劉云飛 楊 友 章小彬 劉飛揚(yáng) 劉婧珂 羅晨瑀 劉 軍 劉 闖

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司荊門供電公司，湖北 荊門 448000）

0 引言

變電站是電力系統(tǒng)的“心臟”和樞紐，承擔(dān)著電能輸送和分配的功能，一旦發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致大范圍停電，因此維持變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。變電站內(nèi)有很多鋼筋混凝土構(gòu)架，包括設(shè)備混凝土基礎(chǔ)、母線（管）混凝土橫梁和混凝土桿（砼）等[1]。在鋼筋混凝土澆筑過(guò)程中，建設(shè)者通常太過(guò)于追求混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)其耐久性并不重視。鋼筋混凝土的耐久性就是其暴露在惡劣的環(huán)境中以及承受本身結(jié)構(gòu)作用的過(guò)程中，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍能維持其自身性能的能力[2]。但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般在未達(dá)到預(yù)期的服役年限之前就已不再可靠，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已無(wú)法承受自身的重量和外部因素的影響，因此頻頻引發(fā)安全事故。

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生危害的因素有很多，包括鋼筋銹蝕、惡劣環(huán)境影響等，據(jù)統(tǒng)計(jì)鋼筋銹蝕是危害最嚴(yán)重的因素之一。鋼筋銹蝕會(huì)生成鐵銹使其橫截面積減少，造成混凝土表面和內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。另外，混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫，將進(jìn)一步加快鋼筋銹蝕，這兩種影響因素會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)[3]。鋼筋銹蝕對(duì)變電站混凝土構(gòu)架的耐久性和可靠性產(chǎn)生不良影響，大大降低了使用年限，嚴(yán)重威脅變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。因此，實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)成為了當(dāng)下的重點(diǎn)課題。

鋼筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，目前常用的有源、有線檢測(cè)方式在施工時(shí)會(huì)損壞混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到變電站的重要性和特殊性，在檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)避免破壞其鋼筋混凝土架構(gòu)的完整性和耐久性，因此需采用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[5]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是利用聲、電和磁等對(duì)混凝土缺陷結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理反應(yīng)，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其與各項(xiàng)性能指標(biāo)的關(guān)系，來(lái)判定混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)[6]。無(wú)損檢測(cè)方法有很多種，如電磁法、宏電流法、交流阻抗法等，據(jù)統(tǒng)計(jì)電磁檢測(cè)法適用場(chǎng)合最多。電磁檢測(cè)法具有無(wú)引線、無(wú)源的特點(diǎn)，避免了實(shí)際操作事對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的損害。

傳統(tǒng)的電磁檢測(cè)系統(tǒng)只能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼筋的銹蝕程度，存在一定的局限性。因此，本文在傳統(tǒng)電磁檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站混凝土構(gòu)架里鋼筋銹蝕的實(shí)時(shí)無(wú)引線檢測(cè)。本系統(tǒng)操作方便、測(cè)量準(zhǔn)確，滿足對(duì)變電站混凝土構(gòu)架進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)的要求。

1 電磁檢測(cè)系統(tǒng)原理

電磁檢測(cè)系統(tǒng)以LC振蕩電路為基礎(chǔ)，由四個(gè)模塊組成，包括埋入式傳感器、外部檢測(cè)電路、數(shù)據(jù)處理及人機(jī)交互系統(tǒng)和無(wú)線收發(fā)器[7]。在運(yùn)行過(guò)程中由埋入式傳感器來(lái)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)里鋼筋銹蝕狀態(tài)，再利用電磁耦合的方式將采集到的模擬信號(hào)傳送到外部檢測(cè)電路，然后把模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)并通過(guò)無(wú)線收發(fā)器發(fā)送給終端并顯示。鋼筋銹蝕檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖如圖1所示。

圖1 鋼筋銹蝕檢測(cè)系統(tǒng)的組成圖

本文主要設(shè)計(jì)電磁檢測(cè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的兩個(gè)模塊：傳感器電路和外部檢測(cè)電路。傳感器電路的感應(yīng)電感L2經(jīng)過(guò)密封處理后提前放入混凝土結(jié)構(gòu)里，外部檢測(cè)電路的讀取電感L1放在表面，位置與感應(yīng)電感正對(duì)，如圖2所示。

圖2 電磁傳感器的安裝圖

傳感器電路由L2、電容與鋼筋等效物組成，外部檢測(cè)電路由L1與信號(hào)發(fā)生電路組成。信號(hào)發(fā)生電路生成信號(hào)傳送到L1，會(huì)讓其產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，若傳感器電路諧振頻率與該磁場(chǎng)頻率一樣，則L1阻抗最小，可據(jù)此性質(zhì)來(lái)確定傳感器電路的頻率，原理圖如圖3所示。

圖3 電磁耦合電路

由圖3可知，在L1上施加交變電流I1會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)交變磁場(chǎng)穿過(guò)L2就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2，如此就實(shí)現(xiàn)了對(duì)L2無(wú)源供電的目的[8]。但此電路的效率較低，改進(jìn)方法是在L2兩端并聯(lián)電容C，該電路的公式可由湯姆遜公式推出：

綜上可得如下的公式：

化簡(jiǎn)得：

其中，Z表示L1的等效阻抗，ZL2表示L2對(duì)L1的耦合阻抗[9]。

根據(jù)式（3）能推導(dǎo)出以下的特殊頻率點(diǎn)：

（1）當(dāng)ω=0時(shí)，ZL2→0，此時(shí)Z→jωL1；

（2）當(dāng)LC振蕩電路發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，此時(shí)jωL2+1/jωC=0，可得：

其中，k為耦合系數(shù)，此時(shí)Z=0；

（4）當(dāng)ω→∞時(shí)，

根據(jù)以上分析可以得出如下規(guī)律：

①0<ω<ωop時(shí)，Z顯感性，|Z|隨ω的增大而增大；

②ω=ωop時(shí)，Z顯純阻性，|Z|為極大值；

③ωop<ω<ωos時(shí)，Z顯容性，|Z|隨ω的增大而減??；

④ω=ωos時(shí)，Z=0，|Z|為極小值；

⑤ω>ωos時(shí)，Z顯感性，|Z|隨ω的增大而增大。

根據(jù)以上規(guī)律得出阻抗Z的角頻率響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 阻抗Z的角頻率響應(yīng)曲線

2 改進(jìn)電磁檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際情況中，傳感器電路要預(yù)先做好封裝并埋入混凝土中。傳統(tǒng)的電磁檢測(cè)系統(tǒng)把鋼筋等效物—鋼絲兩端并聯(lián)一個(gè)電容，再根據(jù)電磁耦合電路的原理，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的銹蝕情況的檢測(cè)，電路原理圖如圖5所示。

圖5 電路原理圖

圖5中右邊電路為提前埋入混凝土中的傳感器電路，傳感器應(yīng)采取封裝措施，而鋼絲要置于鋼筋旁邊，因此不必封裝，左邊電路為外部檢測(cè)電路。鋼絲和鋼筋處于相同的環(huán)境中，因此兩者將同步銹蝕，隨著銹蝕程度加深，鋼絲發(fā)生斷裂，則其所在的回路斷開(kāi)，傳感器電路的總電容減少，而諧振頻率增大。鋼絲沒(méi)有斷開(kāi)，此時(shí)的諧振頻率偏低，若鋼絲已經(jīng)斷開(kāi)，則諧振頻率會(huì)變高，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站混凝土構(gòu)架中鋼筋銹蝕情況的無(wú)線檢測(cè)[10]。

傳統(tǒng)的電磁檢測(cè)系統(tǒng)存在一定的局限性，只能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼筋的銹蝕程度，難以滿足變電站的生產(chǎn)運(yùn)維要求，因此本文在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，如圖6所示。改進(jìn)后的系統(tǒng)以直徑不同的多根鋼絲代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的單根鋼絲，這些鋼絲會(huì)隨著銹蝕情況加重由細(xì)到粗依次斷裂。為方便實(shí)驗(yàn)，本文以開(kāi)關(guān)的通斷來(lái)模擬鋼絲斷裂的情況。LC振蕩電路的諧振頻率會(huì)隨著鋼絲依次斷裂而逐漸變大，因此通過(guò)測(cè)量其諧振頻率的變化即可判斷各鋼絲的通斷情況，進(jìn)而判斷混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

圖6 改進(jìn)的電路原理圖

由于直接測(cè)量L1阻抗的流程繁瑣，且性價(jià)比較低，因此本文采用測(cè)定L1兩端的電壓幅頻特性的方法。根據(jù)物理公式可得如下關(guān)系：

①0<ω<ωop時(shí)，隨ω的增大而增大；

②ω=ωop時(shí)，為極大值；

③ωop<ω<ωos時(shí)，隨ω的增大而減??；

④ω=ωos時(shí)，為極小值；

⑤ω>ωos時(shí)，隨ω的增大而增大。

圖7 L1兩端的電壓幅頻特性曲線圖

綜上所述，采用直接測(cè)量L1的幅頻特性的方法實(shí)現(xiàn)鋼絲通斷狀態(tài)的判斷。此方法方便測(cè)量，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

本文應(yīng)用NI Multisim軟件模擬搭建改進(jìn)電磁檢測(cè)系統(tǒng)的電路，如圖8所示。左邊電感為L(zhǎng)1，右邊電感為L(zhǎng)2，C0～C3為電容，M為互感，R2為L(zhǎng)2的自阻，R3、R4和R5為粗細(xì)不同、阻值相同的鋼絲。

圖8 模擬電路圖

運(yùn)用圖8所示的電路模擬實(shí)際中鋼筋的銹蝕過(guò)程，隨著鋼筋腐蝕程度加深，鋼絲由細(xì)到粗依次斷裂，其所在回路也相應(yīng)斷開(kāi)，然后根據(jù)鋼絲的斷裂情況對(duì)這些狀態(tài)分別進(jìn)行仿真，得到各狀態(tài)下L1兩端電壓的幅頻特性曲線。通過(guò)分析這些諧振頻率的差異，就可確定鋼筋的銹蝕程度，電壓下降到極小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率越大，鋼筋銹蝕程度就越深。在這里設(shè)置L1和L2的電感值都為150 uH，線圈之間的耦合系數(shù)M為0.6，仿真結(jié)果如下（圖9）：

圖9 不同腐蝕程度的仿真圖

具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 仿真測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上仿真數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)隨著腐蝕程度加重，電路的諧振頻率隨之變大，結(jié)果和上文理論分析一致，說(shuō)明本文所做改進(jìn)是合理的和可行的。接下來(lái)可以通過(guò)改變系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如耦合系數(shù)，L1和L2的電感等，以此來(lái)選取對(duì)系統(tǒng)性能影響最優(yōu)的數(shù)值。經(jīng)過(guò)分析大量仿真測(cè)試的結(jié)果，并綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中的需求，本設(shè)計(jì)最后選定了傳感器電路的參數(shù)：L1的電感為20 uH，L1的電感為100 uH，耦合系數(shù)M為0.05，C0～C1分別為10、20、50和100pF，其它數(shù)據(jù)與圖8保持一致。

4 結(jié)語(yǔ)

傳針對(duì)統(tǒng)的電磁檢測(cè)系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)電磁檢測(cè)技術(shù)的變電站混凝土構(gòu)架鋼筋銹蝕檢測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅能判斷鋼筋是否已銹蝕斷裂，還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼筋的銹蝕程度，滿足變電站運(yùn)維的要求。