基于航空瞬变电磁的接地网断点检测仿真研究

摘  要：文章对接地网断点检测方法进行了研究，提出一种基于航空瞬变电磁异常环原理的接地网断点诊断方法，此方法忽略构成接地网导体的宽度和厚度，将接地网格当成异常线圈进行处理。通过定义有效检测面积，可以实现有目的性的探测，解决了之前方法盲目性大的缺点，并且可以直接由接收线圈接收到的二次感应电压值的规律进行断点判断，通过仿真验证了这个方法的有效性。

关键词：接地网;航空瞬变电磁;异常线圈;断点诊断

中图分类号：P631.3      文献标识码：A文章编号：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

电能无论在我们个人日常生活还是国家的经济发展中都发挥着非常重要的作用。电力系统的组成部分包含发电厂、变电站、输电线路及用户，其中变电站包括升压变电站和降压变电站。发电厂发出的电经过升压变电站后通过输电线路进行输电，然后再通过降压变电站后输送给用电负荷。变电站建设是我国目前能够实现高压远距离输电的重要环节。当变电站发生故障比如短路时，变电站的接地网可以起到非常好的引流作用，从而保障电力系统的稳态运行及工作人员的人身安全。接地网指的是埋入地中并直接与大地接触的构成网状结构的多根金属导体，金属导体的材料一般为扁钢。构成接地网的扁钢埋在地下，常因施工时的缺焊、漏焊、土壤腐蚀等原因，使接地网导体之间发生不同程度的腐蚀及断裂。当电力系统发生短路故障时，电流急剧增大，接地网的断点就会引发泄流不畅，威胁到工作人员的安全，并产生一定的经济损失和社会影响[1]。因此，通过接地网故障诊断方法的研究，能够及时准确的发现并排除安全隐患，对保障电力系统的可靠性以及工作人员的安全具有重要意义。

电网络分析法[2-4]、电化学检测方法[5，6]以及电磁场检测方法[7-10]是当前变电站接地网断点检测的常用手段。第一种方法是首先向接地网注入电流，然后测量可及节点间的端口电阻值，根据测量到的电阻值和接地网的电路结构，采用合适的算法去推算出接地網网格中每一段导体的实际电阻值，最后将推算出的实际电阻值与原始电阻值进行对比，从而得出接地网导体腐蚀程度或者断裂情况[11]的结论。该方法思路比较简单，但受可及节点数目的影响导致难以获得最优解。第二种方法首先测量腐蚀后的接地网金属导体的电位，然后将恒电流阶跃信号施加于该金属导体上，之后会产生相应的阶跃响应电位信号，通过对阶跃响应电位信号进行小波滤波处理，再对处理后的信号进行电化学参数解析，就可以生成接地网腐蚀检测结果。然而该方法在检测过程中依赖接地网引下线，从而使检测的位置受到了限制。目前电磁场检测方法常常将异频的正弦波激励电流借助接地网的两根接地引下线向接地网直接注入，该激励电流流过接地网时，会在地表激发磁场，通过测量该磁场的磁感应强度分布情况，与正常情况下进行对比，即可进行断点诊断。此种电磁方法同样受接地引线的限制。本文将航空瞬变电磁异常环原理应用于接地网断点诊断，此方法无须通过接地引线注入电流，方便快捷。

1  航空瞬变电磁硬件系统

航空瞬变电磁法（Airborne Time Domain Electromagnetic Method， AEM），是一种基于电磁感应原理，通过分析感应电场的异常从而对地下异常体的电特性进行判断的无损探测方法。其基本装置如图1所示，主要包括飞行器装置（如图中的直升机）、吊舱、供电系统、发射系统（包括发射机和发射线圈）、接收系统（包括接收机和接收线圈）、辅助系统（提供飞行时必要的辅助信息，包括高度、经纬度）等，飞行器下方挂着吊舱，吊舱承载着发射和接收线圈。供电系统、接收机及辅助系统这三部分放在机舱内，发射机可置于机舱或者吊舱内。AEM首先利用不接地回线（发射线圈）向地下发射双极性梯形波，然后在双极性梯形波的关断（即电流下降为零）瞬间，利用接收线圈观测二次感应电压，最后通过分析二次感应电压信号，就可以获得地下电阻率分布信息。

图1  AEM基本装置图

航空电磁系统主要包括发射和接收两部分[12]，发射系统由发射机和发射线圈组成，其主要任务是发射双极性梯形波，接收系统由接收机和接收线圈组成，其主要作用是接收二次涡流信号。发射机主要由发射H桥、电源、控制单元、驱动单元等组成。发射桥路的作用是在发射线圈中产生如图2所示的双极性电流，U为逆变器的直流电源，取自直升机的直流发电机。S1～S4为四个全控型电力电子开关，可以控制开通也可控制关断，但开关均为单向的，电流只能从图的上端流向下端。S1、S4同步动作，S2、S3同步动作，S1、S4开通时S2、S3关断，负载的电流方向为从左到右，S2、S3开通时S1、S4关断，负载的电流方向为从右向左，这样便产生了双极性电流。每个全控型器件的控制脉冲采用脉冲宽度调制技术（Pulse-Width Modulation， PWM）技术实现，根据发射电流波形以及阻感负载的伏安特性方程计算在每个时间段内应该提供的电压，将计算后的电压作为调制波，将三角波作为载波，通过载波与调制波的比较，得出每个器件的导通时间。接收系统主要由电源、数据采集卡、主控电路板、工控机和电阻型触摸屏组成。核心技术是数据采集卡的设计，主要包含前端输入保护电路、驱动电路、采集电路、FPGA主控电路以及USB接口电路等。

2  航空瞬变电磁异常环原理

航空瞬变电磁基本原理是通过不接地回线装置向地下发射电磁波激励地下目标，接收其产生的二次场，从而确定被测目标的物理参数。在图3中，当发射线圈中电流变化时，即磁场变化时，在异常线圈和大地中所激发出的、在接收线圈中可以接收到的响应分为三部分：第一部分为发射线圈激励大地所产生的电磁响应TER（Transmitter-Earth-Response），第二部分为发射线圈激励异常线圈所产生的电磁响应TLR（Transmitter-Loop-Response），第三部分为异常线圈作为新的激励源在大地产生的电磁响应LER（Loop-Earth-Response）。

当发射电流为如图4所示的双极性梯形波时，接收线圈接收到的异常线圈的二次感应电压值为：

（1）

其中I为发射电流幅值，T1为电流上升时间，T2为电流下降时间，T3为发射电流宽度，MTL、MRL分别为射线圈、接收线圈与异常环的互感（依据聂以曼互感公式[13]进行计算），τL为异常环的时间常数，与异常环的材料、电气性能有关，其表达式为：

（2）

其中µ0为磁导率，n为异常环的匝数，rAL为异常环的等效半径，ra为异常环横截面半径，ρL为导线电阻率[14]。

3  航空瞬变电磁异常線圈原理应用到接地网中

3.1  航空瞬变电磁装置参数确立

发射线圈的半径长短会影响发射磁矩，半径越大，发射磁矩越大，所能发射的能量越大，从而可以获得更深的探测深度。半径越小，发射磁矩越小，所能发射的能量也就越小，相应的探测深度越浅。所以在采用航空瞬变电磁装置进行接地网断点检测时，必须要根据接地网的埋深设置合理的发射线圈半径。参考文献15中瞬变电磁中心回线装置发射框边长与最佳探测深度的关系，在实际应用中取圆形发射线圈的等效边长为接地网埋深（即接地网距离地面的垂直高度）的2倍[15]。设接地网埋深设为0.8 m，根据面积等效原理，则圆形发射线圈的等效半径为：

（m）（3）

接收线圈的等效边长以接收到接地网断电后的感应电压值为准。

3.2  检测面积

如图5所示田字形网格，包括四个接地网网格A、B、C、D，每个网格的边长为L，将四个网格的中心点相连接所构成的正方形（如图5中虚线所围正方形）范围为本文的检测面积。

3.3  不同位置断点规律

如图5所示田字形网格，布置测线时，要求在检测面积内，测线关于田字形网格中线呈对称分布，如图6中的测线1和1′、2和2′、3和3′关于田字形网格中线（即图中的x轴）呈对称关系。在图6所示的田字形接地网格中，接地网埋深为0.8 m，每个接地网网格边长为6 m，材料为扁钢，将每个接地网格的中心相连构成有效检测面积。在有效检测面积内对称放置2n+1条测线（对称放置2n条，x轴上放置1条），每条测线设置12个测点，测点间距50 cm。发射线圈半径0.9 m，发射如图4所示的双极性梯形波，接收线圈半径0.25 m。分别设置断点位置如图6所示。图7分别给出了无断点、断点1和断点5时的感应电压曲线图。从图中可以看出当田字形网格无断点时，测得的感应电压关于x轴原点和y轴原点均呈对称分布;当出现断点1时，这样的断点造成的影响仅在于其所在的一个小网格受影响，该小网格在第四象限，所以在第四象限测得的感应电压值几乎为零，且测得的感应电压关于x轴原点和y轴原点均不再呈对称分布。当出现断点5时，这样的断点造成的影响是左右两个网格均不能接通，测得的感应电压在整个y轴负方向几乎为零。图6中其余位置断点感应电压规律与这两个断点规律一致，在此不再赘述。所以在实际工作中，完全可以根据测得感应电压的图像判断断点位置。

4  结  论

本文针对接地网的断点检测进行研究，首先介绍了航空瞬变电磁系统的主要硬件构成，接着介绍了异常环原理，并将该原理应用到接地网断点诊断中，最后设计不同位置断点接地网模型，通过仿真发现当断点位置不同时，接收机所接收到的感应电压曲线会发生明显变化，利用这一特征可以进行有效的断点诊断。

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作者简介：郑建波（1990—），女，汉族，山东聊城人，讲师，硕士，研究方向：电磁勘探方法研究。