远程电网变电站轻质电缆沟盖板故障诊断可靠性研究

杨嘉睿，李建宇，王聪燚，王婷婷，毛章波

（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 314300； 2.浙江鼎浩电气有限公司，杭州 314300）

引言

近年来，电厂和建设单位反映出许多问题，特别是在电厂的建设和运行中，普通平顶钢混凝土板和支撑车辆荷载的厚钢混凝土保护层是常见的敞开式，这种情况正是影响电厂建设和运行安全的常见问题。由于轻质电缆沟盖板被普遍用于各个电网，涉及到不同用电领域，所以电缆沟盖板质量已经越来越受电网重视。实际设置运输道路过程中会根据图集，不再对电缆沟盖板的固定承载或是面积进行计算，而运输道路的相关规范随着时间的变化，也会有不同程度的更新或修改。现有的许多参考图集已不能满足目前规范要求，需要根据具体工况进行重新计算、加固和校核。误差检测是目前影响产品质量的重要手段，发展中国家同样也越来越重视无损检测在各个领域的作用。经济型超声波检测是一项重要的无损检测技术，由于该技术能够快速穿透沟盖板对其检测，并具有测试面积大、缺乏接触和直观性等特点，在航空航天、机械、电力、医药、古董等领域得到了广泛的应用。

童晓阳[1]等人提出一种基于正序电流故障分量的输电线路故障检测算法。采用线路两端正序电流故障分量的矢量和幅值与矢量差幅值的比值作为线路的故障判断量，给出严格的公式推导，建立了故障检测的判据。何立柱[2]等人提出一种基于周期宽带M序列励磁的变压器绕组变形故障检测方法。给出了序列、位持续时间和采样频率的选择原则，为了实现序列激励法与扫频法相结合，研制绕组变形检测装置。通过在实验室模拟不同绕组位置和不同程度的匝间短路故障进行试验。

虽然上述两种文献方法最终能够完成故障检测，但由于在检测过程中需要对矢量进行反复计算，从而增加检测时间，降低检测效率。因此本文提出远程电网变电站轻质电缆沟盖板故障诊断可靠性研究，为了解决基于傅里叶变换算法带来的谱分析计算起伏大、图像不完整等情况，本文将采用基于AR模型的谱分析检测技术，通过对超声检测中的数字信号求解系数，获取出适用于超声信号研究的阶数，完成电缆沟盖板的故障检测，最后通过对不同材质沟盖板在承受负荷时的故障检测完成可靠性分析。

1 电缆沟盖板故障类别分析

由于轻质电缆的所处环境，导致电缆沟盖板较为容易发生故障，其中主要故障原因大多数为沟盖板外部裂开，造成裂纹的因素复杂多样，主要体现在以下几种情况：

1）垂直与水平裂缝

垂直与水平裂缝大部分出现在沟盖板可以拉开区域，因为该区域在施工过程中需要经常拉开或盖上，所以致使裂缝出现。一般常见的裂缝约在0.2～1.0 mm，并且以夹角形状呈现，如图1。

当盖板上的裂纹达到一定程度时，水平裂纹将随着垂直裂纹的应力区而出现。形成沟盖板纵横裂缝的因素可分为以下两点：

荷载系数：作用在沟盖上的荷载变化是产生裂缝的主要原因之一，经过日积月累沟盖板承受的作用力度、变异度越来越大。在电缆沟盖板处设置运输通道时，常用荷载都保持在20 000 Pa内，在接下来的分析中，如图2所示，用等于预定值的中心荷载代替对沟盖的影响[3]。

按照弯矩相等原理，等效集中力（P）的计算表达式可以写为：

式中：

q、b和L—设计沟盖板的均布荷载、宽度以及计算跨度。

以某电厂沟盖板为例，当沟盖板的设计均布荷载取值为10 000 Pa时，其容许等效集中荷载即表述为：

计算弯矩M=1 241.1N·m，根据正常施工结构设计规范（TJ10-74）强度进行计算。沟盖板裂缝与承载力之间的关系图如图3所示。

图1 垂直与水平裂缝

图2 沟盖板荷载示意图

从图3可以看出，当沟盖板的荷载高于3 P时，运输通道所使用的钢筋强度就会出现远远超过规定荷载的情况[4]，这样就会导致超载越多，沟盖板上裂缝宽度越大直至断裂。

由于电缆沟盖板数量很多，施工人员并不能保证对每一个沟盖板都很好的管理，如果盖板反向放置或没有扣紧，则钢筋的压力将成为受拉区域，因此当盖板承受的荷载超过固定荷载时，盖板外侧会因应力的影响而出现裂缝。

2）斜裂缝

在汽车荷载作用下，大剪力弯、小弯矩的截面通常出现斜裂缝，且裂缝较脆，破坏发生得十分突然。排水沟道盖板斜裂缝示意图如图4所示[5]。造成沟盖板斜裂缝的主要原因是在设计沟盖板时，忽视了沟盖板的抗剪计算。

3）角部裂缝

沟盖板的角部裂纹一般出现在一个角部或多个角部，沟盖板角部裂缝如图5所示。

电厂由于施工、运行和维护等原因，板角损坏较为普遍，随机撬、抛、压沟盖板是造成沟盖板损坏的原因之一。

4）孔洞边裂缝

孔边裂纹常发生在沟盖板的临时孔处，造成沟盖板的裂纹，如图6所示[6]。

2 沟盖板故障检测

故障检测是研究材料和成品内部以及表面是否存在缺陷而不造成损坏的手段，也就是说通过故障检测，可以得知沟盖板外部、内部结构的异常变化或是因为新形成的缺陷导致对声、光、电、磁等不良反应的变化来评价结构异常和缺陷的损伤程度。

故障检测可直接对所生产的产品进行检测而与物件的成本或可得到的数量无关，除去坏零件之外也没多大的损失。可用于当可变性很宽而又无法预计时，这样既能对产品进行百分之百的检测，也可对典型的抽样进行检测；可直接测量使用期内的累积影响，并对同一产品重复进行同一种检测[7]。

图3 沟盖板裂缝示意图

图4 斜裂缝示意图

图5 角部裂缝

图6 孔洞边裂缝

2.1 基于离散傅里叶变换的谱分析技术

一般情况下，可以将不同形状的信号看作为叠加在不同频率上的无数正弦交流信号，可以用傅立叶级数进行数学描述，假设有一组周期信号x(t)，该信号的周期表述为T，与其对应的傅里叶序列就可以写为：

式中：

a0,aπ,bπ—傅里叶系数；

fn—每次谐频的频率[8]。

对于瞬态信号（在正常使用超声波进行故障检测时，该信号可被视为在指定时间内的瞬态信号），可以根据不同频率状态设置不同的周期信号T，T的取值趋向可以是无穷大，这样序列计算就可写为：

这时傅里叶系数就会转换为连续频率函数：

上式即是根据反变换获取出的傅里叶变换，那么将该序列与傅里叶变换对照，即可进一步获取出离散傅里叶变换：

这样即可采用快速傅里叶变换，计算求解获取出Y(k)。

一般情况计算出的Y(k)取值都是负数，对该数据取模运算便可得出该频率点下的幅度，系列模就可以构成x(n)的离散化幅度谱（频率），基于FFT的谱分析即称之为线性谱分析。如果经过计算得知x(n)点数并不是2的整数倍，即可在x(n)后补若干零值，使其满足总的点数为2的整数倍，这样就可以用常规的FFT算法。

经过傅里叶变换计算得出的频谱图，偶尔会出现变化起伏过大、频谱图分辨率不足等问题，因此，频谱计算的结果无法得到详细的结果，增加零点的数量会增加FFT点数，导致整体运算效果下降，本文采用AR模型来对轻质电缆沟盖板进行故障检测。

2.2 AR模型谱分析

非线性谱分析方法有很多，如AR模型、自回归模型、移动平均模型等，其中AR模型方法的研究和应用比较成熟，快速算法较多[9]。

AR模型可以看作是一个线性预测模型，它可以从已知信号中推断出未知范围的预测值。

从该模型得到的信号频谱如下：

式中：

σ2、a—待求解系数，可以根据Yule-Walker方程k计算得出：

式中：

ρ—AR模型的阶数；

R( 0),R( 1),R( 2),...,R(ρ)—信号序列x(n)的自相关系数。

从式（7）计算结果即可得知，SAR(ω)表示连续谱，可以呈现较高分辨率的频谱图像。AR模型谱分析中主要不确定因素是计算过程中的阶数ρ，在超声规章检测信号处理过程中，可以尝试给定一个阶数取值，然后根据计算结果不断进行调试，直到选取出最优的谱间分析结果，这样取值对类似的超声信号通常是有效的。本文实际计算过程中阶数取值在10～20之间，如果阶数取值较小，那么谱峰就会呈现出较为平缓的状态，反之阶数取值较大谱峰就会比较尖锐，但需要注意的是，计算过程中阶数取值过大，会导致谱峰分裂，产生虚假谱峰[10]。

AR模型谱估计的特点是针对瞬态的短时间信号有计算方面的优势，在实际应用中对故障检测具有良好的反应效果，可以在短时间内获取出精准且清晰的频谱图像，以便于对电缆沟盖板裂缝的检测，此外AR模型谱分析经过计算还可以获取出连续且光滑的谱，利于相关人员的判定。

3 故障诊断可靠性研究实验

为了能够进一步验证所提算法的有效性，本文对13种沟盖的试验研究，得到了不同类型沟盖的变形破坏特征，并对其极限承载力所产生的裂缝进行故障诊断，验证方法可靠性。

3.1 实验环境

根据工程要求，碎石板破坏量为30块。该试验包括钢纤维混凝土和钢纤维混凝土涂层以及混凝土表面对比研究。钢纤维罩钢筋结构见图7。

钢纤维体积比为114 %，混凝土强度等级为C30和C40，钢纤维混凝土板的影响尺寸为钢纤维体积比和混凝土强度等级。试验中使用了At磨纤维，长径比为50，得率为600 MPa，Hpb235将加固所有沟渠，并在一所大学结构实验室进行清理和维护。在部件的铸造过程中，每个部件的100 mm立方体试块，用于在与保留部件相同的环境条件下进行维护。混凝土抗压强度应在构件试验前一天或同一天进行试验。其它强度指标可按规定换算，测得的沟盖板防护压力强度见表1。

采用中跨集中加载和分层加载系统，通过传感器测量每个电荷水平。荷载作用下设置每公里测量变形量的支架和沟盖宽度，在试验过程中对沟盖裂缝的演变情况进行严密监测。

3.2 结果分析

针对表1不同材质的沟盖板设计进行故障检测以及分析其检测结果的实际可靠性。荷载反射曲线反映了沟盖板荷载反射曲线的力学性质。在试验期间，在不同编号的沟盖上安装两个数字指示器，每个指示器都有一个数字指示器载体，以便实验中方便观察检测可靠性。

首先给出钢纤维混凝土沟盖板荷载曲线图，如图8所示。

由图8可见，使用中的钢纤维钢筋混凝土碎石保护层的变形与普通钢筋混凝土碎石保护层的变形基本相似。这一情况间接说明，不管是用什么材料构建的沟盖板，都会因为使用时间来发生不同程度的弯曲，因此本文运用钢纤维混凝土来进行实验，该材质的沟盖板具有良好的变形性能钢纤维塑性开裂强度和混凝土制成的传声器形成一座能够承受最大拉伸张力的裂缝桥。

图9表明钢纤维混凝土和钢筋混凝土在不同强度和体积比之下产生的沟盖板裂缝，故障诊断过程中，裂缝反射曲线几乎没有招投标，但只有柔性工作阶段，钢纤维体积比的增加，当混凝土基层强度较高（至C50）时，沟盖板覆盖层荷载的反射曲线有明显的水平段。因此针对不同材质的沟盖板进行故障检测，其中检测荷载挠度曲线如图9所示。

由于在荷载较低情况下材料本身会阻碍沟盖板表面裂缝产生，但内部结构已经脆弱不堪，生成裂缝，但是通过图8、9能够得出，本文所提故障诊断方法能够清楚得出不同材质下沟盖板荷载挠度曲线，明确沟盖板内部脆弱性，透过表面及时发现问题，减少重大问题发生。

图7 沟盖板截面示意图

表1 沟盖板设计参数表

图8 钢筋沟盖板荷载挠度曲线

图9 钢纤沟盖板荷载挠度曲线

图10 检测效率对比图

图10为对电缆沟盖板的裂缝进行故障检测的效率对比图。

与文献方法相比本文方法具有较高效率，反之文献[1]方法则会随着检测次数的增加而降低检测沟盖板是否存在故障的效率，次数越多需要的时间越长，而文献方法[2]呈现出的检测效率并不像文献方法[1]效率那么低，所需检测时间直线上升，呈现出一种缓慢上升的趋势。

4 结论

电缆沟盖板作为保证用电基本安全的保障，对保护电缆起着绝对性的作用。为了能够解决因施工运输道路或是自然环境导致的沟盖板裂缝情况，提出远程电网变电站轻质电缆沟盖板故障诊断可靠性研究。构建基于谱分析技术的AR模型，利用信号传输功率，计算得出适用于功率谱的取值阶数，最后通过沟盖板的故障诊断研究验证方法可靠性。但由于在计算阶数的过程中，具有较高的复杂性以及失误率，所以计算参数仍有待优化。