基于电阻层析成像的塔杆接地装置腐蚀无损检测

宋丽敏， 谢志梅， 区伟斌， 钟婉明， 林凤思

(1. 东北电力大学 输变电技术学院， 吉林 吉林 132021； 2. 广东电网有限责任公司 佛山供电局， 广东 佛山 528000)

电网设备的可靠稳定接地是保障电网正常运行以及设备安全的重要安全措施之一[1].作为输电线路的重要组成部分，输电线路杆塔同样需要可靠接地，以保证雷电过电流情况下的线路安全.线路杆塔不仅保护线路设备绝缘性，又可减少线路雷击跳闸率，从而有效提高线路运行的可靠性[2].作为线路杆塔的重要保护之一，接地保护装置主要包括：接地通道以及埋入地下的接地网两部分.通常情况下，接地通道全部或大部分处于杆塔内部或者地下，与接地网一致，难以对接地装置进行开放式的检查试验，因此不能直观地对其连通及锈蚀情况进行判断[3].然而，在接地通道或接地网金属部件出现锈蚀损伤时，电网难以承受雷击浪涌电流的冲击，因此需要利用专业的塔杆接地装置诊断技术对接地装置的运行情况进行科学、合理的检测，以保证杆塔可靠稳定接地[4].吴育毅等[5]应用恒电流暂态测量技术及最小二乘拟合算法获取极化电阻值，能够实现腐蚀速率和年平均腐蚀深度检测，但方法较为传统，难以满足目前的精度要求.

对于接地装置的非开挖式诊断方法，工程上早期曾使用大电流测量技术，但其只能对接地装置的整体运行状态进行检测，对于接地装置的腐蚀情况则不能较优地反映[6].而接地装置的腐蚀或断裂等缺陷会改变流过导体内部的电流，对接地装置周围区域的磁场和电场造成直接影响.因此根据电流流经导体后接地装置地表周围磁场强度的分布提出了电磁场无损诊断技术，并对接地装置腐蚀程度进行测量[7].朱志平等[8]使用X射线实现图像的无损检测，通过梯度图像形成、高斯金字塔滤波算法和期望最大化算法分割等方式提升了检测精度，但后期处理程序繁杂.此外，在材料学方面，根据金属腐蚀机理衍生出了一种电化学测量方法，可以对塔杆接地装置的腐蚀速率进行实时监测[9].Kalaiselvi等[10]通过失重法、电化学试验等方法检测直流杂散电流对接地网材料的腐蚀影响，检测误差较小，但只能定性分析其锈蚀程度，难以做到定量分析.

上述检测方法在对塔杆接地装置腐蚀位置和范围的直观定位上存在困难，而电阻层析成像技术(electrical resistance tomography，ERT)可有效解决这一问题[11]，因此，采用ERT技术对接地装置的腐蚀情况进行检测.通过埋入式电极注入电流采集电压的方式获取电导率数据，运用基于共轭梯度法的ERT技术进行图像重构，实现塔杆接地装置的无损检测.

1 塔杆接地系统

接地装置锈蚀或断裂会导致接地电阻变大，当大电流流过时容易导致弧光闪络，个别地方点位水平达到一定程度时，将可能击穿接地系统二次控制回路及通信电缆，造成电力系统二次设备损坏甚至主变压器损坏等不良影响[12].其中输电线路塔杆接地装置结构图如图1所示，其主要包括接地通道和接地网两部分.

图1 塔杆接地装置Fig.1 Tower pole grounding device

在塔杆接地装置中，为获得较优的散流能力，接地通道一般具有固定的形状，使用材料通常为截面积45 mm×4 mm的热浸镀锌扁钢，水平射线呈中心对称，且包含4根角钢均匀布置的垂直接地极.为保证安全距离，地下导体的拐点与每条角钢之间的间距至少为0.3 m.实际应用过程中，塔杆基座与接地引下线的实景如图2所示.

图2 塔杆基座与接地引下线Fig.2 Tower pole base and grounding downlead

对接地网和地下部分接地通道而言，最容易发生的腐蚀为电化学腐蚀，暴露于空气部分接地通道金属则容易发生化学腐蚀.对于接地极，通常采用直径d=12 mm的圆钢，埋入地下深度h=(0.8±0.2) m，而其长度l通常能达到数十米，则有d≪h≪l，接地极的电位U为

(1)

式中，ρ为接地极埋设环境的土壤电阻率.接地电极的电阻为

(2)

2 塔杆接地装置腐蚀无损检测方法

金属的腐蚀通常是由于金属碳化和氯离子渗透共同作用导致的，腐蚀后将会导致接地通道电化学特性发生改变.根据金属腐蚀前后电导率的变化特点，可应用ERT检测技术实现塔杆接地装置的无损检测.ERT的检测原理是分析导体中不同物质电导率的分布规律，从而得到被测物体介质的分布情况[13-14].

2.1 无损检测系统设计

ERT检测系统通常包括电磁激励、数据采集、敏感场电极阵列以及图像重建4部分，其完整结构主要包括：电极激励单元、敏感场电极阵列、数据采集系统、图像重建系统.ERT检测系统结构如图3所示.

图3 ERT检测系统的组成结构Fig.3 Constitution structure of ERT detection system

其中，被测对象接地装置用敏感场表示，电极阵列则通常排列于敏感场周围，用于联系敏感场与数据采集系统.敏感场的激励信号通常由电极激励单元施加[15]，激励电源通常为交流源.数据采集系统的任务是对敏感场周围所响应的电信号进行采集，并发送到下一级处理单元.图像重建在分析收集到电学信号的基础上，利用电阻成像原理还原出敏感场中介质的内部结构，实现介质的无损重构检测.

2.2 ERT技术

ERT成像算法是经Maxwell方程组和Laplace方程简化而来的，可表示为

2φ=0

(3)

式中：φ为场内电势分布；为梯度算子.

假设敏感场区域为Ω，电导率为κ，结合边界电流密度为j，可将ERT敏感场表示为

(4)

式中：∂Ω为边界；∂φ/∂n为边界法线方向导数.

共轭梯度法、灵敏度系数法等为ERT图像重建过程中较为常用的方法，所提方法采用灵敏度系数法，其计算表达式为

(5)

式中：Mm，n，x，y为激励电极对m和测量电极对n时，坐标点(x，y)对应的灵敏度系数；φm、φn分别为以m、n个电极对为激励电极对时的电势分布.

对于图像重建，假设图像灰度矩阵为G，灵敏度系数矩阵为γ，在敏感场分布近似不变的前提下，可将参考图像的测量电压表示为

U=γG

(6)

通过上述数理关系可以求解出原图像的灰度矩阵，并由此完成重建.

3 试验结果与分析

无损检测成像系统软件部分主要包括数据采集和图像重建两部分，数据采集系统所采集到的电压数据主要通过LabVIEW程序实现分析与显示，而图像重建则主要通过MATLAB程序实现.

试验时，将ERT检测系统中16个尺寸为40 mm×25 mm×0.3 mm的硫酸铜电极均匀分布在试块的四周，采用相邻电极切换激励的方式在电极上施加大小为±1 A/m2的激励信号.

3.1 无损检测试验数据分析

由于新建塔杆接地装置的腐蚀速率慢，因此，选择已投运5年的110 kV线路的钢架塔杆接地装置进行测试，选取其中的4块钢材混凝土块为试验对象，利用ERT检测系统对其进行无损检测试验.试验过程分别记录了不同时间刻度下电压和电导率的变化情况，4块试验块的均值如表1所示.

从表1中可看出，在激励电流信号为21 mA时，钢材混凝土块的电导率反比于电压值；由此可看出，腐蚀产物随着腐蚀程度的增加而逐渐增加，导体的电化学性质也随之改变.在腐蚀到第25天时，腐蚀产物过多导致混凝土块产生裂缝，同时也加速了腐蚀速率，此时电导率仅为0.012 6 S/m.

表1 电压和电导率随时间变化结果Tab.1 Variation results of voltage and conductivity as function of time

3.2 图像重建

在试块被腐蚀前，利用ERT系统对两种试块进行数据采集和图像重建，保留采集数据及重建图像如图4a、b所示，其中试块选择投运8年的220 kV线路的钢架塔杆接地装置.在接地装置试块被腐蚀后，再利用ERT系统对两种试块进行相同的数据采集和图像重建，成像结果如图4c、d所示，从中可看出较明显的金属损伤迹象.

图4 试块腐蚀前后的成像结果Fig.4 Imaging results of specimens before and after corrosion

由图4可看出，相比于腐蚀前的图像，试块腐蚀后的重建图像中，钢材位置区域面积即颜色较深部分明显增大，因此，可以得出导体电导率与其腐蚀程度呈反比关系的结论；电化学反应后的腐蚀产物会使周围区域的电导率变小，从而导致重建图像中钢部件截面积增大.综上所述，ERT技术初步具备了混凝土试块钢材腐蚀锈蚀的检测能力，对比钢材腐蚀前后的重建图像能够看出明显差异.

3.3 检测性能对比

检测速率和误差是评价所提方法的重要指标，其中检测误差的计算公式为

(7)

式中：g为检测图像灰度值；g*为原始图像灰度值.

将所提方法与文献[5]、文献[8]、文献[10]得到的检测误差和时间进行对比，结果如图5所示.

图5 不同方法的误差和检测时间对比结果Fig.5 Error and detection time compared results of different methods

从图5中可看出，所提方法的检测误差与时间分别为0.42 ms和36 ms，综合结果优于其他对比方法.因其采用ERT技术进行无损检测，利用电导率的变化实现图像重构，检测精度得到了保证，且算法简单、检测耗时较短.文献[5]采用恒电流暂态测量技术和最小二乘拟合算法，计算量较小、耗时最短，但检测误差较高；文献[8]利用电化学试验等方法进行腐蚀检测，减少了检测误差，但方法较为复杂、耗时较长，超过了50 ms；文献[10]使用X射线进行图像的无损检测，检测精度得到了较大的提升，但由于该方法融合多种技术，处理耗时较长，约为68 ms.

4 结 论

由于塔杆接地装置通常不便开挖，且应用于实际的无损检测较少，因此，提出了一种基于ERT的塔杆接地装置腐蚀无损检测方法.利用埋入式电极注入电流并采集电压的方式获取电导率数据，然后运用基于共轭梯度法的电阻成像技术进行图像重构，实现塔杆接地装置的无损检测.此外，利用LabVIEW和MATLAB平台相结合的方式对所提方法进行试验论证.结果表明，本文方法能够实现腐蚀状况的可视化，且检测误差与时间分别为0.42 ms和36 ms，具有较为理想的检测效果.

但由于所提方法需要预埋电极对试块进行检测，施工完成前的预埋同样涉及到电极腐蚀的情况，因此在一定程度上增加了检测的不确定性，故在接下来的研究中，将对外置式传感器进行优化，以满足实际所需.