CN103076398B - 接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器 - Google Patents

Abstract

接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，属于无损检测领域，具体涉及一种利用超声导波检测电力系统接地网圆钢棒腐蚀的超声导波传感器。传感器由8-16个传感器单元组成，传感器单元由传感器外壳（1）、嵌于传感器外壳（1）内部的滑块（3）、传感器外壳（1）和滑块（3）之间的一对弹簧（2）、定位滑块（3）的一对定位销（4）、压电片（6）、支撑保护压电片（6）的保护层（7）、压电片正负两极的引线（5）、保护层（7）和滑块（3）之间背衬材料（8）以及将多传感器单元连接起来的轴销（9）组成。在实际使用时，8-16个传感器单元组成传感器，实现传感器沿圆钢棒侧面周向均布的加载方式，可以适用于直径为Φ14-28mm的常用型号接地网钢棒的无损检测。

Description

接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器

技术领域

接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，属于无损检测领域，具体涉及一种利用超声导波检测电力系统接地网圆钢棒腐蚀的专用超声导波传感器。

背景技术

变电站接地网是保障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参考电位，而且在系统发生故障时还能将故障电流迅速排泄。变电站接地网通常采用网格式，我国铺设的接地网所用材料主要为镀锌圆钢棒或镀锌扁钢条，网格间距一般为6-12m，埋深约为0.6-0.8m，面积一般为变电站的占地面积。接地网导体寿命约为8-10年。

由于接地网导体埋设在地下，常因腐蚀导致接地网导体电阻变化而出现故障点。若遇电力系统发生故障，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，很多事故都带来了巨大的经济损失。因此，对接地装置的检测与维护显得重要而迫切。

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，使这种测量方法的推广受到限制。

2005年Michaloudaki等学者在《Magnetics》发表的文章“Diagnosis ofbreaks in 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年湖南大学杨滔在他的硕士论文“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 Mechanicsand Mining Sciences》上发表文章“Non-destructive testingof rock boltsusing guided ultrasonic 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。接地网圆钢棒则没有供安置传感器的端头，端部加载的方式是不可行的。

接地网导体材料结构为圆棒型，焊接连接后呈网状结构，埋置于变电站等电力设施地面下，长期受到腐蚀侵蚀。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。接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器能够实现从接地网圆钢棒侧面安装传感器并有效的激励出超声导波，使得接地网圆钢棒腐蚀的检测得以实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实际应用的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，该传感器能够实现从圆钢棒侧面安装并有效的激励出超声导波，对接地网圆钢棒进行腐蚀缺陷检测，获取腐蚀缺陷的位置及腐蚀程度，实现接地网圆钢棒腐蚀的有效检测。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：由多个传感器单元通过轴销9铰接组成环形传感器，其中每个传感器单元包括传感器单元外壳1、滑块3、压电片6、从压电片6正负两极引出的引线5、保护层7、保护层7和滑块3之间填充的背衬材料8，其特征在于：传感器单元外壳1为中空楔体；所述的传感器单元外壳1的宽端位于环形的外侧，传感器单元外壳1的窄端位于环形的内侧，且窄端开口，滑块3位于传感器单元外壳1内，滑块3的内部固定有销钉4，滑块3上设置有可沿所述销钉4滑动的滑槽，滑槽与所述的销钉4相连接，所述的滑块3沿销钉4滑动伸出传感器单元外壳1，滑块3的顶部与传感器单元外壳1的宽端之间安置有弹簧2；滑块3位于传感器单元外壳1的窄端处设置有T型凹槽，压电片6置于所述的T型凹槽内，压电片6的外侧设置有避免与接地网圆钢棒接触时造成损伤的保护层7。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：传感器单元外壳1的材料为铝合金或不锈钢。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：所述滑块3的材料为不锈钢。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：压电片6采用长度伸缩型PZT-5A压电陶瓷片，长×宽×高尺寸为28mm×2.4mm×0.5mm。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：所述传感器单元外壳1上的楔体大头一侧设计有两个销孔，传感器单元之间通过上述两个销孔中的轴销9配合铰接。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：传感器单元外壳1和滑块3采用间隙配合，弹簧2在安装时预紧。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：销钉4和外壳1过盈配合，和滑块3间隙配合，滑块3受到销钉4和弹簧2的限制调整伸出传感器单元外壳1的长度。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：压电片6通过粘接剂粘贴到保护层7内侧，保护层7通过粘接剂粘贴在滑块3前端预留的T型凹槽里。粘接好的压电片6被固定在保护层7上，处于保护层7和滑块3之间，保护层7的作用是保护压电片6。保护层7直接同接地网圆钢棒接触，压电片6工作时激励和接收信号通过保护层7进行传递完成。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：保护层7和滑块3之间填充的背衬材料8将压电片6包裹起来防止压电片直接与水、空气等接触，对于压电片6起到保护作用。背衬材料8能够吸收压电片6背面的能量，降低因压电片6背面超声波反射造成的干扰，能够提高传感器的性能。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：背衬材料8为环氧树脂胶和钨粉的混合物。

所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：依据被检测的直径为14-28mm的接地网钢棒10，选取8至16个传感器单元通过轴销9铰接而成。

本发明的有益效果为：传感器实现了从接地网圆钢棒侧面安装；在使用时，可以依据被检测接地网圆钢棒直径的不同选用不同数量的传感器单元组成传感器；弹簧预紧和滑块式设计可以使得传感器和接地网圆钢棒之间实现微调以达到良好的接触。

附图说明

图1是传感器单元剖面图；

图2是传感器安装检测示意图；

图3是传感器单元爆炸图；

图4是传感器单元主视图；

图5是传感器单元左视剖面图；

图6是传感器单元俯视图；

图中：1、传感器单元外壳，2、弹簧，3、滑块，4、销钉，5、引线，6、压电片，7、保护层，8、背衬材料，9、轴销，10、接地网圆钢棒

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的详述，以下实施例只是描述性的不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。

由图1，图2，图3，图4，图5，图6所示的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器由传感器单元构成，每个传感器单元包括传感器单元外壳1、弹簧2、滑块3、销钉4、引线5、压电片6、保护层7、背衬材料8、轴销9。传感器单元外壳1为头小尾大的中空楔体；传感器单元外壳1和滑块3之间安置一对弹簧2；滑块3通过一对销钉4固定在传感器单元外壳1上；多个传感器单元通过轴销9连接组成传感器。

本发明传感器装配技术方案见图3。第一步将压电片6上下两极焊接上引线5。焊点尽量小且平整，将焊接好引线5的压电片6用502胶粘贴到保护层7上，与其中一端居中对齐。第二步，将组合好的压电片6、引线5和保护层7粘接到滑块3的T型槽内，使引线5从滑块3中心预留的孔中穿过。第三步，将两只弹簧2放入外壳1的空腔中，将滑块3置于外壳1中压紧，将销钉4穿过外壳1和滑块3预留的销孔，引线5从外壳底部中央的螺纹孔中引出。至此，传感器单元就组装完毕了。第四步，将组装好的13个传感器单元用轴销9串联起来构成传感器。

所述传感器外壳1使用铝合金；滑块3使用不锈钢；压电片6采用长度伸缩型PZT-5A压电陶瓷片，长×宽×高尺寸为6mm×2.4mm×0.5mm。

所述外壳1为中空楔体，楔体大头一侧设计两处销孔，两处销孔能够配合铰接。外壳底部设计两个Φ3mm盲孔，用于定位安装弹簧。底部中央开一个M4螺纹孔，用于引线5和外部连接接口。外壳1和滑块3采用间隙配合，弹簧2在安装时预紧。

所述销钉4和外壳1过盈配合，和滑块3间隙配合，滑块3受到销钉4和弹簧2的限制可以调整伸出外壳的长度。

所述弹簧2长度为8mm，直径为2.5mm，引线5为Φ0.45mm的漆包线，保护层7长×宽×高尺寸为14mm×4mm×0.5mm的刚玉片。

所述压电片6通过粘合剂粘贴到保护层7上，保护层7和滑块3通过粘接剂固定。

所述传感器依据被检测直径为Φ22mm的接地网钢棒10，选取13个传感器单元通过轴销9铰接而成。

在检查时依据接地网圆钢棒的直径选用合适的传感器单元数量，外壳和滑块之间的弹簧可以使滑块在检测时根据钢棒直径做出细微调整，使得传感器与被检测钢棒之间自适应接触。在实际使用的时候，8至16个传感器单元组成传感器，可以适用于直径为Φ14-28mm的常用型号接地网钢棒的无损检测，实现传感器沿圆钢棒周侧加载。使得超声导波无损检测方式能够运用于接地网圆钢棒这种无法从端面安置传感器的检测对象。

该发明融传感器和卡具为一体，使得传感器体积小巧、安装容易、使用便利、检测快速，可以高效的对接地网圆钢棒进行检测，同时由于该传感器适应多种规格的接地网圆钢棒、可自适应微调，同时该传感器制造成本低、稳定性好、可重复利用，所以在实际的工程检测中可以得到很好的应用。

Claims (10)

1.接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：由多个传感器单元通过轴销(9)铰接组成环形传感器，其中每个传感器单元包括传感器单元外壳(1)、滑块(3)、压电片(6)、从压电片(6)正负两极引出的引线(5)、保护层(7)、保护层(7)和滑块(3)之间填充的背衬材料(8)，其特征在于：传感器单元外壳(1)为中空楔体；所述的传感器单元外壳(1)的宽端位于环形的外侧，传感器单元外壳(1)的窄端位于环形的内侧，且窄端开口，滑块(3)位于传感器单元外壳(1)内，滑块(3)的内部有销钉(4)，滑块(3)上设置有可沿所述销钉(4)滑动的滑槽，滑槽与所述的销钉(4)相连接，所述的滑块(3)沿销钉(4)滑动伸出传感器单元外壳(1)，滑块(3)的顶部与传感器单元外壳(1)的宽端之间安置有弹簧(2)；滑块(3)位于传感器单元外壳(1)的窄端处设置有T型凹槽，压电片(6)置于所述的T型凹槽内，压电片(6)的外侧设置有避免与接地网圆钢棒接触时造成损伤的保护层(7)。

2.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：传感器单元外壳(1)的材料为铝合金或不锈钢；所述滑块(3)的材料为不锈钢。

3.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：压电片(6)采用长度伸缩型PZT-5A压电陶瓷片，长×宽×高尺寸为6-28mm×2.4mm×0.5mm。

4.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：所述传感器单元外壳(1)上的楔体宽端一侧设计有两个销孔，传感器单元之间通过上述两个销孔中的轴销(9)配合铰接。

5.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：传感器单元外壳(1)和滑块(3)采用间隙配合，弹簧(2)在安装时预紧。

6.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：销钉(4)和外壳(1)过盈配合，和滑块(3)间隙配合，滑块(3)受到销钉(4)和弹簧(2)的限制调整伸出传感器单元外壳(1)的长度。

7.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：压电片(6)通过粘接剂粘贴到保护层(7)内侧，保护层(7)通过粘接剂粘贴在滑块(3)前端预留的T型凹槽里；粘接好的压电片(6)被固定在保护层(7)上，处于保护层(7)和滑块(3)之间，保护层(7)的作用是保护压电片(6)在使用时不被损坏；保护层(7)直接同接地网圆钢棒接触，压电片(6)工作时激励和接收的振动信号通过保护层(7)进行传递；压电片(6)激励和接收的电信号通过引线(5)和接收仪器连接。

8.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：保护层(7)和滑块(3)之间填充背衬材料(8)将压电片(6)包裹起来防止压电片直接与水、空气接触，对于压电片(6)起到保护作用；背衬材料(8)能够吸收压电片(6)背面的能量，降低因压电片(6)背面超声波反射造成的干扰，能够提高传感器的性能。

9.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：所述背衬材料(8)为环氧树脂胶和钨粉的混合物。

10.如权利要求1所述的接地网圆钢棒腐蚀检测周侧加载传感器，其特征在于：依据被检测的直径为14-28mm的接地网钢棒(9)，选取8至16个传感器单元通过轴销(9)铰接而成。