基于電阻層析成像的塔桿接地裝置腐蝕無損檢測

宋麗敏， 謝志梅， 區(qū)偉斌， 鐘婉明， 林鳳思

(1. 東北電力大學(xué) 輸變電技術(shù)學(xué)院， 吉林 吉林 132021； 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局， 廣東 佛山 528000)

電網(wǎng)設(shè)備的可靠穩(wěn)定接地是保障電網(wǎng)正常運(yùn)行以及設(shè)備安全的重要安全措施之一[1].作為輸電線路的重要組成部分，輸電線路桿塔同樣需要可靠接地，以保證雷電過電流情況下的線路安全.線路桿塔不僅保護(hù)線路設(shè)備絕緣性，又可減少線路雷擊跳閘率，從而有效提高線路運(yùn)行的可靠性[2].作為線路桿塔的重要保護(hù)之一，接地保護(hù)裝置主要包括：接地通道以及埋入地下的接地網(wǎng)兩部分.通常情況下，接地通道全部或大部分處于桿塔內(nèi)部或者地下，與接地網(wǎng)一致，難以對接地裝置進(jìn)行開放式的檢查試驗(yàn)，因此不能直觀地對其連通及銹蝕情況進(jìn)行判斷[3].然而，在接地通道或接地網(wǎng)金屬部件出現(xiàn)銹蝕損傷時，電網(wǎng)難以承受雷擊浪涌電流的沖擊，因此需要利用專業(yè)的塔桿接地裝置診斷技術(shù)對接地裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行科學(xué)、合理的檢測，以保證桿塔可靠穩(wěn)定接地[4].吳育毅等[5]應(yīng)用恒電流暫態(tài)測量技術(shù)及最小二乘擬合算法獲取極化電阻值，能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕速率和年平均腐蝕深度檢測，但方法較為傳統(tǒng)，難以滿足目前的精度要求.

對于接地裝置的非開挖式診斷方法，工程上早期曾使用大電流測量技術(shù)，但其只能對接地裝置的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測，對于接地裝置的腐蝕情況則不能較優(yōu)地反映[6].而接地裝置的腐蝕或斷裂等缺陷會改變流過導(dǎo)體內(nèi)部的電流，對接地裝置周圍區(qū)域的磁場和電場造成直接影響.因此根據(jù)電流流經(jīng)導(dǎo)體后接地裝置地表周圍磁場強(qiáng)度的分布提出了電磁場無損診斷技術(shù)，并對接地裝置腐蝕程度進(jìn)行測量[7].朱志平等[8]使用X射線實(shí)現(xiàn)圖像的無損檢測，通過梯度圖像形成、高斯金字塔濾波算法和期望最大化算法分割等方式提升了檢測精度，但后期處理程序繁雜.此外，在材料學(xué)方面，根據(jù)金屬腐蝕機(jī)理衍生出了一種電化學(xué)測量方法，可以對塔桿接地裝置的腐蝕速率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測[9].Kalaiselvi等[10]通過失重法、電化學(xué)試驗(yàn)等方法檢測直流雜散電流對接地網(wǎng)材料的腐蝕影響，檢測誤差較小，但只能定性分析其銹蝕程度，難以做到定量分析.

上述檢測方法在對塔桿接地裝置腐蝕位置和范圍的直觀定位上存在困難，而電阻層析成像技術(shù)(electrical resistance tomography，ERT)可有效解決這一問題[11]，因此，采用ERT技術(shù)對接地裝置的腐蝕情況進(jìn)行檢測.通過埋入式電極注入電流采集電壓的方式獲取電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于共軛梯度法的ERT技術(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)塔桿接地裝置的無損檢測.

1 塔桿接地系統(tǒng)

接地裝置銹蝕或斷裂會導(dǎo)致接地電阻變大，當(dāng)大電流流過時容易導(dǎo)致弧光閃絡(luò)，個別地方點(diǎn)位水平達(dá)到一定程度時，將可能擊穿接地系統(tǒng)二次控制回路及通信電纜，造成電力系統(tǒng)二次設(shè)備損壞甚至主變壓器損壞等不良影響[12].其中輸電線路塔桿接地裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其主要包括接地通道和接地網(wǎng)兩部分.

圖1 塔桿接地裝置Fig.1 Tower pole grounding device

在塔桿接地裝置中，為獲得較優(yōu)的散流能力，接地通道一般具有固定的形狀，使用材料通常為截面積45 mm×4 mm的熱浸鍍鋅扁鋼，水平射線呈中心對稱，且包含4根角鋼均勻布置的垂直接地極.為保證安全距離，地下導(dǎo)體的拐點(diǎn)與每條角鋼之間的間距至少為0.3 m.實(shí)際應(yīng)用過程中，塔桿基座與接地引下線的實(shí)景如圖2所示.

圖2 塔桿基座與接地引下線Fig.2 Tower pole base and grounding downlead

對接地網(wǎng)和地下部分接地通道而言，最容易發(fā)生的腐蝕為電化學(xué)腐蝕，暴露于空氣部分接地通道金屬則容易發(fā)生化學(xué)腐蝕.對于接地極，通常采用直徑d=12 mm的圓鋼，埋入地下深度h=(0.8±0.2) m，而其長度l通常能達(dá)到數(shù)十米，則有d?h?l，接地極的電位U為

(1)

式中，ρ為接地極埋設(shè)環(huán)境的土壤電阻率.接地電極的電阻為

(2)

2 塔桿接地裝置腐蝕無損檢測方法

金屬的腐蝕通常是由于金屬碳化和氯離子滲透共同作用導(dǎo)致的，腐蝕后將會導(dǎo)致接地通道電化學(xué)特性發(fā)生改變.根據(jù)金屬腐蝕前后電導(dǎo)率的變化特點(diǎn)，可應(yīng)用ERT檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)塔桿接地裝置的無損檢測.ERT的檢測原理是分析導(dǎo)體中不同物質(zhì)電導(dǎo)率的分布規(guī)律，從而得到被測物體介質(zhì)的分布情況[13-14].

2.1 無損檢測系統(tǒng)設(shè)計

ERT檢測系統(tǒng)通常包括電磁激勵、數(shù)據(jù)采集、敏感場電極陣列以及圖像重建4部分，其完整結(jié)構(gòu)主要包括：電極激勵單元、敏感場電極陣列、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像重建系統(tǒng).ERT檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 ERT檢測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Constitution structure of ERT detection system

其中，被測對象接地裝置用敏感場表示，電極陣列則通常排列于敏感場周圍，用于聯(lián)系敏感場與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).敏感場的激勵信號通常由電極激勵單元施加[15]，激勵電源通常為交流源.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是對敏感場周圍所響應(yīng)的電信號進(jìn)行采集，并發(fā)送到下一級處理單元.圖像重建在分析收集到電學(xué)信號的基礎(chǔ)上，利用電阻成像原理還原出敏感場中介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的無損重構(gòu)檢測.

2.2 ERT技術(shù)

ERT成像算法是經(jīng)Maxwell方程組和Laplace方程簡化而來的，可表示為

2φ=0

(3)

式中：φ為場內(nèi)電勢分布；為梯度算子.

假設(shè)敏感場區(qū)域?yàn)棣福妼?dǎo)率為κ，結(jié)合邊界電流密度為j，可將ERT敏感場表示為

(4)

式中：?Ω為邊界；?φ/?n為邊界法線方向?qū)?shù).

共軛梯度法、靈敏度系數(shù)法等為ERT圖像重建過程中較為常用的方法，所提方法采用靈敏度系數(shù)法，其計算表達(dá)式為

(5)

式中：Mm，n，x，y為激勵電極對m和測量電極對n時，坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)對應(yīng)的靈敏度系數(shù)；φm、φn分別為以m、n個電極對為激勵電極對時的電勢分布.

對于圖像重建，假設(shè)圖像灰度矩陣為G，靈敏度系數(shù)矩陣為γ，在敏感場分布近似不變的前提下，可將參考圖像的測量電壓表示為

U=γG

(6)

通過上述數(shù)理關(guān)系可以求解出原圖像的灰度矩陣，并由此完成重建.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

無損檢測成像系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集和圖像重建兩部分，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的電壓數(shù)據(jù)主要通過LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)分析與顯示，而圖像重建則主要通過MATLAB程序?qū)崿F(xiàn).

試驗(yàn)時，將ERT檢測系統(tǒng)中16個尺寸為40 mm×25 mm×0.3 mm的硫酸銅電極均勻分布在試塊的四周，采用相鄰電極切換激勵的方式在電極上施加大小為±1 A/m2的激勵信號.

3.1 無損檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由于新建塔桿接地裝置的腐蝕速率慢，因此，選擇已投運(yùn)5年的110 kV線路的鋼架塔桿接地裝置進(jìn)行測試，選取其中的4塊鋼材混凝土塊為試驗(yàn)對象，利用ERT檢測系統(tǒng)對其進(jìn)行無損檢測試驗(yàn).試驗(yàn)過程分別記錄了不同時間刻度下電壓和電導(dǎo)率的變化情況，4塊試驗(yàn)塊的均值如表1所示.

從表1中可看出，在激勵電流信號為21 mA時，鋼材混凝土塊的電導(dǎo)率反比于電壓值；由此可看出，腐蝕產(chǎn)物隨著腐蝕程度的增加而逐漸增加，導(dǎo)體的電化學(xué)性質(zhì)也隨之改變.在腐蝕到第25天時，腐蝕產(chǎn)物過多導(dǎo)致混凝土塊產(chǎn)生裂縫，同時也加速了腐蝕速率，此時電導(dǎo)率僅為0.012 6 S/m.

表1 電壓和電導(dǎo)率隨時間變化結(jié)果Tab.1 Variation results of voltage and conductivity as function of time

3.2 圖像重建

在試塊被腐蝕前，利用ERT系統(tǒng)對兩種試塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和圖像重建，保留采集數(shù)據(jù)及重建圖像如圖4a、b所示，其中試塊選擇投運(yùn)8年的220 kV線路的鋼架塔桿接地裝置.在接地裝置試塊被腐蝕后，再利用ERT系統(tǒng)對兩種試塊進(jìn)行相同的數(shù)據(jù)采集和圖像重建，成像結(jié)果如圖4c、d所示，從中可看出較明顯的金屬損傷跡象.

圖4 試塊腐蝕前后的成像結(jié)果Fig.4 Imaging results of specimens before and after corrosion

由圖4可看出，相比于腐蝕前的圖像，試塊腐蝕后的重建圖像中，鋼材位置區(qū)域面積即顏色較深部分明顯增大，因此，可以得出導(dǎo)體電導(dǎo)率與其腐蝕程度呈反比關(guān)系的結(jié)論；電化學(xué)反應(yīng)后的腐蝕產(chǎn)物會使周圍區(qū)域的電導(dǎo)率變小，從而導(dǎo)致重建圖像中鋼部件截面積增大.綜上所述，ERT技術(shù)初步具備了混凝土試塊鋼材腐蝕銹蝕的檢測能力，對比鋼材腐蝕前后的重建圖像能夠看出明顯差異.

3.3 檢測性能對比

檢測速率和誤差是評價所提方法的重要指標(biāo)，其中檢測誤差的計算公式為

(7)

式中：g為檢測圖像灰度值；g*為原始圖像灰度值.

將所提方法與文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[10]得到的檢測誤差和時間進(jìn)行對比，結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同方法的誤差和檢測時間對比結(jié)果Fig.5 Error and detection time compared results of different methods

從圖5中可看出，所提方法的檢測誤差與時間分別為0.42 ms和36 ms，綜合結(jié)果優(yōu)于其他對比方法.因其采用ERT技術(shù)進(jìn)行無損檢測，利用電導(dǎo)率的變化實(shí)現(xiàn)圖像重構(gòu)，檢測精度得到了保證，且算法簡單、檢測耗時較短.文獻(xiàn)[5]采用恒電流暫態(tài)測量技術(shù)和最小二乘擬合算法，計算量較小、耗時最短，但檢測誤差較高；文獻(xiàn)[8]利用電化學(xué)試驗(yàn)等方法進(jìn)行腐蝕檢測，減少了檢測誤差，但方法較為復(fù)雜、耗時較長，超過了50 ms；文獻(xiàn)[10]使用X射線進(jìn)行圖像的無損檢測，檢測精度得到了較大的提升，但由于該方法融合多種技術(shù)，處理耗時較長，約為68 ms.

4 結(jié) 論

由于塔桿接地裝置通常不便開挖，且應(yīng)用于實(shí)際的無損檢測較少，因此，提出了一種基于ERT的塔桿接地裝置腐蝕無損檢測方法.利用埋入式電極注入電流并采集電壓的方式獲取電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，然后運(yùn)用基于共軛梯度法的電阻成像技術(shù)進(jìn)行圖像重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)塔桿接地裝置的無損檢測.此外，利用LabVIEW和MATLAB平臺相結(jié)合的方式對所提方法進(jìn)行試驗(yàn)論證.結(jié)果表明，本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)腐蝕狀況的可視化，且檢測誤差與時間分別為0.42 ms和36 ms，具有較為理想的檢測效果.

但由于所提方法需要預(yù)埋電極對試塊進(jìn)行檢測，施工完成前的預(yù)埋同樣涉及到電極腐蝕的情況，因此在一定程度上增加了檢測的不確定性，故在接下來的研究中，將對外置式傳感器進(jìn)行優(yōu)化，以滿足實(shí)際所需.