导波技术在输电线路无损监测中的应用

殷 志 ，陈丽娟 ，陈大兵 ，许晓慧

(1.东南大学电气工程学院，江苏南京210096；2.江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103)

研究输电线路损伤定位及类型识别的方法是保障电力系统安全稳定运行的关键问题之一。目前，常用的输电线路损伤检测方法主要有人工检测法、航测法和巡线机器人检测法[1]。人工检测和航测法效率低、费用高、检测精度不够；而巡线机器人每次检测需要考虑人员的部署和机器人的搬运问题。因此，这些方法在准确性、便捷性、经济性等方面均不能很好满足电力公司巡检的需要，尤其是难以提供对输电线路损伤的实时监测，无法进行损伤的早期预测。为了确保输电线路实现长距离大容量的电力输送稳定可靠，需研究一种准确可靠、全面便捷、经济高效的输电线路损伤定位及类型识别方法。近年来出现的超声导波技术能够有效地解决这一问题。超声导波探伤技术已经在石油管道无损检测、混凝土非破损检测等领域得到广泛应用，也被用于进行高压传输电塔锚杆的腐蚀检测。国外有一些学者开始关注超声导波在电缆中的传播问题。Haag等用压电传感器在多线电缆中产生超声导波,研究了弹性波能量在单线间的传播[2]。Hernandez-Salazar和Baltazar等也采用压电传感器激励产生超声波，并采用时频分析方法分析检测信号[3]。之后，Hernandez-Salazar和Baltazar等进行了单根钢线和单根铝线组成的简化模型的有限元分析，研究超声波在缆线中的传播模态[4]。国内目前尚未开展超声导波对输电线路进行无损检测的研究。文中采用超声导波技术对输电线路的损伤检测进行了初步的研究，验证了该方法的有效性和可行性。

研究输电线路损伤定位及类型识别的方法是保障电力系统安全稳定运行的关键问题之一。目前，常用的输电线路损伤检测方法主要有人工检测法、航测法和巡线机器人检测法[1]。人工检测和航测法效率低、费用高、检测精度不够；而巡线机器人每次检测需要考虑人员的部署和机器人的搬运问题。因此，这些方法在准确性、便捷性、经济性等方面均不能很好满足电力公司巡检的需要，尤其是难以提供对输电线路损伤的实时监测，无法进行损伤的早期预测。为了确保输电线路实现长距离大容量的电力输送稳定可靠，需研究一种准确可靠、全面便捷、经济高效的输电线路损伤定位及类型识别方法。近年来出现的超声导波技术能够有效地解决这一问题。超声导波探伤技术已经在石油管道无损检测、混凝土非破损检测等领域得到广泛应用，也被用于进行高压传输电塔锚杆的腐蚀检测。国外有一些学者开始关注超声导波在电缆中的传播问题。Haag等用压电传感器在多线电缆中产生超声导波,研究了弹性波能量在单线间的传播[2]。Hernandez-Salazar和Baltazar等也采用压电传感器激励产生超声波，并采用时频分析方法分析检测信号[3]。之后，Hernandez-Salazar和Baltazar等进行了单根钢线和单根铝线组成的简化模型的有限元分析，研究超声波在缆线中的传播模态[4]。国内目前尚未开展超声导波对输电线路进行无损检测的研究。文中采用超声导波技术对输电线路的损伤检测进行了初步的研究，验证了该方法的有效性和可行性。

1超声导波检测理论

本文首先对纵波在钢绞线地线中传播进行了研究。超声波入射到有边界特征的介质中后，会在介质边界处发生反射、折射和波型转换，从而形成超声导波。对于钢绞线来说，外围钢丝或中心钢丝均可看作是细长圆柱杆。在细长杆中沿轴向方向传播的超声导波存在3种不同的模态，即纵向模态、扭转模态和弯曲模态，分别记为 L（0，m），T（0，m）及 F（n，m）。其中n和m分别为模态的周向阶次和模数。纵向模态和扭转模态为轴对称导波，弯曲模态为非轴对称导波[5]。

钢绞线由多根表面自由的圆柱杆绞合而成。设圆柱杆半径为a，轴线沿z方向，如图1所示。纵向模态是轴对称的，具有径向位移分量ur和轴向位移分量 uz。条件是周向位移分量 uθ，及 ur，uz与周向角 θ无关。考虑r=a处的应力边界条件为：δrr=δrz=0，求解波动方程，可得到Pochhammer频散方程为：

图1柱坐标系下实心圆柱杆

通过数值求解可以得到相速度频散曲线。并利用cg=dω/dk可以得到群速度cg频散曲线。在实际检测中，根据频散曲线选取激励信号的频率，以激励频散小的单一模态。再依据超声波回波来检测钢绞线的健康状况或物理特征。

超声导波在输电线路中传输的发射信号和反射信号如图2所示。记录超声导波发射信号与端面反射信号的时间差Δt1，发射信号与损伤反射信号时间差 Δt2，由式（2）和式（3）可以得到损伤位置 SP。

图2超声波在输电线路中传输的发射信号和反射信号

2实验系统

基于超声导波的输电线路监测原理如图3所示，在输电线上安装2个超声传感器，一是发射传感器，用于产生导波，一般为纵波，当导波遇到损伤，如破股、断股，部分波会反射，返回波由另一传感器接收。通过对反射波提取损伤特征，可对损伤进行定位和损伤程度判断。该方法便于将传感器长期安装在电力线上，无线发射器可集成在传感器中，间隙式地向中心交换节点或杆塔上的损伤数据集中器传送数据，从而实现对输电线路的实时监测。

图3输电线路超声导波无损监测示意图

实验装置如图4所示，主要由美国西南研究院（SwRI）的新型检测设备MsSR3030仪器、计算机、MsS线圈探头、永磁铁、钢绞线组成。MsSR3030仪器是由发射器和接收器两部分组成。

图4实验装置示意图

实验中采用的钢绞线是铁磁性材料。铁磁体在外磁场中磁化时，其长度及体积均发生变化，这个现象称为磁致伸缩效应[6]。在钢绞线外加永磁铁，钢绞线中施加的直流偏磁场使磁畴发生一定的偏转。带状线圈探头在被检测的钢绞线周围形成一个环形的线圈，该线圈加载交流电后则会在线圈内产生沿轴向的交变磁场。交变磁场使磁畴在偏置磁场的方向上产生来回偏转，由此在钢绞线内部产生轴向的交变应力，从而产生超声波。

实验采用长1 250 mm的7芯钢绞线，其公称直径为9.6 mm，中心及外围钢丝直径都为3.3 mm，如图5所示。在距离钢绞线左端800 mm处用手锯从1至7根逐根锯断钢线，MsSR3030产生导波频率为32 kHz。在钢绞线左端安装MsS线圈探头，发射探头发出导波信号，遇到断股处有部分信号返回，接收探头接收到回波信号，输出给计算机。

图5钢绞线示意图

3实验结果分析

MsSR3030接收器输出给计算机的信号如图6所示。波形横坐标为导波传播距离，纵坐标为电压值。从图中可清楚地观测到断股处的回波信号。

3.1损伤定位

图6（a）为不断股线的波形，导波传至右端面返回，由回波返回时间和钢绞线长度计算可得波速约为4.3 km/s。为方便观察，波形的横坐标可用时间与波速之积，即波传播的距离表示。图6（b）为断1股线的波形，由该图可见断股处距离钢绞线左端面约0.8 m。从而验证了该方法用于损伤定位的可行性。

图6不断股和断1股时的信号波形

3.2损伤程度与回波信号的关系

从获得的回波信号可知，随着断股数的增加，即损伤程度的增加，回波信号的幅值增大。

为了分析损伤程度和回波信号的关系，用matlab软件对不断股至断7股的8个回波信号进行快速傅里叶变换 （FFT），可得到信号的频谱如图7所示。由图7（b）可见，回波主要包含一个频率分量。回波的频谱幅值与断股数的关系如图8所示，可见，随着断股数的增加，频谱幅值随之增大，回波的能量随断股数呈线性增长趋势，基于此，可用于判断损伤的程度。

4结束语

超声导波检测的方法对钢绞线地线断股损伤很敏感，可以准确地对钢绞线地线进行损伤定位，并且根据损伤回波信号的频谱幅值可以判断断股的损伤程度。本研究中采用的方法也可以应用于其他电缆监测应用系统。超声波监测对于多线电缆监视是很有前景的无损监测方法。本文的研究对今后进一步研究输电线无损监测奠定了基础。

[1]孙 峰，陈民铀，罗 涛.输电线断股损伤故障检测方法比较性研究[J].微计算机信息（测控自动化），2010，26（3-1）：132-134.

[2]HAAG T,BEADLE B M,SPRENGER H，et al.Wave-based Defect Detection and Interwire Friction Modeling for overhead Transmission Lines[J].Archive of Applied Mechanics，2009，79(6-7)：517-528.

[3]HERNANDEZ-SALAZAR C D,BALTAZAR A.Damage Detection in Multi-wire Cables Using Continuous Wavelet Transform Analysis of Ultrasonic Guided Waves[C].2009 Electronics,Robotics and Automotive Mechanics Conference,2009.

[4]HERNANDEZ-SALAZAR C D,BALTAZAR A.Structural Damage Monitoring on Overhead Transmission Lines Using Guided Waves and Signal Processing[J].AIP Conference Proceedings,2010(29)：1921-1928.

[5]蔡成良.输变电设备无损检测技术[M].北京：中国电力出版社，2009.

[6]罗斯J L.固体中的超声波[M].何存富，译.北京：科学出版社，2004.

[7]王爱玲，祝锡晶，吴秀玲.功率超声振动加工技术[M].北京：国防工业出版社，2007.