基于航空瞬變電磁的接地網斷點檢測仿真研究

摘 ?要：文章對接地網斷點檢測方法進行了研究，提出一種基于航空瞬變電磁異常環原理的接地網斷點診斷方法，此方法忽略構成接地網導體的寬度和厚度，將接地網格當成異常線圈進行處理。通過定義有效檢測面積，可以實現有目的性的探測，解決了之前方法盲目性大的缺點，并且可以直接由接收線圈接收到的二次感應電壓值的規律進行斷點判斷，通過仿真驗證了這個方法的有效性。

關鍵詞：接地網;航空瞬變電磁;異常線圈;斷點診斷

中圖分類號：P631.3 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

電能無論在我們個人日常生活還是國家的經濟發展中都發揮著非常重要的作用。電力系統的組成部分包含發電廠、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。發電廠發出的電經過升壓變電站后通過輸電線路進行輸電，然后再通過降壓變電站后輸送給用電負荷。變電站建設是我國目前能夠實現高壓遠距離輸電的重要環節。當變電站發生故障比如短路時，變電站的接地網可以起到非常好的引流作用，從而保障電力系統的穩態運行及工作人員的人身安全。接地網指的是埋入地中并直接與大地接觸的構成網狀結構的多根金屬導體，金屬導體的材料一般為扁鋼。構成接地網的扁鋼埋在地下，常因施工時的缺焊、漏焊、土壤腐蝕等原因，使接地網導體之間發生不同程度的腐蝕及斷裂。當電力系統發生短路故障時，電流急劇增大，接地網的斷點就會引發泄流不暢，威脅到工作人員的安全，并產生一定的經濟損失和社會影響[1]。因此，通過接地網故障診斷方法的研究，能夠及時準確的發現并排除安全隱患，對保障電力系統的可靠性以及工作人員的安全具有重要意義。

電網絡分析法[2-4]、電化學檢測方法[5，6]以及電磁場檢測方法[7-10]是當前變電站接地網斷點檢測的常用手段。第一種方法是首先向接地網注入電流，然后測量可及節點間的端口電阻值，根據測量到的電阻值和接地網的電路結構，采用合適的算法去推算出接地網網格中每一段導體的實際電阻值，最后將推算出的實際電阻值與原始電阻值進行對比，從而得出接地網導體腐蝕程度或者斷裂情況[11]的結論。該方法思路比較簡單，但受可及節點數目的影響導致難以獲得最優解。第二種方法首先測量腐蝕后的接地網金屬導體的電位，然后將恒電流階躍信號施加于該金屬導體上，之后會產生相應的階躍響應電位信號，通過對階躍響應電位信號進行小波濾波處理，再對處理后的信號進行電化學參數解析，就可以生成接地網腐蝕檢測結果。然而該方法在檢測過程中依賴接地網引下線，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電流借助接地網的兩根接地引下線向接地網直接注入，該激勵電流流過接地網時，會在地表激發磁場，通過測量該磁場的磁感應強度分布情況，與正常情況下進行對比，即可進行斷點診斷。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原理應用于接地網斷點診斷，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

航空瞬變電磁法（Airborne Time Domain Electromagnetic Method， AEM），是一種基于電磁感應原理，通過分析感應電場的異常從而對地下異常體的電特性進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）、吊艙、供電系統、發射系統（包括發射機和發射線圈）、接收系統（包括接收機和接收線圈）、輔助系統（提供飛行時必要的輔助信息，包括高度、經緯度）等，飛行器下方掛著吊艙，吊艙承載著發射和接收線圈。供電系統、接收機及輔助系統這三部分放在機艙內，發射機可置于機艙或者吊艙內。AEM首先利用不接地回線（發射線圈）向地下發射雙極性梯形波，然后在雙極性梯形波的關斷（即電流下降為零）瞬間，利用接收線圈觀測二次感應電壓，最后通過分析二次感應電壓信號，就可以獲得地下電阻率分布信息。

圖1 ?AEM基本裝置圖

航空電磁系統主要包括發射和接收兩部分[12]，發射系統由發射機和發射線圈組成，其主要任務是發射雙極性梯形波，接收系統由接收機和接收線圈組成，其主要作用是接收二次渦流信號。發射機主要由發射H橋、電源、控制單元、驅動單元等組成。發射橋路的作用是在發射線圈中產生如圖2所示的雙極性電流，U為逆變器的直流電源，取自直升機的直流發電機。S1～S4為四個全控型電力電子開關，可以控制開通也可控制關斷，但開關均為單向的，電流只能從圖的上端流向下端。S1、S4同步動作，S2、S3同步動作，S1、S4開通時S2、S3關斷，負載的電流方向為從左到右，S2、S3開通時S1、S4關斷，負載的電流方向為從右向左，這樣便產生了雙極性電流。每個全控型器件的控制脈沖采用脈沖寬度調制技術（Pulse-Width Modulation， PWM）技術實現，根據發射電流波形以及阻感負載的伏安特性方程計算在每個時間段內應該提供的電壓，將計算后的電壓作為調制波，將三角波作為載波，通過載波與調制波的比較，得出每個器件的導通時間。接收系統主要由電源、數據采集卡、主控電路板、工控機和電阻型觸摸屏組成。核心技術是數據采集卡的設計，主要包含前端輸入保護電路、驅動電路、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射電磁波激勵地下目標，接收其產生的二次場，從而確定被測目標的物理參數。在圖3中，當發射線圈中電流變化時，即磁場變化時，在異常線圈和大地中所激發出的、在接收線圈中可以接收到的響應分為三部分：第一部分為發射線圈激勵大地所產生的電磁響應TER（Transmitter-Earth-Response），第二部分為發射線圈激勵異常線圈所產生的電磁響應TLR（Transmitter-Loop-Response），第三部分為異常線圈作為新的激勵源在大地產生的電磁響應LER（Loop-Earth-Response）。

當發射電流為如圖4所示的雙極性梯形波時，接收線圈接收到的異常線圈的二次感應電壓值為：

（1）

其中I為發射電流幅值，T1為電流上升時間，T2為電流下降時間，T3為發射電流寬度，MTL、MRL分別為射線圈、接收線圈與異常環的互感（依據聶以曼互感公式[13]進行計算），τL為異常環的時間常數，與異常環的材料、電氣性能有關，其表達式為：

（2）

其中μ0為磁導率，n為異常環的匝數，rAL為異常環的等效半徑，ra為異常環橫截面半徑，ρL為導線電阻率[14]。

3 ?航空瞬變電磁異常線圈原理應用到接地網中

3.1 ?航空瞬變電磁裝置參數確立

發射線圈的半徑長短會影響發射磁矩，半徑越大，發射磁矩越大，所能發射的能量越大，從而可以獲得更深的探測深度。半徑越小，發射磁矩越小，所能發射的能量也就越小，相應的探測深度越淺。所以在采用航空瞬變電磁裝置進行接地網斷點檢測時，必須要根據接地網的埋深設置合理的發射線圈半徑。參考文獻15中瞬變電磁中心回線裝置發射框邊長與最佳探測深度的關系，在實際應用中取圓形發射線圈的等效邊長為接地網埋深（即接地網距離地面的垂直高度）的2倍[15]。設接地網埋深設為0.8 m，根據面積等效原理，則圓形發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斷電后的感應電壓值為準。

3.2 ?檢測面積

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

3.3 ?不同位置斷點規律

如圖5所示田字形網格，布置測線時，要求在檢測面積內，測線關于田字形網格中線呈對稱分布，如圖6中的測線1和1′、2和2′、3和3′關于田字形網格中線（即圖中的x軸）呈對稱關系。在圖6所示的田字形接地網格中，接地網埋深為0.8 m，每個接地網網格邊長為6 m，材料為扁鋼，將每個接地網格的中心相連構成有效檢測面積。在有效檢測面積內對稱放置2n+1條測線（對稱放置2n條，x軸上放置1條），每條測線設置12個測點，測點間距50 cm。發射線圈半徑0.9 m，發射如圖4所示的雙極性梯形波，接收線圈半徑0.25 m。分別設置斷點位置如圖6所示。圖7分別給出了無斷點、斷點1和斷點5時的感應電壓曲線圖。從圖中可以看出當田字形網格無斷點時，測得的感應電壓關于x軸原點和y軸原點均呈對稱分布;當出現斷點1時，這樣的斷點造成的影響僅在于其所在的一個小網格受影響，該小網格在第四象限，所以在第四象限測得的感應電壓值幾乎為零，且測得的感應電壓關于x軸原點和y軸原點均不再呈對稱分布。當出現斷點5時，這樣的斷點造成的影響是左右兩個網格均不能接通，測得的感應電壓在整個y軸負方向幾乎為零。圖6中其余位置斷點感應電壓規律與這兩個斷點規律一致，在此不再贅述。所以在實際工作中，完全可以根據測得感應電壓的圖像判斷斷點位置。

4 ?結 ?論

本文針對接地網的斷點檢測進行研究，首先介紹了航空瞬變電磁系統的主要硬件構成，接著介紹了異常環原理，并將該原理應用到接地網斷點診斷中，最后設計不同位置斷點接地網模型，通過仿真發現當斷點位置不同時，接收機所接收到的感應電壓曲線會發生明顯變化，利用這一特征可以進行有效的斷點診斷。

參考文獻：

[1] 廖學軍.變電站停電事故的分析與防范 [J].沿海企業與科技，2006，11（2）：124-125.

[2] 朱正國.變電站接地網故障診斷的研究 [J].廣東電力，2008，21（1）：27-30+74.

[3] 許磊.基于電網絡理論的接地網故障診斷方法研究 [D].保定：華北電力大學，2013.

[4] 滕永禧.接地網腐蝕診斷方法研究 [D].重慶：重慶大學，2005.

[5] 楊滔.接地網腐蝕狀態檢測及其壽命預測 [D].長沙：湖南大學，2013.

[6] 張秀麗，駱平，莫逆，等.接地網腐蝕狀態電化學檢測系統的開發與應用 [J].中國電機工程學報，2008，28（19）：152-156.

[7] 武建華，付煒平.基于電磁場分析法的變電站接地網狀態診斷試驗研究 [J].河北電力技術，2013，32（2）：7-9.

[8] 劉洋，崔翔，趙志斌.測量磁感應強度診斷變電站接地網斷點 [J].高電壓技術，2008，34（7）：1389-1394.

[9] 劉洋，崔翔，盧鐵兵.變電站接地網的斷點診斷方法 [J].電網技術，2008，32（2）：21-25.

[10] 付志紅，余慈拱，侯興哲，等.瞬變電磁法視電阻率成像的接地網斷點診斷方法 [J].電工技術學報，2014，29（9）：253-259.

[11] 劉渝根，吳立香，王碩.大中型接地網腐蝕優化診斷實用化分析 [J].重慶大學學報（自然科學版），2008，31（4）：417-420.

[12] 胡雪巖.隧道瞬變電磁接收系統的研究 [D].長春：吉林大學，2017.

[13] 馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論 [M].北京：高等教育出版社，2000.

[14] 嵇艷鞠，李肅義，于生寶，等.基于異常線圈的時間域AEM系統測試和標定方法研究 [J].地球物理學報，2011，54（10）：2690-2697.

[15] 王善勛，劉軍，雷振.瞬變電磁（TEM）中心回線裝置發射框邊長與最佳探測深度關系的探討 [J].物探化探計算技術，2012，34（5）：548-551+501.

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。