CN115290746A - 一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质 - Google Patents

一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质 Download PDF

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范松海
刘凤莲
李巍巍
张榆
罗东辉
穆舟
夏亚龙
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Abstract

本发明公开了一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质，获取第一参数与第二参数；基于第一参数与第二参数，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型；将有限元涡流探头模型导入MATLAB软件中，并通过MATLAB软件计算磁感应强度幅值数据集，获得第三参数；将第一参数与第三参数作为训练数据集，采用遗传算法，并在约束条件下，对训练数据集优化处理，获得最优脉冲涡流探头；本发明的有益效果为实现了通过设置的最优脉冲涡流探头对电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷的准确检测，避免了高压电缆绝缘失效或跳闸事故固定情况出现。

Description

一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质
技术领域
本发明涉及高压输变电设备无损检测技术领域，具体而言，涉及一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质。
背景技术
高压电缆是城市地下能源综合通道建设和海上风电并网的关键要素。电缆铅封作为高压电缆的关键附件，直接影响高压电缆的安全稳定运行。若因现场安装质量不合格或运行中的外部因素导致电缆铅封出现开裂或内部空洞等缺陷，容易引起水汽侵入和电缆接地不良，继而诱发高压电缆绝缘失效或跳闸事故。因此，为保证高压电缆服役寿命，有必要对高压电缆铅封运行状态实施无损检测与评估，从而及时发现电缆铅封缺陷。
电缆铅封无损检测与评估技术是以不损伤其材质和使用性能为前提，依据其自身构造引发的电磁、超声、射线等信号的改变，对电缆铅封完整性和可靠性等特性参数进行检测和评估的综合性技术。目前，针对电缆铅封结构，实际使用的无损检测方法有超声波检测法、涡流检测法、射线检测法和回路电阻检测法等，但是超声波检测法需要在探头和被测物体之间添加耦合剂，受制于电缆铅封表面较大的曲率，存在超声耦合困难、成像精度低的问题；射线检测法受限于电缆接头处狭窄的空间，无法完成完整的铅封探伤；因此，采用现有技术方法对电缆铅封内部缺陷进行检测的时候，无法准确检测出电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷，严重的时候，会造成高压电缆绝缘失效或跳闸事故出现。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是采用现有技术对电缆铅封内部缺陷检测，无法准确检测出铅封内部以及铅封与铝护套层之间的缺陷，从而造成高压电缆绝缘失效或跳闸事故出现，目的在于提供一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质，能够准确的检测出铅封内部以及铅封与铝护套层之间的缺陷，避免了高压电缆绝缘失效或跳闸事故固定情况出现。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，方法步骤包括：
获取第一参数与第二参数，所述第一参数为待构建脉冲涡流探头的特征参数，所述第二参数为高压电缆铅封的特性参数；
基于所述第一参数与所述第二参数，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型；
将所述有限元涡流探头模型导入MATLAB软件中，并通过MATLAB软件计算磁感应强度幅值数据集，获得第三参数；
将所述第一参数与所述第三参数作为训练数据集，采用遗传算法，并在约束条件下，对所述训练数据集进行优化处理，直到线圈底部中心涡流检测信号达到最大值时，获得最优脉冲涡流探头。
传统的对高压电缆铅封内的缺陷进行无损检测的时候，通常采用的是超声波检测法或涡流检测法或射线检测法，但是在采用这些方法对高压电缆铅封进行无损检测的时候，通常无法准确的检测出电缆铅封内部缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷，本发明提供了一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，通过将MATLAB与有限元分析软件相互结合的方式，对设计的脉冲涡流探头模型进行优化的模式，实现了通过设置的最优脉冲涡流探头对电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷的准确检测，避免了高压电缆绝缘失效或跳闸事故固定情况出现。
优选地，所述第一参数包括待构建脉冲涡流探头的激励线圈内径R、线圈宽度W以及线圈高度H。
优选地，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型的子步骤包括：
基于所述第一参数与所述第二参数，构建二维轴对称几何模型，并将外表面包覆防水带材的电缆铅封处理为上表面覆盖绝缘层的铅板；
根据电缆铅封探伤标准规程，将涡流探头空间位置设置为与铅板上表面绝缘层接触；
将所述第一参数设置为可调参数，并设置以线圈底部中心为涡流检测信号观测点，获得有限元涡流探头模型。
优选地，在所述铅板内部设置直径为1mm的球形缺陷，模拟电缆铅封内部缺陷，缺陷的凹槽埋深设置为可调变量D。
优选地，所述磁感应强度幅值数据集的计算子步骤包括：
将通过MATLAB软件将激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H以及凹槽埋深D的范围分别设置为[R1，R2]、[W1，W2]、[H1，H2]、[D1，D2]；
将R、W、H以及D的计算步长分别设置为(R2-R1)/ni、(W2-W1)/ni、(H2-H1)/ni、(D2-D1)/nj， ni为激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H的步长分割段数，nj为凹槽埋深D的步长分割段数；
计算在不同R、W、H以及D数值下的磁感应强度幅值，获得磁感应强度幅值数据集。
优选地，所述有限元涡流探头模型中，设置的具体参数为：在空气区域r方向的宽度设置为20W、z方向的宽度设置为20H，激励线圈的匝数为90匝，脉冲电流的幅度为1V，频率为32Hz。
优选地，所述铅板的厚度为12mm，所述铅板的电阻率设置为2.1×10-7Ω·m，所述铅板上表面绝缘层的厚度为5mm，所述铅板上表面绝缘层的电阻率设置为1×1010Ω·m。
优选地，所述有限元分析软件为COMSOL Multiphysics软件。
优选地，所述约束条件具体包括：
Figure RE-GDA0003863668210000031
本发明还公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的方法。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法及存储介质，通过将MATLAB与有限元分析软件相互结合的方式，对设计的脉冲涡流探头模型进行优化的模式，实现了通过设置的最优脉冲涡流探头对电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷的准确检测，避免了高压电缆绝缘失效或跳闸事故固定情况出现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为构建方法示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
本实施例公开了一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，本实施例中，主要是通过将有限元分析方法与MATLAB软件结合起来，建立脉冲涡流探头的模型，在通过MATLAB 软件对构建的模型进行优化，选取优化后获得的最优尺寸来建立相应的脉冲涡流探头，将获得的探头用于检测电缆铅封缺陷，通过方法步骤包括：
获取第一参数与第二参数，所述第一参数为待构建脉冲涡流探头的特征参数，所述第二参数为高压电缆铅封的特性参数；所述第一参数包括待构建脉冲涡流探头的激励线圈内径R、线圈宽度W以及线圈高度H。
本实施例中，为了实现对脉冲涡流探头模型进行几何模型的构建，需要脉冲涡流探头的尺寸来建立相应的模型，且在建立的模型中，仿照获取的电缆铅封的参数进行模型的构建，根据高压电缆铅封和脉冲涡流探头的特征参数，以实现探头最大灵敏度和探测电缆铅封内部缺陷为目标，设计并优化一种脉冲涡流探头的几何尺寸。
基于所述第一参数与所述第二参数，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型；
通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型的子步骤包括：
基于所述第一参数与所述第二参数，构建二维轴对称几何模型，并将外表面包覆防水带材的电缆铅封处理为上表面覆盖绝缘层的铅板；
根据电缆铅封探伤标准规程，将涡流探头空间位置设置为与铅板上表面绝缘层接触；
将所述第一参数设置为可调参数，并设置以线圈底部中心为涡流检测信号观测点，获得有限元涡流探头模型。
在所述铅板内部设置直径为1mm的球形缺陷，模拟电缆铅封内部缺陷，缺陷的凹槽埋深设置为可调变量D。所述有限元涡流探头模型中，设置的具体参数为：在空气区域r方向的宽度设置为20W、z方向的宽度设置为20H，激励线圈的匝数为90匝，脉冲电流的幅度为1V，频率为32Hz；所述铅板的厚度为12mm，所述铅板的电阻率设置为2.1×10-7Ω·m，所述铅板上表面绝缘层的厚度为5mm，所述铅板上表面绝缘层的电阻率设置为1×1010Ω·m。
将外表面包覆防水带材的电缆铅封简化处理为上表面覆盖绝缘层的铅板，并建立二维轴对称几何模型；根据电缆铅封探伤标准规程，将涡流探头空间位置设置为与铅板上表面绝缘层接触；将涡流探头激励线圈内径、宽度和高度分别设置为可调变量R、W和H，以线圈底部中心为涡流检测信号观测点。
将所述有限元涡流探头模型导入MATLAB软件中，并通过MATLAB软件计算磁感应强度幅值数据集，获得第三参数；
所述磁感应强度幅值数据集的计算子步骤包括：
将通过MATLAB软件将激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H以及凹槽埋深D的范围分别设置为[R1，R2]、[W1，W2]、[H1，H2]、[D1，D2]；
将R、W、H以及D的计算步长分别设置为(R2-R1)/ni、(W2-W1)/ni、(H2-H1)/ni、(D2-D1)/nj， ni为激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H的步长分割段数，nj为凹槽埋深D的步长分割段数；
计算在不同R、W、H以及D数值下的磁感应强度幅值，获得磁感应强度幅值数据集。
：将建立好的有限元仿真模型保存为后缀为.m的文件，再导入MATLAB脚本程序；在MATLAB脚本程序中将R、W、H和D的范围分别设置为[R1,R2]、[W1,W2]、[H1,H2]和[D1,D2]；将R、W、H和D的计算步长分别设置为(R2-R1)/ni、(W2-W1)/ni、(H2-H1)/ni和(D2-D1)/nj，循环调用导入的.m有限元程序，计算不同R、W、H和D下的线圈底部中心磁感应强度幅值Bij，并将计算结果依次储存在MATLAB预设数组中；将不同R、W、H和D下的Bij值作为训练集，利用MATLAB中内嵌的基于遗传算法的有约束最优化问题工具箱，在约束条件为
Figure RE-GDA0003863668210000051
求解使线圈底部中心涡流检测信号达到最大值时的脉冲涡流探头最优几何尺寸Ro、Wo和Ho。
将所述第一参数与所述第三参数作为训练数据集，采用遗传算法，并在约束条件下，对所述训练数据集进行优化处理，直到线圈底部中心涡流检测信号达到最大值时，获得最优脉冲涡流探头。获得的最优模型即为在设计的时候，最优的尺寸参数就是在真实设计的脉冲涡流探头模型的尺寸参数，且通过该方法设计出来的模型，能够精确的检测出电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷，避免了高压电缆的失效或跳闸情况出现。
本实施例中，设置的有限元分析软件为COMSOL Multiphysics软件，但是不限制于这种软件。
具体实施过程：
构建模型：为避免仿真区域尺寸对仿真精度的影响，将空气区域r方向的宽度设置为20 W、z方向的宽度设置为20H、电阻率设置为1×1016Ω·m、磁导率设置为1；根据电力行业标准DL/T 344—2010对电缆铅封厚度的相关规定，将铅板厚度设置为12mm、宽度设置为5W、电阻率设置为2.1×10-7Ω·m、磁导率设置为1，将铅板表面绝缘层厚度设置为5mm、宽度设置为5W、电阻率设置为1×1010Ω·m、磁导率设置为1；在铅板内部设置直径为1mm 的球形缺陷以模拟电缆铅封内部缺陷，球形缺陷埋深为12mm；将激励线圈的匝数设置为90 匝，并在其中引入幅度为1V、频率为32Hz的脉冲电流；将物理场设置为磁场、网格剖分方式设置为自动剖分、求解器设置为默认求解器；最后，将建立的有限元仿真模型保存为后缀为.m、命名为‘A’的MATLAB模型文件。
R1、R2、W1、W2、H1、H2、D1、D2、ni和nj分别取为1mm、10mm、3mm、15mm、3 mm、15mm、9mm、12mm、3和5，计算了不同R、W、H和D下的线圈底部中心磁感应强度幅值Bij值；利用不同R、W、H和D下的Bij值(共4×5×5×6＝600组数据)作为训练集，利用遗传算法通过四阶多项式拟合线圈底部中心涡流检测信号之和，即磁感应强度幅值之和
Figure RE-GDA0003863668210000061
得到其正比于
Figure RE-GDA0003863668210000062
并进一步通过求解其取最大值时的R、W和H得到脉冲涡流探头最优几何尺寸Ro、Wo和Ho分别为10mm、15mm和15mm。
本实施例公开的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，通过将MATLAB与有限元分析软件相互结合的方式，对设计的脉冲涡流探头模型进行优化的模式，实现了通过设置的最优脉冲涡流探头对电缆铅封内部的缺陷以及铅封与铝护套层之间的缺陷的准确检测，避免了高压电缆绝缘失效或跳闸事故固定情况出现。
实施例二
本实施例公开了一种计算机存储介质，其上存储有计算程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例一所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和 /或方框图来描述的。应理解可由计算机程序发布指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序发布指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的发布指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序发布指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的发布指令产生包括发布指令装置的制造品，该发布指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序发布指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的发布指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，方法步骤包括：
获取第一参数与第二参数，所述第一参数为待构建脉冲涡流探头的特征参数，所述第二参数为高压电缆铅封的特性参数；
基于所述第一参数与所述第二参数，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型；
将所述有限元涡流探头模型导入MATLAB软件中，并通过MATLAB软件计算磁感应强度幅值数据集，获得第三参数；
将所述第一参数与所述第三参数作为训练数据集，采用遗传算法，并在约束条件下，对所述训练数据集进行优化处理，直到线圈底部中心涡流检测信号达到最大值时，获得最优脉冲涡流探头。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述第一参数包括待构建脉冲涡流探头的激励线圈内径R、线圈宽度W以及线圈高度H。
3.根据权利要求2所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，通过有限元分析软件构建二维轴对称的有限元涡流探头模型的子步骤包括：
基于所述第一参数与所述第二参数，构建二维轴对称几何模型，并将外表面包覆防水带材的电缆铅封处理为上表面覆盖绝缘层的铅板；
根据电缆铅封探伤标准规程，将涡流探头空间位置设置为与铅板上表面绝缘层接触；
将所述第一参数设置为可调参数，并设置以线圈底部中心为涡流检测信号观测点，获得有限元涡流探头模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，在所述铅板内部设置直径为1mm的球形缺陷，模拟电缆铅封内部缺陷，缺陷的凹槽埋深设置为可调变量D。
5.根据权利要求4所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述磁感应强度幅值数据集的计算子步骤包括：
将通过MATLAB软件将激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H以及凹槽埋深D的范围分别设置为[R1，R2]、[W1，W2]、[H1，H2]、[D1，D2]；
将R、W、H以及D的计算步长分别设置为(R2-R1)/ni、(W2-W1)/ni、(H2-H1)/ni、(D2-D1)/nj，ni为激励线圈内径R、线圈宽度W、线圈高度H的步长分割段数，nj为凹槽埋深D的步长分割段数；
计算在不同R、W、H以及D数值下的磁感应强度幅值，获得磁感应强度幅值数据集。
6.根据权利要求2所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述有限元涡流探头模型中，设置的具体参数为：在空气区域r方向的宽度设置为20W、z方向的宽度设置为20H，激励线圈的匝数为90匝，脉冲电流的幅度为1V，频率为32Hz。
7.根据权利要求3所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述铅板的厚度为12mm，所述铅板的电阻率设置为2.1×10-7Ω·m，所述铅板上表面绝缘层的厚度为5mm，所述铅板上表面绝缘层的电阻率设置为1×1010Ω·m。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述有限元分析软件为COMSOL Multiphysics软件。
9.根据权利要求5所述的一种基于有限元分析的脉冲涡流探头构建方法，其特征在于，所述约束条件具体包括：
Figure FDA0003763051010000021
10.一种计算机存储介质，其上存储有计算程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1～9任一所述的方法。
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