基于改进电磁检测技术的变电站混凝土构架钢筋锈蚀检测系统设计

刘云飞 杨 友 章小彬 刘飞扬 刘婧珂 罗晨瑀 刘 军 刘 闯

（国网湖北省电力有限公司荆门供电公司，湖北 荆门 448000）

0 引言

变电站是电力系统的“心脏”和枢纽，承担着电能输送和分配的功能，一旦发生故障会导致大范围停电，因此维持变电站安全稳定运行至关重要。变电站内有很多钢筋混凝土构架，包括设备混凝土基础、母线（管）混凝土横梁和混凝土杆（砼）等[1]。在钢筋混凝土浇筑过程中，建设者通常太过于追求混凝土结构的强度，对其耐久性并不重视。钢筋混凝土的耐久性就是其暴露在恶劣的环境中以及承受本身结构作用的过程中，在规定的时间内仍能维持其自身性能的能力[2]。但是钢筋混凝土结构一般在未达到预期的服役年限之前就已不再可靠，其结构强度已无法承受自身的重量和外部因素的影响，因此频频引发安全事故。

对混凝土结构耐久性产生危害的因素有很多，包括钢筋锈蚀、恶劣环境影响等，据统计钢筋锈蚀是危害最严重的因素之一。钢筋锈蚀会生成铁锈使其横截面积减少，造成混凝土表面和内部产生裂缝。另外，混凝土结构表面产生裂缝，将进一步加快钢筋锈蚀，这两种影响因素会产生恶性循环[3]。钢筋锈蚀对变电站混凝土构架的耐久性和可靠性产生不良影响，大大降低了使用年限，严重威胁变电站的安全稳定运行[4]。因此，实现混凝土结构中钢筋锈蚀情况的实时检测成为了当下的重点课题。

钢筋位于混凝土结构的内部，目前常用的有源、有线检测方式在施工时会损坏混凝土结构，考虑到变电站的重要性和特殊性，在检测过程中应避免破坏其钢筋混凝土架构的完整性和耐久性，因此需采用无损检测技术[5]。无损检测技术是利用声、电和磁等对混凝土缺陷结构产生物理反应，通过对相关数据进行统计，分析其与各项性能指标的关系，来判定混凝土的各项性能指标是否达标[6]。无损检测方法有很多种，如电磁法、宏电流法、交流阻抗法等，据统计电磁检测法适用场合最多。电磁检测法具有无引线、无源的特点，避免了实际操作事对混凝土结构的损害。

传统的电磁检测系统只能判断钢筋是否已锈蚀断裂，无法实时检测钢筋的锈蚀程度，存在一定的局限性。因此，本文在传统电磁检测系统的基础上进行了改进和优化，实现了对变电站混凝土构架里钢筋锈蚀的实时无引线检测。本系统操作方便、测量准确，满足对变电站混凝土构架进行实时无损检测的要求。

1 电磁检测系统原理

电磁检测系统以LC振荡电路为基础，由四个模块组成，包括埋入式传感器、外部检测电路、数据处理及人机交互系统和无线收发器[7]。在运行过程中由埋入式传感器来检测混凝土结构里钢筋锈蚀状态，再利用电磁耦合的方式将采集到的模拟信号传送到外部检测电路，然后把模拟信号变换为数字信号并通过无线收发器发送给终端并显示。钢筋锈蚀检测系统的组成图如图1所示。

图1 钢筋锈蚀检测系统的组成图

本文主要设计电磁检测系统最关键的两个模块：传感器电路和外部检测电路。传感器电路的感应电感L2经过密封处理后提前放入混凝土结构里，外部检测电路的读取电感L1放在表面，位置与感应电感正对，如图2所示。

图2 电磁传感器的安装图

传感器电路由L2、电容与钢筋等效物组成，外部检测电路由L1与信号发生电路组成。信号发生电路生成信号传送到L1，会让其产生变化的磁场，若传感器电路谐振频率与该磁场频率一样，则L1阻抗最小，可据此性质来确定传感器电路的频率，原理图如图3所示。

图3 电磁耦合电路

由图3可知，在L1上施加交变电流I1会产生交变磁场，当交变磁场穿过L2就会产生感应电压U2，如此就实现了对L2无源供电的目的[8]。但此电路的效率较低，改进方法是在L2两端并联电容C，该电路的公式可由汤姆逊公式推出：

综上可得如下的公式：

化简得：

其中，Z表示L1的等效阻抗，ZL2表示L2对L1的耦合阻抗[9]。

根据式（3）能推导出以下的特殊频率点：

（1）当ω=0时，ZL2→0，此时Z→jωL1；

（2）当LC振荡电路发生并联谐振时，此时jωL2+1/jωC=0，可得：

其中，k为耦合系数，此时Z=0；

（4）当ω→∞时，

根据以上分析可以得出如下规律：

①0<ω<ωop时，Z显感性，|Z|随ω的增大而增大；

②ω=ωop时，Z显纯阻性，|Z|为极大值；

③ωop<ω<ωos时，Z显容性，|Z|随ω的增大而减小；

④ω=ωos时，Z=0，|Z|为极小值；

⑤ω>ωos时，Z显感性，|Z|随ω的增大而增大。

根据以上规律得出阻抗Z的角频率响应曲线，如图4所示。

图4 阻抗Z的角频率响应曲线

2 改进电磁检测系统设计

在实际情况中，传感器电路要预先做好封装并埋入混凝土中。传统的电磁检测系统把钢筋等效物—钢丝两端并联一个电容，再根据电磁耦合电路的原理，即能实现对钢筋的锈蚀情况的检测，电路原理图如图5所示。

图5 电路原理图

图5中右边电路为提前埋入混凝土中的传感器电路，传感器应采取封装措施，而钢丝要置于钢筋旁边，因此不必封装，左边电路为外部检测电路。钢丝和钢筋处于相同的环境中，因此两者将同步锈蚀，随着锈蚀程度加深，钢丝发生断裂，则其所在的回路断开，传感器电路的总电容减少，而谐振频率增大。钢丝没有断开，此时的谐振频率偏低，若钢丝已经断开，则谐振频率会变高，这样就实现了对变电站混凝土构架中钢筋锈蚀情况的无线检测[10]。

传统的电磁检测系统存在一定的局限性，只能判断钢筋是否已锈蚀断裂，无法实时检测钢筋的锈蚀程度，难以满足变电站的生产运维要求，因此本文在传统系统的基础上进行了改进，如图6所示。改进后的系统以直径不同的多根钢丝代替传统系统中的单根钢丝，这些钢丝会随着锈蚀情况加重由细到粗依次断裂。为方便实验，本文以开关的通断来模拟钢丝断裂的情况。LC振荡电路的谐振频率会随着钢丝依次断裂而逐渐变大，因此通过测量其谐振频率的变化即可判断各钢丝的通断情况，进而判断混凝土结构中钢筋的锈蚀状态。

图6 改进的电路原理图

由于直接测量L1阻抗的流程繁琐，且性价比较低，因此本文采用测定L1两端的电压幅频特性的方法。根据物理公式可得如下关系：

①0<ω<ωop时，随ω的增大而增大；

②ω=ωop时，为极大值；

③ωop<ω<ωos时，随ω的增大而减小；

④ω=ωos时，为极小值；

⑤ω>ωos时，随ω的增大而增大。

图7 L1两端的电压幅频特性曲线图

综上所述，采用直接测量L1的幅频特性的方法实现钢丝通断状态的判断。此方法方便测量，并且简化了系统电路。

3 仿真实验与分析

本文应用NI Multisim软件模拟搭建改进电磁检测系统的电路，如图8所示。左边电感为L1，右边电感为L2，C0～C3为电容，M为互感，R2为L2的自阻，R3、R4和R5为粗细不同、阻值相同的钢丝。

图8 模拟电路图

运用图8所示的电路模拟实际中钢筋的锈蚀过程，随着钢筋腐蚀程度加深，钢丝由细到粗依次断裂，其所在回路也相应断开，然后根据钢丝的断裂情况对这些状态分别进行仿真，得到各状态下L1两端电压的幅频特性曲线。通过分析这些谐振频率的差异，就可确定钢筋的锈蚀程度，电压下降到极小值时所对应的频率越大，钢筋锈蚀程度就越深。在这里设置L1和L2的电感值都为150 uH，线圈之间的耦合系数M为0.6，仿真结果如下（图9）：

图9 不同腐蚀程度的仿真图

具体的实验数据如表1所示。

表1 仿真测试结果

根据以上仿真数据，不难发现随着腐蚀程度加重，电路的谐振频率随之变大，结果和上文理论分析一致，说明本文所做改进是合理的和可行的。接下来可以通过改变系统的相关参数进行仿真实验，如耦合系数，L1和L2的电感等，以此来选取对系统性能影响最优的数值。经过分析大量仿真测试的结果，并综合考虑实际应用中的需求，本设计最后选定了传感器电路的参数：L1的电感为20 uH，L1的电感为100 uH，耦合系数M为0.05，C0～C1分别为10、20、50和100pF，其它数据与图8保持一致。

4 结语

传针对统的电磁检测系统的不足，本文设计了一种基于改进电磁检测技术的变电站混凝土构架钢筋锈蚀检测系统。此系统不仅能判断钢筋是否已锈蚀断裂，还可以实时检测钢筋的锈蚀程度，满足变电站运维的要求。