接地網(wǎng)扁鋼超聲導(dǎo)波檢測試驗(yàn)研究

王炯耿，林群，羅宏建，周重回，張浩權(quán)

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州310014；2.溫州電力局，浙江溫州325028；3.浙江省電力公司，杭州310007）

接地網(wǎng)扁鋼超聲導(dǎo)波檢測試驗(yàn)研究

王炯耿1，林群2，羅宏建1，周重回1，張浩權(quán)3

（1.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州310014；2.溫州電力局，浙江溫州325028；3.浙江省電力公司，杭州310007）

介紹了接地網(wǎng)SH0波傳播能力的試驗(yàn)研究，結(jié)構(gòu)參數(shù)及環(huán)境介質(zhì)對SH0波傳播特性的影響，SH0導(dǎo)波的缺陷檢測能力研究。研究結(jié)果表明SH0波在地線中傳播能力強(qiáng)，可以很好實(shí)現(xiàn)地埋扁鋼的缺陷檢測。

接地網(wǎng)；扁鋼；超聲導(dǎo)波；無損檢測

0 引言

在我國，接地網(wǎng)的材料主要為普通扁鋼，常因施工時(shí)焊接不良及漏焊、土壤腐蝕、接地短路電流的電動(dòng)力作用等原因，導(dǎo)致接地網(wǎng)導(dǎo)體及接地線的腐蝕、斷裂，使接地性能下降[1-2]。

超聲導(dǎo)波技術(shù)是一種快速、高效的無損檢測方法，已廣泛應(yīng)用于多種工程結(jié)構(gòu)的無損評價(jià)和健康監(jiān)測[3-5]，本文應(yīng)用超聲導(dǎo)波技術(shù)對接地網(wǎng)導(dǎo)體扁鋼無損檢測進(jìn)行研究。

1 板結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波傳播特性理論分析

超聲導(dǎo)波的檢測效果主要取決于所選超聲導(dǎo)波的傳播特性，如頻散、波結(jié)構(gòu)及衰減等。通過對板結(jié)構(gòu)中不同模態(tài)超聲導(dǎo)波傳播特性的分析，選擇適合接地網(wǎng)扁鋼無損檢測的超聲導(dǎo)波模態(tài)類型和頻率范圍。

1.1 頻散曲線

超聲導(dǎo)波傳播速度隨頻率變化的特性稱為超聲導(dǎo)波的頻散特性。圖1為5.8 mm鋼板中的超聲導(dǎo)波群速度頻散曲線，可以看出，在1 MHz范圍內(nèi)存在多種類型的超聲導(dǎo)波模態(tài)，隨著頻率增加，模態(tài)數(shù)量也增多，在310 kHz以下的低頻段，僅存在低階的對稱蘭姆波S0模態(tài)、反對稱的低階蘭姆波A0模態(tài)和低階的水平剪切波SH0模態(tài)。S0和A0模態(tài)群速度隨頻率而變化，即存在頻散，而SH0模態(tài)波傳播速度恒定為3 260 m/s，無頻散現(xiàn)象，遇到反射體后也不會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。因此，SH0模態(tài)波的這些特征對于其檢測信號分析識別很有利。

1.2 波結(jié)構(gòu)

波結(jié)構(gòu)是指超聲導(dǎo)波的場量（如位移、應(yīng)力等）沿厚度方向的分布規(guī)律。超聲導(dǎo)波的波結(jié)構(gòu)決定了對缺陷的靈敏度以及對環(huán)境介質(zhì)的敏感性。圖2給出了5.8 mm鋼板中3種低階模態(tài)超聲導(dǎo)波的波結(jié)構(gòu)。其中X為板厚度方向，Y為垂直板長度方向（即切向方向)，Z為板長度方向。

從圖中可以看出，A0和S0 2種模態(tài)導(dǎo)波有2個(gè)非零的位移分量，即X方向的離面位移和Z方向的面內(nèi)位移，而SH0模態(tài)僅有1個(gè)非零的位移分量，即Y方向的面內(nèi)位移。因此，當(dāng)板結(jié)構(gòu)埋于液體或粘彈性介質(zhì)中時(shí)，SH0波向周圍環(huán)境介質(zhì)泄漏的能量較少，在板中具有較強(qiáng)的傳播能力。同時(shí)，SH0波的切向位移分量沿板厚度方向均勻分布，使其對于不同深度缺陷具有相同的靈敏度。

2 扁鋼中SH0波檢測試驗(yàn)及結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室建立的扁鋼SH0波檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，主要包括高能脈沖激勵(lì)/接收儀、激勵(lì)/接收換能器、阻抗匹配器及數(shù)字示波器。待檢測試件為電力系統(tǒng)接地網(wǎng)常用的扁鋼，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。檢測試驗(yàn)采用中心頻率為0.31 MHz的5個(gè)周期的方波信號，試驗(yàn)采用一激一收模式。

2.1 扁鋼中SH0波傳播能力

以8號扁鋼的檢測結(jié)果為例說明SH0波在扁鋼中的傳播能力。圖4為當(dāng)激勵(lì)/接收換能器間距為0.75 m時(shí)的SH0檢測波形，波包1，2，3依次為直達(dá)波、右端面回波和左端面回波。根據(jù)各檢測回波到達(dá)的時(shí)間差和傳播距離差，計(jì)算出波包的傳播速度為3 186 m/s，與SH0波的理論傳播速度誤差為2.27%。

2.2 扁鋼厚度影響

實(shí)際工程中，接地網(wǎng)扁鋼厚度有一定變化范圍，因此，研究了扁鋼厚度變化對SH0波檢測的影響。根據(jù)工程扁鋼常見尺寸，在試驗(yàn)條件相同情況下對5種典型厚度扁鋼進(jìn)行對比試驗(yàn)研究，試樣厚度分別為4.72 mm（2號）、6 mm（7號）、7.66 mm（5號）、8 mm（1號）、10 mm（6號）。

圖5為SH0波直達(dá)波、第一次端面回波和第二次端面回波幅度隨扁鋼厚度變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，隨著板厚增加，直達(dá)波和端面回波幅值呈衰減趨勢。圖6為SH0波傳播速度與扁鋼厚度的變化關(guān)系，可以看出，隨扁鋼厚度變化，SH0波傳播速度有一定波動(dòng)，但變化幅度相對較小，工程檢測中可忽略不計(jì)。

2.3 缺陷檢測

在無缺陷檢測試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在扁鋼試件上加工缺陷，進(jìn)行SH0波缺陷檢測試驗(yàn)。以11號試件為例，在試件上加工寬2 cm、深2 mm的槽狀缺陷，缺陷距試件端部1 m，如圖7所示。

保持激勵(lì)/接收換能器間距0.75 m不變，在激勵(lì)/接收傳感器與缺陷同側(cè)（即試件上表面）以及異側(cè)（即試件下表面）2種情況下，進(jìn)行缺陷檢測，結(jié)果如圖8所示。對比圖8（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)，換能器在試件上表面及下表面的檢測波形均包含5個(gè)檢測波包，且各波包的到達(dá)時(shí)間和幅度幾乎完全相同。因此，換能器置于扁鋼上表面和下表面均可以很好完成上表面缺陷檢測，驗(yàn)證了SH0波對不同位置缺陷具有相同靈敏度的特性。

2.4 地埋缺陷檢測

為模擬實(shí)際接地網(wǎng)地下工況，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行扁鋼地埋檢測試驗(yàn)。以長度為2 m的試件為檢測對象，首先在其距端部1 m處加工寬度為2 mm、深為1 mm的槽缺陷，然后埋于土壤中，埋置深度為6 cm。圖9為未地埋與地埋情況下檢測波形的對比，可以看出，在地埋情況下，可以清楚地辨識出缺陷回波、右端面回波和左端面回波，但與未地埋時(shí)相比，幅度明顯變小。

3 結(jié)語

針對電力系統(tǒng)接地網(wǎng)安全評價(jià)需要，進(jìn)行了接地網(wǎng)扁鋼超聲導(dǎo)波無損檢測試驗(yàn)研究，通過對板結(jié)構(gòu)中不同模態(tài)超聲導(dǎo)波的頻散特性和波結(jié)構(gòu)分析，選取SH0波進(jìn)行扁鋼無損檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，SH0波在接地網(wǎng)扁鋼中傳播能力較強(qiáng)，可以很好實(shí)現(xiàn)地埋扁鋼的缺陷檢測。

[1]劉輝，李明貴，陳曉兵.廣西電網(wǎng)防雷及接地工作存在的主要問題及對策[J].廣西電力，2006，29（3）∶6-11.

[2]朱正國.變電站接地網(wǎng)故障診斷的研究[J].廣東電力，2008，21（1）∶27-31.

[3]ALLEYNE D,CAWELY P.The interaction of lamb waves with defects[J].IEEE Transactions on Ultrasonic，ferroelectrics，and Frequency Control，1992，39（3）∶381-397.

[4]ZHU W，ROSE J L，BARSHINGER J N.Ultrasonic guided wave NDT for Hidden Corrosion Detection[J].Research in Nondestructive Evaluation，1998，10（4）∶205-225.

[5]BINGHAM J,HINDERS M.Lamb wave characterization of corrosion-thinning in aircraft stringers∶Experiment and three-dimensional simulation[J].J.Acoust.Soc.Am.，2009，126（1）∶103-113.

（本文編輯：徐晗）

Research on Ultrasonic Guided Wave Test of Flat Steel for Grounding Grid

WANG Jiong-gen1，LIN Qun2，LUO Hong-jian1，ZHOU Chong-hui1，ZHANG Hao-quan3
（1.Zhejiang Electric Power Test and Research Institute,Hangzhou 310014，China；2.Wenzhou Electric Power Bureau，Wenzhou Zhejiang 325028，China；3.Zhejiang Electric Power Corporation，Hangzhou 310007，China）

This paper introduces the test research on the transmission capability of SH0 waves for grounding grids，the influence of structural parameters and environmental medium on its transmission capability and the defect detectability of SH0 waves.The results show that SH0 waves have a strong transmission capability in ground wires and can achieve favorable defect tests of underground flat steel.

grounding grid；flat steel；ultrasonic guided wave；non-destructive test

TG115.285

：B

：1007-1881（2012）04-0004-04

2011-12-16

王炯耿（1973-），男，浙江諸暨人，高級工程師，主要從事電網(wǎng)及電廠設(shè)備的無損檢測工作。