基于磁檢測電阻抗成像技術的接地網成像重建研究*

黃明祥 卞宏志 林奕夫

（國網福建經濟技術研究院 福州 350012）

1 引言

接地網是保證電力操作人員和運維人員安全至關重要的保障設施。當電網中存在雷電流和故障電流時，接地網可以提供放電通道［1］。因此，接地網的導電能力非常重要。隨著運行時間的增加，由于腐蝕或分支斷裂，接地網中會出現故障［2］，因此需要提高和完善測量接地網的拓撲和斷點的技術。接地網通常由銅或鐵導體制成，埋在地下約0.3m～2m 處。這導致通過常規方法直接測量斷點或接地網拓撲很困難［3］。文獻［4］將高頻大電流的方波電流注入電網，通過對表面感應磁場強度的測量來研究接地網的完整性。文獻［5］向下引線注入100A 直流電并測量表面磁場，基于電磁理論并借助測量結果來診斷接地網的斷點。文獻［6］向下引線注入300Hz的電流并測量表面磁場強度，并基于測量結果發出完整的接地網腐蝕或斷點診斷檢測系統。文獻［7］采用電磁法診斷變電站接地網中的分支故障斷裂。上述所有方法的思路都是通過直接測量磁場以檢測接地網的拓撲或斷點。但是，這些方法存在的共同問題是需要測量大量數據且計算工作復雜。磁檢測電阻抗斷層攝影（MDEIT）是用于重建對象電阻率分布的成像技術，最初用于重建人體的橫截面電導率分布［8～9］。MDEIT 在技術上基于在對象內部生成電流分布并測量對象外部的磁場分布以重建成像對象的電阻率分布［10］。文獻［11］從被檢測物體的表面注入電流并測量物體周圍的磁場，以重建內部電阻率分布。在該方法中，當前注入的點和測量點位于物體的表面中，這將限制注入點的數量和測量模式。因此，本文提出了一種基于MDEIT 的電阻率重建方法來確定接地網的拓撲和斷點。本文描述了基于MDEIT 的接地網成像的正反問題。最后通過數值和實驗例證實了該方法的可行性。

2 MDEIT中接地網的前向推導問題

2.1 前向推導問題的計算模型

本文的分析基于以下基本假設［12］：

1）當前場滿足準靜態條件。

2）成像對象內沒有電流源。

3）成像對象的電阻率是各向同性的。

基于上述假設和麥克斯韋方程［13］，MDEIT中的前向問題可以簡化如下：

其中式（1）滿足：

則式（3）可以改寫為

其中σ是電導率。流入和流出邊界面的條件如下：

其中n 是法向量，Jn是邊界面的流入電流密度。假設邊界面的電流密度是均勻的，Jn可以描述如下其中A+是當前電流流入面積，A-是當前電流流出面積。則式（6）可改寫為

根據式（5）和（6），使用有限元方法（FEM）［14］來計算φ，則電流密度可以通過下式計算：

基于 Biot-Savart 定律［15］，磁通強度 B 可描述如下：

因此，MDEIT 的前向推導問題是在知道當前J和電導率σ時求解B。

2.2 計算方法

為了解決MDEIT 的前向問題，可以使用有限元方法求解式（5）和（8），并使用式（9）來分析MDEIT前向推導問題。式（5）用有限元方法可表述為

根據格林函數理論，式（10）可以改寫為

考慮到邊界條件，上式改寫為

式（12）的最小化問題可表述為

如果k是有限元中的單元數量，那么

式（13）和（14）可改寫為

根據式（16），φ可以計算得出，然后J和B也可以分別用式（8）和（9）計算得出。

2.3 仿真算例

仿真案例研究了典型的方形接地網，接地網大小約為2m×2m，網格大小為1m×1m，如圖1 所示。注入電流為10A，測量平面與接地網之間的垂直距離為h=0.8m。

基于有限元分析，接地網的網格模型如圖2 所示。根據式（8），測量平面上的磁通密度如圖3 所示。

圖1 簡化的接地網格模型

圖2 接地網的網格模型

從圖3 中可以看出，當電流流過導體時，電流將在測量平面上產生磁通密度。

圖3 測量平面上的磁通密度

3 MDEIT中接地網的后向推導問題

3.1 后向推導問題的計算模型

磁通密度和電阻率分布之間的關系如式（17）。 MDEIT 的反向問題是在知道B 時找到σ并重建電導率分布：

其中B 和σ是測量平面上的磁通密度和成像區域的電導率。為了求解式（16）中的σ，根據最小二乘法，可以得到目標函數如下：

對式（17）求導：

式（19）中A 是雅可比矩陣。式（18）的泰勒級數 展 開 為其 中是海森矩陣，并且 ΔσK=σK+1-σK，

根據式（8）和（9），外部磁通密度B 和電導率σ分布矩陣之間的關系可以寫成如下：

在重建過程中，電導率σ可以通過迭代方法計算，迭代方程如下：

電阻率δ可根據下式計算：

式（22）中δ和σ是分別電阻率和電導率。

3.2 仿真算例

基于圖1 所示的模型，接地網的電阻率分布如圖4 所示。紅色區域和藍色區域分別代表接地網的土壤和鋼制接地體。

圖4 接地網模型的電阻率分布

假設流入的電流為10A，則測量平面上的磁通密度B 可以被測量。基于所提出的方法，可以重建電阻率分布，如圖5所示。

圖5 表明，高電阻率區域主要集中在接地網的中心，此處主要是土壤，并具有與圖4 類似的電阻率分布。該電阻率的重建結果表明該方法可用于測量接地網拓撲，以及測定地網中可能存在的斷點。

圖5 電阻率分布的重建結果

4 實驗驗證

如圖6所示，實驗所搭建的小型的接地網由2×2 方形網格組成，接地網的導體采用?3.5mm 銅軟線。 為了重建接地網的電阻成像，霍爾效應探頭和三維數控電機平臺用于測量測量平面上的磁通密度。測量點的總數為100，點間距為1cm。測量探頭在每個點的穩定時間是2s。實驗平臺如圖7所示。

圖6 實驗所用接地網

圖7 實驗平臺

根據本文提出的方法所重建的電阻率分布如圖8所示。

可以看出，存在四個具有高電阻率的紅色區域，這與預定義的實驗條件一致此外，在存在斷點情況下的電阻率分布如圖9 所示，其中紅色和藍色區域分別代表土壤和接地網的導體。

圖8 電阻率分布的重建結果

圖9 接地網模型的電阻率分布

相應的電阻率重建結果如圖10 所示。可以看出，有三個具有高電阻率的紅色區域，這與圖9 中的預定電阻率分布相匹配。可以得出結論，所提出的方法可用于測量通過重建接地網的成像來確定接地網的拓撲結構和斷點。

圖10 電阻率分布的重建結果

5 結語

本文提出了一種基于MDEIT 的接地網電阻率重建方法。首先分析了基于MDEIT 的接地網成像的正反向推導問題。然后，通過數值和實驗例驗證了所提方法的可行性。實驗結果表明電阻率重建方法可用于測量接地網的拓撲和斷點。