电力杆塔地脚螺栓缺陷的磁致伸缩导波无损检测系统设计

贾恒

(广西电网有限责任公司玉林供电局，广西 玉林 537000)

1 引言

电力杆塔地脚螺栓是支撑杆塔结构的重要部件，预埋在基座基础中，受到周围介质的侵蚀和电缆重力以及风动负载的拉拔力和剪切力共同作用。地脚螺栓的腐蚀程度、完整性的检测以及与周围介质裹握力的测算是目前困扰工程界的一个难题，至今尚未有较为成熟方法和仪器能够检测电力杆塔地脚螺栓的结构完整性及与周围介质的裹握力。因此，研发地脚螺栓无损检测系统对保障电力杆塔稳定以及保证输电线路安全可靠运行具有重要意义。

2 磁致伸缩导波缺陷检测原理

杆塔地脚螺栓具有磁致伸缩特性，在外加磁场的作用下，地脚螺栓内部会发生细微变化从而在螺栓内部产生弹性纵波。而磁致伸缩逆作用是随着弹性纵波在螺栓内传播，由于螺栓内部的各部分发生变化，磁导率发生改变，导致弹性纵波的传播特性发生变化，进一步改变磁感应强度，磁感应强度的变化可以反应螺栓外形的改变。通过高精度的传感器接收此类磁感应强度的变化，并且使用计算机进行波形分析即可检测出地脚螺栓内是否存在裂纹或腐蚀等缺陷[1]。

对于如地脚螺栓类的非线性各向同性的铁磁性材料在外加磁场作用下的磁致伸缩效应模型如式(1)所示[2]:

式中:λ为磁致伸缩系数；λs为饱和磁致伸缩常数，由材料决定；Ms为饱和磁化强度；μr为相对磁导率，H为外加磁场强度；M为铁磁材料被施加磁场后产生的磁化强度。

当外加磁场H变化时，由式(1)可知，将引起地脚螺栓内部λ改变，从而产生内部形变，由内部形变产生弹性纵波在地脚螺栓内传播[2]。

3 磁致伸缩导波无损检测系统设计

3.1 系统整体设计

基于磁致伸缩导波的杆塔地脚螺栓无损检测系统，主要检测其完整性、长度和与基础的裹握力，也就是螺栓与周围基础的耦合程度的好坏。由于地脚螺栓预埋在基础的混泥土中，长期受到气象负载和输电导线负载的拉拔、剪切和震动所带来的上拔力与下压力，还有基础的缺陷以及渗入各种电解质的腐蚀，但国内外尚无成熟检测方法和设备。项目的整体设计框图如图1所示，系统由激励大功率脉冲电源、激励线圈、接收传感器和便携式检测仪组成。

图1 检测系统整体设计

检测系统对地脚螺栓采用工程螺栓模型和磁致伸缩导波无损检测技术，在地脚螺栓的地面露头部分，套入线圈激发脉冲磁场，利用地脚螺栓的磁致伸缩特性，在螺栓中激发出单一的弹性纵波(S波)。该纵波从地脚螺栓的缺陷部位和底端反射回端头，在螺栓端头采用压电加速度传感器检测纵波的反射波的时程和形状，无损检测地脚螺栓的长度和缺陷及地脚螺栓的完整性。根据螺栓中的纵波能量耗散曲线和衰减时间常数，间接地判测地脚螺栓与周围基础的裹握力。

3.2 激励单元

激励单元的主要作用是利用大功率脉冲电源及激励线圈对地脚螺栓施加外加磁场，从而引发地脚螺栓的磁致伸缩效应，产生在地脚螺栓内传播的弹性纵波。激励单元按功能区分可由集成于功率脉冲电源与激励线圈中的信号发生放大模块、阻抗匹配网络、磁致伸缩激励换能器等组成。

(1)信号发生放大模块

在进行地脚螺栓的磁致伸缩导波检测时，可采用Hanning窗信号与正弦信号经乘法器调制后的信号作为激励信号，表达式如式(3)所示。

式中:f为超声导波的频率；n为正弦脉冲的周期数。

超声导波对于不同传播对象其传播特性也会呈现出不同的特点，因此对于不同的检测对象需调整激励信号的Hanning窗口、频率及激励脉冲间隔时间等参数。采用Hanning窗信号与正弦信号调制可减少导波模式数，使得能量集中以提升信号检测的效率。该激励信号的波形变化平稳，在对其进行信号放大时具有较好的效果。

激励信号在产生之后，其功率较小并不能直接驱动激励线圈，因此需对激励信号进行放大使其能够驱动线圈产生施加给地脚螺栓的外部磁场，实现对螺栓内部磁致伸缩超声导波的激励。此外，由于磁致伸缩导波的检测对频率要求较高，一般可达30kHz～150kHz，导致激励信号在放大时要求的瞬时功率应达到千瓦以上。所以本文选用了功率较大的放大器 AETechron7224，该放大器不同于普通50Ω功率放大器，其具有三个不同档位可进行调节，分别是高电压/低电流、中电压/中电流、低电压/高电流模式，对应不同的输出阻抗，因此在使用之前还需对放大器进行阻抗匹配以获得最优放大效果，同时防止因电流过大烧坏放大器。AETechron7224还具有低噪声和快速摆率的特点，可以安全地驱动感性负载。

(2)阻抗匹配模块

阻抗匹配主要有源端串联、终端并联、AC终端并联、戴维南端接四种方式。本文所选用的放大器具有高电压/低电流、中电压/中电流、低电压/高电流三个档位，不同的档位对应不同的输出阻抗。当功率放大器为高电压/低电流档位时，放大器所需匹配的电阻较大；当为低电压/高电流档位时，放大器所需匹配的电阻较小；当为中电压/中电流档位时，放大器所需匹配的电阻介于较大和较小之间。

(3)磁致伸缩换能器

地脚螺栓的磁致伸缩导波检测是通过对螺栓内部纵向导波的检测实现，横向导波并不能较好地反应地脚螺栓中存在的缺陷信息。因此为在地脚螺栓中激发纵向导波，需使用磁致伸缩换能器将螺栓外部施加的均匀交变磁场与偏置磁场的磁场方向均调整为与地脚螺栓的轴线方向平行，偏置磁场由永磁体产生，交变磁场由换能器激励线圈产生。

3.3 接收单元

当弹性纵波在地脚螺栓内部传播时会产生磁致伸缩逆效应，改变螺栓内部磁导率，导致磁感应强度的变化。利用导波接收单元可对此类磁感应变化进行检测接收，接收单元主要由集成于接收传感器与便携式检测仪中的前置放大模块、信号采集等组成。

(1)前置放大模块

接收传感器在检测地脚螺栓导波信号时需对首先对信号进行放大处理，对于放大电路中容易产生的强烈电磁信号干扰，应加入限幅电容。此外，为了实现对30kHz～150kHz范围不同频率信号的检测，还需增加电容选择来实现在不同频率段内的相位偏移，满足所需的移相角度。

(2)信号采集

由高精度便携式检测仪实现对信号的采集，由于经过前置放大模块后的信号同样也是毫伏级，因此需采用高灵敏度的采集卡，更好地检测纵波信号。

4 磁致伸缩导波无损检测系统实现过程

检测系统首先功率脉冲电源输出电流脉冲到激励线圈，在地脚螺栓的端头激发出磁致伸缩纵波，该纵波从端头沿着地脚螺栓向底端传播。在腐蚀的缺陷部位和底端反射一部分到端头，这部分由接收传感器接收作为分析处理的信号。该纵波来回在端头和底端传播，最后，大部分能量耗散到周围介质中，这是一个震荡衰减过程。在模型桩实际测试波形图如图2所示。

图2 模型桩测试时域和频域波形图

其中，上半部分是时域波形，下半部分是频域图，可以看出本文设计的杆塔地脚螺栓检测系统可以较好地实现对磁致伸缩导波的检测。系统的工作过程如图3所示。

图3 系统工作流程

如图所示，在利用便携式检测仪接收到地脚螺栓纵波信号，进一步地计算纵波反射时程、螺栓长度、衰减时间以及能量耗散特性等参数，根据地脚螺栓的额定参数，判断螺栓潜在的缺陷问题，最后出具检测报告。

5 结论

本文设计了基于磁致伸缩导波的电力杆塔地脚螺栓缺陷无损检测系统，在分析磁致伸缩导波缺陷检测原理的基础上，对地脚螺栓的两大模块:激励单元与接收单元进行了详细设计，并且对其系统的工作流程进行了详细的介绍。所设计的系统在模型桩的实际测试效果显示，系统可以较好地检测地脚螺栓的磁致伸缩导波，从而达到检测螺栓内部缺陷的目的。