基于航空瞬變電磁的接地網(wǎng)斷點(diǎn)檢測仿真研究

摘 ?要：文章對接地網(wǎng)斷點(diǎn)檢測方法進(jìn)行了研究，提出一種基于航空瞬變電磁異常環(huán)原理的接地網(wǎng)斷點(diǎn)診斷方法，此方法忽略構(gòu)成接地網(wǎng)導(dǎo)體的寬度和厚度，將接地網(wǎng)格當(dāng)成異常線圈進(jìn)行處理。通過定義有效檢測面積，可以實(shí)現(xiàn)有目的性的探測，解決了之前方法盲目性大的缺點(diǎn)，并且可以直接由接收線圈接收到的二次感應(yīng)電壓值的規(guī)律進(jìn)行斷點(diǎn)判斷，通過仿真驗(yàn)證了這個(gè)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：接地網(wǎng);航空瞬變電磁;異常線圈;斷點(diǎn)診斷

中圖分類號(hào)：P631.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2022）05-0091-04

Simulation Research on Grounding Grid Breakpoint Detection Based on Airborne Transient Electromagnetic

ZHENG Jianbo

（Xi’an International University， Xi’an ?710077， China）

Abstract： This paper studies the grounding grid breakpoint detection method， and proposes a grounding grid breakpoint diagnosis method based on the principle of airborne transient electromagnetic abnormal coils. This method ignores the width and thickness of the conductors constituting the grounding grid， and processes the grounding grid as an abnormal coil. By defining the effective detection area， this method can realize purposeful detection， solve the disadvantage of blindness of the previous method， and it can directly judge the breakpoint from the law of the secondary induced voltage value received by the receiving coil. The effectiveness of this method is verified by simulation.

Keywords： grounding grid; airborne transient electromagnetic; abnormal coil; breakpoint diagnosis

0 ?引 ?言

電能無論在我們個(gè)人日常生活還是國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中都發(fā)揮著非常重要的作用。電力系統(tǒng)的組成部分包含發(fā)電廠、變電站、輸電線路及用戶，其中變電站包括升壓變電站和降壓變電站。發(fā)電廠發(fā)出的電經(jīng)過升壓變電站后通過輸電線路進(jìn)行輸電，然后再通過降壓變電站后輸送給用電負(fù)荷。變電站建設(shè)是我國目前能夠?qū)崿F(xiàn)高壓遠(yuǎn)距離輸電的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)變電站發(fā)生故障比如短路時(shí)，變電站的接地網(wǎng)可以起到非常好的引流作用，從而保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及工作人員的人身安全。接地網(wǎng)指的是埋入地中并直接與大地接觸的構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多根金屬導(dǎo)體，金屬導(dǎo)體的材料一般為扁鋼。構(gòu)成接地網(wǎng)的扁鋼埋在地下，常因施工時(shí)的缺焊、漏焊、土壤腐蝕等原因，使接地網(wǎng)導(dǎo)體之間發(fā)生不同程度的腐蝕及斷裂。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電流急劇增大，接地網(wǎng)的斷點(diǎn)就會(huì)引發(fā)泄流不暢，威脅到工作人員的安全，并產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[1]。因此，通過接地網(wǎng)故障診斷方法的研究，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)并排除安全隱患，對保障電力系統(tǒng)的可靠性以及工作人員的安全具有重要意義。

電網(wǎng)絡(luò)分析法[2-4]、電化學(xué)檢測方法[5，6]以及電磁場檢測方法[7-10]是當(dāng)前變電站接地網(wǎng)斷點(diǎn)檢測的常用手段。第一種方法是首先向接地網(wǎng)注入電流，然后測量可及節(jié)點(diǎn)間的端口電阻值，根據(jù)測量到的電阻值和接地網(wǎng)的電路結(jié)構(gòu)，采用合適的算法去推算出接地網(wǎng)網(wǎng)格中每一段導(dǎo)體的實(shí)際電阻值，最后將推算出的實(shí)際電阻值與原始電阻值進(jìn)行對比，從而得出接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度或者斷裂情況[11]的結(jié)論。該方法思路比較簡單，但受可及節(jié)點(diǎn)數(shù)目的影響導(dǎo)致難以獲得最優(yōu)解。第二種方法首先測量腐蝕后的接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體的電位，然后將恒電流階躍信號(hào)施加于該金屬導(dǎo)體上，之后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的階躍響應(yīng)電位信號(hào)，通過對階躍響應(yīng)電位信號(hào)進(jìn)行小波濾波處理，再對處理后的信號(hào)進(jìn)行電化學(xué)參數(shù)解析，就可以生成接地網(wǎng)腐蝕檢測結(jié)果。然而該方法在檢測過程中依賴接地網(wǎng)引下線，從而使檢測的位置受到了限制。目前電磁場檢測方法常常將異頻的正弦波激勵(lì)電流借助接地網(wǎng)的兩根接地引下線向接地網(wǎng)直接注入，該激勵(lì)電流流過接地網(wǎng)時(shí)，會(huì)在地表激發(fā)磁場，通過測量該磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，與正常情況下進(jìn)行對比，即可進(jìn)行斷點(diǎn)診斷。此種電磁方法同樣受接地引線的限制。本文將航空瞬變電磁異常環(huán)原理應(yīng)用于接地網(wǎng)斷點(diǎn)診斷，此方法無須通過接地引線注入電流，方便快捷。

1 ?航空瞬變電磁硬件系統(tǒng)

航空瞬變電磁法（Airborne Time Domain Electromagnetic Method， AEM），是一種基于電磁感應(yīng)原理，通過分析感應(yīng)電場的異常從而對地下異常體的電特性進(jìn)行判斷的無損探測方法。其基本裝置如圖1所示，主要包括飛行器裝置（如圖中的直升機(jī)）、吊艙、供電系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)（包括發(fā)射機(jī)和發(fā)射線圈）、接收系統(tǒng)（包括接收機(jī)和接收線圈）、輔助系統(tǒng)（提供飛行時(shí)必要的輔助信息，包括高度、經(jīng)緯度）等，飛行器下方掛著吊艙，吊艙承載著發(fā)射和接收線圈。供電系統(tǒng)、接收機(jī)及輔助系統(tǒng)這三部分放在機(jī)艙內(nèi)，發(fā)射機(jī)可置于機(jī)艙或者吊艙內(nèi)。AEM首先利用不接地回線（發(fā)射線圈）向地下發(fā)射雙極性梯形波，然后在雙極性梯形波的關(guān)斷（即電流下降為零）瞬間，利用接收線圈觀測二次感應(yīng)電壓，最后通過分析二次感應(yīng)電壓信號(hào)，就可以獲得地下電阻率分布信息。

圖1 ?AEM基本裝置圖

航空電磁系統(tǒng)主要包括發(fā)射和接收兩部分[12]，發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和發(fā)射線圈組成，其主要任務(wù)是發(fā)射雙極性梯形波，接收系統(tǒng)由接收機(jī)和接收線圈組成，其主要作用是接收二次渦流信號(hào)。發(fā)射機(jī)主要由發(fā)射H橋、電源、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等組成。發(fā)射橋路的作用是在發(fā)射線圈中產(chǎn)生如圖2所示的雙極性電流，U為逆變器的直流電源，取自直升機(jī)的直流發(fā)電機(jī)。S1～S4為四個(gè)全控型電力電子開關(guān)，可以控制開通也可控制關(guān)斷，但開關(guān)均為單向的，電流只能從圖的上端流向下端。S1、S4同步動(dòng)作，S2、S3同步動(dòng)作，S1、S4開通時(shí)S2、S3關(guān)斷，負(fù)載的電流方向?yàn)閺淖蟮接遥琒2、S3開通時(shí)S1、S4關(guān)斷，負(fù)載的電流方向?yàn)閺挠蚁蜃螅@樣便產(chǎn)生了雙極性電流。每個(gè)全控型器件的控制脈沖采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse-Width Modulation， PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)發(fā)射電流波形以及阻感負(fù)載的伏安特性方程計(jì)算在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)應(yīng)該提供的電壓，將計(jì)算后的電壓作為調(diào)制波，將三角波作為載波，通過載波與調(diào)制波的比較，得出每個(gè)器件的導(dǎo)通時(shí)間。接收系統(tǒng)主要由電源、數(shù)據(jù)采集卡、主控電路板、工控機(jī)和電阻型觸摸屏組成。核心技術(shù)是數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)，主要包含前端輸入保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、采集電路、FPGA主控電路以及USB接口電路等。

2 ?航空瞬變電磁異常環(huán)原理

航空瞬變電磁基本原理是通過不接地回線裝置向地下發(fā)射電磁波激勵(lì)地下目標(biāo)，接收其產(chǎn)生的二次場，從而確定被測目標(biāo)的物理參數(shù)。在圖3中，當(dāng)發(fā)射線圈中電流變化時(shí)，即磁場變化時(shí)，在異常線圈和大地中所激發(fā)出的、在接收線圈中可以接收到的響應(yīng)分為三部分：第一部分為發(fā)射線圈激勵(lì)大地所產(chǎn)生的電磁響應(yīng)TER（Transmitter-Earth-Response），第二部分為發(fā)射線圈激勵(lì)異常線圈所產(chǎn)生的電磁響應(yīng)TLR（Transmitter-Loop-Response），第三部分為異常線圈作為新的激勵(lì)源在大地產(chǎn)生的電磁響應(yīng)LER（Loop-Earth-Response）。

當(dāng)發(fā)射電流為如圖4所示的雙極性梯形波時(shí)，接收線圈接收到的異常線圈的二次感應(yīng)電壓值為：

（1）

其中I為發(fā)射電流幅值，T1為電流上升時(shí)間，T2為電流下降時(shí)間，T3為發(fā)射電流寬度，MTL、MRL分別為射線圈、接收線圈與異常環(huán)的互感（依據(jù)聶以曼互感公式[13]進(jìn)行計(jì)算），τL為異常環(huán)的時(shí)間常數(shù)，與異常環(huán)的材料、電氣性能有關(guān)，其表達(dá)式為：

（2）

其中μ0為磁導(dǎo)率，n為異常環(huán)的匝數(shù)，rAL為異常環(huán)的等效半徑，ra為異常環(huán)橫截面半徑，ρL為導(dǎo)線電阻率[14]。

3 ?航空瞬變電磁異常線圈原理應(yīng)用到接地網(wǎng)中

3.1 ?航空瞬變電磁裝置參數(shù)確立

發(fā)射線圈的半徑長短會(huì)影響發(fā)射磁矩，半徑越大，發(fā)射磁矩越大，所能發(fā)射的能量越大，從而可以獲得更深的探測深度。半徑越小，發(fā)射磁矩越小，所能發(fā)射的能量也就越小，相應(yīng)的探測深度越淺。所以在采用航空瞬變電磁裝置進(jìn)行接地網(wǎng)斷點(diǎn)檢測時(shí)，必須要根據(jù)接地網(wǎng)的埋深設(shè)置合理的發(fā)射線圈半徑。參考文獻(xiàn)15中瞬變電磁中心回線裝置發(fā)射框邊長與最佳探測深度的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中取圓形發(fā)射線圈的等效邊長為接地網(wǎng)埋深（即接地網(wǎng)距離地面的垂直高度）的2倍[15]。設(shè)接地網(wǎng)埋深設(shè)為0.8 m，根據(jù)面積等效原理，則圓形發(fā)射線圈的等效半徑為：

（m）（3）

接收線圈的等效邊長以接收到接地網(wǎng)斷電后的感應(yīng)電壓值為準(zhǔn)。

3.2 ?檢測面積

如圖5所示田字形網(wǎng)格，包括四個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格A、B、C、D，每個(gè)網(wǎng)格的邊長為L，將四個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)相連接所構(gòu)成的正方形（如圖5中虛線所圍正方形）范圍為本文的檢測面積。

3.3 ?不同位置斷點(diǎn)規(guī)律

如圖5所示田字形網(wǎng)格，布置測線時(shí)，要求在檢測面積內(nèi)，測線關(guān)于田字形網(wǎng)格中線呈對稱分布，如圖6中的測線1和1′、2和2′、3和3′關(guān)于田字形網(wǎng)格中線（即圖中的x軸）呈對稱關(guān)系。在圖6所示的田字形接地網(wǎng)格中，接地網(wǎng)埋深為0.8 m，每個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格邊長為6 m，材料為扁鋼，將每個(gè)接地網(wǎng)格的中心相連構(gòu)成有效檢測面積。在有效檢測面積內(nèi)對稱放置2n+1條測線（對稱放置2n條，x軸上放置1條），每條測線設(shè)置12個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距50 cm。發(fā)射線圈半徑0.9 m，發(fā)射如圖4所示的雙極性梯形波，接收線圈半徑0.25 m。分別設(shè)置斷點(diǎn)位置如圖6所示。圖7分別給出了無斷點(diǎn)、斷點(diǎn)1和斷點(diǎn)5時(shí)的感應(yīng)電壓曲線圖。從圖中可以看出當(dāng)田字形網(wǎng)格無斷點(diǎn)時(shí)，測得的感應(yīng)電壓關(guān)于x軸原點(diǎn)和y軸原點(diǎn)均呈對稱分布;當(dāng)出現(xiàn)斷點(diǎn)1時(shí)，這樣的斷點(diǎn)造成的影響僅在于其所在的一個(gè)小網(wǎng)格受影響，該小網(wǎng)格在第四象限，所以在第四象限測得的感應(yīng)電壓值幾乎為零，且測得的感應(yīng)電壓關(guān)于x軸原點(diǎn)和y軸原點(diǎn)均不再呈對稱分布。當(dāng)出現(xiàn)斷點(diǎn)5時(shí)，這樣的斷點(diǎn)造成的影響是左右兩個(gè)網(wǎng)格均不能接通，測得的感應(yīng)電壓在整個(gè)y軸負(fù)方向幾乎為零。圖6中其余位置斷點(diǎn)感應(yīng)電壓規(guī)律與這兩個(gè)斷點(diǎn)規(guī)律一致，在此不再贅述。所以在實(shí)際工作中，完全可以根據(jù)測得感應(yīng)電壓的圖像判斷斷點(diǎn)位置。

4 ?結(jié) ?論

本文針對接地網(wǎng)的斷點(diǎn)檢測進(jìn)行研究，首先介紹了航空瞬變電磁系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成，接著介紹了異常環(huán)原理，并將該原理應(yīng)用到接地網(wǎng)斷點(diǎn)診斷中，最后設(shè)計(jì)不同位置斷點(diǎn)接地網(wǎng)模型，通過仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)斷點(diǎn)位置不同時(shí)，接收機(jī)所接收到的感應(yīng)電壓曲線會(huì)發(fā)生明顯變化，利用這一特征可以進(jìn)行有效的斷點(diǎn)診斷。

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作者簡介：鄭建波（1990—），女，漢族，山東聊城人，講師，碩士，研究方向：電磁勘探方法研究。