賈恒

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉林供電局，廣西 玉林 537000)

1 引言

電力桿塔地腳螺栓是支撐桿塔結(jié)構(gòu)的重要部件，預(yù)埋在基座基礎(chǔ)中，受到周圍介質(zhì)的侵蝕和電纜重力以及風(fēng)動(dòng)負(fù)載的拉拔力和剪切力共同作用。地腳螺栓的腐蝕程度、完整性的檢測(cè)以及與周圍介質(zhì)裹握力的測(cè)算是目前困擾工程界的一個(gè)難題，至今尚未有較為成熟方法和儀器能夠檢測(cè)電力桿塔地腳螺栓的結(jié)構(gòu)完整性及與周圍介質(zhì)的裹握力。因此，研發(fā)地腳螺栓無損檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)保障電力桿塔穩(wěn)定以及保證輸電線路安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

2 磁致伸縮導(dǎo)波缺陷檢測(cè)原理

桿塔地腳螺栓具有磁致伸縮特性，在外加磁場(chǎng)的作用下，地腳螺栓內(nèi)部會(huì)發(fā)生細(xì)微變化從而在螺栓內(nèi)部產(chǎn)生彈性縱波。而磁致伸縮逆作用是隨著彈性縱波在螺栓內(nèi)傳播，由于螺栓內(nèi)部的各部分發(fā)生變化，磁導(dǎo)率發(fā)生改變，導(dǎo)致彈性縱波的傳播特性發(fā)生變化，進(jìn)一步改變磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化可以反應(yīng)螺栓外形的改變。通過高精度的傳感器接收此類磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，并且使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形分析即可檢測(cè)出地腳螺栓內(nèi)是否存在裂紋或腐蝕等缺陷[1]。

對(duì)于如地腳螺栓類的非線性各向同性的鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下的磁致伸縮效應(yīng)模型如式(1)所示[2]:

式中:λ為磁致伸縮系數(shù)；λs為飽和磁致伸縮常數(shù)，由材料決定；Ms為飽和磁化強(qiáng)度；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，H為外加磁場(chǎng)強(qiáng)度；M為鐵磁材料被施加磁場(chǎng)后產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度。

當(dāng)外加磁場(chǎng)H變化時(shí)，由式(1)可知，將引起地腳螺栓內(nèi)部λ改變，從而產(chǎn)生內(nèi)部形變，由內(nèi)部形變產(chǎn)生彈性縱波在地腳螺栓內(nèi)傳播[2]。

3 磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于磁致伸縮導(dǎo)波的桿塔地腳螺栓無損檢測(cè)系統(tǒng)，主要檢測(cè)其完整性、長(zhǎng)度和與基礎(chǔ)的裹握力，也就是螺栓與周圍基礎(chǔ)的耦合程度的好壞。由于地腳螺栓預(yù)埋在基礎(chǔ)的混泥土中，長(zhǎng)期受到氣象負(fù)載和輸電導(dǎo)線負(fù)載的拉拔、剪切和震動(dòng)所帶來的上拔力與下壓力，還有基礎(chǔ)的缺陷以及滲入各種電解質(zhì)的腐蝕，但國(guó)內(nèi)外尚無成熟檢測(cè)方法和設(shè)備。項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由激勵(lì)大功率脈沖電源、激勵(lì)線圈、接收傳感器和便攜式檢測(cè)儀組成。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)地腳螺栓采用工程螺栓模型和磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)，在地腳螺栓的地面露頭部分，套入線圈激發(fā)脈沖磁場(chǎng)，利用地腳螺栓的磁致伸縮特性，在螺栓中激發(fā)出單一的彈性縱波(S波)。該縱波從地腳螺栓的缺陷部位和底端反射回端頭，在螺栓端頭采用壓電加速度傳感器檢測(cè)縱波的反射波的時(shí)程和形狀，無損檢測(cè)地腳螺栓的長(zhǎng)度和缺陷及地腳螺栓的完整性。根據(jù)螺栓中的縱波能量耗散曲線和衰減時(shí)間常數(shù)，間接地判測(cè)地腳螺栓與周圍基礎(chǔ)的裹握力。

3.2 激勵(lì)單元

激勵(lì)單元的主要作用是利用大功率脈沖電源及激勵(lì)線圈對(duì)地腳螺栓施加外加磁場(chǎng)，從而引發(fā)地腳螺栓的磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生在地腳螺栓內(nèi)傳播的彈性縱波。激勵(lì)單元按功能區(qū)分可由集成于功率脈沖電源與激勵(lì)線圈中的信號(hào)發(fā)生放大模塊、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、磁致伸縮激勵(lì)換能器等組成。

(1)信號(hào)發(fā)生放大模塊

在進(jìn)行地腳螺栓的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)時(shí)，可采用Hanning窗信號(hào)與正弦信號(hào)經(jīng)乘法器調(diào)制后的信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，表達(dá)式如式(3)所示。

式中:f為超聲導(dǎo)波的頻率；n為正弦脈沖的周期數(shù)。

超聲導(dǎo)波對(duì)于不同傳播對(duì)象其傳播特性也會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，因此對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象需調(diào)整激勵(lì)信號(hào)的Hanning窗口、頻率及激勵(lì)脈沖間隔時(shí)間等參數(shù)。采用Hanning窗信號(hào)與正弦信號(hào)調(diào)制可減少導(dǎo)波模式數(shù)，使得能量集中以提升信號(hào)檢測(cè)的效率。該激勵(lì)信號(hào)的波形變化平穩(wěn)，在對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大時(shí)具有較好的效果。

激勵(lì)信號(hào)在產(chǎn)生之后，其功率較小并不能直接驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈，因此需對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大使其能夠驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生施加給地腳螺栓的外部磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓內(nèi)部磁致伸縮超聲導(dǎo)波的激勵(lì)。此外，由于磁致伸縮導(dǎo)波的檢測(cè)對(duì)頻率要求較高，一般可達(dá)30kHz～150kHz，導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)在放大時(shí)要求的瞬時(shí)功率應(yīng)達(dá)到千瓦以上。所以本文選用了功率較大的放大器 AETechron7224，該放大器不同于普通50Ω功率放大器，其具有三個(gè)不同檔位可進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別是高電壓/低電流、中電壓/中電流、低電壓/高電流模式，對(duì)應(yīng)不同的輸出阻抗，因此在使用之前還需對(duì)放大器進(jìn)行阻抗匹配以獲得最優(yōu)放大效果，同時(shí)防止因電流過大燒壞放大器。AETechron7224還具有低噪聲和快速擺率的特點(diǎn)，可以安全地驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載。

(2)阻抗匹配模塊

阻抗匹配主要有源端串聯(lián)、終端并聯(lián)、AC終端并聯(lián)、戴維南端接四種方式。本文所選用的放大器具有高電壓/低電流、中電壓/中電流、低電壓/高電流三個(gè)檔位，不同的檔位對(duì)應(yīng)不同的輸出阻抗。當(dāng)功率放大器為高電壓/低電流檔位時(shí)，放大器所需匹配的電阻較大；當(dāng)為低電壓/高電流檔位時(shí)，放大器所需匹配的電阻較小；當(dāng)為中電壓/中電流檔位時(shí)，放大器所需匹配的電阻介于較大和較小之間。

(3)磁致伸縮換能器

地腳螺栓的磁致伸縮導(dǎo)波檢測(cè)是通過對(duì)螺栓內(nèi)部縱向?qū)Рǖ臋z測(cè)實(shí)現(xiàn)，橫向?qū)Рú⒉荒茌^好地反應(yīng)地腳螺栓中存在的缺陷信息。因此為在地腳螺栓中激發(fā)縱向?qū)Р?，需使用磁致伸縮換能器將螺栓外部施加的均勻交變磁場(chǎng)與偏置磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向均調(diào)整為與地腳螺栓的軸線方向平行，偏置磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，交變磁場(chǎng)由換能器激勵(lì)線圈產(chǎn)生。

3.3 接收單元

當(dāng)彈性縱波在地腳螺栓內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮逆效應(yīng)，改變螺栓內(nèi)部磁導(dǎo)率，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。利用導(dǎo)波接收單元可對(duì)此類磁感應(yīng)變化進(jìn)行檢測(cè)接收，接收單元主要由集成于接收傳感器與便攜式檢測(cè)儀中的前置放大模塊、信號(hào)采集等組成。

(1)前置放大模塊

接收傳感器在檢測(cè)地腳螺栓導(dǎo)波信號(hào)時(shí)需對(duì)首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，對(duì)于放大電路中容易產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁信號(hào)干擾，應(yīng)加入限幅電容。此外，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)30kHz～150kHz范圍不同頻率信號(hào)的檢測(cè)，還需增加電容選擇來實(shí)現(xiàn)在不同頻率段內(nèi)的相位偏移，滿足所需的移相角度。

(2)信號(hào)采集

由高精度便攜式檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集，由于經(jīng)過前置放大模塊后的信號(hào)同樣也是毫伏級(jí)，因此需采用高靈敏度的采集卡，更好地檢測(cè)縱波信號(hào)。

4 磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

檢測(cè)系統(tǒng)首先功率脈沖電源輸出電流脈沖到激勵(lì)線圈，在地腳螺栓的端頭激發(fā)出磁致伸縮縱波，該縱波從端頭沿著地腳螺栓向底端傳播。在腐蝕的缺陷部位和底端反射一部分到端頭，這部分由接收傳感器接收作為分析處理的信號(hào)。該縱波來回在端頭和底端傳播，最后，大部分能量耗散到周圍介質(zhì)中，這是一個(gè)震蕩衰減過程。在模型樁實(shí)際測(cè)試波形圖如圖2所示。

圖2 模型樁測(cè)試時(shí)域和頻域波形圖

其中，上半部分是時(shí)域波形，下半部分是頻域圖，可以看出本文設(shè)計(jì)的桿塔地腳螺栓檢測(cè)系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)磁致伸縮導(dǎo)波的檢測(cè)。系統(tǒng)的工作過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

如圖所示，在利用便攜式檢測(cè)儀接收到地腳螺栓縱波信號(hào)，進(jìn)一步地計(jì)算縱波反射時(shí)程、螺栓長(zhǎng)度、衰減時(shí)間以及能量耗散特性等參數(shù)，根據(jù)地腳螺栓的額定參數(shù)，判斷螺栓潛在的缺陷問題，最后出具檢測(cè)報(bào)告。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于磁致伸縮導(dǎo)波的電力桿塔地腳螺栓缺陷無損檢測(cè)系統(tǒng)，在分析磁致伸縮導(dǎo)波缺陷檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)地腳螺栓的兩大模塊:激勵(lì)單元與接收單元進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且對(duì)其系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在模型樁的實(shí)際測(cè)試效果顯示，系統(tǒng)可以較好地檢測(cè)地腳螺栓的磁致伸縮導(dǎo)波，從而達(dá)到檢測(cè)螺栓內(nèi)部缺陷的目的。