大学陈先禄、刘渝根在《重庆大学学报》上发表文章“接地网导体状态的诊断方法”将故障诊断学原理、网络理论、矩阵理论及计算机算法结合起来，应用于接地网腐蚀诊断。这些方法虽能达到对接地网故障的免开挖检查，但对于接地网故障检测的实时性不好，监测中需要专业人员根据初次的采集数据，实时调整测量的节点，进行多次测量，限制了该测量方法的推广应用。

2005年Michaloudaki等学者在《Magnetics》发表的文章“Diagnosis of breaksin substations grounding grid by using the electromagnetic method”通过电磁场的方法检测接地网导体的断裂位置，但是对于未断裂的接地网并不能确定其腐蚀程度。华北电力大学也开展了这方面的研究，通过测量地面电势差进行接地网断裂诊断。一方面电磁场测量受环境干扰噪声影响大，另一方面当网格状结构的接地网导体出现局部腐蚀的时候其磁场变化很小，使得利用这种诊断方法分析导体的腐蚀状态很困难。

2011年湖南大学杨滔在其硕士论文“接地网腐蚀状态检测及其寿命预测”中对接地网腐蚀电化学检测展开了研究，研制的智能检测系统在一定程度上能实现接地装置腐蚀状况测量及寿命预测。华北电力科学研究院开发了接地网腐蚀原位电化学检测系统可测出接地网金属的极化电阻、土壤电阻等电化学参数。相比之下电化学分析方法相对成熟，但是电化学分析方法只能获得局部腐蚀数据，对土壤环境复杂的地区该方法使用困难。

2010年何明等在“磁致伸缩导波在锚杆检测中的应用”中提出了一种基于磁致伸缩导波原理的锚杆无损检测新方法。在研究了锚杆中纵向模态导波模型的基础上，计算了直径20mm的锚杆的频散曲线，搭建了锚杆检测实验系统，并利用该系统完成了空气中以及埋地结构中锚杆长度和缺陷的检测实验。2010年浙江大学刘洋在论文“磁致伸缩导波锚杆无损检测实验研究”中利用磁致伸缩导波技术对导波在锚杆中的传播进行了理论建模。提出了非接触式导波激励和接收方法，研制了相关的实验装置，并对检测信号进行了处理和分析。实验结果表明，磁致伸缩导波技术能够有效可靠地测定锚杆长度及缺陷。但是，超声导波在埋于地下的接地网圆钢棒中衰减十分严重，磁致伸缩方式激励的导波能量较弱，对于间距6-12米长的接地网圆钢棒检测很难实现。另外，磁致伸缩传感器需要将线圈缠绕在圆钢棒表面，传感器的设计是一个很大的问题，目前还没有较好的解决办法。

帝国理工大学的M.D.Beard在《International Journal of Rock Mechanics andMining Sciences》上发表文章“Non-destructive testing of rock bolts using guidedultrasonic waves”研究了直径21.7mm锚杆中的衰减频散曲线，得到了各模态衰减最小频率，论文中还利用高频导波检测锚杆缩颈，收到较好的检测效果。北京工业大学孙雅欣等申请了“利用超声导波无损检测埋置于不同介质中锚杆长度的方法”的发明专利，实现了使用超声导波检测锚杆长度。西南科技大学环境与资源学院李平等对自由锚杆中超声导波的最优激发进行了理论分析与实验研究，得出自由锚杆最佳测试波频率范围为40-50kHz的结论。需要强调的是锚杆有裸露在外的端头，因此可以实现传感器在端部安装并激励导波。由于接地网实际连接状况，接地网圆钢棒端部则通常不能用于安置传感器，因此，端部加载方式不适合接地网圆钢检测。

目前常用的大电流法对地网进行检测存在很多困难，主要有：需要停电及大电流源，测量工作复杂，同时接地网有相当强的屏蔽作用和散流能力，即使接地网中局部发生腐蚀或出现断点，其外在表现如接地电阻、电位分布、跨步电势和接触电势可能还正常，无法反映腐蚀情况。接地网节点分析法虽能达到对接地网故障的免开挖检查，但对于接地网故障检测的实时性不好，监测中需要专业人员根据初次的采集数据，实时调整测量的节点，进行多次测量，使得该种检测方法变得复杂。目前国内外尚无人对压电传感器激励超声波检测接地网导体腐蚀进行过相关研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种方便而快捷检测接地网圆钢棒腐蚀缺陷的方法，该方法可以快速、准确检测圆钢棒腐蚀缺陷；同时，其检测装置结构简单、安装方便。

本发明采用如下的技术方案：

一种基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法，包括以下步骤：

1）根据接地网的圆钢棒及其材料参数计算所述圆钢棒中超声导波的群速度频散曲线；

2）通过超声检测耦合胶，将至少4片压电传感器在所述圆钢棒一端的侧面沿周向均布地与所述圆钢棒耦合在一起，压电传感器通过超声导波信号激励/接收模块连接到计算机；

3）通过步骤1）得到的频散曲线可以知道，在Φ22的圆钢棒中存在多种模态的超声导波，且每种导波波速都是频率的函数；因此选定的检测频率下模态数量越少越好，导波波速随时间变化越小越好；据此，选取适合圆钢棒检测的频率，根据以上所述原则，选择50kHz-80kHz作为检测频率段，并通过步骤1）的群速度频散曲线图获取检测频率下所述圆钢棒的超声导波传播速度；

4）利用计算机控制超声导波信号激励/接收模块产生激励信号，通过压电传感器激励出超声导波信号沿圆钢棒发射出去，并通过同一压电传感器接收超声导波反射信号，然后又经过超声导波信号激励/接收模块传输给计算机，经过检测软件获得腐蚀缺陷波包时间t，将该时间除以2，即为传感器到腐蚀缺陷的传播时间；将该时间乘以步骤1）中得到的检测频率下所述圆钢棒的超声导波传播速度，即可获得压电传感器与腐蚀缺陷之间的距离s＝v×t。

所述步骤1）中的检测频率为包括端点的50kHz-80kHz范围内，导波模态为L(0,1)模态。

所述的超声导波传播速度v可根据接地网圆钢棒及其材料参数计算获得，也可以在检测之前进行标定，具体方法为取一根标准长度的圆钢棒实施检测，计算出导波在标准长度圆钢棒中传播时间，进而确定导波在接地网圆钢棒中的传播速度。

本检测方法最大的优点是传感器从圆钢棒侧面加载，检测方法简单，本检测方法只需通过超声检测耦合胶将传感器与圆钢棒耦合在一起即可实现圆钢棒的检测，传感器安装简便，可以检测到腐蚀缺陷具体信息。

在不同的工况下，最佳的检测频率略有不同，检测时所使用的频率为50kHz-80kHz，所选择的导波模态为L(0,1)模态。

由图2可知在50kHz-80kHz范围内，纵向对称模态只有L(0,1)模态，非对称模态只有F(1,1)模态。理论分析和实验研究表明，使用多片压电片沿圆钢棒侧面周向均布的加载方式可以有效地抑制F模态的产生，因此，采用侧面加载方式后接地网圆钢棒中传播的F模态几乎被完全抑制了，检测使用的模态为L(0,1)模态。

与现有的检测方法相比，本发明具有以下优点：

1）压电传感器沿钢棒侧面安置、激励超声导波；

2）压电传感器安装方便；

3）检测成本较低；

4）检测精度高，获得的缺陷信息丰富；

5）检测结果直观。

附图说明

图1实施本方法所用到的检测装置及连接方式原理图；

图2实施例中直径为Φ22接地网圆钢棒群速度频散曲线；

图3图2实施例中距离传感器1491mm处腐蚀形态及尺寸；

图4图2实施例中腐蚀处近似截面损失率示意图；

图5图2实施例中65kHz下完好圆钢棒检测结果；

图6图2实施例中65kHz下有腐蚀缺陷圆钢棒检测结果。

图中：1、计算机，2、超声导波信号激励/接收模块，3、压电传感器，4、泥土，5、接地网圆钢棒，6、L(0,1)模态，7、F(1,1)模态。

具体实施方式

如图1所示，本基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法的实施例中，圆钢棒长度为1991mm，直径为Φ22mm，密度为7932kg/m3，纵波波速为5960m/s，横波波速为3260m/s。在距离传感器1491mm处有一个腐蚀缺陷，其形貌尺寸如图3所示。将不规则的腐蚀坑进行近似计算可得出，在腐蚀最严重的地方截面损失率约为5%，图4为截面损失示意图。

本发明的基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀方法实施例，包括以下步骤：

1）根据埋在泥土4中的圆钢棒5的直径以及材料的密度、纵波波速和横波波速，作出圆钢棒5中超声导波传播的群速度频散曲线图，如图2所示，横坐标范围在0-0.6MHz之间，其中6为L(0，1)模态，7为F(1,1)模态；

2）将八片压电传感器3在圆钢棒5的一端的侧面、沿周向均布地通过超声检测耦合胶与圆钢棒耦合在一起，压电传感器3通过超声导波信号激励/接收模块2连接计算机1；

3）通过理论分析与实验得到的频散曲线可以知道，在Φ22的圆钢棒中存在多种模态的超声导波，且每种导波波速是频率的函数。因此选定的检测频率下模态越少越好，导波波速随时间变化越小越好。据此，选取适合圆钢棒检测的频率。本发明专利选择50kHz-80kHz作为检测频率段。本例中所选择激励频率为65kHz，通过步骤1）的群速度频散曲线图，该频率在频散曲线图上所对应的检测频率下圆钢棒的超声导波传播速度为4.922m/ms；

4）利用计算机控制超声导波信号激励/接收模块放大激励信号，通过压电传感器激励出超声导波信号沿圆钢棒发射出去，并通过同一压电传感器接收超声导波信号，再经过超声导波信号激励/接收模块传输给计算机，通过计算机采集接收到的数据，如图6所示，对应完好圆钢棒检测结果如图5所示，可以看到圆钢棒缺陷处反射回波，获得缺陷波包传播时间为0.620ms，步骤1）中得到该频率下超声导波的群速度4.922m/ms，传播时间除以2乘以群速度，即可获得传感器到圆钢棒缺陷处的距离为1.526，相对误差为2.3%，在工程实际中满足要求，可以精确的定位腐蚀缺陷位置。

实验上验证了侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀方法的可行性。

Claims (3)

1.一种基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法，包括以下步骤：

1）根据所述接地网圆钢棒及其材料参数计算圆钢棒中超声导波的群速度频散曲线；

2）通过超声检测耦合胶，将至少4片压电传感器在圆钢棒一端的侧面沿周向均布地与圆钢棒耦合在一起，压电传感器通过超声导波信号激励/接收模块连接到计算机；

3）在50kHz-80kHz范围内，选取适合圆钢棒检测的频率，并通过步骤1）的群速度频散曲线图获取检测频率下圆钢棒的超声导波传播速度v；

4）利用计算机控制所述的超声导波信号激励/接收模块产生激励信号，通过压电传感器激励出超声导波信号沿圆钢棒发射出去，并通过同一压电传感器接收超声导波反射信号，然后又经过超声导波信号激励/接收模块传输给计算机，经过检测软件获得腐蚀缺陷波包时间t，将该时间除以2，得到传感器到腐蚀缺陷的传播时间；将所述的传播时间乘以步骤1）中得到的检测频率下圆钢棒的超声导波传播速度，即可获得压电传感器与腐蚀缺陷之间的距离s＝v×t。

2.根据权利要求1所述的基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法，其特征是：所述步骤1）中的检测采用的导波模态为L(0,1)模态。

3.根据权利要求1或2所述的基于压电传感器侧面加载方式检测接地网圆钢棒腐蚀的方法，其特征是：所述的步骤3）的超声导波传播速度v采用标定法得出：取一根标准长度的圆钢棒实施检测，计算出超声导波在标准长度圆钢棒中传播时间，进而确定导波在接地网圆钢棒中的传播速度。