电力工程物资品质现场检测新技术

陈 晨

(国网浙江省电力有限公司金华供电公司，浙江 金华 321000)

近年来，电网规模不断扩大，电力企业的物资需求量与日俱增，而供应商所供应物资质量的参差不齐给电网物资质量管理带来极大困难[1-3]。对于电缆排管、接地铜排等常见的物资物品，其质量是否安全可靠，直接关乎到设备乃至整个电网的安全运行[4-5]。传统的电网材料质量管理主要是在到货验收时，以现场抽样试验的方式进行检测，经验性强，缺乏科学有效的质量检测技术[6-8]。调查结果显示，接地铜排质量良莠不齐、电缆缺斤少两等现象在供应市场中比比皆是。受检测技术限制，这些质量缺陷难以在现场准确识别，不仅给企业带来了经济损失，而且给设备和整个电网的运转埋下了安全隐患[9-10]。

针对电力物资品质评估的设计已经有了相关的研究。如文献[11]采用点接触方式，使用圆球与平面的电接触式检测装置，解决了非接触式光学影像仪的投影检测不准确问题。文献[12]通过视觉传感技术开展动态沉降监测，对控制基坑沉降具有数据支撑作用。文献[13]阐述并分析了现有的超声无损检测技术的现状，加快了超声无损检测技术的应用和发展。这些文献在单一的检测工作时，具有较好的效果，但是未考虑到现场评估存在的效率问题，亟需提出一种现场快速检测质量的新思路。

针对几种常见的电力物资质量检测技术进行研究，提出现场质量快速检测新思路，具体表现如下。

(1)提高物资管理水平和监管水平，最大程度地保障企业经济利益；

(2)确保物资物品的质量安全，降低安全隐患，提高电网的运行可靠性；

(3)提升物资管理的科学化和自动化水平，提升物资验收效率。

1 物资品质检测常用技术与局限性

1.1 外观尺寸检测技术

常见的物品尺寸检测方法有量规法、钢尺法、卡尺法、测微仪法等。

(1)量规法。使用具有固定尺寸的量具来检测工件，常见的有块体平板等。该类方法具有较好的经济型，但其用途比较单一。

(2)钢尺法。用长钢尺或几根相连接的短钢尺进行竖井高程传递。这类方法的仪器抗拉强度高，精度高，但其在使用时易折断、生锈，使用时要避免扭伤、防止受潮。

(3)卡尺法。使用游标卡尺、千分尺等对尺寸进行直接测量。这类方法的机械结构简单，使用寿命长且故障率低，但一般量程较短，读数不直观，容易出现误差。

(4)测微仪法。用各种测微仪、测微表与量块进行比较测量，常见的有百分表、扭簧比较仪、电感比较仪等。这类方法精度高，但只能测量相对值，无法给出绝对值。

1.2 基本力学性能检测技术

电力物品基本力学性能检测的主要应用场景为管道的刚度和硬度检测，包括抗拉、抗压和抗弯强度等指标。常见的力学性能检测设备为门式万能试验机(见图1)，通过将标准试件放置于试验机的作动器之间，作动器通过特定的控制规则(力控制或位移控制)对试件进行拉伸、弯曲或扭转等，从而获取材料的性能曲线。这类方法的优点在于适用性强、量程大，但缺点亦十分明显，必须将材料进行有损切割，并且试验机尺寸和重量较大，很难用于现场大规模测试。

图1 万能试验机

1.3 沉降检测技术

变电站基础在长期重力荷载作用下容易出现不均匀沉降，给设备运行带来安全隐患。典型的沉降监测设备为电子水准仪(见图2)，通过照准目标标尺并进行调焦后即可进行高程和距离的测定。水准仪使用范围较广，包括变形监测、地面沉降观测等，其与传统仪器相比有以下特点。

图2 电子水准仪

(1)精度较高，削弱了标尺分划误差的影响。

(2)读数客观，不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。

(3)速度快，减少了由于现场计算、人为出错等导致的重测次数。

(4)效率高，通过自动读取来自于调焦和按键的数据，将视距后自动记录、核验、处理的数据输入计算机并处理。

(5)缺点，每次观测均需进行调焦，并需要对支撑三脚架进行固定；对平稳性要求较高，无法进行长时间远传监测。

1.4 配电变压器绕组用材检测技术

某些配电变压器生产厂家使用铝线或铜包铝线冒充铜线，造成绕组线圈阻抗增大，变压器功耗增大，缩短了设备运行寿命。因此，需对绕组线圈用材进行检测，即铜和铝的检测识别。典型的金属检测技术包括材质分析法(光谱分析仪、化学分析仪)、金相组织分析法(体视显微镜、金相显微镜)、力学性能分析法(拉伸性能、硬度测试)等。金相显微镜如图3所示。

图3 金相显微镜

这些方法有两个缺陷。

(1) 多数方法需在实验室环境下进行，无法进行现场检测。

(2) 多数方法为接触式分析，需对变压器进行解体和破坏取样，无法满足现场无损检测需求。

综上所述，电力物资现场检测涉及外观尺寸、力学性能、沉降、材料等多种物理参数。尽管不同参数均有相对成熟的检测仪器或设备，但已有仪器或设备均有自己特定的应用场景，难以适用于现场大规模检测。此外，对部分仪器或设备的使用需要具备相应技能的专业人员，实际操作难度较大。因此，针对常见电力物资的现场快速品质检测技术的研究成为了制约物资验收管理的关键环节，是国内各个电力公司亟需解决的重要课题。

2 物资品质检测新思路

针对电力物资物品验收中常见的问题，提出了现场快速品质检测新思路，具体包括：基于超声波原理的物品厚度检测技术、基于卫星定位系统的基础不均匀沉降监测技术和基于X射线投射的配电变压器用材鉴别技术。

2.1 基于超声波原理的物品厚度检测技术

超声波测厚采用最新的高性能、低功耗微处理器技术，基于超声波测量原理，研发金属及其他多种材料的高精度厚度测量技术，实现对材料声速的快速测量。在此基础上，通过数学模型，后台自动计算被测量物品(如管道、各种板材)的厚度。

2.2 基于卫星定位系统的基础不均匀沉降监测技术

实时动态(Real-Time Kinematic，简称 RTK)载波相位差分技术是一种通过基准站和流动站的观测值，实现精确定位的技术。RTK载波相位差分技术弥补了以往需要事后求解才能获得厘米级精度的问题，其可以在勘测现场实时得到厘米级精度，极大地提高了地形测图和各种控制测量等工作的效率。

基于卫星定位系统和RTK载波相位差分算法，采用便携式基础沉降实时观测设备，通过全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)天线、云端存储和远端平台进行数据的实时传输和展示。通过人工设置允许沉降阈值，实现设备的自动报警功能，为现场作业人员提供处置依据。

2.3 基于X射线投射的配电变压器用材鉴别技术

X射线，是一种频率极高、波长极短、能量很大的电磁波，在对物质进行照射时，大部分的射线会由原子之间的缝隙穿过，仅一部分射线会被物质所吸收，因此X射线具有较好的穿透性。X射线的穿透力与物质密度有关，利用差别吸收特性可以区分密度不同的物质。

提起兰州，人们会联想到黄河、中山桥、牛肉面。然而，在很多成年兰州人心目中，想到的是兰州石化。因为正是兰州石化，让兰州这座历史名城有了“石化城”的美誉。

采用配电变压器线圈用材的非解体X射线鉴别技术，探究X射线在铜和铝等材料中的衰减规律和穿透能力，分析变压器中油箱钢板、变压器油、绝缘纸等对X射线穿透过程的影响，给出现场“一场景一方案”的X射线鉴别操作指南。

3 检测方案应用分析

3.1 超声波测厚度

电缆排管、电缆桥架等物资，最容易发生的质量问题是厚度不足，如管壁中间段厚度不足、铜排铁排等厚度不足等，既有方法检测不便。尤其是随着加工工艺的进步，厂家“偷工减料”的水平也不断提高，很多物资如管材等，出现了中间段薄两端厚的现象，这给传统机械尺具测量带来了很大工作量。对此提出利用超声波测厚方案，实现物资厚度的全方位高效率检测。

超声波在均匀介质中的传播速度是相同的，但当它从一种介质传播到另一种介质时，会发生反射现象。超声波测厚的原理就是超声波从被测材料表面出发到达底面时的间隔时间与材料的厚度成正比，因此材料的厚度可以由间隔时间间接表示。当采用连续波且被测物件的厚度为超声波波长的1/2或其整数倍时，入射波与反射波同相，产生驻波从而引起共振。

通过记录两个相邻的共振频率，即可求出物件的厚度，计算公式如下：

(1)

式中δ——物件的厚度，m；C——超声波在物件中的传播速度，m·s-1；f0——共振频率，Hz。

3.2 变电所基础沉降检测

变电所基础沉降在一些海拔位置较低的沿海地区较为常见，很多沉降在建设阶段就已存在，亟需在建设阶段提早发现。然而，在建设阶段便能敏锐捕捉到基础沉降信息较为困难。本文基于卫星定位系统和RTK载波相位差分算法，研发便携式基础沉降实时观测设备，通过GNSS天线、云端存储和远端平台进行数据的实时传输和展示。通过人工设置允许沉降阈值，实现设备的自动报警功能，为现场作业人员提供处置依据。

(2)

式中 Δh——垂直方向上的形变量，m；ΔdR——由InSAR监测到的变形量，m；θi——雷达视角，(°)。

3.3 基于X射线的材料鉴别

变压器等大型设备的材料鉴别，是物资品质检测的一大难点，对此问题提出便携式X射线穿透的材料检测技术，当工作人员使用X射线对物体进行穿透时，X射线光子的能量强度会随着穿透距离的增加逐步衰减，其逐步衰减的规律符合指数定律。

当宽束、多色的X射线穿透物质时，X射线光子能量计算公式如下：

E=E0e-uT(1+n)

(3)

式中E——X射线光子的能量，J；u——平均衰减系数，m-1；n——散射比；E0——入射强度，J；T——穿透物质厚度，m。

对于现场中常见的铜、铝材料，厚度范围为10～50 mm和60～100 mm的纯铝/铜阶梯试块经过暗室处理后分别可得到4张X射线底片。利用黑白密度计分别对阶梯试块影像底片的各个阶梯进行黑度测量计算处理，得到四条铝X射线衰减曲线和四条铜X射线衰减曲线，如图4所示。铝与铜的黑度常用对数-透照厚度曲线的平均斜率具有明显的差异，通过不同材料透射率差别的检测，可以在设备无损不解体的条件下，实现设备内部主要材料品质的评估。

图4 铜/铝阶梯试块X射线底片黑度常用对数-透照厚度关系曲线

3.4 基于压电应力传感器的硬度检测

现有的硬度检测技术依靠纯机械，灵敏度不够，对于镀锌厚度不足、涂层以次充好、金属漆代替电镀等表面处理的“偷工减料”问题检测难度较大，本文使用压电应力传感器实现硬度检测，通过压电应力薄膜传感器的高线性力——电转换，实现微弱表面硬度变化的灵敏检测，从而能够现场快速检测涂层材料的品质。

硬度检测设备具有一定形状的钢制压，在进行检测时，将其垂直压入试样表面，当检测设备的压足部分与试样表面完全贴合后，其压针的顶部相较于压足会有一部分凸出，记作伸出长度L，以L的数值大小来体现试样的邵氏硬度，邵氏硬度是指用邵氏硬度计测出的值的读数，其描述方法分为A和D两种，分别代表不同的硬度范围。邵氏A硬度计的量程是0～100 HA，邵氏D硬度计的量程是0～100 HD。测试原理如图5所示。L值越大，表明邵氏硬度越低，反之则越高。邵氏硬度的计算公式如下：

(4)

式中HA——设备的邵氏硬度；L——压针尖端的伸出长度， m。

图5 邵氏硬度测试原理

4 结语

本文分析了外观尺寸检测技术、基本力学性能检测技术、沉降检测技术和变压器绕组用材检测技术等，并对现有检测技术的优缺点进行了总结与分析，提出了包括超声波测厚、基于卫星定位系统和RTK载波相位差分算法的沉降观测技术、基于X射线的材料鉴别技术以及基于压电应力传感器的硬度检测技术。

在研发适用于电力物资品质现场快速检测技术方面，提出了不同场景、不同物质的品质检测新思路，具有如下特点。

(1)可操作性强。一般作业人员经培训合格后即可进行检测作业，无需深厚的理论基础也可掌握基本操作方法。

(2)现场无损检测。无需解体即可实现整机设备现场检测，甚至可以实现带电作业的需求。