電纜隧道滲漏的紅外輻射特征模擬試驗(yàn)研究

程國(guó)開(kāi)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315000）

電纜隧道滲漏的紅外輻射特征模擬試驗(yàn)研究

程國(guó)開(kāi)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江寧波315000）

目前，針對(duì)電纜隧道滲漏的紅外熱成像檢測(cè)方法的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)據(jù)研究較少。為此，總結(jié)了影響電纜隧道滲漏的紅外特征因素（缺陷形式、缺陷尺寸、流量），并為此提出了一套正交模擬試驗(yàn)方案：采用定制的強(qiáng)度等級(jí)為C25的不同缺陷的水泥試塊，模擬電纜隧道襯砌滲漏特征，研究分析了電纜隧道點(diǎn)狀缺陷、線(xiàn)狀缺陷以及空鼓狀缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明該試驗(yàn)方法具有良好的可行性與科學(xué)性，為電纜隧道紅外檢測(cè)提供了試驗(yàn)參考依據(jù)。

電纜隧道；水泥試塊；滲漏特征；紅外輻射

0 引言

目前，電纜隧道作為供電的主要途徑之一，其存在的眾多問(wèn)題也是顯而易見(jiàn)的，其中隧道滲漏水就是最嚴(yán)重的問(wèn)題之一。它不僅會(huì)影響地下電纜隧道工作的安全系數(shù)，還會(huì)影響電量運(yùn)輸過(guò)程的效率等問(wèn)題。李海[1]在進(jìn)行分析電力隧道滲漏水成因時(shí)總結(jié)了滲漏水可分為結(jié)構(gòu)滲漏水和設(shè)施滲漏水，以及其常見(jiàn)的發(fā)生位置。至目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)地下電纜隧道滲漏水特征的檢測(cè)還沒(méi)有一套完整的檢測(cè)流程和方式，檢測(cè)方式主要以目測(cè)為主。由于地下電纜隧道的結(jié)構(gòu)以及環(huán)境都較為復(fù)雜，以目測(cè)為主的檢測(cè)方式不僅效率低下，而且在檢測(cè)精度上也較低，不能真正意義上地解決電纜隧道滲漏特征檢測(cè)問(wèn)題。羅宏健[2]、張杰[3]等人提出了用超聲波進(jìn)行缺陷檢測(cè)，此外，紅外技術(shù)作為一種新型非接觸無(wú)損檢測(cè)方式，正逐漸被國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者研究和采用。趙為民[4]、鄧靜玲[5]等人將紅外技術(shù)引入到建筑結(jié)構(gòu)中，并總結(jié)了紅外熱像儀在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過(guò)案例證明了紅外技術(shù)在建筑滲漏檢查中的實(shí)用性與可靠性，指出該技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、安全的特點(diǎn)。但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究都側(cè)重于紅外檢測(cè)的可行性，而并未提供有效的試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皺z測(cè)數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計(jì)的紅外輻射檢測(cè)平臺(tái)，采用定制的水泥試塊，模擬電纜隧道滲漏特征的結(jié)構(gòu)缺陷，其靈感來(lái)自于水利部門(mén)在處理水利災(zāi)害時(shí)所采用的模擬分析方法。該方法不僅制作成本低，而且對(duì)于隧道的滲漏特征缺陷情況具有較強(qiáng)的代表性，在數(shù)據(jù)采集方面也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。該方法對(duì)今后紅外檢測(cè)模擬隧道滲漏特征具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

1 紅外檢測(cè)平臺(tái)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)主要的設(shè)備如下：紅外攝像儀、水泥試塊、試驗(yàn)主體框架。

1.1.1 紅外攝像儀

本次試驗(yàn)采用的紅外熱像儀及其圖像采集軟件的工作界面見(jiàn)圖1。其設(shè)備參數(shù)如下：探測(cè)器類(lèi)型為非制冷焦平面，像素為640×480（17 μm），波長(zhǎng)范圍8～14 μm，空間分辨率為1.13 mrad，圖像最大采集幀頻為50 Hz。

圖1 紅外攝像儀及圖像采集軟件示意

1.1.2 水泥試塊的定制

不同于國(guó)內(nèi)豆海濤[6-7]采用的大型室外模型試驗(yàn)?zāi)M隧道滲漏特征過(guò)程，本次采用的檢測(cè)平臺(tái)采用定制的水泥試塊來(lái)模擬隧道的各種缺陷形式，采用的這種方法不僅成本較低，而且能夠更加確切地表示出隧道滲漏特征處的結(jié)構(gòu)特征。其設(shè)計(jì)思路來(lái)源于長(zhǎng)江水利科學(xué)院的一個(gè)專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，并由其單位加工制成，該水利部門(mén)長(zhǎng)期對(duì)于地下隧道檢測(cè)維修，總結(jié)了地下隧道最容易出現(xiàn)的幾種缺陷形式：點(diǎn)狀缺陷、線(xiàn)狀缺陷、空鼓狀缺陷。該水泥試塊的混凝土強(qiáng)度為C25，其定制流程是通過(guò)將水泥注入模子，烘干，然后通過(guò)鉆頭鉆孔以及預(yù)留在水泥試塊里一定尺寸的鐵片加工出所需的線(xiàn)條狀缺陷，再經(jīng)過(guò)后期的封口形成隔層，從而加工出3種不同類(lèi)型缺陷的水泥試塊。加工該水泥試塊的模子見(jiàn)圖2，3種水泥試塊的整體外形均為正方體，該模子的三維包容尺寸長(zhǎng)寬高為150 mm×150 mm×150 mm，上不封口。3種水泥試塊均開(kāi)有一注水口在其一面的正中心，其孔的直徑D為20 mm，深度為75 mm，加工注水口的鉆頭實(shí)物圖見(jiàn)圖3。

點(diǎn)狀缺陷水泥試塊的加工方法是在其注水口的相鄰一面用不同尺寸的鉆頭分別開(kāi)孔徑d為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的孔缺陷特征，深度H均為75 mm與注水口貫通相連，其示意圖見(jiàn)圖4。

圖2 水泥試塊模子

圖3 鉆頭

圖4 點(diǎn)狀缺陷水泥試塊模型示意

線(xiàn)狀缺陷水泥試塊的加工方法是：烘干水泥試塊之前，在水泥試塊里預(yù)留長(zhǎng)L為75 mm，厚度H為2 mm，寬度W分別為20 mm，25 mm，30 mm的鐵片在水泥試塊注水口的相鄰一面，與注水口貫通相連，烘干成型后將鐵片取出形成線(xiàn)狀缺陷的水泥試塊，其示意圖見(jiàn)圖5。

空鼓狀缺陷水泥試塊的加工方法是：在點(diǎn)狀缺陷水泥試塊的孔徑缺陷d=20 mm的加工方法基礎(chǔ)上，用水泥把孔缺陷封口并制成隔層，且隔層厚度t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，其示意圖見(jiàn)圖6。

1.2 紅外檢測(cè)平臺(tái)主體框架

本次檢測(cè)平臺(tái)主體框架材料選用鋁型材，根據(jù)水泥試塊的尺寸、三腳架的伸縮高度、紅外熱像儀對(duì)焦后的測(cè)量距離、流量控制計(jì)以及注水裝置和回流裝置等因素來(lái)設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和尺寸。該框架質(zhì)量較輕，裝配方便，抗壓強(qiáng)度突出，故符合試驗(yàn)要求。該框架還可同時(shí)放置多個(gè)水泥試塊進(jìn)行試驗(yàn)，很大程度上能夠節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，其實(shí)物圖見(jiàn)圖7。此外本次試驗(yàn)采用的流量控制計(jì)為轉(zhuǎn)子流量計(jì)，其型號(hào)為L(zhǎng)ZB-6WB，其實(shí)物圖見(jiàn)圖8，該流量計(jì)在一根由下向上擴(kuò)大的垂直管中，圓形橫截面的金屬浮子的重力是由液體動(dòng)力承受的，金屬浮子可以在管內(nèi)自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下運(yùn)動(dòng)，與浮子重量平衡后，通過(guò)磁耦合傳到刻度盤(pán)來(lái)指示流量大小。該流量計(jì)可控制的流量范圍為0～0.4 L/min，精度較高。

圖5 線(xiàn)狀缺陷水泥試塊模型示意

圖6 空鼓狀缺陷水泥試塊模型示意

圖7 框架實(shí)體照片

圖8 轉(zhuǎn)子流量計(jì)

2 試驗(yàn)原理及意義

據(jù)了解，所有物體只要溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)以電磁輻射的形式在非常寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射能量，產(chǎn)生電磁波。在1879年，斯蒂芬得出黑體全波輻射出射度和黑體熱力學(xué)溫度的四次方成正比的結(jié)論，也就是著名的斯蒂芬-玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律[8]，即

式中：WB為黑體的全波輻射出射度；ε為輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67×10-8W/（m2·K4）；T為熱力學(xué)溫度。

然而對(duì)于不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色的物體，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度各不相同。紅外熱成像技術(shù)是利用熱感應(yīng)照相機(jī)的紅外線(xiàn)成像技術(shù)。熱感應(yīng)照相機(jī)可生成熱而不是光的圖像，它可以測(cè)量紅外（IR）能量，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度圖像，進(jìn)而被轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)圖像，即熱圖。由于物體所發(fā)出的紅外輻射在穿過(guò)大氣到達(dá)測(cè)量系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到衰減，如果不利用校正措施，那么隨著距離增大，測(cè)量的溫度讀數(shù)越來(lái)越小[9]。水泥試塊滲漏特征試驗(yàn)的原理就是：有缺陷的水泥試塊滲漏特征區(qū)域的溫度要普遍低于其他區(qū)域，從而可以通過(guò)紅外圖像的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析出溫度與圖像顯示之間的聯(lián)系，從而建立起相對(duì)應(yīng)的映射，用于后期在實(shí)際隧道中的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)主體為3種缺陷類(lèi)型的水泥試塊：點(diǎn)狀缺陷水泥試塊，線(xiàn)狀缺陷水泥試塊，空鼓狀缺陷水泥試塊。其實(shí)物圖見(jiàn)圖9。

圖9 水泥試塊實(shí)物

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)方案如下：

（1）測(cè)量距離：將紅外攝像儀放置于水泥試塊前至屏幕顯示水泥試塊占整個(gè)畫(huà)面70%以上，然后調(diào)焦至畫(huà)面清晰，測(cè)下此時(shí)水泥試塊到攝像頭之間的距離d。

（2）室溫：用溫度計(jì)測(cè)量空氣溫度T。

（3）水溫：試驗(yàn)所取的水置于試驗(yàn)容器中，將溫度計(jì)置于水中一段時(shí)間，測(cè)出水的溫度T0。

（4）各類(lèi)型水泥試塊進(jìn)行不同分組的試驗(yàn)，其具體步驟如下。

3.2 點(diǎn)狀缺陷水泥試塊試驗(yàn)

點(diǎn)狀缺陷水泥試塊的試驗(yàn)共分為孔徑缺陷d分別為2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 5大組，每大組試驗(yàn)分別測(cè)量不同流量下的紅外圖像，通過(guò)流量控制計(jì)控制流量分別為0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4個(gè)小組，每小組在開(kāi)始注水后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每3 min拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每小組共30 min，10組數(shù)據(jù)。取其中孔徑缺陷為2 mm，試驗(yàn)流量為0.3 L/min這一小組試驗(yàn)中具有代表性的4個(gè)時(shí)段圖像作為參考，來(lái)表示其滲漏特征隨時(shí)間的變化情況，見(jiàn)圖10。

圖10 孔徑為2 mm、流量為0.3 L/min的點(diǎn)狀缺陷試驗(yàn)

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區(qū)域，淺色部分表示高溫區(qū)域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的點(diǎn)狀缺陷水泥試塊試驗(yàn)圖像來(lái)看，滲漏區(qū)域的溫度要低于其他區(qū)域（流水區(qū)域除外）的溫度，且滲漏區(qū)域以滲漏點(diǎn)為起點(diǎn)，往下部擴(kuò)散，圖形近似為扇形，滲漏面積隨著時(shí)間的增加而增大，當(dāng)時(shí)間到一定值時(shí)，滲漏面積趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

3.3 線(xiàn)狀缺陷水泥試塊試驗(yàn)

線(xiàn)狀缺陷水泥試塊的試驗(yàn)共分為線(xiàn)缺陷寬度W分別為20 mm，25 mm，30 mm 3大組，每大組實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量不同流量下的紅外圖像。通過(guò)流量控制計(jì)控制流量分別為0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4個(gè)小組。每小組在開(kāi)始注水后開(kāi)始測(cè)時(shí)，每3 min拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共30 min，10組數(shù)據(jù)。取其中缺陷寬度W為20 mm，試驗(yàn)流量為0.3 L/min這一小組試驗(yàn)中具有代表性的4個(gè)時(shí)段圖像作為參考，來(lái)表示其滲漏特征的隨時(shí)間的變化情況，見(jiàn)圖11。

圖11 缺陷寬度為20 mm、流量為0.3 L/min的線(xiàn)狀缺陷試驗(yàn)

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區(qū)域，淺色部分表示高溫區(qū)域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的線(xiàn)狀缺陷水泥試塊的試驗(yàn)來(lái)看，滲漏區(qū)域的溫度要低于其他區(qū)域（流水區(qū)域除外）的溫度，且滲漏區(qū)域的圖形近似為長(zhǎng)方形，滲漏面積隨著時(shí)間的增加而增大，當(dāng)時(shí)間增大到一定值時(shí)，滲漏面積趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

3.4 空鼓狀缺陷水泥試塊試驗(yàn)

空鼓狀水泥試塊試驗(yàn)共分為隔層厚度缺陷t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 4組。由于空鼓狀缺陷水泥試塊的隔層厚度t對(duì)滲漏特征影響較大，且試驗(yàn)效果需要較長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)顯示出來(lái)，故每組試驗(yàn)在注滿(mǎn)水后開(kāi)始測(cè)時(shí)，先放置2 h，然后每0.5 h拍攝1次紅外圖像，記錄1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共4 h，8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。取其中隔層厚度缺陷t分別為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的試塊經(jīng)過(guò)4 h后的圖像作為參考，來(lái)分析空鼓狀缺陷水泥試塊不同的隔層厚度t對(duì)滲漏特征的影響情況，見(jiàn)圖12。

圖中試塊的深黑色部分表示低溫區(qū)域，淺色部分表示高溫區(qū)域。由于水溫高于試塊溫度，故流水部位溫度普遍高于其他部位。從以上的空鼓缺陷水泥試塊的試驗(yàn)來(lái)看，滲漏區(qū)域的溫度要低于其他區(qū)域（流水區(qū)域除外）的溫度，且滲漏區(qū)域的圖形近似為分布在中心的圓形，溫度差異對(duì)比度隨著隔層厚度t的增大而減小。

圖12 空鼓狀缺陷試驗(yàn)

4 結(jié)論

研究組通過(guò)對(duì)電纜隧道實(shí)際滲漏情況的分析以及對(duì)試驗(yàn)框架和試驗(yàn)方案的驗(yàn)證分析，得出了如下結(jié)論：

（1）設(shè)計(jì)的試驗(yàn)框架模型在強(qiáng)度以及試驗(yàn)實(shí)用性方面突出。

（2）檢測(cè)平臺(tái)采用定制的水泥試塊來(lái)模擬地下電纜隧道的各種缺陷形式來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，這種方法不僅成本較低，而且能夠更加準(zhǔn)確地表示出隧道滲漏特征處的結(jié)構(gòu)特征。

（3）試驗(yàn)通過(guò)橫向和縱向比較流量因素、缺陷尺寸因素以及缺陷類(lèi)型因素，能得出較為全面的滲漏特征影響因素，在后期的實(shí)際電纜隧道檢測(cè)分析中有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

（4）試驗(yàn)所采集的紅外圖像數(shù)據(jù)清晰地呈現(xiàn)了滲漏區(qū)域的溫度差異，為接下來(lái)的紅外圖像處理、圖像分析提供了重要的原始數(shù)據(jù)。

綜上所述，該試驗(yàn)方案具有科學(xué)性與可行性。

[1]李海，葉菲菲，楊雨冰，等.電力隧道滲漏水成因分析及控制技術(shù)[J].華東電力，2011，39（8）∶1311-1313.

[2]羅宏建，周重回，夏強(qiáng)峰.特高壓GIS罐體對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)[J].浙江電力，2015，34（1）∶24-26.

[3]張杰，張浩權(quán)，王炯耿，等.封閉式組合電器罐體對(duì)接焊縫的超聲波檢測(cè)[J].浙江電力，2012，31（4）∶29-31.

[4]趙為民，趙鴻，趙鳴.紅外熱像技術(shù)在檢測(cè)建筑物滲漏中的應(yīng)用[J].住宅科技，2004，24（5）∶38-40.

[5]鄧靜玲，陸志煜.論紅外熱像技術(shù)在建筑物滲漏檢測(cè)上的應(yīng)用[J].門(mén)窗，2014（10）∶95.

[6]豆海濤，黃宏偉，薛亞?wèn)|.隧道襯砌滲漏水紅外輻射特征影響因素試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（12）∶2426-2434.

[7]豆海濤，黃宏偉，薛亞?wèn)|.隧道滲漏水紅外輻射特征模型試驗(yàn)及圖像處理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（2）∶3386-3391.

[8]田裕鵬.紅外輻射成像無(wú)損檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[9]郭建軍，辛偉大.紅外熱像原理及應(yīng)用[J].山西建筑，2013，39（24）∶201-202.

（本文編輯：陸瑩）

Simulation Study on Infrared Radiation Characteristics of Cable Tunnel Leakage

CHENG Guokai
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315000，China）

So far there are few test model and data research on infrared thermal imaging detection method for cable tunnel leakage.Therefore，the infrared characteristics（defect form，size and flow）of the cable tunnel leakage are summarized，and a set of orthogonal simulation test scheme is proposed∶defective cement test blocks with strength grade of C25 are used to simulate the characteristics of the cable tunnel leakage；spot defects，linear defects and hollow-like defects of cable tunnel are investigated and analyzed.The test result shows that the method is feasible and scientific，and can provide reference for infrared detection test of cable tunnel.

cable tunnel；cement test block；leakage characteristic；infrared radiation

10.19585/j.zjdl.201705015

1007-1881（2017）05-0056-06

TM726.4

A

2017-03-14

程國(guó)開(kāi)（1982），男，高級(jí)工程師，主要從事高壓電纜運(yùn)維檢修管理工作。