基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法

1.本发明属于输电导线缺陷检测技术领域，具体涉及一种基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法。


背景技术：

2.架空输电线作为电力系统的重要组成部分，架空输电线跨越长距离，负责电力系统内部电能的传输。架空输电线路整个使用寿命期间，由于其长期暴露在外，会受到各种因素的影响，例如操作因素(施加的拉伸应力和电压应力)和环境因素(风引起的振动、结冰、和雷击)。这些外部因素的影响，甚至是架空输电线本身制造过程中存在结构缺陷的影响下，可能导致输电线的机械故障(扭曲/破裂/断线)和腐蚀，从而造成巨大的经济损失；因此架空线路的健康与否，关乎千家万户的用电可靠性。
3.检查和监测架空输电线的完整性是设施维护的重要措施之一，有助于预测架空输电线的使用寿命。输电导线缺陷检测的传统方法是目测法，该方法简单易行，但该方法仅能观测输电线外部的损伤，且对于输电线的初期缺陷无法检测，故而检测精度低，再加之检测距离长，人眼容易出现疲劳，检测人员的劳动强度很大。
4.此外还有光学法、红外检测法、射线检测法和无线电波检测法等，光学法通过光学相机和人工识别输电线缺陷，仍然存在准确性局限。红外检测法灵敏度与环境温度有较大相关性，不适合秋冬季检测，且对微笑缺陷不敏感。射线检测法能够根据图像的灰度来分辨被检测断面内部的结构组成、装配情况、有无缺陷、缺陷性质和大小等，但其所用检测装置小型化较难，给检测数据的存储和传输带来了困难。电涡流检测法根据接收电磁波天线的方向以及电磁波的强度判断损伤与缺陷情况，但其抗干扰能力差、灵敏度不高，而且需要到现场对输电线进行逐点检测。
5.基于上述原因，使用有效的诊断设备和方案进行输电线完整性的评估依然存在很大的技术和经济挑战。


技术实现要素：

6.为解决现有技术中存在对输电线进行检查、检测方法中存在的抗干扰能力差，成本高，难以实现精确测量等技术缺陷。本发明提供一种基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，该方法能够精准实现输电线损伤位置、深度、横向长度的检测，且人工识别和监测输电线损伤程度，便于输电线路故障发生前对输电线进行早期诊断，具有成本低的优点。
7.本发明采取的技术方案为：
8.基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，包括以下步骤：
9.步骤1：根据电磁超声信号在输电线的衰减特性和频散特性，对电磁超声信号进行衰减和频散补偿，以增加电磁超声信号的检测距离；
10.步骤2：根据电磁超声导波的波速及其在架空输电线内的传播时间，确定输电线损伤位置；
11.步骤3：根据电磁超声回波信号，获取电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性；以及电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性；
12.步骤4：基于步骤3的电磁超声回波信号与输电线损伤的相关性，计算得到电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比，完成对输电线损伤程度的检测。
13.所述步骤1中，电磁超声信号在输电线中的衰减特性用电磁超声信号的衰减方程表示：
14.a(t)＝g(t)e-αt
(1)；
15.式(1)中，a(t)为t时刻输电线中的电磁超声信号；g(t)为t时刻无衰减条件下传播的电磁超声信号；α为输电线中超声信号的衰减系数，α＝αs+α
α
，αs和α
α
分别为输电线中超声信号的散射衰减系数和吸收衰减系数，且都为常数。
16.电磁超声信号在输电线中的频散特性由其频域方程表示：
17.g(ω)＝h(ω)exp(-[α+jk(ω)]d)+e(ω)(2)；
[0018]
式(2)中，ω为角频率；h(ω)是电磁超声激励信号h(t)的傅里叶变换；e(ω)为噪声；k为波数，为角频率和电磁超声导波相速度之比。j表示复数单位；k(ω)为波数的傅里叶表达式，v
相
为超声导波相速度；d为超声导波的传播距离，且d＝vt，v为波速，t为传播时间。
[0019]
所述步骤1中，对电磁超声信号进行衰减和频散补偿，具体是：
[0020]
对实际中存在衰减的信号进行采样，并使用式(3)对其进行衰减补偿：
[0021][0022]
式(3)中，exp(αt)为信号的补偿式。
[0023]
因此对于各波模式，第i个传播时间或距离的电磁超声信号在频域中使用式(4)进行频散补偿：
[0024]
y(ω,ti)＝g(ω)exp(j[k(ω)d(ti)-ωti]) (4)；
[0025]
式(4)中，y(ω,ti)表示第i个传播时间频散补偿后的电磁超声信号；d(ti)表示第i个时间，导波传播距离；ti为第i个传播时间。
[0026]
所述步骤2中，确定输电线损伤位置的方法如式(5)所示：
[0027][0028]
式(5)中，t表示实验记录的电磁超声波在输电线中传播时间；v表示电磁超声波在输电线中的传播速度；d表示输电线损伤位置与电磁超声接收/发射器之间的距离。
[0029]
所述步骤3中，获取电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性，具体方法为：
[0030]
通过对不同损伤深度的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量，拟合输电线中电磁超声回波信号幅值与输电线损伤的深度的关系为：
[0031]
i＝-9.235e-5d3+0.004938d2+0.01098d-0.0141(6)；
[0032]
式(6)中，d表示输电线损伤深度，i表示电磁超声导波信号与对应输电线损伤作用后的回波幅值。
[0033]
获取电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性，具体方法为，
[0034]
通过对不同横向长度损伤的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量，拟合输电线中电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的关系为：
[0035]
e＝0.0006173l2+0.00213x2+0.000746(7)；
[0036]
式(7)中，l为输电线损伤横向长度；e为电磁超声回波信号能量。
[0037]
上述式(6)、式(7)中关系式为多个数据拟合的曲线，所谓曲线拟合方法是由给定的离散数据点，建立数据关系；数学模型求出一系列微小的直线段把这些插值点连接成曲线，只要插值点的间隔选择得当，就可以形成一条光滑的曲线。一般通过matlab工具箱就可以完成。
[0038]
所述步骤3中，电磁超声回波信号能量计算公式为：
[0039][0040]
式(8)中，t1为检测到输电线缺陷回波信号起始时间；t2为检测到输电线缺陷回波信号结束时间；为归一化后的超声检测信号；e为电磁超声回波信号的能量。
[0041]
所述步骤4中，电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比计算公式为：
[0042][0043]
式(9)中，β为输电线损伤截面百分比，s为输电线截面积，d为输电线损伤深度，l为输电线损伤的横向长度。
[0044]
本发明一种基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，有益效果如下：
[0045]
1)本发明输电线损伤检测方法应用于检测输电线系统中输电线路损伤，在对超声导波信号进行衰减补偿以及频散补偿的情况下，同时实现输电线路的损伤位置以及截面损伤百分比的检测，且检测精确度高。
[0046]
2)本发明可通过电磁超声导波信号的传播速度及其在输电线内传播时间确定损伤的位置，同时也可根据超声信号回波幅值与损伤的深度的相关性以及电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的关系，拟合输电线中电磁超声回波信号幅值与输电线损伤的深度的关系曲线和电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的关系曲线，精准实现对损伤位置、截面损伤百分比的检测。
[0047]
3)本发明整个检测方法具有创新性，且成本低，人工的识别和监测腐蚀接地极损伤程度4)本发明可根据拟合函数来确定接地极局部损伤程度，便于及时了输电线路状态，便于对输电线路故障发生前对输电线进行早期诊断。
附图说明
[0048]
图1为本发明检测方法流程示意图。
[0049]
图2为补偿前的信号图。
[0050]
图3为补偿后的信号图。
[0051]
图4为与电磁超声信号发射(接收)器相距2.5m的缺陷进行检测接收到的信号图。
[0052]
图5为输电线损伤深度与电磁超声回波幅值关系曲线图。
[0053]
图6为输电线损伤横向长度与电磁超声回波信号能量关系曲线图。
[0054]
图7为输电线损伤处截面图。
[0055]
图8(1)为本发明检测系统连接示意图；
[0056]
图8(2)为图8(1)a处截面示意图；
[0057]
图8(3)为图8(2)b处局部放大图；
[0058]
图8(4)为磁铁和硅钢板排布示意图。
[0059]
图9为实际检测效果图。
具体实施方式
[0060]
基于电磁超声的架空输电线(acsr)损伤检测方法及系统，通过衰减补偿和频散补偿，实现电磁超声信号远距离检测；结合电磁超声导波的波速及其在架空输电线内的传播时间确定腐蚀损伤的位置，同时根据电磁超声回波信号幅值与损伤深度的相关性、电磁超声回波信号能量与损伤横向长度的相关性，拟合出电磁超声回波信号幅值与损伤深度间的关系式以及电磁超声回波信号能量与损伤横向长度的关系式；最后，通过关系式得到实际检测获取的电磁超声检测信号对应输电线损伤的深度以及横向长度，并以此计算得到输电线损伤截面百分比，实现输电线损伤的精确定位和损伤程度的准确检测。如图1所示，具体包括以下步骤：
[0061]
步骤(1)：根据输电线中电磁超声信号的衰减特性和频散特性，对信号进行衰减补偿和频散补偿；
[0062]
其中，步骤(1)中，根据电磁超声信号，对信号进行衰减补偿和频散补偿的具体操作方法为：根据电磁超声信号在输电线中的衰减特性和频散特性对其进行反向补偿。
[0063]
对实际中存在衰减的信号进行采样并使用式对(1)其进行衰减补偿：
[0064][0065]
因此对于各波模式、第i个传播时间(或距离)的电磁超声信号在频域中使用式(4)进行频散补偿：
[0066]
y(ω,ti)＝g(ω)exp(j[k(ω)d(ti)-ωti])(4)；
[0067]
其中，d是电磁超声信号的传播距离。
[0068]
如图2和图3所示，图2为进行补偿前的信号，图3为补偿后的信号；与补偿前相比信号信噪比以及回波信号幅值都得到很大提升，能保证电磁超声信号在输电线路中远距离检测。
[0069]
步骤(2)：根据电磁超声回波信号，获得所述电磁超声回波信号与输电线损伤位置的相关性的具体操作方法为：根据电磁超声信号的波速及其在输电线中传播时间，确定输电线的损伤位置。
[0070]
据电磁超声信号的波速及其在输电线中传播时间，确定输电线的损伤位置的方法为：
[0071][0072]
其中，t表示实验记录的电磁超声波在输电线中传播时间，v表示电磁超声波在输电线中的传播速度，d表示输电线损伤位置与电磁超声接收(发射)器之间的距离。
[0073]
对与电磁超声信号发射(接收)器相距2.5m的缺陷进行检测接收到的信号如图4所示，通过图4可以得到脉冲波在接地极中的传播时间为t＝0.097ms，超声信号波速为5200m/
s；从而可以得到发射器与缺陷的位置相距d＝2.522m，误差仅为0.87％。
[0074]
步骤(3)：根据电磁超声回波信号，获得所述电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性，具体方法为，通过对不同损伤深度的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量；如图5所示，通过matlab拟合输电线中电磁超声回波信号幅值与输电线损伤的深度的关系式：
[0075]
i＝-9.235e-5d3+0.004938d2+0.01098d-0.0141(6)；
[0076]
其中，d表示输电线损伤深度，i表示电磁超声导波信号与对应输电线损伤作用后的回波幅值。
[0077]
步骤(4)：根据电磁超声回波信号,获取电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性，具体方法为：
[0078]
通过对不同横向长度损伤的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量，如图6所示，通过matlab拟合输电线中电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的关系为：
[0079]
e＝0.0006173l2+0.00213x2+0.000746(7)；
[0080]
其中，l为输电线损伤横向长度，e为电磁超声回波信号能量。
[0081]
具体的，电磁超声回波信号能量计算公式为：
[0082][0083]
其中，给，t1为检测到输电线缺陷回波信号起始时间，t2为检测到输电线缺陷回波信号结束时间，为归一化后的超声检测信号，e为电磁超声回波信号的能量。
[0084]
步骤(5)：根据所述输电线中电磁超声信号与输电线损伤深度的相关性以及电磁超声信号能量与输电线损伤横向长度的相关性，得到实际检测电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比，完成对输电线损伤程度的检测。
[0085]
实际检测电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比计算方法具体的，实际检测电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比计算公式为：
[0086][0087]
其中，β为输电线损伤截面百分比，s为输电线截面积，d为输电线损伤深度，l为输电线损伤的横向长度。
[0088]
以acsr-720/50为例，如图4中回波信号幅值约2v，计算得到回波能量为0.02。根据图5、图6得到损伤深度d＝27mm，损伤横向长度l＝2mm，s＝775.41mm
2，
由式(9)计算得输电线损伤截面百分比β＝6.964％。
[0089]
验证实施例：
[0090]
本实例提供基于电磁超声法的输电线损伤检测系统，具体为将所述的基于电磁超声法的输电线损伤检测方法应用到输电线损伤检测中。
[0091]
如图8(1)、图8(2)、图8(3)所示，输电线损伤检测系统中，包括型号为afg-2022b信号发生器，ga-2500a功率放大器，阻抗匹配盒，ata-5000前置放大器，tbs100c示波器，电磁超声换能器。
[0092]
图8(3)中包括两个n42永磁铁、信号发射线圈；信号发射线圈采用多匝缠绕线圈。
[0093]
其中：a为硅钢板，b为架空输电线，c为多匝缠绕线圈，d为n42永磁铁，其中：蓝色部
分为磁铁n极，红色部分为磁铁s极，如图8(4)所示。
[0094]
安装时如图8(2)和8(3)所示，将多匝缠绕线圈c缠绕在架空输电线b上；三个工型磁铁(由两个n42磁铁d及一个硅钢板a组成)等距(每120
°
放置一个)放置在同一段架空输电线b上；检测时对多匝缠绕线圈c提供激励电源即可。
[0095]
多匝缠绕线圈c连接前置放大器，前置放大器连接示波器；
[0096]
多匝缠绕线圈c连接阻抗匹配盒，阻抗匹配盒连接功率放大器，功率放大器连接信号发生器。
[0097]
其中，脉冲回波信号发生器发出峰值为10伏、频率为200khz的双极性六周期方波脉冲为激励信号，用于激励电磁超声换能器以在输电线中产生超声导波；超声导波经功率放大后驱动电磁超声换能器发出超声导波；回波振动信号由超声换能器接收后，进行滤波和放大处理，其最大增益为80db，最后使用示波器记录数据，实际检测效果如图9所示。图9中检测效果明显，能得到明显的缺陷回波，便于后期缺陷的定量分析。

技术特征：
1.基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：根据电磁超声信号在输电线的衰减特性和频散特性，对电磁超声信号进行衰减和频散补偿；步骤2：根据电磁超声导波的波速及其在架空输电线内的传播时间，确定输电线损伤位置；步骤3：根据电磁超声回波信号，获取电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性；以及电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性；步骤4：基于步骤3的电磁超声回波信号与输电线损伤的相关性，计算得到电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比，完成对输电线损伤程度的检测。2.根据权利要求1所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤1中，电磁超声信号在输电线中的衰减特性用电磁超声信号的衰减方程表示：a(t)＝g(t)e-αt
(1)；式(1)中，a(t)为t时刻输电线中的电磁超声信号；g(t)为t时刻无衰减条件下传播的电磁超声信号；α为输电线中超声信号的衰减系数，α＝α
s
+α
α
，α
s
和α
α
分别为输电线中超声信号的散射衰减系数和吸收衰减系数；电磁超声信号在输电线中的频散特性由其频域方程表示：g(ω)＝h(ω)exp(-[α+jk(ω)]d)+e(ω)(2)；式(2)中，ω为角频率；h(ω)是电磁超声激励信号h(t)的傅里叶变换；e(ω)为噪声；k为波数，为角频率和电磁超声导波相速度之比；j表示复数单位；k(ω)为波数的傅里叶表达式，v
相
为超声导波相速度；d为超声导波的传播距离，且d＝vt，v为波速，t为传播时间。3.根据权利要求2所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤1中，对电磁超声信号进行衰减和频散补偿，具体是：对实际中存在衰减的信号进行采样，并使用式(3)对其进行衰减补偿：式(3)中，exp(αt)为信号的补偿式；因此对于各波模式，第i个传播时间或距离的电磁超声信号在频域中使用式(4)进行频散补偿：y(ω,t
i
)＝g(ω)exp(j[k(ω)d(t
i
)-ωt
i
]) (4)；式(4)中，y(ω,t
i
)表示第i个传播时间频散补偿后的电磁超声信号；d(t
i
)表示第i个时间，导波传播距离；t
i
为第i个传播时间。4.根据权利要求1所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤2中，确定输电线损伤位置的方法如式(5)所示：式(5)中，t表示实验记录的电磁超声波在输电线中传播时间；v表示电磁超声波在输电线中的传播速度；d表示输电线损伤位置与电磁超声接收/发射器之间的距离。
5.根据权利要求1所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤3中：获取电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性，具体方法为：通过对不同损伤深度的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量，拟合输电线中电磁超声回波信号幅值与输电线损伤的深度的关系为：i＝-9.235e-5d3+0.004938d2+0.01098d-0.0141 (6)；式(6)中，d表示输电线损伤深度，i表示电磁超声导波信号与对应输电线损伤作用后的回波幅值；获取电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性，具体方法为，通过对不同横向长度损伤的输电线中对应的电磁超声幅值进行测量，拟合输电线中电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的关系为：e＝0.0006173l2+0.00213x2+0.000746 (7)；式(7)中，l为输电线损伤横向长度；e为电磁超声回波信号能量。6.根据权利要求1所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤3中，电磁超声回波信号能量计算公式为：式(8)中，t1为检测到输电线缺陷回波信号起始时间；t2为检测到输电线缺陷回波信号结束时间；为归一化后的超声检测信号；e为电磁超声回波信号的能量。7.根据权利要求1所述基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，其特征在于：所述步骤4中，电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比计算公式为：式(9)中，β为输电线损伤截面百分比，s为输电线截面积，d为输电线损伤深度，l为输电线损伤的横向长度。8.基于电磁超声的架空输电线的损伤检测系统，其特征在于包括：多匝缠绕线圈(c)缠绕在架空输电线(b)上；三个工型磁铁等距放置在同一段架空输电线(b)上；等距指的是每120
°
放置一个；三个工型磁铁，每一个由两个n42磁铁(d)及一个硅钢板(a)组成；多匝缠绕线圈(c)连接前置放大器，前置放大器连接示波器；多匝缠绕线圈(c)连接阻抗匹配盒，阻抗匹配盒连接功率放大器，功率放大器连接信号发生器；检测时对多匝缠绕线圈(c)提供激励电源即可。

技术总结
基于电磁超声的架空输电线的损伤检测方法，包括以下步骤：根据电磁超声信号在输电线的衰减特性和频散特性，对电磁超声信号进行衰减和频散补偿；根据电磁超声导波的波速及其在架空输电线内的传播时间，确定输电线损伤位置；根据电磁超声回波信号，获取电磁超声回波信号幅值与输电线损伤深度的相关性；以及电磁超声回波信号能量与输电线损伤横向长度的相关性；基于电磁超声回波信号与输电线损伤的相关性，计算得到电磁超声回波信号对应输电线损伤截面百分比，完成对输电线损伤程度的检测。该方法能够精准实现输电线损伤位置、深度、横向长度的检测；人工识别和监测输电线损伤程度，便于输电线路故障发生前对输电线进行早期诊断，具有成本低的优点。具有成本低的优点。具有成本低的优点。


技术研发人员：方春华 吕俊杰
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/10/8