電力工程物資品質(zhì)現(xiàn)場檢測新技術(shù)

陳 晨

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司金華供電公司，浙江 金華 321000)

近年來，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力企業(yè)的物資需求量與日俱增，而供應(yīng)商所供應(yīng)物資質(zhì)量的參差不齊給電網(wǎng)物資質(zhì)量管理帶來極大困難[1-3]。對于電纜排管、接地銅排等常見的物資物品，其質(zhì)量是否安全可靠，直接關(guān)乎到設(shè)備乃至整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行[4-5]。傳統(tǒng)的電網(wǎng)材料質(zhì)量管理主要是在到貨驗(yàn)收時(shí)，以現(xiàn)場抽樣試驗(yàn)的方式進(jìn)行檢測，經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，缺乏科學(xué)有效的質(zhì)量檢測技術(shù)[6-8]。調(diào)查結(jié)果顯示，接地銅排質(zhì)量良莠不齊、電纜缺斤少兩等現(xiàn)象在供應(yīng)市場中比比皆是。受檢測技術(shù)限制，這些質(zhì)量缺陷難以在現(xiàn)場準(zhǔn)確識別，不僅給企業(yè)帶來了經(jīng)濟(jì)損失，而且給設(shè)備和整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)埋下了安全隱患[9-10]。

針對電力物資品質(zhì)評估的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相關(guān)的研究。如文獻(xiàn)[11]采用點(diǎn)接觸方式，使用圓球與平面的電接觸式檢測裝置，解決了非接觸式光學(xué)影像儀的投影檢測不準(zhǔn)確問題。文獻(xiàn)[12]通過視覺傳感技術(shù)開展動(dòng)態(tài)沉降監(jiān)測，對控制基坑沉降具有數(shù)據(jù)支撐作用。文獻(xiàn)[13]闡述并分析了現(xiàn)有的超聲無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀，加快了超聲無損檢測技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。這些文獻(xiàn)在單一的檢測工作時(shí)，具有較好的效果，但是未考慮到現(xiàn)場評估存在的效率問題，亟需提出一種現(xiàn)場快速檢測質(zhì)量的新思路。

針對幾種常見的電力物資質(zhì)量檢測技術(shù)進(jìn)行研究，提出現(xiàn)場質(zhì)量快速檢測新思路，具體表現(xiàn)如下。

(1)提高物資管理水平和監(jiān)管水平，最大程度地保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)利益；

(2)確保物資物品的質(zhì)量安全，降低安全隱患，提高電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性；

(3)提升物資管理的科學(xué)化和自動(dòng)化水平，提升物資驗(yàn)收效率。

1 物資品質(zhì)檢測常用技術(shù)與局限性

1.1 外觀尺寸檢測技術(shù)

常見的物品尺寸檢測方法有量規(guī)法、鋼尺法、卡尺法、測微儀法等。

(1)量規(guī)法。使用具有固定尺寸的量具來檢測工件，常見的有塊體平板等。該類方法具有較好的經(jīng)濟(jì)型，但其用途比較單一。

(2)鋼尺法。用長鋼尺或幾根相連接的短鋼尺進(jìn)行豎井高程傳遞。這類方法的儀器抗拉強(qiáng)度高，精度高，但其在使用時(shí)易折斷、生銹，使用時(shí)要避免扭傷、防止受潮。

(3)卡尺法。使用游標(biāo)卡尺、千分尺等對尺寸進(jìn)行直接測量。這類方法的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長且故障率低，但一般量程較短，讀數(shù)不直觀，容易出現(xiàn)誤差。

(4)測微儀法。用各種測微儀、測微表與量塊進(jìn)行比較測量，常見的有百分表、扭簧比較儀、電感比較儀等。這類方法精度高，但只能測量相對值，無法給出絕對值。

1.2 基本力學(xué)性能檢測技術(shù)

電力物品基本力學(xué)性能檢測的主要應(yīng)用場景為管道的剛度和硬度檢測，包括抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度等指標(biāo)。常見的力學(xué)性能檢測設(shè)備為門式萬能試驗(yàn)機(jī)(見圖1)，通過將標(biāo)準(zhǔn)試件放置于試驗(yàn)機(jī)的作動(dòng)器之間，作動(dòng)器通過特定的控制規(guī)則(力控制或位移控制)對試件進(jìn)行拉伸、彎曲或扭轉(zhuǎn)等，從而獲取材料的性能曲線。這類方法的優(yōu)點(diǎn)在于適用性強(qiáng)、量程大，但缺點(diǎn)亦十分明顯，必須將材料進(jìn)行有損切割，并且試驗(yàn)機(jī)尺寸和重量較大，很難用于現(xiàn)場大規(guī)模測試。

圖1 萬能試驗(yàn)機(jī)

1.3 沉降檢測技術(shù)

變電站基礎(chǔ)在長期重力荷載作用下容易出現(xiàn)不均勻沉降，給設(shè)備運(yùn)行帶來安全隱患。典型的沉降監(jiān)測設(shè)備為電子水準(zhǔn)儀(見圖2)，通過照準(zhǔn)目標(biāo)標(biāo)尺并進(jìn)行調(diào)焦后即可進(jìn)行高程和距離的測定。水準(zhǔn)儀使用范圍較廣，包括變形監(jiān)測、地面沉降觀測等，其與傳統(tǒng)儀器相比有以下特點(diǎn)。

圖2 電子水準(zhǔn)儀

(1)精度較高，削弱了標(biāo)尺分劃誤差的影響。

(2)讀數(shù)客觀，不存在誤差、誤記問題，沒有人為讀數(shù)誤差。

(3)速度快，減少了由于現(xiàn)場計(jì)算、人為出錯(cuò)等導(dǎo)致的重測次數(shù)。

(4)效率高，通過自動(dòng)讀取來自于調(diào)焦和按鍵的數(shù)據(jù)，將視距后自動(dòng)記錄、核驗(yàn)、處理的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)并處理。

(5)缺點(diǎn)，每次觀測均需進(jìn)行調(diào)焦，并需要對支撐三腳架進(jìn)行固定；對平穩(wěn)性要求較高，無法進(jìn)行長時(shí)間遠(yuǎn)傳監(jiān)測。

1.4 配電變壓器繞組用材檢測技術(shù)

某些配電變壓器生產(chǎn)廠家使用鋁線或銅包鋁線冒充銅線，造成繞組線圈阻抗增大，變壓器功耗增大，縮短了設(shè)備運(yùn)行壽命。因此，需對繞組線圈用材進(jìn)行檢測，即銅和鋁的檢測識別。典型的金屬檢測技術(shù)包括材質(zhì)分析法(光譜分析儀、化學(xué)分析儀)、金相組織分析法(體視顯微鏡、金相顯微鏡)、力學(xué)性能分析法(拉伸性能、硬度測試)等。金相顯微鏡如圖3所示。

圖3 金相顯微鏡

這些方法有兩個(gè)缺陷。

(1) 多數(shù)方法需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，無法進(jìn)行現(xiàn)場檢測。

(2) 多數(shù)方法為接觸式分析，需對變壓器進(jìn)行解體和破壞取樣，無法滿足現(xiàn)場無損檢測需求。

綜上所述，電力物資現(xiàn)場檢測涉及外觀尺寸、力學(xué)性能、沉降、材料等多種物理參數(shù)。盡管不同參數(shù)均有相對成熟的檢測儀器或設(shè)備，但已有儀器或設(shè)備均有自己特定的應(yīng)用場景，難以適用于現(xiàn)場大規(guī)模檢測。此外，對部分儀器或設(shè)備的使用需要具備相應(yīng)技能的專業(yè)人員，實(shí)際操作難度較大。因此，針對常見電力物資的現(xiàn)場快速品質(zhì)檢測技術(shù)的研究成為了制約物資驗(yàn)收管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是國內(nèi)各個(gè)電力公司亟需解決的重要課題。

2 物資品質(zhì)檢測新思路

針對電力物資物品驗(yàn)收中常見的問題，提出了現(xiàn)場快速品質(zhì)檢測新思路，具體包括：基于超聲波原理的物品厚度檢測技術(shù)、基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測技術(shù)和基于X射線投射的配電變壓器用材鑒別技術(shù)。

2.1 基于超聲波原理的物品厚度檢測技術(shù)

超聲波測厚采用最新的高性能、低功耗微處理器技術(shù)，基于超聲波測量原理，研發(fā)金屬及其他多種材料的高精度厚度測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對材料聲速的快速測量。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)模型，后臺自動(dòng)計(jì)算被測量物品(如管道、各種板材)的厚度。

2.2 基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)不均勻沉降監(jiān)測技術(shù)

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real-Time Kinematic，簡稱 RTK)載波相位差分技術(shù)是一種通過基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的觀測值，實(shí)現(xiàn)精確定位的技術(shù)。RTK載波相位差分技術(shù)彌補(bǔ)了以往需要事后求解才能獲得厘米級精度的問題，其可以在勘測現(xiàn)場實(shí)時(shí)得到厘米級精度，極大地提高了地形測圖和各種控制測量等工作的效率。

基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和RTK載波相位差分算法，采用便攜式基礎(chǔ)沉降實(shí)時(shí)觀測設(shè)備，通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS)天線、云端存儲和遠(yuǎn)端平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和展示。通過人工設(shè)置允許沉降閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)報(bào)警功能，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供處置依據(jù)。

2.3 基于X射線投射的配電變壓器用材鑒別技術(shù)

X射線，是一種頻率極高、波長極短、能量很大的電磁波，在對物質(zhì)進(jìn)行照射時(shí)，大部分的射線會由原子之間的縫隙穿過，僅一部分射線會被物質(zhì)所吸收，因此X射線具有較好的穿透性。X射線的穿透力與物質(zhì)密度有關(guān)，利用差別吸收特性可以區(qū)分密度不同的物質(zhì)。

提起蘭州，人們會聯(lián)想到黃河、中山橋、牛肉面。然而，在很多成年蘭州人心目中，想到的是蘭州石化。因?yàn)檎翘m州石化，讓蘭州這座歷史名城有了“石化城”的美譽(yù)。

采用配電變壓器線圈用材的非解體X射線鑒別技術(shù)，探究X射線在銅和鋁等材料中的衰減規(guī)律和穿透能力，分析變壓器中油箱鋼板、變壓器油、絕緣紙等對X射線穿透過程的影響，給出現(xiàn)場“一場景一方案”的X射線鑒別操作指南。

3 檢測方案應(yīng)用分析

3.1 超聲波測厚度

電纜排管、電纜橋架等物資，最容易發(fā)生的質(zhì)量問題是厚度不足，如管壁中間段厚度不足、銅排鐵排等厚度不足等，既有方法檢測不便。尤其是隨著加工工藝的進(jìn)步，廠家“偷工減料”的水平也不斷提高，很多物資如管材等，出現(xiàn)了中間段薄兩端厚的現(xiàn)象，這給傳統(tǒng)機(jī)械尺具測量帶來了很大工作量。對此提出利用超聲波測厚方案，實(shí)現(xiàn)物資厚度的全方位高效率檢測。

超聲波在均勻介質(zhì)中的傳播速度是相同的，但當(dāng)它從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，會發(fā)生反射現(xiàn)象。超聲波測厚的原理就是超聲波從被測材料表面出發(fā)到達(dá)底面時(shí)的間隔時(shí)間與材料的厚度成正比，因此材料的厚度可以由間隔時(shí)間間接表示。當(dāng)采用連續(xù)波且被測物件的厚度為超聲波波長的1/2或其整數(shù)倍時(shí)，入射波與反射波同相，產(chǎn)生駐波從而引起共振。

通過記錄兩個(gè)相鄰的共振頻率，即可求出物件的厚度，計(jì)算公式如下：

(1)

式中δ——物件的厚度，m；C——超聲波在物件中的傳播速度，m·s-1；f0——共振頻率，Hz。

3.2 變電所基礎(chǔ)沉降檢測

變電所基礎(chǔ)沉降在一些海拔位置較低的沿海地區(qū)較為常見，很多沉降在建設(shè)階段就已存在，亟需在建設(shè)階段提早發(fā)現(xiàn)。然而，在建設(shè)階段便能敏銳捕捉到基礎(chǔ)沉降信息較為困難。本文基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和RTK載波相位差分算法，研發(fā)便攜式基礎(chǔ)沉降實(shí)時(shí)觀測設(shè)備，通過GNSS天線、云端存儲和遠(yuǎn)端平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和展示。通過人工設(shè)置允許沉降閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)報(bào)警功能，為現(xiàn)場作業(yè)人員提供處置依據(jù)。

(2)

式中 Δh——垂直方向上的形變量，m；ΔdR——由InSAR監(jiān)測到的變形量，m；θi——雷達(dá)視角，(°)。

3.3 基于X射線的材料鑒別

變壓器等大型設(shè)備的材料鑒別，是物資品質(zhì)檢測的一大難點(diǎn)，對此問題提出便攜式X射線穿透的材料檢測技術(shù)，當(dāng)工作人員使用X射線對物體進(jìn)行穿透時(shí)，X射線光子的能量強(qiáng)度會隨著穿透距離的增加逐步衰減，其逐步衰減的規(guī)律符合指數(shù)定律。

當(dāng)寬束、多色的X射線穿透物質(zhì)時(shí)，X射線光子能量計(jì)算公式如下：

E=E0e-uT(1+n)

(3)

式中E——X射線光子的能量，J；u——平均衰減系數(shù)，m-1；n——散射比；E0——入射強(qiáng)度，J；T——穿透物質(zhì)厚度，m。

對于現(xiàn)場中常見的銅、鋁材料，厚度范圍為10～50 mm和60～100 mm的純鋁/銅階梯試塊經(jīng)過暗室處理后分別可得到4張X射線底片。利用黑白密度計(jì)分別對階梯試塊影像底片的各個(gè)階梯進(jìn)行黑度測量計(jì)算處理，得到四條鋁X射線衰減曲線和四條銅X射線衰減曲線，如圖4所示。鋁與銅的黑度常用對數(shù)-透照厚度曲線的平均斜率具有明顯的差異，通過不同材料透射率差別的檢測，可以在設(shè)備無損不解體的條件下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部主要材料品質(zhì)的評估。

圖4 銅/鋁階梯試塊X射線底片黑度常用對數(shù)-透照厚度關(guān)系曲線

3.4 基于壓電應(yīng)力傳感器的硬度檢測

現(xiàn)有的硬度檢測技術(shù)依靠純機(jī)械，靈敏度不夠，對于鍍鋅厚度不足、涂層以次充好、金屬漆代替電鍍等表面處理的“偷工減料”問題檢測難度較大，本文使用壓電應(yīng)力傳感器實(shí)現(xiàn)硬度檢測，通過壓電應(yīng)力薄膜傳感器的高線性力——電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)微弱表面硬度變化的靈敏檢測，從而能夠現(xiàn)場快速檢測涂層材料的品質(zhì)。

硬度檢測設(shè)備具有一定形狀的鋼制壓，在進(jìn)行檢測時(shí)，將其垂直壓入試樣表面，當(dāng)檢測設(shè)備的壓足部分與試樣表面完全貼合后，其壓針的頂部相較于壓足會有一部分凸出，記作伸出長度L，以L的數(shù)值大小來體現(xiàn)試樣的邵氏硬度，邵氏硬度是指用邵氏硬度計(jì)測出的值的讀數(shù)，其描述方法分為A和D兩種，分別代表不同的硬度范圍。邵氏A硬度計(jì)的量程是0～100 HA，邵氏D硬度計(jì)的量程是0～100 HD。測試原理如圖5所示。L值越大，表明邵氏硬度越低，反之則越高。邵氏硬度的計(jì)算公式如下：

(4)

式中HA——設(shè)備的邵氏硬度；L——壓針尖端的伸出長度， m。

圖5 邵氏硬度測試原理

4 結(jié)語

本文分析了外觀尺寸檢測技術(shù)、基本力學(xué)性能檢測技術(shù)、沉降檢測技術(shù)和變壓器繞組用材檢測技術(shù)等，并對現(xiàn)有檢測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)與分析，提出了包括超聲波測厚、基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和RTK載波相位差分算法的沉降觀測技術(shù)、基于X射線的材料鑒別技術(shù)以及基于壓電應(yīng)力傳感器的硬度檢測技術(shù)。

在研發(fā)適用于電力物資品質(zhì)現(xiàn)場快速檢測技術(shù)方面，提出了不同場景、不同物質(zhì)的品質(zhì)檢測新思路，具有如下特點(diǎn)。

(1)可操作性強(qiáng)。一般作業(yè)人員經(jīng)培訓(xùn)合格后即可進(jìn)行檢測作業(yè)，無需深厚的理論基礎(chǔ)也可掌握基本操作方法。

(2)現(xiàn)場無損檢測。無需解體即可實(shí)現(xiàn)整機(jī)設(shè)備現(xiàn)場檢測，甚至可以實(shí)現(xiàn)帶電作業(yè)的需求。