架空地线断丝检测仪器

黄延庆 霍福广

摘  要：为了识别架空地线的断丝缺陷，以电涡流检测技术为依据，研制了一种基于STM芯片的电涡流架空地线检测装置，重点介绍了电涡流原理与系统设计。此外，利用所设计的系统在带有缺陷的试验线缆上进行验证， 试验结果表明， 该系统对不同程度的断丝缺陷具有较高的检出能力，并可以对其进行区分。

关键词：电涡流;架空地线检测;断丝;系统设计

中图分类号：TM75 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0043-02

Abstract： In order to identify the broken wire defect of overhead ground wire， based on the eddy current detection technology， an eddy current overhead ground wire detection device based on STM chip was developed. The eddy current principle and system design were mainly introduced. In addition， the designed system is used to verify the test cables with defects， and the test results show that the system has a high detection ability for different degrees of wire breakage defects， and can be distinguished.

Keywords： eddy current; overhead ground wire detection; broken wires; system design

目前，对输电线路的在线、在役检测的要求越来越高，传统的人工检视法通过直观的观测和利用一些简单的工具来进行检验，效率低下且监测准确度不高[1]。射线检测法存在辐射泄露隐患且设备笨重使用不便，缺乏相关的专业操作人员[2]。机器视觉法可以全角度全方位地捕捉钢丝绳的受损情况，但线缆表面的污损会造成误判[3]相较于其他方法，涡流法因无需耦合剂、检测速度快、易实现自动化等优点而被众多学者关注。本文的创新之处在于基于涡流法研制了一种架空地线检测装置，从而实现架空地线的断丝缺陷检测。

1 涡流检测原理

涡流探伤（ET）是利用了电磁感应原理检测导电构件表面和近表面缺陷的一种探伤方法。按其原理是用激磁线圈使导电构件内产生涡流，借助探测线圈测定涡流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。检测线圈在涡流检验中，为了适应不同探伤目的，按照检测线圈和被检构件的相互关系分为内穿式线圈、外穿式线圈和探头式线圈三大类。其优点是无需破坏或接触试件，不需要耦合剂，可获得缺陷处的参考数据，能檢出金属构件的表面缺陷和近表面缺陷。

2 系统设计

2.1 系统总体设计

实验系统包括激励信号产生模块、信号调理模块、差分放大模块和信号采集模块。基于电涡流的架空地线检测系统的总体方案框图如图1所示。系统的信号激励电路以STM32F4单片机为核心，控制其启动、停止及激励信号相关参数的设定。将经过功率放大的信号加载到探头的激励线圈，当探头靠近线缆时，在线缆激励出电涡流，检测线圈感应到断丝引起的信号变化，并将检测到的信号经调理模块调理后输入数据采集模块，数据采集模块对数据进行采集与储存，最终由串口屏进行显示与分析。

2.2 激励模块设计

系统激励模块的信号发生电路不仅要为涡流检测探头提供一定频率的正弦波激励信号，还需要为信号调理模块提供正弦波和余弦波作为参考信号，因此信号发生电路要求具有较高的稳定性。基于上述分析，本文利用直接数字频率合成 （DDS） 技术产生检测线圈所需的交变正弦波激励信号， 所选用的DDS芯片AD9850， 其采用CMOS工艺， 其在+3.3V供电时功耗仅为155mW。由于系统信号激励电路产生的信号功率较小，若将该激励信号直接加载到检测探头激励线圈两端，不足以激励出检测所需的磁场强度，故系统在激励信号电路后端设计了功率放大电路。

2.3 信号调理模块设计

信号调理模块中，正交锁相放大器是实现将缺陷信号从噪声信号中剥离出来的关键。其基于互相关原理，利用缺陷信号频率和随机噪声频率的差别，通过互相关函数运算，达到去噪的功能，原理图如图2所示。

2.4 信号采集模块设计

为了能够得到含有缺陷信息的信号，在数字电路中应设计数据采集模块。该模块的作用是对模拟信号进行处理，将模拟信号转换为数字信号后送入STM32中进行数据处理。由于STM32F4内部自带ADC为单极性且只有两个转换通道，不满足使用要求，故在该数据采集模块中选用4通道AD7606作为AD转换芯片。所有的采集通道都能以高达200KSPS的采样速率进行采样，也可以使用多片AD7606级联组成多通道同步采集系统，因为每个输入端都有箝位保护电路，故AD7606芯片能承受最高达±16.5V的电压。

3 检测试验

3.1 试验设备与试件

基于以上分析，本文开发了一种电力线缆断丝涡流检测装置，其封装效果如图3所示。为了验证所设计的检测装置的性能，设计了一段带有不同程度断丝缺陷的线缆如图4所示。1、2、3分别代表断裂3根、2根、1根，为方便探头放置在钢丝绳上用纸胶带粘上后标出断裂位置。由于实验线缆整体具有很大的弧度，如果直接使用探头进行检测会因为提离变化等因素造成实验结果的不准确，因此本文利用3D打印制作了一个探头外壳，外壳中心打孔放置探头，底部圆弧与检测线缆大小相当。检测时，将线缆从外壳底部穿过，从而减少因抖动等原因造成的测量误差。

3.2 试验结果与数据分析

应用开发的电力线缆断丝涡流检测装置开展试验，检测系统设置的激励信号频率为100kHz。试验中使探头由线缆一端运行到另一端，得到无缺陷和存在缺陷的区域的信号。图5为不同位置的电压信号，3个突起的地方即为经过三处缺陷时的电压，其他较为平缓的低处则是在无缺陷的电缆线上划动时的电压值。不同大小的峰值意味着可以区分不同断丝程度的缺陷。图6为不同位置的相位信号，相对于电压信号，相位变化更明显但无法区分不同程度的断丝缺陷。总的来说，检测装置能够较好地识别出线缆断丝缺陷并对其严重程度进行区分。

4 结束语

本文针对架空地线的断丝缺陷问题，研制了一种基于电涡流传感器的检测装置。对具有断丝缺陷的钢芯铝绞线进行测量后发现，该检测装置可以有效检测并区分不同程度的断丝缺陷，验证了该装置的有效性。

参考文献：

[1]付红伟，牛彦鹏，李岩森.电梯钢丝绳检测与维护方法探讨[J].中国设备工程，2020（01）：120-122.

[2]关巍，梁利辉，何义良.X射线无损检测技术在输电线路状态检测中的系统研究及应用[J].电子世界，2017（16）：42.

[3]李安.输电线路导线断股的图像检测方法[D].华北电力大学，2013.