电缆隧道渗漏的红外辐射特征模拟试验研究

程国开

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波315000）

电缆隧道渗漏的红外辐射特征模拟试验研究

程国开

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江宁波315000）

目前，针对电缆隧道渗漏的红外热成像检测方法的试验模型及数据研究较少。为此，总结了影响电缆隧道渗漏的红外特征因素（缺陷形式、缺陷尺寸、流量），并为此提出了一套正交模拟试验方案：采用定制的强度等级为C25的不同缺陷的水泥试块，模拟电缆隧道衬砌渗漏特征，研究分析了电缆隧道点状缺陷、线状缺陷以及空鼓状缺陷。试验结果表明该试验方法具有良好的可行性与科学性，为电缆隧道红外检测提供了试验参考依据。

电缆隧道；水泥试块；渗漏特征；红外辐射

0 引言

目前，电缆隧道作为供电的主要途径之一，其存在的众多问题也是显而易见的，其中隧道渗漏水就是最严重的问题之一。它不仅会影响地下电缆隧道工作的安全系数，还会影响电量运输过程的效率等问题。李海[1]在进行分析电力隧道渗漏水成因时总结了渗漏水可分为结构渗漏水和设施渗漏水，以及其常见的发生位置。至目前为止，国内对地下电缆隧道渗漏水特征的检测还没有一套完整的检测流程和方式，检测方式主要以目测为主。由于地下电缆隧道的结构以及环境都较为复杂，以目测为主的检测方式不仅效率低下，而且在检测精度上也较低，不能真正意义上地解决电缆隧道渗漏特征检测问题。罗宏健[2]、张杰[3]等人提出了用超声波进行缺陷检测，此外，红外技术作为一种新型非接触无损检测方式，正逐渐被国内众多学者研究和采用。赵为民[4]、邓静玲[5]等人将红外技术引入到建筑结构中，并总结了红外热像仪在无损检测领域中的应用，通过案例证明了红外技术在建筑渗漏检查中的实用性与可靠性，指出该技术具有快速、准确、安全的特点。但目前国内外学者的研究都侧重于红外检测的可行性，而并未提供有效的试验模型以及检测数据。

本次设计的红外辐射检测平台，采用定制的水泥试块，模拟电缆隧道渗漏特征的结构缺陷，其灵感来自于水利部门在处理水利灾害时所采用的模拟分析方法。该方法不仅制作成本低，而且对于隧道的渗漏特征缺陷情况具有较强的代表性，在数据采集方面也具有较强的优势。该方法对今后红外检测模拟隧道渗漏特征具有极强的指导意义。

1 红外检测平台

1.1 试验设备

本次试验主要的设备如下：红外摄像仪、水泥试块、试验主体框架。

1.1.1 红外摄像仪

本次试验采用的红外热像仪及其图像采集软件的工作界面见图1。其设备参数如下：探测器类型为非制冷焦平面，像素为640×480（17 μm），波长范围8～14 μm，空间分辨率为1.13 mrad，图像最大采集帧频为50 Hz。

图1 红外摄像仪及图像采集软件示意

1.1.2 水泥试块的定制

不同于国内豆海涛[6-7]采用的大型室外模型试验模拟隧道渗漏特征过程，本次采用的检测平台采用定制的水泥试块来模拟隧道的各种缺陷形式，采用的这种方法不仅成本较低，而且能够更加确切地表示出隧道渗漏特征处的结构特征。其设计思路来源于长江水利科学院的一个专项设计，并由其单位加工制成，该水利部门长期对于地下隧道检测维修，总结了地下隧道最容易出现的几种缺陷形式：点状缺陷、线状缺陷、空鼓状缺陷。该水泥试块的混凝土强度为C25，其定制流程是通过将水泥注入模子，烘干，然后通过钻头钻孔以及预留在水泥试块里一定尺寸的铁片加工出所需的线条状缺陷，再经过后期的封口形成隔层，从而加工出3种不同类型缺陷的水泥试块。加工该水泥试块的模子见图2，3种水泥试块的整体外形均为正方体，该模子的三维包容尺寸长宽高为150 mm×150 mm×150 mm，上不封口。3种水泥试块均开有一注水口在其一面的正中心，其孔的直径D为20 mm，深度为75 mm，加工注水口的钻头实物图见图3。

点状缺陷水泥试块的加工方法是在其注水口的相邻一面用不同尺寸的钻头分别开孔径d为2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的孔缺陷特征，深度H均为75 mm与注水口贯通相连，其示意图见图4。

图2 水泥试块模子

图3 钻头

图4 点状缺陷水泥试块模型示意

线状缺陷水泥试块的加工方法是：烘干水泥试块之前，在水泥试块里预留长L为75 mm，厚度H为2 mm，宽度W分别为20 mm，25 mm，30 mm的铁片在水泥试块注水口的相邻一面，与注水口贯通相连，烘干成型后将铁片取出形成线状缺陷的水泥试块，其示意图见图5。

空鼓状缺陷水泥试块的加工方法是：在点状缺陷水泥试块的孔径缺陷d=20 mm的加工方法基础上，用水泥把孔缺陷封口并制成隔层，且隔层厚度t分别为4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，其示意图见图6。

1.2 红外检测平台主体框架

本次检测平台主体框架材料选用铝型材，根据水泥试块的尺寸、三脚架的伸缩高度、红外热像仪对焦后的测量距离、流量控制计以及注水装置和回流装置等因素来设计其结构和尺寸。该框架质量较轻，装配方便，抗压强度突出，故符合试验要求。该框架还可同时放置多个水泥试块进行试验，很大程度上能够节省试验时间，其实物图见图7。此外本次试验采用的流量控制计为转子流量计，其型号为LZB-6WB，其实物图见图8，该流量计在一根由下向上扩大的垂直管中，圆形横截面的金属浮子的重力是由液体动力承受的，金属浮子可以在管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，通过磁耦合传到刻度盘来指示流量大小。该流量计可控制的流量范围为0～0.4 L/min，精度较高。

图5 线状缺陷水泥试块模型示意

图6 空鼓状缺陷水泥试块模型示意

图7 框架实体照片

图8 转子流量计

2 试验原理及意义

据了解，所有物体只要温度高于绝对零度，就会以电磁辐射的形式在非常宽的波长范围内发射能量，产生电磁波。在1879年，斯蒂芬得出黑体全波辐射出射度和黑体热力学温度的四次方成正比的结论，也就是著名的斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律[8]，即

式中：WB为黑体的全波辐射出射度；ε为辐射率；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，取值为5.67×10-8W/（m2·K4）；T为热力学温度。

然而对于不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色的物体，所发出的红外辐射强度各不相同。红外热成像技术是利用热感应照相机的红外线成像技术。热感应照相机可生成热而不是光的图像，它可以测量红外（IR）能量，并将数据经过处理转换成相应的温度图像，进而被转换成可见图像，即热图。由于物体所发出的红外辐射在穿过大气到达测量系统时会受到衰减，如果不利用校正措施，那么随着距离增大，测量的温度读数越来越小[9]。水泥试块渗漏特征试验的原理就是：有缺陷的水泥试块渗漏特征区域的温度要普遍低于其他区域，从而可以通过红外图像的试验数据分析出温度与图像显示之间的联系，从而建立起相对应的映射，用于后期在实际隧道中的检测。

3 试验过程

3.1 试验准备

本次试验的试验主体为3种缺陷类型的水泥试块：点状缺陷水泥试块，线状缺陷水泥试块，空鼓状缺陷水泥试块。其实物图见图9。

图9 水泥试块实物

本次试验的试验方案如下：

（1）测量距离：将红外摄像仪放置于水泥试块前至屏幕显示水泥试块占整个画面70%以上，然后调焦至画面清晰，测下此时水泥试块到摄像头之间的距离d。

（2）室温：用温度计测量空气温度T。

（3）水温：试验所取的水置于试验容器中，将温度计置于水中一段时间，测出水的温度T0。

（4）各类型水泥试块进行不同分组的试验，其具体步骤如下。

3.2 点状缺陷水泥试块试验

点状缺陷水泥试块的试验共分为孔径缺陷d分别为2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 5大组，每大组试验分别测量不同流量下的红外图像，通过流量控制计控制流量分别为0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4个小组，每小组在开始注水后开始计时，每3 min拍摄1次红外图像，记录1组试验数据，每小组共30 min，10组数据。取其中孔径缺陷为2 mm，试验流量为0.3 L/min这一小组试验中具有代表性的4个时段图像作为参考，来表示其渗漏特征随时间的变化情况，见图10。

图10 孔径为2 mm、流量为0.3 L/min的点状缺陷试验

图中试块的深黑色部分表示低温区域，浅色部分表示高温区域。由于水温高于试块温度，故流水部位温度普遍高于其他部位。从以上的点状缺陷水泥试块试验图像来看，渗漏区域的温度要低于其他区域（流水区域除外）的温度，且渗漏区域以渗漏点为起点，往下部扩散，图形近似为扇形，渗漏面积随着时间的增加而增大，当时间到一定值时，渗漏面积趋于一个稳定值。

3.3 线状缺陷水泥试块试验

线状缺陷水泥试块的试验共分为线缺陷宽度W分别为20 mm，25 mm，30 mm 3大组，每大组实验分别测量不同流量下的红外图像。通过流量控制计控制流量分别为0.1 L/min，0.2 L/min，0.3 L/min，0.4 L/min 4个小组。每小组在开始注水后开始测时，每3 min拍摄1次红外图像，记录1组试验数据，共30 min，10组数据。取其中缺陷宽度W为20 mm，试验流量为0.3 L/min这一小组试验中具有代表性的4个时段图像作为参考，来表示其渗漏特征的随时间的变化情况，见图11。

图11 缺陷宽度为20 mm、流量为0.3 L/min的线状缺陷试验

图中试块的深黑色部分表示低温区域，浅色部分表示高温区域。由于水温高于试块温度，故流水部位温度普遍高于其他部位。从以上的线状缺陷水泥试块的试验来看，渗漏区域的温度要低于其他区域（流水区域除外）的温度，且渗漏区域的图形近似为长方形，渗漏面积随着时间的增加而增大，当时间增大到一定值时，渗漏面积趋于一个稳定值。

3.4 空鼓状缺陷水泥试块试验

空鼓状水泥试块试验共分为隔层厚度缺陷t分别为4 mm，6 mm，8 mm，10 mm 4组。由于空鼓状缺陷水泥试块的隔层厚度t对渗漏特征影响较大，且试验效果需要较长的时间才会显示出来，故每组试验在注满水后开始测时，先放置2 h，然后每0.5 h拍摄1次红外图像，记录1组试验数据，共4 h，8组试验数据。取其中隔层厚度缺陷t分别为4 mm，6 mm，8 mm，10 mm的试块经过4 h后的图像作为参考，来分析空鼓状缺陷水泥试块不同的隔层厚度t对渗漏特征的影响情况，见图12。

图中试块的深黑色部分表示低温区域，浅色部分表示高温区域。由于水温高于试块温度，故流水部位温度普遍高于其他部位。从以上的空鼓缺陷水泥试块的试验来看，渗漏区域的温度要低于其他区域（流水区域除外）的温度，且渗漏区域的图形近似为分布在中心的圆形，温度差异对比度随着隔层厚度t的增大而减小。

图12 空鼓状缺陷试验

4 结论

研究组通过对电缆隧道实际渗漏情况的分析以及对试验框架和试验方案的验证分析，得出了如下结论：

（1）设计的试验框架模型在强度以及试验实用性方面突出。

（2）检测平台采用定制的水泥试块来模拟地下电缆隧道的各种缺陷形式来进行试验，这种方法不仅成本较低，而且能够更加准确地表示出隧道渗漏特征处的结构特征。

（3）试验通过横向和纵向比较流量因素、缺陷尺寸因素以及缺陷类型因素，能得出较为全面的渗漏特征影响因素，在后期的实际电缆隧道检测分析中有极强的指导意义。

（4）试验所采集的红外图像数据清晰地呈现了渗漏区域的温度差异，为接下来的红外图像处理、图像分析提供了重要的原始数据。

综上所述，该试验方案具有科学性与可行性。

[1]李海，叶菲菲，杨雨冰，等.电力隧道渗漏水成因分析及控制技术[J].华东电力，2011，39（8）∶1311-1313.

[2]罗宏建，周重回，夏强峰.特高压GIS罐体对接焊缝的超声波检测[J].浙江电力，2015，34（1）∶24-26.

[3]张杰，张浩权，王炯耿，等.封闭式组合电器罐体对接焊缝的超声波检测[J].浙江电力，2012，31（4）∶29-31.

[4]赵为民，赵鸿，赵鸣.红外热像技术在检测建筑物渗漏中的应用[J].住宅科技，2004，24（5）∶38-40.

[5]邓静玲，陆志煜.论红外热像技术在建筑物渗漏检测上的应用[J].门窗，2014（10）∶95.

[6]豆海涛，黄宏伟，薛亚东.隧道衬砌渗漏水红外辐射特征影响因素试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（12）∶2426-2434.

[7]豆海涛，黄宏伟，薛亚东.隧道渗漏水红外辐射特征模型试验及图像处理[J].岩石力学与工程学报，2011，30（2）∶3386-3391.

[8]田裕鹏.红外辐射成像无损检测关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[9]郭建军，辛伟大.红外热像原理及应用[J].山西建筑，2013，39（24）∶201-202.

（本文编辑：陆莹）

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

程国开（1982），男，高级工程师，主要从事高压电缆运维检修管理工作。