CN206945884U - 一种瞬变电磁探测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种瞬变电磁探测装置，该装置包括发射组件和接收组件，其中，发射组件包括电池组、发射机和发送线圈，电池组的正极与发射机的供电正端连接，电池组的负极与发射机的供电负端连接；发送线圈与发射机的电流输出端连接；接收组件包括接收线圈和接收机，接收线圈与接收机的信号采集线连接；接收线圈与发射线圈信号连接。基于该装置可提高接地网断点的非接触诊断，提高接地网断点诊断的准确性，能够实现非开挖和不停电的接地网断点诊断，降低了诊断过程的经济损失。

Description

一种瞬变电磁探测装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统接地网断点诊断技术领域，尤其涉及一种瞬变电磁探测装置。

背景技术

接地网的完整可靠性是电力系统安全运行的必要保障，构成接地网的导体埋设于地下，常因施工时的焊接不良、漏焊或土壤腐蚀等原因，造成导体断裂，致使接地网接地泄流性能下降，不仅威胁设备及人身安全，还会带来巨大的经济损失和社会影响，但接地网属于地下隐蔽工程，在土建施工阶段回填土工序完成后，就很难对接地网的连通情况以及运行后接地体的锈蚀情况进行直观的检查和状态评价，因此，研究接地网故障诊断技术尤为重要。

今年来，在接地网断点诊断领域，不少学者将接地网看作阻性网络，通过对接地引线间电阻或地表电位差的测量来判断是否存在断点，该方法的不足是当接地网存在局部断点时，接地极间电阻以及地表电位变化很小，差异不明显、不直观。也有国外F.Dawalibi研究组从电磁场理论的角度建立的接地网频域分析方法，利用接地网可及端点向接地网中注入一定频率的正弦电流，通过对地面附近磁场的测量，探索了对接地网结构性故障进行诊断的电磁方法，但仅仅停留在理论分析上。国内学者张波、崔翔在2002年就根据矩量法提出了一种新的谐波电流谐波分析方法，通过测量地表电位差分布进行接地网故障诊断。而后刘洋、崔翔等进行了进一步研究，通过接地网两根引导体注入异频的正弦激励电流，测量地表磁感应强度的分布特征，并设计了相应的电流源和磁场检测电路，也有提出对注入电流后的接地网上方磁场测量数据进行滤波和数值微分处理，但这些方法同样依赖于可及断点的位置和数目，如果可及断点很少，则难以取得较好的诊断结果。

目前的接地网故障诊断技术基于电路理论、场路法、无损检测法和电化学法，但这些方法或是依赖于接地网设计施工图纸，或是要求变电站停电，影响电力系统运行。

实用新型内容

本实用新型提供了一种瞬变电磁探测装置，以解决现有技术存在的依赖于接地网设计资料，或是要求变电站停电，影响电力系统运行的问题。

本实用新型还提供了一种瞬变电磁探测装置，所述装置包括发射组件和接收组件，其中：

所述发射组件包括电池组、发射机和发送线圈，所述电池组的正极与所述发射机的供电正端连接，所述电池组的负极与所述发射机的供电负端连接；所述发送线圈与所述发射机的电流输出端连接；

所述接收组件包括接收线圈和接收机，所述接收线圈与接收机的信号采集线连接；所述接收线圈与发射线圈信号连接。

可选地，所述发送线圈和接收线圈设置为中心回线装置。

可选地，所述发射线圈的半径尺寸为1.25m，接收线圈的半径尺寸为0.25m。

本实用新型提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型提供一种瞬变电磁探测装置，该装置包括发射组件和接收组件，其中，发射组件包括电池组、发射机和发送线圈，电池组的正极与发射机的供电正端连接，电池组的负极与发射机的供电负端连接；发送线圈与发射机的电流输出端连接；接收组件包括接收线圈和接收机，接收线圈与接收机的信号采集线连接；接收线圈与发送线圈信号连接。测量时，发射机产生双极性矩形脉冲电流，发送线圈建立一次脉冲磁场，接收线圈感应由该脉冲磁场产生的二次涡流场，接收机根据接收到的电磁发射波进行处理、分析。基于该装置可提高接地网断点的非接触诊断，提高接地网断点诊断的准确性，能够实现非开挖和不停电的接地网断点诊断，降低了诊断过程的经济损失。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种瞬变电磁探测装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于瞬变电磁探测装置的接地网断点诊断方法的流程示意图；

图3为本实用新型实施例提供的接地网断点诊断方法中S200的详细流程示意图；

图4为本实用新型实施例提供的接地网断点诊断方法中S400的详细流程示意图；

图5为本实用新型实施例提供的仿真实验中接地网结构及断点和测点位置图；

图6为本实用新型实施例提供的接地网仿真实验的垂直磁场三维等值线图；

图7为本实用新型实施例提供的接地网仿真实验的垂直磁场平面等值线图。

具体实施方式

瞬变电磁法是一种地球物理方法，它通过发送线圈在地下建立一次脉冲磁场，在一次场间歇期间，形成地下涡流场，并向下、向外扩散，称“烟圈效应”，利用接收线圈观测二次涡流场，并经反演推断地层电阻率纵向分布，可形成纵向电阻率断面图。与其他电阻率探测方法比，瞬变电磁法具有穿透能力强、分辨率高、体积效应影响小和无接触测量等特点，有望为解决接地网故障诊断在线、无损非开挖和地网信息全面探测难题提供新思路。

参见图1，为本实用新型提供的瞬变电磁探测装置的基本结构。

本实用新型提供的瞬变电磁探测装置包括发射组件和接收组件，其中：

发射组件包括电池组1、发射机2和发送线圈3，电池组1的正极与发射机2的供电正端连接，电池组1的负极与发射机2的供电负端连接；发送线圈3与发射机2的电流输出端连接。电池组1为发射机2供电，发射机2产生双极性矩形脉冲电流，通过发送线圈3建立一次脉冲磁场。

接收组件包括接收线圈4和接收机5，接收线圈4与接收机5的信号采集线连接。接收线圈4与发送线圈3信号连接，发送线圈3用于建立一次脉冲磁场，并激励地网产生二次涡流场信号，而接收线圈4用于观测感应二次涡流场，并以感应电压信号形式存储于接收机5中。接收机5根据接收到的电磁发射波进行成像分析，得出结果。

进一步地，发送线圈3和接收线圈4为中心回线装置，发送线圈3和接收线圈4可设置为同心圆的一体化线圈，且发送线圈3和接收线圈4不连通。使用时，中心回线装置沿着试验测线进行测量，每次测量时中心回线装置的中心与测点重合。可选的，发射线圈3的半径为1.25m，接收线圈4的半径为0.25m。

中心回线装置为重叠回线装置的变形，与重叠回线装置相比，减小了接收线圈的大小，但发射线圈与接收线圈的中心点相同，因此该装置与重叠回线装置共同称为同点装置。中心回线装置具有同点装置共有的最佳耦合，异常幅度大，横向分辨率高等优点。此外，由于中心回线装置接收线圈较小，因此可观测磁场的水平分量，相比与重叠回线装置提高了分辨率，而且接收线圈可避开金属管道等人为良导体，数据质量优于重叠回线装置。

接收组件还包括电脑(未标注)，电脑读取接收机5中的感应电压数据，并将感应电压数据转换为垂直方向磁场强度值，之后利用成图工具将各个测点处的垂直方向磁场强度值绘制成三维磁场强度等值线图，方便技术人员通过三维磁场强度等值线图判断接地网是否发生断点。

试验时，设置3条互相平行的试验测线，测线1位于接收线圈4中心向外延伸，测线2位于接收线圈4边缘向外延伸，测线3位于发射线圈3外侧10cm并向外延伸。三条测线两两相距0.5m，采用7等分(每段14.29cm)，用于根据三维场值图判断断点位置。具体方法是测量得出三维场值图，发现断点后数格判断具体位置，每一格为14.29cm，可判断到14.29cm附近，然后开挖维修，最小化人工成本。

本实用新型提供的瞬变电磁探测装置由3条试验测线、发射组件、接收组件和电脑组成，发射组件包括电池组、发射机和发送线圈，电池组的正极与发射机的供电正端连接，电池组的负极与发射机的供电负端连接，电池组为发射机供电。发送线圈与发射机的电流输出端连接，发射机产生双极性矩形脉冲电流，通过发送线圈建立一次脉冲磁场。接收组件包括接收线圈和接收机，接收线圈与接收机的信号采集线连接，且接收线圈与发射线圈信号连接，用于接收地网产生的二次涡流场信号，并将二次涡流场信号数据传输至接收机，用于数据处理、分析。

基于瞬变电磁探测装置，本实用新型实施例还提供了一种接地网断点诊断方法，如图2所示。

本实用新型实施例提供的接地网断点诊断方法包括：

S100：在待诊断接地网的上方设置试验测线，沿所述试验测线建立多个测点坐标。

具体地，在待诊断接地网的上方区域设定试验测线，包括试验测线的长度和试验测线之间的距离，沿试验测线的测试方向建立多个测点，设定测点间距。设定3条相互平行的实验测线，三条试验测线两两相距0.5m，每条实验测线7等分(每段14.29cm)设定测点位置，方便探测该测点位置处的接地网扁钢是否发生断点。

S200：所述瞬变电磁探测装置沿着所述试验测线的测点坐标进行逐点测量，获得所述测点坐标处的感应电压数据。

具体地，沿所述试验测线的测试方向，利用瞬变电磁探测装置进行逐点测量，具体步骤如图3所示：

S201：将所述瞬变电磁探测装置的中心分别与所述试验测线的测点坐标重合。

S202：所述瞬变电磁探测装置产生双极性矩形脉冲电流，建立一次脉冲磁场，并激励接地网产生二次涡流场信号。

S203：感应所述二次涡流场信号，获得各个所述测点坐标处的感应电压数据。

具体地，瞬变电磁探测装置中发射线圈的中心与测点坐标重合，然后瞬变电磁探测装置产生双极性矩形脉冲电流，建立一次脉冲磁场，并激励接地网产生二次涡流场信号，瞬变电磁探测装置中的接收线圈观测感应二次涡流场，测量得到该测点坐标处的感应电压数据，存储该测点坐标处的感应电压数据，之后继续测量下一测点坐标。

S300：根据所述感应电压数据计算得到垂直方向磁场强度，建立测试区域的三维磁场强度等值线图。

具体地，在瞬变电磁探测装置中，现有的大多数仪器采用的都是感应线圈作为接收传感装置，只能测量探测区域的感应电压响应值，也就是磁场随时间的变化率。根据法拉第电磁感应定律，对感应电压响应积分可得到垂直磁场强度值。

瞬变电磁装置的参数包括发射电流I₀，发射回线半径a，发射机关断时间t₀，接收线圈的有效接收面积S，接收机的采样频率f_rate。对参数固定的瞬变电磁探测装置，接收线圈测量的是感应电压响应数据V_z(t)，也就是垂直磁场H_z(t)随时间的变化率根据法拉第电磁感应定律有：

其中，n——线圈匝数；

μ₀——空气磁导率。

对式(1)等号两边积分，整理得：

其中，t_a——最早取样时间；

t_b——最后取样时间。

当积分上限为时间变量t时，又可得：

当积分下限为时间变量t时，又可得：

根据式(3)和式(4)可求出感应电压值转换的垂直磁场。由式(3)计算垂直磁场，求取出当t_a→0时刻的值H_z(t)；由式(4)计算垂直磁场，当时间t较大时，趋于零，H_z(t)也趋于零。因此当t_b较大时，式(4)则变为：

式(5)写成数值计算形式为：

将测量得到的各个测点坐标处的感应电压值积分得到垂直方向磁场强度值，利用成图工作绘制成单位磁场强度等值线图。

S400：分析所述三维磁场强度等值线图，判断所述接地网是否存在断点。

具体地，通过分析三维场值图上的场值等值线差异情况进行接地网断点判断，垂直磁场强度三维图上各测点处场值的大小取决于瞬变电磁探测装置位于测点位置时，向下传播的电磁信号与接地网网格的耦合产生的涡流状况。

如图4所示，为判断接地网是否存在断点的详细步骤。

S401：根据所述三维磁场强度等值线图获取接地网扁钢的位置和走向。

具体地，三维磁场强度等值线图显示网状结构，且和接地网模型结构与明显的对应，因此可以显示接地网扁钢的位置及走向。三维图上黑色的网状粗线代表接地网扁钢位置，图中圆点标记为接地网扁钢上方的测点位置。接地扁钢属于接地的材料，接地干线属于接地的线路，接地扁钢用于制作接地网，接地干线也是接地扁钢之一，负责连接接地网，把接地网延伸到变电所地面所有电气设备的金属外壳，和接地网连接在一起。接地网故障最大的危害是扁钢断裂，因此首先判别接地网扁钢的位置和走向，然后再判断接地网扁钢是否发生断点及断点位置。

S402：分析所述接地网扁钢处的磁场强度值与所述接地网扁钢周围的磁场强度值的差异情况。

S403：根据所述磁场强度值的差异情况判断所述接地网是否存在断点。

具体地，对比三维磁场强度等值线图中接地网扁钢处磁场强度值与非接地网扁钢处磁场强度值的差别。接地网扁钢处的场值较扁钢周围的场值明显较小，当接地网扁钢某处出现大片低洼表征，且该处的场值远小于周围场值大小，则表明该处的接地网扁钢发生断点，定位该点的坐标信息，实现精确开挖维修。

仿真实验验证

在实地建立接地网断点仿真实验模型，给予瞬变电磁发射波形激励：发射电流1A，发射线圈半径为1.25m，接收线圈半径0.25m，关断时间250us，采样频率100MHz。采用一个边长100m的大正方体均匀半空间，设置平均土壤电阻率ρ＝50.27Ω·m，接地网处在土壤模型上表面一下0.8m，接地网模型的规格为：网格数量5×5，网格大小6m×6m，断点设置位置如图5所示。

随机选择通过断点位置的探测范围，设定测线和测点间距；仿真实验结束，记录测点位置感应电压数据，利用上述感应电压转换垂直方向磁场强度的理论公式得到各个测点的垂直方向磁场强度数据；利用成图工具绘制三维磁场强度等值线图，如图6、图7所示。

图6为垂直磁场强度的三维等值线图，图7为磁场强度的平面等值线图，其中，黑色的网状粗线代表接地网扁钢位置，圆点代表接地网扁钢正上方的测点位置，是为了对比验证扁钢处与非扁钢处的场值差别，图中可以看出扁钢处的场值较扁钢周围低洼明显，在断点处清晰的出现大片低洼表征，且断点处场值远小于周围场值大小。

对比图5接地网结构模型和图6、图7的磁场强度等值线图可以清晰看出横向和纵向的扁钢位置及走向；通过对比两组图坐标(0,-3)位置处的场值分布，可清晰看出断点和非断点的差异，由此可准确判断断点的位置分布。

此次仿真试验，在扁钢正上方，X轴方向上的测点标记间隔为1m，Y轴方向上的测点标记间隔为2m，Y轴方向较X轴测点稀疏，故图中显示纵向扁钢测点间表征不如横向扁钢表征连续性明显。

本实用新型提供的接地网断点诊断方法通过在接地网测试区域规划试验测线和测点位置，将瞬变电磁探测装置中接收线圈的中心与测点坐标重合，接收装置沿着试验测线逐点进行测量，得到测点坐标处的感应电压数据；利用感应电压计算垂直方向磁场强度值，利用成图工具绘制三维磁场强度等值线图；分析三维磁场强度等值线图，以此判断接地网是否发生断点。该方法能在三维磁场强度等值线图上清晰看到接地网扁钢位置和走向以及接地网网格的大小。若接地网扁钢存在断点，接地网断点处感应磁场的三维等值线图更清晰表现出低洼状，可直接作为接地网断点判断的依据。该方法应用于电力系统接地网的断点诊断领域，不依赖于接地网设计资料，并且能实现非开挖和不停电的接地网断点诊断，降低了诊断过程的经济损失。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里实用新型的公开后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述的本实用新型实施方式并不构成对本实用新型保护范围的限定。

Claims (6)

1.一种瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述装置包括发射组件、接收组件及试验测线，其中：

所述发射组件包括电池组(1)、发射机(2)和发送线圈(3)，所述电池组(1)的正极与所述发射机(2)的供电正端连接，所述电池组(1)的负极与所述发射机(2)的供电负端连接；所述发送线圈(3)与所述发射机(2)的电流输出端连接；

所述接收组件包括接收线圈(4)和接收机(5)，所述接收线圈(4)与接收机(5)的信号采集线连接；所述接收线圈(4)与发射线圈(3)信号连接；

所述试验测线上设置有若干测点，相邻所述测点之间的距离为14.29cm。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(3)和接收线圈(4)设置为中心回线装置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(3)的半径尺寸为1.25m，接收线圈(4)的半径尺寸为0.25m。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发送线圈(3)的中心与接收线圈(4)的中心均与所述测点重合。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述试验测线包括相互平行的第一试验测线、第二试验测线与第三试验测线，所述第一试验测线设置于所述接收线圈(4)的中心并向外延伸，所述第二试验测线设置于所述接收线圈(4)的边缘并向外延伸，所述第三试验测线设置于所述发射线圈(3)的外侧并向外延伸。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三试验测线与所述发射线圈(3)的距离为10cm。