专利名称：基于sh0波电力系统接地网导体的腐蚀检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于超声导波无损检测领域，具体涉及一种利用SHO (水平剪切)波检测电力系统接地网导体腐蚀的方法。
背景技术：
变电站的接地是在电气设备和大地之间的连接，使电气设备能保持在同一电位， 是保证电力系统安全可靠运行的重要措施。一般的作法是敷设接地网。接地网导体长期运行容易发生腐蚀，造成电力设备停止工作，甚至造成电力系统瘫痪。因此，研究接地网腐蚀状况具有重要的社会效益和经济效益。接地网导体常用截面为长方形6mmX60mm并稍带纯边的的镀锌扁钢或Φ20mm的圆钢水平敷设搭接而成，排列成长孔型或方孔型，埋入地下0. 5m 0. Sm。但是由于接地网埋设在地下，材料变脆、起层、松散，甚至会出现多处断裂，特别是埋设在酸碱性较强土壤中的接地体，腐蚀更是严重。接地网导体寿命一般为8 10年左右，需要及时诊断出接地网的断点和腐蚀段并采取修复措施。针对接地网导体腐蚀检测，目前国内主要有三种腐蚀诊断方法基于电路理论的方法和基于电磁场的方法，电化学分析法。前两种方法能在不停电和不对接地网大面积开挖的情况下，对地网的断点和腐蚀情况进行检测。张晓玲等学者在2002年《电力系统及其自动化学报》发表的文章“电力系统接地网故障诊断电路法”通过采用单纯形法求解接地网中各段导体的电阻增量，但是诊断结果很不精确；Michaloudaki等学者在2005年 〈〈Magnetics〉〉发表白勺文章"Diagnosis of breaks in substations grounding grid by using the electromagnetic method”通过电磁场的方法检测了导体的断裂位置，但是对于未发生断裂的接地网并不能确定其腐蚀程度；对接地网电化学防蚀方法受接地网的复杂性及现场实施条件的限制，我国目前尚未有成熟技术的工业应用。这些已发表或公开的研究成果未很好的解决接地网导体腐蚀检测问题。而板类结构中传播的超声波类型有兰姆波、SH波、瑞利波等。国内外利用超声波检测金属结构腐蚀已进行了广泛的研究，证实了超声波用于腐蚀检测的可行性及发展潜力。它是一种无损检测的方法。ZQ Su等学者2006年在《Journal of Sound and Vibration》发表“Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures，，通过复杂的小波指纹数字信号处理方法分析了靶体外形航天飞机金属构件的腐蚀波包；2007年，N Terrien等学者在〈〈AIP ConferenceProceedings〉〉发表了一篇“Optimization of hidden corrosion detection in aircraft structures usingLamb waves :numerical predictions and experimental results”，实验用斜探头产生兰姆波检测航空材料局部腐蚀，研究发现兰姆波与腐蚀处作用会发生模态转换和模态叠加，需要应用模态分离技术和二维短时傅里叶变换处理模态叠加的问题，并且斜探头实验需要对试件表面进行预处理，通过耦合剂与被测件接触，操作麻烦，检测效率较低。接地网导体结构为窄条型，利用兰姆波检测易发生模态叠加和模态转换，表面受地底腐蚀液等影响。目前国内外尚无人利用超声波对接地网导体腐蚀检测进行过相关研究。本实用新型中采用的一种新型的电磁超声检测技术具有非接触、无需耦合和对被检工件表面要求不高等优点，并能很好的克服兰姆波多模态、频散、边界容易发生模态转换等缺点。电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)由线圈和磁铁构成， 接地网导体又属于铁磁性材料，三者结合，检测方便。并且电磁超声换能器能够十分容易产生SH波，产生的一种SHO (水平剪切)波是质点振动(位移和速度)都在位于平行于层面的平面中的波，不频散，具有在不同厚度的钢板中波速基本不发生变化特点。SHO波从平行于偏振方向的表面反射时，不会转化为其他类型的波，其传输系数也远远高于其他波型，衰减弱，因此利于长距离检测。SHO传感器产生的声场，声束扩散角小，易控制，能够应用于宽度大于传感器的窄条结构检测，检测结果不受结构边界的影响。
实用新型内容本实用新型的目的是为了解决快速、全面、在役无损检测接地网导体腐蚀的问题。 为及时诊断出接地网的断点和腐蚀段并采取修复措施，提出了一种利用SHO(水平剪切)波检测电力系统接地网导体腐蚀无损检测的方法。本实用新型采用如下技术方案，基于SHO波电力系统接地网导体的腐蚀检测装置包括脉冲函数发生仪1、数字示波器6和计算机7，SHO波电磁声激励换能器3、SHO波电磁声接收换能器4放置在接地网导体8上，SHO波电磁声激励换能器3和激励端阻抗匹配仪2相连接，激励端阻抗匹配仪2和脉冲函数发生仪1相连接，SHO波电磁声接收换能器 4与接收端阻抗匹配仪5相连接，接收端阻抗匹配仪5和数字示波器6相连接，计算机7和数字示波器6连接；基于SHO波电力系统接地网导体的腐蚀检测装置的检测方法包括如下步骤步骤1)由脉冲函数发生仪1产生一个周期在1 20范围内可调，中心频率在 0 IMHz范围内可调的方波信号，在0 IMHz范围内改变频率，激励使SHO波电磁声激励换能器3产生信号能量在此范围内的最大值点，则此时的频率即为脉冲函数发生仪工作频率；步骤2)上述的方波信号经脉冲函数发生仪1进入激励端阻抗匹配仪2后，传入 SHO波电磁声激励换能器3，SHO波电磁声接收换能器4接收由SHO波电磁声激励换能器3 在接地网导体8中传播的信号，经过接收端阻抗匹配仪5在示波器6上显示，并存储到计算机7中，利用一维小波包分析方法对接收到的时域信号进行消噪处理，确认直达波包，端面回波，腐蚀波包等，根据直达波包到达的时间t1; SHO波电磁声激励换能器3和SHO波电磁声接收换能器4之间的间距d，再根据SHO波在接地网导体8中传播的群速度ν = d/t，以及腐蚀波包到达的时间t2，即可求得腐蚀位置s = vXt2。本实用新型具有以下优点1)本实用新型提出了一种通过超声波对接地网导体腐蚀检测的方法。它是一种无损检测的方法，利用超声波的技术不需要对结构进行任何破坏，即可实现检测，而且可以进行在线检测，无需使整个电力系统停电和对接地网进行大面积开挖；幻相比兰姆波超声检测腐蚀的方法，电磁声检测技术检测接地网导体腐蚀，检测过程无需耦合剂，检测方便，劳动强度低，检测结果信噪比高，能精确定位腐蚀；3)采用的 SHO波检测接地网窄条结构，避免了边界回波的出现，不会发生模态转换，波包简单，衰减弱，检测距离长。
[0013]图1 接地网导体腐蚀检测装置示意图；[0014]图2 接地网导体斜探头检测装置示意图；[0015]图3 5. 8mm厚^!长接地网导体中SH波频散曲线；[0016]图45. 8mm厚細长接地网导体中兰姆波频散曲线；[0017]图5 5. 8mm厚接地网导体中的&模态位移波结构图；[0018]图6 5. 8mm厚接地网导体中的Atl模态位移波结构图；[0019]图7 图7 5. 8mm厚接地网导体中的SHO波位移波结构图；[0020]图8 图8 SHO波传感器检测細带缺陷接地网导体接收波形；[0021]图9 图9 SHO波传感器检测細带缺陷接地网导体小波降噪后波形；[0022]图10频率为0. 5MHz、间距为0. 5m的斜探头检测細接地网导体接收信号波形；[0023]图11频率为0. 5MHz、间距为0. 5m的斜探头检测細接地网导体接收信号波形；[0024]图12:1mm厚自由铝板中模态的群速度曲线；[0025]图13:1mm厚自由铝板中模态的相速度曲线；[0026]图14:SH0波传感器检测Imm厚宽铝板接收信号；[0027]图15:SH0波传感器检测Imm厚宽铝板小波降噪后信号；[0028]图16= SHO波传感器检测7cm铝窄条接收信号；[0029]图17= SHO波传感器检测7cm铝窄条小波降噪后信号；[0030] iff图18图18间距为30cm斜探头在Imm厚宽铝板激励出频率460kHz的&模态波形；图19间距为50cm斜探头在Imm厚宽铝板激励出频率460kHz的&模态波形；[0032]图20间距为30cm斜探头在Imm厚7cm宽窄铝条激励出多个频率500kHz的&模态波形；[0033]图21间距为50cm斜探头在Imm厚7cm宽窄铝条激励出多个频率500kHz的&模态波形。[0034]图中，1、脉冲函数发生仪，2、激励端阻抗匹配仪，3、SHO波电磁声激励换能器，4、
SHO波电磁声接收换能器，5、接收端阻抗匹配仪6、数字示波器，7、计算机，8、接地网导体， 9、函数发生器，10、功率放大器，11、斜探头激励传感器，12、斜探头接收传感器，13、lmm厚宽铝板，14、厚为Imm宽度为L = 7cm的窄铝条。
具体实施方式
结合本实用新型方法的内容提供一下实施例1，本特征在于对象是接地网导体。 提供了一种用SHO波电磁超声无损检测接地网导体方法实施例1 (1)如图1所示，接地网导体8长度方向中心轴线上放置SHO波电磁声激励换能器 3和SHO波电磁声接收换能器4。SHO波电磁声激励换能器3和激励端阻抗匹配仪2相连接， 激励端阻抗匹配仪2和脉冲函数发生仪1相连接，SHO波电磁声接收换能器4与接收端阻抗匹配仪5相连接，接收端阻抗匹配仪5和数字示波器6相连接，计算机7和数字示波器6连接。将SHO波电磁声激励换能器位于板最左端(一半传感器吸附在接地网导体上)，SHO波电磁声接收换能器位于距离板左端0. 75m,人工缺陷模拟腐蚀位于距离接地网导体右端Im 处。本实施例中的接地网导体5，全长細，截面为6mmX 60mm长方形，密度为7. 9g/cm3，泊松比为0. 31。图3给出了上述参数的5. 8mm厚細长接地网导体中SH波频散曲线，SHO波群速度不随频率变化，没有频散；图4中兰姆波模态复杂，0 0. 5MHz范围&模态频散大，兰姆波碰到缺陷通常发生模态转换或者模态叠加。频率为0.46MHz，&波速为1980m/s，频率为0. 5MHz，A0波速为3202m/s, SHO波速为3260m/s,不随频率变化。图5给出0. 46MHz频率下&模态位移波结构图，图6为0. 5MHz频率下Atl模态位移波结构图，图7为0. 3IMHz频率下SHO波位移波结构图。&、&在板上下表面处沿板传播方向(ζ方向)及板厚度方向(χ方向)位移都比较大，搁置于土壤环境，超声波传播时沿板上下表面容易发生衰减。而SHO波沿板传播方向(ζ方向)及板厚度方向(χ方向)位移都为0，只存在垂直于板传播方向(y 方向)的切向位移，综上确立超声波检测选择SHO波检测接地网导体腐蚀。由图3在频率 0 310kHz范围内，仅存在SHO波和SHl波，并且两者模态速度差距甚大，波包易于识别；(2)由脉冲函数发生仪1产生一个周期在1 20范围内可调，中心频率在0 IMHz范围内可调的方波信号，在0 IMHz范围内改变频率，激励使SHO波电磁声激励换能器3产生信号能量在此范围内的处于最大值，对应此时的频率为0. 31MHz，则选取为脉冲函数发生仪工作频率。方波信号的强度和增益等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由脉冲函数发生仪产生能量等级15，增益40db，频率为0. 31MHz的3个震荡周期的方波信号；(3)激励信号通过激励端阻抗匹配仪2激励SHO波电磁声激励换能器3，在带腐蚀缺陷接地网导体8中激励SHO波；(4)激励的SHO波信号在接地网导体8中传播，经缺陷和接地网端部反射后，SHO 波电磁声接收换能器4通过接收阻抗匹配仪5，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7 ；(5)频率0. 31MHz时，在带腐蚀缺陷接地网导体8中接收到的波形如图8。利用一维小波包分析方法对接收到的信号进行消噪处理，得到消噪后的波形如图9。选择的小波函数为db40 (Daubechies)小波，对该信号进行6层分解；(6)通过分析消噪后的信号中的反射回波到达接收点的时间，确定接地网导体8 中腐蚀位置。图8中分辨出第一回波为直达波，由第一回波的时间位置为0. MOms，估算 0. 31MHz时SHO实际波速为3125m/s，与理论的SHO波速的误差仅为4. 14%。因此分辨出第三回波为为接地网导体右端面回波，第二回波为腐蚀波包，第二回波时间位置为1.667ms， 根据波速乘以时间可以确定传播的距离，可知时间1. 142ms时得到缺陷的位置为距离激励传感器2. 98m,与腐蚀的实际位置相对误差仅为0. 773%;利用SHO波反射回波衰减弱，根据腐蚀波包的幅值还能分辨腐蚀大小，形状；装置2，图2中包括函数发生器9、功率放大器10、由斜探头，楔块组成的压电激励传感器11、压电接收传感器12放置在接地网导体8上，压电激励传感器11和功率放大器 10相连接，函数发生器9的输出端和功率放大器10的输入端连接，压电接收传感器12与数字示波器6相连接，计算机7和数字示波器6连接；装置2，图2中包括函数发生器9、功率放大器10、由斜探头，楔块组成的压电激励传感器11、压电接收传感器12放置在接地网导体8上，压电激励传感器11和功率放大器 10相连接，函数发生器9的输出端和功率放大器10的输入端连接，压电接收传感器12与数字示波器6相连接，计算机7和数字示波器6连接；利用装置如图2，给出利用兰姆波检测接地网导体腐蚀的方法以及实验结果。(1)将斜探头激励传感器11、斜探头接收传感器12放置在接地网导体8上，组成实验装置图2;(2)由函数发生器9产生一个中心频率在0 5MHz范围内可调的窄带脉冲，窄带脉冲的类型、频率、强度和脉冲间隔等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由函数发生器2产生峰峰值为250mV的经汉宁窗调制的5个震荡周期的正弦信号，选择的频率有两种 0. 46MHz和0. 5MHz。这些窄带脉冲激励间隔取IOOms ；(3)激励信号经功率放大器10进行功率放大，峰峰值达到250V ；通过90°楔块， 斜探头激励传感器11在接地网导体8中激励出频率为0. 5MHz的兰姆波；(4)激励的兰姆波信号在接地网导体8中传播，传播距离为0. 6m时接收信号如图 10，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7 ；同样通过30°楔块，斜探头激励传感器11在接地网导体8中激励出频率为0. 46MHz的兰姆波，传播距离为0. Im时接收信号如图11 ；(5)图10可知第一回波为直达波Atl模态，时间位置为115 μ s，图11第一回波到达时间为184 μ S。计算Atl模态的群速度约为^99m/s，与理论速度3193m/s，相对误差为 9.2%,接收信号波包复杂，发生严重模态转换和模态叠加。因此采用SHO波检测接地网腐蚀，避免了兰姆波检测受边界影响发生模态转换， 模态叠加的缺点，波包简单，衰减弱，检测距离长。实施例2 结合本实用新型方法的内容提供实施例2，作用对象是厚为Imm的宽铝板。同样利用实施例1中图1装置，接地网导体8变成宽铝板13 (1)宽铝板13长度方向中心轴线上放置SHO波电磁声激励换能器3和SHO波电磁声接收换能器4。将SHO波EMAT激励传感器3位于板最左端(一半传感器搁置在宽铝板13上)。SHO波电磁声接收换能器4搁置距离激励传感器0.5m处。本实施例中的铝板 13，全长lm，截面为ImmX 20cm长方形，密度为2. 7g/cm3，泊松比为0.33。图12给出了上述参数的Imm厚自由铝板中模态的群速度曲线。由disperse软件得到&波速为5376m/s，A。 波速为3131m/s，SHO波速为3130m/s。图12中SHO波群速度不随频率变化，没有频散；(2)由脉冲函数发生仪2产生一个中心频率在0 IMHz范围内可调的方波信号， 方波信号的频率、强度和增益等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由脉冲函数发生仪产生能量等级15，增益40db，频率为0. 31MHz的3个震荡周期的方波信号；(3)激励信号经过激励端阻抗分析仪2激励SHO波电磁声激励换能器3，在宽铝板 13中激励SHO波；(4)激励的SHO波信号在宽铝板13中传播，经宽铝板13端部反射后，通过SHO波电磁声接收换能器4，在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7 ；(5)频率0. 31MHz时，在宽铝板13中接收到的原始波形如图14，利用一维小波包分析方法消噪后的波形如图15。选择的小波函数为db40(DaUbeChieS)小波，对该信号进行6层分解。(6)分析消噪后的信号中的反射回波到达接收点的时间图15第一回波的时间位置为0. 168ms, 0. 31MHz时铝板中估算SHO实际波速为^76m/s，与理论的SHO波速的误差仅为4. 92%。同样分析第二回波为右端面回波。利用实验装置如图2，给出利用兰姆波检测宽铝板的方法以及实验结果。(1)将斜探头激励传感器11、斜探头接收传感器12放置在宽铝板13中；(2)由函数发生器9产生一个中心频率在0 5MHz范围内可调的窄带脉冲，窄带脉冲的类型、频率、强度和脉冲间隔等都会对超声导波产生影响。在本实施中，由函数发生器9产生峰峰值为250mV的经汉宁窗调制的5个震荡周期的正弦信号，选择的频率有两种 0. 46MHz和0. 9MHz。这些窄带脉冲激励间隔取IOOms ；(3)激励信号经功率放大器3进行功率放大，峰峰值达到250V;通过30°楔块，斜探头激励传感器11在宽铝板13中激励出频率为0. 46MHz的&模态；(4)激励的&模态信号在宽铝板13中传播，传播距离为30cm时接收信号如图18， 在数字示波器6显示，并通过以太网端口存储到计算机7 ；传播距离为50cm时同样接收信号如图19 ；(5)综合图18，图19，可知激励出&模态。在图19中第一回波为&模态对应时间位置为103. 9 μ s。计算出&模态的群速度约为5500m/s，与理论速度相对误差仅为2. 94%； 同样通过90°楔块，在宽铝板13中激励0. 9MHz的Atl模态情况类似。实施例3 作用对象是厚为Imm宽为7cm的铝窄条。(1)同样利用装置图1，对象变成宽为L = 7cm窄铝条14。将SHO波电磁声激励换能器3放置于宽为L = 7cm窄铝条14上。SHO波电磁声激励换能器3位于距离铝条左端35cm处，SHO波电磁声激励换能器3和SHO波电磁声接收换能器4间距保持25cm。宽为 L = 7cm窄铝条14接收波形如图8 (c)，杂波少，回波清晰简单，不会发生模态转换，信噪比高。利用一维小波包分析方法消噪后的波形如图8(d)。综合实施例2中图8(a)，图8(a) 和图8(c)波形基本一样；直达波，右端面回波到达时间基本一致，幅值影响属于实验误差范围之内。利用实验装置2，给出利用兰姆波检测宽铝板和铝窄条的方法和实验结果。(1)同样利用装置图1，对象变成宽为L = 7cm窄铝条14。将SHO波电磁声激励换能器3放置于宽为L = 7cm窄铝条14上。SHO波电磁声激励换能器3位于距离铝条左端35cm处，SHO波电磁声激励换能器3和SHO波电磁声接收换能器4间距保持25cm。宽为 L = 7cm窄铝条14接收波形如图16，杂波少，回波清晰简单，不会发生模态转换，信噪比高。 利用一维小波包分析方法消噪后的波形如图17。综合实施例2中图14和实施例3中的图 16，图14和图16波形基本一样；直达波，右端面回波到达时间基本一致，幅值影响属于实验误差范围之内。利用实验装置2，给出利用兰姆波检测宽铝板和铝窄条的方法和实验结果。实验装置2中，接地网导体8变成厚为1mm，宽为L = 7cm窄铝条14 (2)利用装置2中对象换为宽为L = 7cm窄铝条14上，斜探头间距保持30cm，接收的波形如图20。分析图20中第一波包为直达波&模态，第二波包、第三波包为边界反射回波&模态或者模态转换为别的模态，杂波多，信噪比差。同样斜探头间距50cm时接收波形如图21，波包一、波包二、波包三皆为&模态，跟随的很多小波包属于&模态碰到边界发生模态转换产生。利用兰姆波检测实验边界效应明显，回波复杂，发生模态转换，信噪比差， 不利于窄条结构腐蚀检测。 综合实施例2和实施例3，实验上验证SHO波电磁声换能器方便应用于类似接地网导体结构的窄条金属的检测的可行性，提供了一种利用SHO波电磁超声检测类似于接地网导体结构的铝窄条的方法。
权利要求1.基于SHO波电力系统接地网导体的腐蚀检测装置，其特征在于包括脉冲函数发生仪(1)、数字示波器(6)和计算机(7)，SHO波电磁声激励换能器( 、SHO波电磁声接收换能器(4)放置在接地网导体(8)上，SHO波电磁声激励换能器C3)和激励端阻抗匹配仪 (2)相连接，激励端阻抗匹配仪( 和脉冲函数发生仪(1)相连接，SHO波电磁声接收换能器(4)与接收端阻抗匹配仪( 相连接，接收端阻抗匹配仪( 和数字示波器(6)相连接， 计算机(7)和数字示波器(6)连接。
专利摘要基于SH0波电力系统接地网导体的腐蚀检测装置，属于无损检测技术领域。脉冲函数发生仪通过激励端阻抗匹配仪后接入SH0波电磁声激励换能器激励出无频散，模态单一，方向性好，能量大的SH0波；在接地网导体长度方向中心轴线上放置SH0波电磁声激励换能器(3)和SH0波电磁声接收换能器(4)，激励频率为传感器工作能量最大的频率，利用此中心频率下的产生的SH0波对接地网导体腐蚀进行无损检测。本实用新型解决了接地网导体腐蚀检测不太完善以及利用兰姆波检测金属构件实施不便利，兰姆波多模态、频散、边界效应明显易发生模态转换的缺点，此无损检测方法能长距离、快速、全面、在役无损检测，并推广到窄条金属结构腐蚀的无损检测。
文档编号G01S15/08GK202119699SQ201120129438
公开日2012年1月18日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者何存富, 周重回, 林群, 焦敬品, 王炯耿, 罗宏建, 郑昌庭, 钟茜, 骆炫忠 申请人:北京工业大学, 浙江省电力试验研究院, 温州电力局