高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷混频SH导波检测方法

彭丽莎1 孙洪宇2 李世松1 王 珅1 黄松岭1,3

(1. 清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084 2. 北京交通大学物理科学与工程学院 北京 100044 3. 新型电力系统运行与控制全国重点实验室 北京 100084)

摘要 高压输电杆塔接地极作为雷电流、工频故障电流和感应电流等异常电流的关键传导通道,对于保障电力线路的安全稳定运行具有重要作用。然而,接地极腐蚀缺陷的存在将严重影响其正常的散流功能,威胁电力系统安全稳定运行,甚至人身安全。针对高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷的远距离、小缺陷高灵敏度检测难题,该文提出一种高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷混频SH导波检测方法。设计了一种基于变间距永磁阵列的新型混频SH导波换能器结构,并通过仿真和实验验证了混频SH导波检测的可行性。进一步将所提方法与传统的单频SH导波检测方法进行比对,结果表明所提出的SH导波检测方法相比于传统方法对远距离、小缺陷具有更高的灵敏度检测和更好的检测效果。

关键词:高压输电杆塔 接地极 电磁超声导波 混频SH导波 缺陷检测

0 引言

高压输电杆塔是电力系统的重要电力传输枢纽,不仅起着支撑长距离输电导线的作用,同时也与接地装置共同构成了雷电流、工频故障电流和感应电流等异常电流的关键传导通道,对于保障电力线路的安全稳定运行具有重要作用。然而,输电杆塔的接地极普遍采用碳钢材料,且常年铺设于地下,受到土壤酸碱度失衡、微生物腐蚀等环境影响容易导致接地极腐蚀(见图1)甚至断裂,对电力系统安全运行造成威胁。接地极腐蚀缺陷的存在,使得接地线截面积减小,接地电阻增大,接地性能降低。当异常电流流经接地极处时,由于接地电阻增大将进一步导致输电杆塔电位升高。这一方面将形成反击过电压,引起线路跳闸故障;另一方面将使得杆塔附近的跨步电压和接触电压升高,对人员安全造成威胁[1-2]。2018年山西介休市一输电杆塔接地线发生腐蚀,导致现场电力设备故障造成局部地区停电事故,对居民生活产生严重影响。2004年,浙江衢州曾因杆塔单相故障导致周围8名作业人员因跨步电压触电受伤[3]。因此,需要及时对高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷状态进行检测评估。

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图1 接地极腐蚀缺陷

Fig.1 Corrosion defects of grounding electrode

然而,高压输电杆塔接地极装置通常敷设在地下一定深度的位置,无法直接观察到其整体的缺陷损伤状态。采用开挖的方式对接地极腐蚀状态进行检测工程量大、检测效率低且难以推广应用。因此,采用非开挖式的接地极故障诊断方法是必要的。目前常用的方法主要包括电磁法[4]和电网络法[5-7]。加拿大F. Dawalibi等通过注入工频电流,率先对不同埋地结构导体在土壤中的电磁场分布情况进行了理论分析与计算[8]。研究发现,当接地极发生腐蚀损伤,尤其是形成导体断裂时,其周围电磁场分布将发生明显变化[9]。随后,华北电力大学崔翔团队提出的电磁场分析诊断方法,在对接地极腐蚀状态进行检测的同时,也对导体位置情况进行了分析[10-11]。进一步地,重庆大学付志红团队采用瞬变电磁成像法,通过对接地导体进行非接触式电磁激发,检测其导体中的感应电流从而对其腐蚀状态进行评 定[12-13]。然而,上述电磁方法检测灵敏度较低,仅在接地装置出现严重腐蚀甚至断裂的情况下,其周围的磁场变化才会显著改变,对于早期微小的腐蚀缺陷难以检测,且高压输电杆塔周围的电磁干扰也会对检测结果造成影响。清华大学何金良团队[14-15]、重庆大学刘渝根团队[16-17]提出了电网络理论分析法,通过将接地装置看成纯电阻网络,对各节点之间的电压值进行测量,从而对腐蚀前后接地网支路导体的电阻变化情况进行分析与诊断。该方法也是目前较为主流的接地极腐蚀故障诊断方法,近年来得到了诸多发展[18-19]。然而,电网络法需要准确的接地结构拓扑以建立网络方程。此外,接地电阻的阻值通常还与周围土壤的电阻率以及导体与土壤的接触程度有关,受土壤环境、成分等变化的影响较大,且难以对接地极腐蚀缺陷的具体情况进行准确把握。此外,还有基于探地雷达成像处理技术的接地极腐蚀缺陷检测方法[20-22],但检测装置成本较高,难以大面积推广应用。

超声导波检测作为一种单端激发接收、长距离检测诊断的无损检测方法,非常适用于输电杆塔接地极这类敷设于地下的金属试件腐蚀缺陷检测,能够在较长距离内快速检测并确定结构中的缺陷位置。该方法无需对整个接地装置进行开挖,几乎不受外界电磁信号干扰,且能够对接地极中的腐蚀缺陷进行准确识别甚至量化,优势显著。在已有的接地极超声导波检测研究中,钟茜研制了一种基于低阶单频水平剪切波的扁钢型接地极的超声导波检测装置,并对换能器参数进行了优化设计[23];刘伟基于小波变换奇异点提取方法,针对圆钢型接地极采用磁致伸缩原理对缺陷的宽度进行了测量,并分析了单频导波在折弯和水平搭接结构中的传播特 性[24];黄志都等则对接地网单频超声导波腐蚀缺陷检测进行了较为全面的仿真计算[25]。本团队研究并提出了适用于高压输电杆塔接地极的单侧激励、双位置测量的超声Lamb波缺陷检测方法[26],以及基于周期性永磁体(Periodic Permanent Magnet, PPM)的输电杆塔接地扁钢SH导波腐蚀缺陷检测方法[27]。上述研究对于发展接地极腐蚀缺陷电磁超声导波检测起到了重要作用。然而,单一频率下的电磁超声导波对于接地极腐蚀缺陷检测具有一定的局限性。低频导波传播距离远、衰减小,但对于微小缺陷检测不敏感;高频导波对于微小缺陷有很高的灵敏度,但在长距离检测中衰减大、回波信号弱。多频信号如Chirps信号等可以包含某一频段内的所有频率成分,适合应用于超声导波检测中的扫频测试、复杂结构频散曲线测量以及传感器性能评估等场合[28-29],但对于导波缺陷检测,过多的导波频率又将导致频散及缺陷检测信号提取识别困难等问题。

针对上述电磁超声导波检测存在的难点问题,本文提出了基于变间距永磁阵列的高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷混频SH导波检测方法。该方法通过设计一种具有变间距永磁体阵列的电磁超声导波换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)结构,从而可以同时激发低频、中频和高频三种不同频率的SH导波。进一步对接地极腐蚀缺陷处的混频导波回波进行处理分析,可实现对远近不同距离、不同大小的腐蚀缺陷的自适应识别,并通过仿真和实验验证了该方法的有效性。

1 模型构建

高压输电杆塔接地网可以按照接地网的敷设方式划分为方框形、圆环形、方框带射线形和方框带四角树枝状放射线形等形式,而接地极的形状一般分为扁钢和圆柱钢杆两种。在本文中,为了使研究结果更加具有适用性,选取了扁钢方框带射线形接地极作为本文的主要研究对象。图2展示了接地极的地上和地下部分的简单示意图,即接地网敷设于地面以下特定深度处。

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图2 杆塔接地极的简单示意图

Fig.2 The geometric model of the pole tower

1.1 SH导波换能原理与传播特性

超声导波的激发模式一般分为压电式和电磁式两类。其中,电磁式的超声导波检测方法由于具有无需耦合剂、非接触等特点而被广泛应用。EMAT作为电磁超声导波检测中关键的激励与接收装置,其主要由永磁体、线圈和被测试件组成,如图3所示。在线圈中通以高频的交流电流,其产生的磁场将在被测试件中感应出交变的涡流,而感应涡流在外加永磁体产生的磁场作用下基于洛伦兹力形成往复振动,进一步地,将在被测试件中产生水平剪切(SH)波在试件中传播。

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图3 SH导波激发原理示意图

Fig.3 Schematic diagram of SH guided wave excitation principle

根据Navier理论及Helmholtz定理,可知自由边界钢板中产生的SH导波位移场方程可表示为

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式中,ux为SH导波在水平振动方向x上的位移;y为导波传播方向;z为钢板法向方向;cT为自由边界钢板中的横波波速。

通过求解式(1)可得SH导波对称模态和反对称模态的位移场方程,进一步得到频散方程表达 式为

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式中,width=11,height=10=2pf为角频率,f为SH导波频率;k=2p/l 为导波波数,l 为导波波长;d为钢板厚度;n为导波阶次,n=0, 1, 2, 3,×××

进一步对上述频散方程求解,可得导波群速度cg与频厚积fd间的表达式为

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根据上述表达式即可求得SH波的群速度频散曲线。且可知,当n=0时,cg=cT,即SH0模态导波的群速度不随频厚积发生变化,不会发生频散和模态转换。

传播中的SH导波遇到缺陷或断面时将会发生反射和透射,反射的导波将会沿着原路径返回,在接收换能器处接收到反射信号。导波接收原理实际上是导波激发的逆过程,这里不再赘述。根据导波的传播时间、反射信号幅值等特征可进一步判断缺陷的位置、尺寸等信息。

1.2 混频SH导波换能结构设计

为了解决不同距离处不同大小缺陷的自适应识别需求,本文提出了一种基于变间距永磁阵列设计的混频SH导波换能器结构,如图4所示。

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图4 混频SH导波换能器结构

Fig.4 Structure of mixed SH guided wave transducer

可以看出,混频SH导波换能器中的永磁体部分由三组具有不同间距的周期性永磁体阵列组成,在下方敷设跑道型线圈,与测试接地极试件依次形成低频导波激发区、中频导波激发区和高频导波激发区。通过合理设置低频段width=12,height=13.95、中频段width=13.95,height=13.95和高频段width=13,height=13.95的导波频率以及各区间内的永磁体间距,即可实现多频SH导波的高能纯净自适应激励。具体设置要求如下:

(1)导波各激发频段频率选择。由于SH0模态导波在扁钢中传播没有频散现象,因此选用SH0模态导波开展测试。在进行导波频段选择时应根据SH导波频散曲线合理设置导波激发频率上限值,即

width=13,height=13.95fSH1 (4)

式中,fSH1为根据频散曲线计算得到的SH1模态导波的截止频率。根据SH导波的传播特性[30],在4.57 mm厚的钢制接地极中,可绘制导波频散曲线如图5所示,从图中可知fSH1=350 kHz,故导波各激发频段频率应小于350 kHz,否则将激发出非纯净的SH导波。

此外,还需要对导波激发频率的下限值进行设置,通常超声导波的最小缺陷检测能力相当于半波长。因此,为了能够有效检测出缺陷,在本文中导波激发频率需要大于30 kHz。

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图5 SH导波频散曲线图(厚度d=4.57 mm)

Fig.5 SH guided wave dispersion curve (d=4.57 mm)

在本文设计的混频SH导波换能器结构中,根据上述设置原则,将高频段导波频率width=13,height=13.95设置为300 kHz,以50 kHz为频率差值,即width=12,height=13.95=200 kHz,width=13.95,height=13.95=250 kHz。需要说明的是,仅导波激发频率的上下限为强制要求,各频段值可根据不同的检测及设计需求进行选择。

(2)各频段内永磁体间距设计。由于在SH0模式下各频率的导波波速v是恒定的,可计算得到不同频率下导波波长width=10,height=12。为了通过半波长匹配实现相位相长,各频率区间内永磁体的间距l应设计为对应频率f下的导波半波长值,即满足

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由图5频散曲线可计算得到SH0模态导波的波速v=3 046.12 m/s,结合上文给出的各频段频率值,可根据式(5)依次计算得到各频段内永磁体间距width=10,height=13.95=7.6 mm,width=12,height=13.95=6.1 mm,width=11,height=13.95=5.1 mm。

1.3 数值仿真条件设置

为了对本文提出的混频SH导波换能器结构及其检测效果进行检验,采用COMSOL数值仿真软件中的电磁场模块和固体力学模块进行联合仿真。其中,电磁场模块可用于计算感应涡流的大小与分布,固体力学模块可用于计算接地极试件的振动与导波传播情况。感应涡流的密度方程可通过矢量磁位A表示为

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式中,ms e 分别为接地极试件的磁导率、电导率和介电常数;J为感应涡流密度。

在网格剖分中,需要保证网格尺寸足够小才能准确地计算出感应涡流的分布。同时,仿真的时间步长需要设置到合适的区间(本文设为50 ns)才能保证导波传播计算的稳定性。仿真中的几何参数与网格参数设置情况详见表1。

表1 仿真几何与网格参数设置情况

Tab.1 Simulation geometry and mesh parameter settings

参 数数 值 四面体231 639 三角形16 878 边单元5 084 顶点单元194 总单元数231 639 平均单元质量0.909 4 网格体积/m32 700 方框边长a/m5 放射线长度L/m5 埋深/m1 引下线长度/m2 接地极厚度/mm4.57 低频区磁体间距/mm7.6 中频区磁体间距/mm6.1 高频区磁体间距/mm5.1 跑道线圈匝数7 跑道线圈最小半径/mm4 跑道线圈最大半径/mm8

此外,在仿真中,钢制接地极试件、土壤和激励信号的关键参数设置情况详见表2。

表2 仿真材料与激励参数设置情况

Tab.2 Simulation materials and excitation parameters

参 数取值 (型号) 钢制接地极密度/(kg/m3)7 850 接地极杨氏模量/Pa2×1011 接地极泊松比0.3 土壤密度/(kg/m3)1 250 土壤杨氏模量/Pa1×107 土壤泊松比0.2 激励电流/A15 信号类型Burst 低频段激励频率/kHz200 中频段激励频率/kHz250 高频段激励频率/kHz300

图6所示为接地极腐蚀缺陷导波检测三维仿真模型示意图。

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图6 三维仿真模型示意图

Fig.6 Schematic diagram of 3D simulation model

1.4 混频SH导波信号波场分布

图7给出了在不同导波传播时间下,混频SH导波在接地极试件中的波场分布情况,包括SH导波在接地极中的传播过程,以及遇到缺陷时的反射与透射。通过在激励侧设置导波接收装置可以对缺陷处的反射波进行有效捕获。

图8中分别给出了当导波频率width=12,height=13.95=200 kHz,width=13.95,height=13.95=250 kHz,width=13,height=13.95=300 kHz时的混频激励导波信号波形和混频接收导波信号归一化波形,以及采用变分模态分解VMD方法[31]对接收导波信号进行分解后的不同频率下的导波信号归一化波形。通过对接收到的导波信号进行包络分析,以获得包含导波激励信息和缺陷反射波信息的波包。提取波包峰值及其对应的时间信息用于进一步的缺陷分析。可通过获取激发与接收导波之间的飞行时间(Time of Flight, TOF),结合SH导波波速即可对缺陷距离进行计算。并对分解得到的低频、中频和高频导波信号进行进一步分析,即获得缺陷尺寸特征。

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图7 不同导波传播时间下的波场分布

Fig.7 Wave field distribution under different guided wave propagation time

2 仿真结果分析与讨论

为了进一步分析和检验本文提出的混频变间距下的SH导波检测方法的检测效果,本节分别对不同缺陷大小、不同缺陷距离,以及不同频率差值下的混频导波检测结果进行仿真。并与单频恒间距下的SH导波检测结果进行比对分析。

2.1 不同缺陷大小对SH导波检测的影响

分别对距离SH导波接收换能器200 mm处的一系列具备不同截面面积的矩形槽缺陷进行检测仿真。缺陷截面面积范围设置为10~100 mm2区间,间隔为10 mm2。缺陷长度统一为10 mm。分别采用导波频率width=12,height=13.95=200 kHz,width=13.95,height=13.95=250 kHz,width=13,height=13.95=300 kHz的混频变间距SH导波换能结构和导波频率为width=13.95,height=13.95= 250 kHz的单频恒间距SH导波换能结构进行仿真,两种结构下的SH导波激励幅值一致,并对接收到的回波信号进行归一化分析。图9所示是在不同缺陷截面面积下采样不同检测方法得到的回波信号幅值。

可以看出,随着缺陷截面面积的增大,导波回波信号幅值也逐渐增大。然而,对于传统单频SH导波检测方法,当缺陷截面面积小于40 mm2时,其回波信号幅值非常弱,在实际检测过程中的信号提取将非常困难。而本文提出的混频SH导波检测方法,包含了对微小缺陷检测更灵敏的高频段导波,即使在缺陷截面面积较小时也有较高的回波幅度,因此更适合于对接地极中的微小缺陷进行检测。

2.2 不同缺陷距离对SH导波检测的影响

分别对截面面积为50 mm2、长度为10 mm的距离SH导波接收换能器不同距离处的矩形槽缺陷进行检测仿真。缺陷距离范围设置为200~2 000 mm区间,间隔为200 mm。分别采用导波频率width=12,height=13.95=200 kHz,width=13.95,height=13.95=250 kHz,width=13,height=13.95=300 kHz的混频变间距SH导波换能结构和导波频率为width=13.95,height=13.95=250 kHz的单频恒间距SH导波换能结构进行仿真,两种结构下的SH导波激励幅值一致,并对接收到的回波信号进行归一化分析。图10所示是在不同缺陷距离下采用不同检测方法得到的回波信号幅值。

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图8 混频SH导波激发接收信号及其信号分解

Fig.8 Mixed-frequency SH guided wave excitation received signal and its signal decomposition

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图9 不同缺陷截面面积下的回波信号幅值

Fig.9 Echo signal amplitude for different defect areas

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图10 不同缺陷距离下的回波信号幅值

Fig.10 Echo signal amplitude for different defect distances

可以看出,随着缺陷距离的增大,导波回波信号幅值逐渐减小。然而,传统单频SH导波检测方法中导波回波幅值的衰减速率明显高于本文提出的混频SH导波检测方法导波回波幅值的衰减速率。而本文所提出的混频SH导波检测方法,包含了在远距离传播中幅值衰减相对较小的低频段导波,因此,更适用于对接地极中远距离缺陷进行有效检测。

2.3 不同频率差值对SH导波检测的影响

从2.1节和2.2节中可以看出,低频段导波在长距离传播中具有幅值衰减小的优势,高频段导波在近距离情况下具有缺陷检测灵敏度高的优点,本文结合两者优势所提出的混频SH导波检测方法对于不同距离、不同大小的缺陷均具有良好的检测效果。为进一步指导混频变间距导波换能结构的优化设计,本节对不同频率差值条件下的混频SH导波检测进行仿真。频率差值Df指的是中心频率width=13.95,height=13.95与低频分量width=12,height=13.95和高频分量width=13,height=13.95之间的差值,即

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频率差值范围设置为10~100 kHz,间隔为10 kHz,导波中心频率width=13.95,height=13.95=250 kHz。缺陷截面面积为50 mm2,长度为10 mm,缺陷距离为200 mm。并对接收到的回波信号进行归一化分析。图11为在不同频率差值下得到的回波信号幅值。

从图11可以看出,在一定范围内,随着混频SH导波频率差值的增大,导波回波信号幅值也逐渐增大,增幅逐渐减小。可见,同时采用低频段、中频段和高频段的混频SH导波可以对腐蚀缺陷进行有效检测,且各频段之间的频率差值越大,其综合检测效果越明显。

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图11 不同频率差值下的回波信号幅值

Fig.11 Echo signal amplitude for different frequency difference

3 实验验证

通过上述仿真实验与比对分析可以看出,采用混频SH导波方法进行接地极腐蚀缺陷的检测是可行的。本节将进一步开展实验测试,对仿真结果进行检验。图4b和图4c中给出了变间距PPM和跑道线圈的实物图,其线圈参数、磁体间距、激励频率等参数与仿真数据一致。图12所示为搭建的接地极腐蚀缺陷SH导波检测实验平台。采用EMAT-GW-02电磁超声导波检测仪(见图13)进行导波检测,选用与高压输电杆塔接地极材质相同的扁钢,被测扁钢尺寸为4 000 mm×60 mm×4.57 mm,并分别在上面刻蚀具有不同截面面积、不同距离的矩形槽缺陷。其中,缺陷截面面积依次为20、40、60、80、100 mm2,距离接收器距离400、800、1 200、1 600、2 000 mm,共25个人工缺陷。

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图12 接地极腐蚀缺陷SH导波检测实验平台

Fig.12 Experimental platform for SH guided wave detection of grounding electrode corrosion defects

分别开展混频SH导波检测实验(width=12,height=13.95=200 kHz,width=13.95,height=13.95=250 kHz,width=13,height=13.95=300 kHz)和传统的单频SH导波检测实验(f=250 kHz)。图14所示是在缺陷面积为100 mm2,距离为400 mm时的实验获取的混频接收信号和单频接收信号波形,已将接收信号进行归一化处理。

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图13 EMAT-GW-02电磁超声导波检测仪

Fig.13 Electromagnetic ultrasonic guided wave detector

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(a)混频接收信号

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(b)单频接收信号

图14 实验接收信号波形

Fig.14 Experimental receiving signal waveform diagram

将所有检测到的导波回波信号归一化后,比对结果如图15所示。

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(a)混频变间距EMAT    (b)单频恒间距EMAT

图15 不同换能器结构下的实验结果对比

Fig.15 Comparison of experimental results under different transducer structures

从图15中可以看出,传统的单频恒间距EMAT检测得到的导波回波幅值随着缺陷距离的增大和缺陷截面面积的减小而逐渐减小,检测效果逐渐变差。而采用本文提出的混频变间距EMAT检测得到的导波回波幅值在不同距离处不同大小缺陷情况下均能得到较好的检测效果。

4 结论

针对高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷的远距离、小缺陷高灵敏度检测难题,本文提出了一种基于变间距永磁阵列的高压输电杆塔接地极腐蚀缺陷混频SH导波检测方法,该方法通过变间距的永磁体阵列结构设计,可自适应地同时激发出低频、中频和高频三种不同频率的SH导波,充分结合不同频段导波的缺陷检测特点,实现了对不同远近距离、不同大小的腐蚀缺陷的自适应识别。本文通过仿真和实验验证了该方法的有效性,并进一步将本方法与传统的仅采样单一频率SH导波激发结构下的缺陷检测导波回波进行比较。根据对比结果可知,相比于传统的单频恒间距EMAT结构,本项目提出混频变间距EMAT结构所激发出的混频SH导波对于远距离、小缺陷具有更好的检测效果。并且在纯净SH模态导波截止频率范围内,混频SH导波的频率差值较大,接地极腐蚀缺陷的检测效果越好。后续研究工作将进一步围绕缺陷腐蚀程度的反演评估展开,本文提出的混频SH导波检测方法将为缺陷反演评估研究提供更加丰富有效的检测数据基础。

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Mix-Frequency SH Guided Wave Corrosion Defects Detection Method for High Voltage Transmission Tower Grounding Electrode

Peng Lisha1 Sun Hongyu2 Li Shisong1 Wang Shen1 Huang Songling1,3

(1. Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2. School of Physical Science and Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 10044 China 3. State Key Laboratory of Power System Operation and Control Beijing 100084 China)

Abstract High-voltage transmission towers play a crucial role in the electrical power system as power transmission hubs. The transmission towers support long-distance transmission lines and serve as essential pathways for conducting abnormal currents, along with grounding devices. These towers are vital for ensuring power lines’safe and stable operation. However, the grounding electrodes of transmission towers are prone to corrosion and fracture due to imbalanced soil acidity, microbiological corrosion, and other environmental factors, which threaten the power system's safe operation. Therefore, research on detection methods for corrosion defects in the grounding electrodes of high-voltage transmission towers is necessary. However, since the grounding electrode devices of high-voltage transmission towers are typically buried underground, direct observation of the overall state of corrosion damage is not feasible. Excavation-based detection methods are labor-intensive and have low efficiency. Consequently, non-excavation-based fault diagnosis methods for grounding electrodes are essential.

Ultrasonic-guided wave testing is a non-destructive method employing single-ended excitation and reception for long-distance detection and diagnosis, which is suitable for detecting corrosion defects in metal specimens like grounding electrodes that are buried underground. This method enables quick detection and localization of defects over a considerable distance. It eliminates the need for complete excavation of the grounding device, is almost immune to external electromagnetic signal interference, and can accurately identify and even quantify corrosion defects in the grounding electrode. However, electromagnetic ultrasonic-guided waves at a single frequency have limitations in detecting corrosion defects in grounding electrodes. Low-frequency guided waves propagate over long distances with minimal attenuation but lack sensitivity in detecting microdefects. On the other hand, high-frequency guided waves exhibit high sensitivity to microdefects but suffer from significant attenuation and weak echo signals during long-distance detection.

Based on variable-spacing permanent magnet arrays, this paper proposes a mixed-frequency SH-guided wave testing method for detecting corrosion defects in high-voltage transmission tower grounding electrodes. An electromagnetic ultrasonic guided wave transducer (EMAT) structure is designed with a variable-spacing permanent magnet array. The mixed-frequency SH-guided wave transducer includes three groups of periodic permanent magnet arrays with different spacings. A runway-shaped coil is positioned beneath, creating low-frequency, mid-frequency, and high-frequency guided wave excitation zones sequentially concerning the tested grounding electrode specimen. This setup enables the simultaneous excitation of low-frequency, mid-frequency, and high-frequency SH-guided waves. The mixed-frequency guided wave echoes from the corrosion defect in the grounding electrode are further processed to adaptively identify defects at different distances and sizes. This method and the traditional single-frequency SH-guided wave testing approach are compared, demonstrating superior detection sensitivity and improved performance in detecting long-distance and microdefects. Overall, the mixed-frequency SH-guided wave testing method presents a promising solution for enhancing the efficiency and accuracy of corrosion defect detection in high-voltage transmission tower grounding electrodes.

keywords:High voltage transmission towers, ground electrode, electromagnetic acoustic guided waves,frequency-mixing SH waves, defect detection

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.232031

中图分类号:TM862

北京市自然科学基金(3232047)中国科协青年人才托举工程(2022QNRC001)和国家自然科学基金(U23B20113)资助项目。

收稿日期 2023-12-04

改稿日期 2024-05-10

作者简介

彭丽莎 女,1993年生,助理研究员,硕士生导师,研究方向为电磁无损检测技术。E-mail: penglisha@mail.tsinghua.edu.cn

黄松岭 男,1970年生,教授,博士生导师,研究方向为电磁测量和无损检测技术。E-mail: huangsling@tsinghua.edu.cn(通信作者)

(编辑 郭丽军)