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、完整性的檢測以及與周圍介質(zhì)裹握力的測算是目前困擾工程界的一個難題，至今尚未有較為成熟方法和儀器能夠檢測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)地腳螺栓無損檢測系統(tǒng)對保障電力桿塔穩(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)波缺陷檢測原理

桿塔地腳螺栓具有磁致伸縮特性，在外加磁場的作用下，地腳螺栓內(nèi)部會發(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出地腳螺栓內(nèi)是否存在裂紋或腐蝕等缺陷[1]。

對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為相對磁導(dǎo)率，H為外加磁場強(qiáng)度；M為鐵磁材料被施加磁場后產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度。

當(dāng)外加磁場H變化時，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系統(tǒng)，主要檢測其完整性、長度和與基礎(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，但國內(nèi)外尚無成熟檢測方法和設(shè)備。項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由激勵大功率脈沖電源、激勵線圈、接收傳感器和便攜式檢測儀組成。

圖1 檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)對地腳螺栓采用工程螺栓模型和磁致伸縮導(dǎo)波無損檢測技術(shù)，在地腳螺栓的地面露頭部分，套入線圈激發(fā)脈沖磁場，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縱波的反射波的時程和形狀，無損檢測地腳螺栓的長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間常數(shù)，間接地判測地腳螺栓與周圍基礎(chǔ)的裹握力。

3.2 激勵單元

激勵單元的主要作用是利用大功率脈沖電源及激勵線圈對地腳螺栓施加外加磁場，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。激勵單元按功能區(qū)分可由集成于功率脈沖電源與激勵線圈中的信號發(fā)生放大模塊、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、磁致伸縮激勵換能器等組成。

(1)信號發(fā)生放大模塊

在進(jìn)行地腳螺栓的磁致伸縮導(dǎo)波檢測時，可采用Hanning窗信號與正弦信號經(jīng)乘法器調(diào)制后的信號作為激勵信號，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)波對于不同傳播對象其傳播特性也會呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，因此對于不同的檢測對象需調(diào)整激勵信號的Hanning窗口、頻率及激勵脈沖間隔時間等參數(shù)。采用Hanning窗信號與正弦信號調(diào)制可減少導(dǎo)波模式數(shù)，使得能量集中以提升信號檢測的效率。該激勵信號的波形變化平穩(wěn)，在對其進(jìn)行信號放大時具有較好的效果。

激勵信號在產(chǎn)生之后，其功率較小并不能直接驅(qū)動激勵線圈，因此需對激勵信號進(jìn)行放大使其能夠驅(qū)動線圈產(chǎn)生施加給地腳螺栓的外部磁場，實(shí)現(xiàn)對螺栓內(nèi)部磁致伸縮超聲導(dǎo)波的激勵。此外，由于磁致伸縮導(dǎo)波的檢測對頻率要求較高，一般可達(dá)30kHz～150kHz，導(dǎo)致激勵信號在放大時要求的瞬時功率應(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，對應(yīng)不同的輸出阻抗，因此在使用之前還需對放大器進(jìn)行阻抗匹配以獲得最優(yōu)放大效果，同時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/高電流三個檔位，不同的檔位對應(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，放大器所需匹配的電阻較大；當(dāng)為低電壓/高電流檔位時，放大器所需匹配的電阻較?。划?dāng)為中電壓/中電流檔位時，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)波檢測是通過對螺栓內(nèi)部縱向?qū)Рǖ臋z測實(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與偏置磁場的磁場方向均調(diào)整為與地腳螺栓的軸線方向平行，偏置磁場由永磁體產(chǎn)生，交變磁場由換能器激勵線圈產(chǎn)生。

3.3 接收單元

當(dāng)彈性縱波在地腳螺栓內(nèi)部傳播時會產(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)波接收單元可對此類磁感應(yīng)變化進(jìn)行檢測接收，接收單元主要由集成于接收傳感器與便攜式檢測儀中的前置放大模塊、信號采集等組成。

(1)前置放大模塊

接收傳感器在檢測地腳螺栓導(dǎo)波信號時需對首先對信號進(jìn)行放大處理，對于放大電路中容易產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁信號干擾，應(yīng)加入限幅電容。此外，為了實(shí)現(xiàn)對30kHz～150kHz范圍不同頻率信號的檢測，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)信號采集

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

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

檢測系統(tǒng)首先功率脈沖電源輸出電流脈沖到激勵線圈，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。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，這是一個震蕩衰減過程。在模型樁實(shí)際測試波形圖如圖2所示。

圖2 模型樁測試時域和頻域波形圖

其中，上半部分是時域波形，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系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)對磁致伸縮導(dǎo)波的檢測。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，在利用便攜式檢測儀接收到地腳螺栓縱波信號，進(jìn)一步地計(jì)算縱波反射時程、螺栓長度、衰減時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系統(tǒng)，在分析磁致伸縮導(dǎo)波缺陷檢測原理的基礎(chǔ)上，對地腳螺栓的兩大模塊:激勵單元與接收單元進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并且對其系統(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)際測試效果顯示，系統(tǒng)可以較好地檢測地腳螺栓的磁致伸縮導(dǎo)波，從而達(dá)到檢測螺栓內(nèi)部缺陷的目的。