淺談水泥電桿檢測(cè)分析方法與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

張舒

（安徽省建筑材料科學(xué)技術(shù)研究院 安徽合肥 230009）

淺談水泥電桿檢測(cè)分析方法與狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

張舒

（安徽省建筑材料科學(xué)技術(shù)研究院 安徽合肥 230009）

在架空線路中，水泥電桿是重要的組成部分，輸電線路的正常運(yùn)行受到電桿安全性的直接影響。裂紋為水泥電桿常見(jiàn)缺陷，影響電桿的力學(xué)性能和耐久性，降低輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，在本文中，介紹了水泥電桿裂紋的危害及產(chǎn)生原因，利用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)水泥電桿進(jìn)行檢測(cè)，并在有限元分析的基礎(chǔ)上對(duì)電桿狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，從而保證電桿的安全運(yùn)行。

水泥電桿；檢測(cè)方法；狀態(tài)評(píng)估

前言

低壓輸電線路主要采用水泥電桿進(jìn)行支撐。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，110～500kV高壓架空線路的支撐也開(kāi)始運(yùn)用水泥電桿，水泥電桿的安全性及耐久性對(duì)輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行有著非常大的影響，通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)分析方法以及狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，準(zhǔn)確的檢測(cè)電桿是否存在缺陷，并評(píng)價(jià)電桿的安全性，當(dāng)電桿運(yùn)行的安全性比較差時(shí)，有針對(duì)性的進(jìn)行處理，提升電桿使用的安全性，延長(zhǎng)電桿的使用壽命。

1 水泥電桿裂紋的危害及產(chǎn)生原因

1.1 水泥電桿裂紋的危害

在水泥電桿運(yùn)行的過(guò)程中，除去自身存在的缺陷外，裂紋是最為主要的缺陷，電桿裂紋的存在對(duì)電桿運(yùn)行的安全性、耐久性及穩(wěn)定性產(chǎn)生比較大的影響。從裂紋類型方面看，包含三種類型：①縱向裂紋，是指上下方向的裂紋，通常，縱向裂紋比較長(zhǎng)，在一根電桿上，豎向裂紋可能只有一條，也可能有多條，頂部、中部和底部是主要的分布位置；②橫向裂紋，是指左右方向的裂紋，多在電桿的中部位置分布，一根電桿的橫向裂紋一般只有一條；③龜紋，是指網(wǎng)絡(luò)狀的裂紋。水泥電桿出現(xiàn)裂紋之后，如果沒(méi)有及時(shí)的進(jìn)行處理，那么將會(huì)導(dǎo)致水泥脫落、電桿強(qiáng)度降低、承受能力下降等，嚴(yán)重時(shí)甚至造成電桿斷裂，引發(fā)停電，而且水泥電桿裂紋的存在也會(huì)對(duì)電力檢修人員的生命安全造成威脅。

1.2 水泥電桿裂紋產(chǎn)生原因

生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)水泥電桿時(shí)，使用的水泥標(biāo)號(hào)不符合要求，或者水泥的質(zhì)量比較差，導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的水泥電桿強(qiáng)度無(wú)法滿足規(guī)定的要求，投入使用之后，非常容易出現(xiàn)裂紋。生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)行混凝土配置時(shí)，水與灰的比例過(guò)大，沙子直徑大、存在雜物，降低生產(chǎn)質(zhì)量，在養(yǎng)護(hù)時(shí)，急于求成，縮短時(shí)間，影響水泥電桿的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致電桿在使用一段時(shí)間之后，因無(wú)法承受外界負(fù)荷而產(chǎn)生裂紋。電桿直接在露天的環(huán)境中工作，風(fēng)雪雨霧都會(huì)對(duì)電桿造成不同程度的影響，這其中，凍害的影響最大，在物體熱脹冷縮的變化規(guī)律下，電桿極易出現(xiàn)裂紋，如湖南大部分地區(qū)的電桿均受到2012年特大冰雪災(zāi)害的襲擊，加之電桿使用的年限比較長(zhǎng)，導(dǎo)致電桿的壽命受到了嚴(yán)重的影響[1]。

2 水泥電桿的無(wú)損檢測(cè)方法

2.1 工作原理

無(wú)損檢測(cè)方法是指磁性無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于鐵磁性材料，通過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁作用，促使其磁化達(dá)到飽和的狀態(tài)，由此，對(duì)缺陷的性質(zhì)、位置、數(shù)量等進(jìn)行間接的檢測(cè)。在磁性檢測(cè)方法中，最為常用的就是漏磁檢測(cè)，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，漏磁磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一定的變化，據(jù)此推斷出檢測(cè)參數(shù)。在水泥電桿裂紋檢測(cè)中，通過(guò)磁性無(wú)損檢測(cè)方法，可以降低檢測(cè)分析方法對(duì)水泥電桿的損傷。

2.2 電桿的檢測(cè)分析方法

在水泥電桿的裂紋缺陷檢測(cè)中，通過(guò)電磁的作用，提升檢測(cè)的效果。基于磁性無(wú)損檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)水泥電桿缺陷檢測(cè)方案，在此檢測(cè)系統(tǒng)中，包含檢測(cè)傳感器、信號(hào)預(yù)處理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析并波形顯示，水泥電桿中，包含比較多的鋼筋，被磁化之后，會(huì)產(chǎn)生磁信號(hào)，此信號(hào)中包含鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。具體的工作流程如下：將檢測(cè)傳感器安裝在水泥電桿上，檢測(cè)到特征信號(hào)之后進(jìn)行轉(zhuǎn)號(hào)，隨后將電信號(hào)發(fā)送至信號(hào)預(yù)處理模塊；信號(hào)預(yù)處理進(jìn)行濾波、方法處理之后，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，傳送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中；模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊再次對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，最后，利用波形的形式將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來(lái)[2]。

水泥電桿縱向裂紋深度檢測(cè)中，無(wú)損檢測(cè)方法為常用的方法。當(dāng)裂紋處沒(méi)有鋼筋時(shí)，無(wú)法利用此種方法進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)超聲波檢測(cè)方法、射線檢測(cè)方法等均可以比較好的檢測(cè)出水泥電桿的裂紋深度。如果裂縫處含有鋼筋，即可采用磁性無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行，當(dāng)裂縫深度與鋼筋保護(hù)層厚度存在一定的距離時(shí)，測(cè)定結(jié)果并不會(huì)受到什么影響，但當(dāng)裂紋深度已經(jīng)穿過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度時(shí)，利用磁性無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)裝置（見(jiàn)圖1）進(jìn)行檢測(cè)，在端蓋出設(shè)置鋼筋安裝孔，主要的目的是模仿鋼筋距離水泥電桿表面的距離，檢測(cè)中，轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)傳感器，沿著PVC管，檢測(cè)傳感器進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，將不用位置的電磁場(chǎng)信息采集完成，隨著，依據(jù)相應(yīng)的波形圖形，判斷出水泥電桿的裂紋深度，從而有針對(duì)性的采取裂紋處理措施，保證電桿的耐久性，延長(zhǎng)電桿的使用壽命，保障輸電線路的安全運(yùn)行。

圖1 磁性無(wú)損檢測(cè)裝置圖

3 基于有限元分析的水泥電桿狀態(tài)評(píng)估

3.1 電桿狀態(tài)評(píng)估裝置

在對(duì)電桿的狀態(tài)及力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選用錐形電桿力學(xué)性能檢測(cè)裝置（如圖2），此裝置中共包含三個(gè)部分，分別為臺(tái)座、加載裝置以及自重消除裝置。檢測(cè)時(shí)，整根水泥電桿的重量由自重消除裝置的千斤頂來(lái)承載，之后，逐步的將千斤頂?shù)捻斄Τ烦?，全部撤除之后，逐?jí)加載加載裝置中的液壓千斤頂，這二者的和就是電桿所受荷載。

圖2 錐形電桿力學(xué)性能檢測(cè)裝置

3.2 有限元分析

利用分離式模型建立起電桿的有限元模型，混凝土采用8節(jié)點(diǎn)三維非線性實(shí)體單元Solid65，鋼筋采用link8單元，依據(jù)鋼筋面積相等的原則，電桿橫斷面上均勻分布12根鋼筋[3]。建模時(shí)，以柱坐標(biāo)系作為總體坐標(biāo)系，在極坐標(biāo)平面內(nèi)，完成1/12內(nèi)圓環(huán)面的建立，沿著z軸的方向，按照拉伸比例進(jìn)行拉伸，進(jìn)而建立起對(duì)應(yīng)的實(shí)體模型，外實(shí)體模型的建立方法與之相同。模型建立完成之后，合理的選擇單元類型和材料模型。鋼筋link8單元在進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，每個(gè)單元的長(zhǎng)度都設(shè)置為50mm；混凝土Solid65單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格換分時(shí)，方法為六面體單元?jiǎng)澐?，共劃分?層，每層為10mm。在進(jìn)行計(jì)算之前，需要進(jìn)行荷載和約束的增加，與試驗(yàn)裝置相比，有限元模型的邊界條件有所不同，通過(guò)約束的施加，可有效地提升試驗(yàn)的效果，在本模型中，施加的約束為固定約束，此外，在施加荷載時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)所施加的荷載相同。約束及荷載的施加完成后，即可進(jìn)行求解。

3.3 數(shù)值模擬

以三個(gè)實(shí)際的水泥電桿為例，分別選各自模型中加載點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)圖和數(shù)據(jù)提取出來(lái)，在試驗(yàn)中，需要在有限元模型中對(duì)應(yīng)粘貼應(yīng)變片的部位，從而將圖和書庫(kù)有效的提取出來(lái)。從截面上來(lái)看，電桿為中空環(huán)形，應(yīng)力分布提取并不適合，而且在布置鋼筋時(shí)，以圓環(huán)為方向，相對(duì)中性軸高度在變化時(shí)，數(shù)值有所區(qū)別，因此在進(jìn)行電桿力學(xué)性能分析時(shí)，首先要將在極限承載能力狀態(tài)時(shí)，計(jì)算出鋼筋的應(yīng)力。最后，將荷載-撓度、彎矩-應(yīng)變、極限荷載下應(yīng)力等值線繪制出來(lái)，并對(duì)電桿的力學(xué)行為進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果，將電桿的狀態(tài)準(zhǔn)確的評(píng)估出來(lái)。

4 結(jié)論

水泥電桿在運(yùn)行的過(guò)程中，受到凍害、質(zhì)量等方面因素的影響，比較容易發(fā)生裂紋，進(jìn)而對(duì)電桿的耐久性產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致輸電線路無(wú)法正常運(yùn)行，發(fā)生停電事故。通過(guò)對(duì)水泥電桿的檢測(cè)及狀態(tài)評(píng)估，可有效地發(fā)現(xiàn)電桿中存在的缺陷，并判定電桿的耐久性、安全性等，從而準(zhǔn)確的掌握電桿的性能，若存在問(wèn)題，及時(shí)的處理，保證電桿運(yùn)行的安全性。

[1]劉思遠(yuǎn)，夏開(kāi)全.輸電線路混凝土電桿安全性評(píng)估方法研究[J].中國(guó)電力，2013（01）：65～68.

[2]王彥海，張璐，文中.混凝土電桿埋深段斷裂治理研究與檢測(cè)技術(shù)[J].混凝土與水泥制品，2013（07）：30～32.

[3]羅容波，王巖，黃松波，等.基于沖擊電流的GIS導(dǎo)電桿回路電阻測(cè)量方法研究[J].高壓電器，2013（10）：46～50.

TM75

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1004-7344（2016）01-0084-02

2015-12-1