基于工頻電磁場的鐵磁性目標探測方法研究

張慶輝,楊 成,張天序

(1. 武漢工程大學電氣信息學院,湖北 武漢 430205;2. 華中科技大學圖像識別與人工智能研究所,湖北 武漢 430070)

1 引言

由于科學技術的快速發展,世界各國建立了分布廣泛的高壓電網,支撐人類創造巨大的物質文明。同時也帶來了一個充滿人造工頻電磁輻射的環境,對生態環境、地球的近地空間包括電離層產生了越來越大的影響。因此需要對高壓電網產生的工頻電磁場的傳播方式及其空間分布規律展開科學研究。

廣泛分布在世界各地的低/中/高壓交流輸/配/用電網絡會在整個空間中產生工頻電磁場,相當于一個規模龐大的工頻電磁場輻射源,向空氣、地下和海水中傳播頻率為50/60Hz電磁場。由于超低頻/極低頻在海水中衰減較小,工頻電磁場可穿透海水并作用于鐵磁性障礙物,使其周圍空間中的背景工頻電磁場分布情況發生變化,在局部產生了疊加在背景工頻電磁場上的二次感應電磁場的異常電磁信號,該異常信號可在一定范圍內的水下或空氣介質中被電磁探測器捕捉到。因此,可以充分利用現有的工頻電磁場發射源實現對水下鐵磁性目標的探測。

目前世界上還沒有公開發表過利用工頻電磁場探測水下鐵磁性目標的研究。本文利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件模擬工頻電磁場傳播特性和工頻電磁場與鐵磁性目標相互作用后工頻電磁場變化情況以及工頻電磁場對鐵磁性目標的集膚效應。

2 工頻電磁場傳播

2.1 工頻電磁場產生機理

工頻電場、磁場是一種靜態場,由50/60Hz交流電網產生。電場的大小用電場強度來描述,磁場大小用磁感應強度來描述。如下圖所示,在兩條相距d的導線上施加電壓U,則導線之間存在電場E;導線中通過電流I,則導體周圍就存在磁場H。

圖1 電磁場的產生原理

麥克斯韋方程組是表示場結構的定律,說明了帶電體電場和磁場彼此之間相互聯系和相互制約的規律。對于任意頻段的電磁場而言,其傳輸方程均滿足麥克斯韋方程組

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其中,H為磁場強度矢量,E為電場強度矢量,B為磁感應強度矢量,D為電位移矢量,J為傳導電流密度,ρ為空間電荷密度

在電磁場理論中提到的輔助方程是表示場與介質的關系的,稱為介質的特征方程,一般為

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其中,σ、ε、μ分別為介質的電導率、介電常數和導磁系數。

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2.2 磁偶極子工頻電磁場理論模型

輸電網是將發電廠的電能通過升降壓變壓器和電壓較高的輸電線路輸送到用電區域,或在幾個不同區域電網間互通能量,形成互聯電網。由于輸電線路結構十分復雜,考慮將整個輸電網按區域分為若干個大型輸電網絡,形成分布式結構。每個大型輸電網絡又可按更小的區域分為若干個中型或小型子網絡。兩個變壓器之間的輸電線和地線以及對地的鏡像組成了閉合的“環路”,可將其等效為一個磁偶極子。

圖2 水平天線及其鏡像

2.3 磁偶極子工頻電磁場空間傳播

利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件,建立簡單輸電線路的磁偶極子空間電磁場計算模型。在該仿真軟件中,輸電線路默認接地,即可與大地形成電流回路,等效于磁偶極子。輸電線路設置為典型的1000kV,1kA的正弦交流電。在1km×1km×0.6km范圍內建立仿真模型模型,其中上方為空氣層,下方為陸地層。空氣的電磁參數為:εr=1,μr=1,σ=0S/m,空氣的電磁參數為:ε=30,μr=1,σ=1.5S/m,ε為介電常數,μr為磁導率,σ為電導率,輸電線路位于空間域的中心軸,輸電線長度為500m,仿真模型如圖3所示。

圖3 簡單輸電線路仿真模型

仿真計算得到該輸電線路在空間中產生的工頻電磁場,截取導線正上方10m的平面,繪制該平面上的工頻電磁場等值線圖,如圖4所示。從圖中可以看出,電場等值線圖在yoz面像數值0,磁場等值線圖在xoz面像數值8,與磁偶極子產生的電磁場在空間中傳播規律一致,可推斷出輸電線路可等效為磁偶極子模型。

圖4 工頻電磁場等值線圖

仿真計算得到該輸電線路在空間中產生的工頻電磁場,截取導線正上方10m的平面,繪制該平面上的工頻電磁場切面圖,如圖5所示。從圖中可以看出在導線的兩端其電場強度最大,而在導線周圍磁感應強度最大。

圖5 工頻電磁場切面圖

為了分析傳輸導線產生的電磁場矢量方向,繪制工頻電磁場流線圖,如圖6所示,電場矢量主要分布在x-o-y平面,磁場矢量主要分布在 y-o-z平面,電場矢量和磁場矢量相互垂直,仿真結果符合電磁場的傳播規律。

圖6 工頻電磁場流線圖

3 模型的建立與求解

3.1 空間傳播模型的建立

通常,輻射源在空氣中產生電磁波的傳播模型為3層模型結構即空氣層、海水層、海底層,具體各介質層電磁參數具體如表1所示。

表1 脈搏波的主頻率和imfs的中心頻率

為簡化傳輸模型,將分布式輸電網絡等效為一條500m的輸電線路,利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件,建立簡單的輸電回路空間電磁場計算模型。輸電線路設置為典型的1kA的50Hz正弦交流電。如圖7所示,最上層介質層為空氣層,輸電線路位于圖中所示。中間為海水層,最下層為海底層。

圖7 輸電線路仿真空間模型

3.3 工頻電磁場與鐵磁性物體相互作用機理

當導體暴露在時變電磁場中時,導體中將產生感應電流。感應電流產生的磁場會改變導體內部的電流分布,最終導致感應電流集中在導體表面,這種現象就是集膚效應。

考慮電磁波正入射進入導體的情況:γx=αx+jβx=0,即αx=βx=0,電磁波的波矢僅有z方向分量

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本文重點研究水下鐵磁性目標在工頻電磁場的作用下引起的電磁異常信號。水下目標為空心橢球體,長100m,外殼半徑10m,殼厚1m,水深50m。外殼材料的電磁參數設置為σ=1.12×107[S/m],μr=500,ε=1。其中σ為電導率,μr為磁導率,ε為介電常數。如下圖8所示。綠色介質為空心目標的空氣介質,下方藍色介質為目標鐵磁性外殼。

圖8 水下鐵磁性模型

4 仿真結果分析

將目標放在距離輸電線路約1200m處,仿真分析鐵磁性目標與工頻電磁場相互作用后距離目標高度20m處、長度為400m水平方向的工頻電磁場變化情況。

圖9a時沒有目標時工頻磁場變化情況,b是與鐵磁性目標相互作用后,工頻磁場變化情況,可以清晰的看出,在目標所在位置磁場增加到79pT,與背景場有明顯差異。圖10a時沒有目標時工頻電場變化情況,b是與鐵磁性目標相互作用后,工頻電場變化情況,可以清晰的看出,在目標所在位置電場減少到0.58μV/m,與背景場有明顯差異。

圖9 有無目標時磁場變化圖

圖10 有無目標時電場變化圖

為了進行了解工頻電磁場的集膚效應,繪制水下目標所在位置處,垂直方向的工頻電磁場變化情況。從圖11可以看出,當工頻電磁場傳播到鐵磁性目標時,因集膚效應和渦流的原因,工頻磁場相較于背景場會明顯增加,傳播到目標表面時到達極值。表明當工頻電磁場遇到鐵磁性目標時會大量聚集在目標表面。

圖11 有無目標時磁場變化圖

5 結論

本文提出了利用工頻電磁場探測鐵磁性目標方法,對輸電網絡在空間中傳播與鐵磁性目標相互作用進行了建模和分析。通過仿真研究了工頻電磁場與鐵磁性目標相互作用后,可產生局部電磁場信號,同時研究了鐵磁性目標的肌膚效應,表明當工頻電磁場遇到鐵磁性目標時可在表面聚集,產生較為強烈的工頻異常信號。結果表明:工頻電磁場會對鐵磁性目標相互作用,因其集膚效應和渦流,可產生明顯異于背景場的畸變信號。為后續使用分布式輸電網絡進行目標探測提供了理論基礎。

因構建實際輸電網絡工作量太大,所以使用一根輸電線路進行仿真分析,目標信號相對較弱,模型有待完善。本文今后可對分布式輸電網絡進行擴充與模型優化,進一步研究工頻電磁場探測鐵磁性目標的研究。