一种基于瞬变电磁异常环原理的接地网断点诊断方法

摘要

本发明公开了一种基于瞬变电磁异常环原理的接地网断点诊断方法，包括根据欲检测位置，找出涵盖检测位置的一个田字形网格；在田字形网格上方的有效检测面积内建立坐标系；在有效检测面积内放置多条测线，要求测线关于田字形网格中线呈对称分布；在每一条测线上确定测点坐标，要求所有测线测点间距及测点位置设置具有一致性；采用中心回线装置，将发射线圈和接收线圈的中心点与测点重合，沿着一条测线逐点进行测量，得到测量数据；绘制每条测线不同测点在不同采样时刻的二次感应电压图，根据田字形接地网格在不同位置存在断点的规则，判断断点位置。本方法可以保证在电力系统正常运行情况下，直接由测量的二次感应电压值进行断点诊断。

说明书

技术领域

本发明公开了一种基于瞬变电磁异常环原理的接地网断点诊断方法，更具 体的说，可以保证在电力系统正常运行情况下，直接由测量的二次感应电压值 进行断点诊断。

背景技术

发、变电站等的接地网是保证电力系统安全可靠运行的重要措施，其可靠 性直接关系到电网的安全运行。接地网一旦发生故障，给设备，供电以及人们 的生命财产安全造成难以估算的损失。诊断接地网的缺陷对保障电力系统安全 可靠运行，保障设备和运行人员安全具有重要的实际意义，它已经成为电力部 门的一项预防事故发生的重要措施。

目前常用的接地网断点检测方法主要集中在以下几个方面：(1)现场开挖 检查；(2)采用电网络法测量接地参数；(3)采用电化学方法测量接地状态； (4)利用电磁方法进行检测。通过开挖来检查接地网断点情况在国内使用比较 广泛，但这种方法带有盲目性、速度慢、工作量大；电网络法会受到地下引线 具体位置和数量的限制；电化学方法存在电化学传感器的限流问题，很难准确 检测断点情况。当接地网存在断点时，相应位置的磁感应强度会发生变化，电 磁法依赖这一原理可以比较准确地测量断点位置。

目前常用的电磁法是通过下引线向接地网注入异频的正弦波激励电流，通 过测量磁感应强度分布来判断断点，这会受到下引线的限制。瞬变电磁法可以 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， 确定被测目标的物理参数。本方法可以不受下引线的限制，本发明即是在此基 础上提出的一种新的断点诊断方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种克服之前接地网断点诊断方法需 要开挖、断电、盲目性大、受接地引线限制等问题，提供了一种基于瞬变电磁 异常环理论的接地网断点诊断方法。

本发明基于瞬变电磁异常环理论，将接地网格当成异常环处理，并且以田 字形网格作为最小的测量单元，可以克服检测断点位置的不确定性。本发明基 于的瞬变电磁装置，包括发射系统和接收系统。发射系统主要包括电源、发射 机、发射线圈。接收系统包括接收机、接收线圈。

本发明是这样实现的，一种基于瞬变电磁异常环原理的接地网断点诊断方 法，包括如下步骤：

(1)根据欲检测位置，找出涵盖检测位置的一个田字形网格；

(2)在田字形网格上方的有效检测面积内建立坐标系，所述有效检测面积 为：取构成田字形网格的四个接地网网格的中心点，然后相连接所构成的正方 形；

(3)在有效检测面积内放置多条测线，要求测线关于田字形网格中线呈对 称分布；

(4)在每一条测线上确定测点坐标，要求所有测线测点间距及测点位置设 置具有一致性；

(5)采用中心回线装置，将发射线圈和接收线圈的中心点与测点重合，沿 着一条测线逐点进行测量，得到测量数据；

(6)绘制每条测线不同测点在不同采样时刻的二次感应电压图，根据田字 形接地网格在不同位置存在断点的规则，判断断点位置。

进一步地，发射线圈的等效边长等于接地网埋深的2倍；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。

进一步地，判断断点的规则是将四个接地网格当成四个异常环处理，当发 射电流为双极性梯形波时，接收线圈接收到的异常环的二次感应电压值为：

$V_{AL\left(t\right)}=-\frac{M_{RL}{M}_{TL}I}{L_{AL}}{e}^{-T/{\tau }_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\tau }_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\tau }_L}-e^{T_2/{\tau }_L})]e^{-t/{\tau }_L},$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，M_TL、M_RL分别 为发射线圈、接收线圈与异常环的互感，τ_L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： τ_L＝nμ₀r_AL[n*ln(8/r_a)-(2n-1.25)]/(2r_AL*ρ_L/r_a²)，其中μ₀为磁导率，n 为异常环的匝数，r_AL为异常环的等效半径，r_a为异常环横截面半径，ρ_L为导线 电阻率；根据二次感应电压值在田字形网格内建立的坐标系内的变化进行判断。

进一步地，建立坐标系为以一条中线作为X轴，垂直中线作为Y轴，X轴 与Y轴的原点位于田字形网格的中心，将田字形网格分为第一象限、第二象限、 第三象限以及第四象限，具体的判断断点的规则为：

当田字形网格无断点时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测 得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标相 同时，不同测线的感应电压关于y轴原点呈对称分布；

当田字形网格第三象限的小网格存在断点时，且只影响该小网格时，同一 条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈 对称分布；并且当测线在y轴负方向时，测得的x轴负方向侧感应电压接近为 零；

当田字形网格第四象限的小网格存在断点时，只影响该小网格时，同一条 测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对 称分布；并且当测线在y轴负方向时，测得的x轴正方向侧感应电压接近为零；

当田字形网格第二象限的小网格存在断点时，只影响该小网格时，同一条 测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对 称分布；并且当测线在y轴正方向时，测得的x轴负方向侧感应电压接近为零。

当田字形网格第一象限的小网格存在断点时，只影响该小网格时，同一条 测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对 称分布；并且当测线在y轴正方向时，测得的x轴正方向侧感应电压接近为零；

当田字形网格y轴负方向两个小网格交接处存在断点影响y轴负方向两个 小网格时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于 x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标相同时，不同测线的感 应电压关于y轴原点不呈对称分布，田字形网格y轴负方向测得的感应电压值 比y轴正方向感应电压值要小；

当田字形网格y轴正方向两个小网格交接处存在断点影响y轴正方向两个 小网格时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得的感应电压关于 x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标相同时，不同测线的感 应电压关于y轴原点不再呈对称分布，田字形网格y轴负方向测得的感应电压 值比y轴正方向感应电压值要大；

当田字形网格y轴负方向两个小网格交接处存在断点影响使得上层两个小 网格不能形成闭合回路时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测得 的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标相同 时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，田字形网格y轴负方 向测得的感应电压值接近为零；

当田字形网格y轴正方向两个小网格交接处存在断点影响使得y轴正方向 两个小网格不能形成闭合回路时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时， 测得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标 相同时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，田字形网格y轴 正方向测得的感应电压值接近为零；

当田字形网格x轴负方向两个小网格交接处存在断点，使得x轴负方向侧 两个小网格不能形成闭合回路时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时， 测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布，每一条测线测得的x轴的负半 轴电压接近为零；

当田字形网格x轴正方向侧两个小网格交接处存在断点，使得x轴正方向 两个小网格不能形成闭合回路时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时， 测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布，每一条测线测得的x轴正半轴 电压接近为零。

进一步地，所述发射机产生双极性梯形波。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明可实现在不开挖、不断电 的情况下检测接地网断点情况，并且可以实现有目的性的探测，直接由二次感 应电压值来判断断点情况，无需进行一次场剔除，无需计算电阻率，降低了检 测的复杂程度。

附图说明

图1为本发明实施例中接地网断点诊断方法的流程图；

图2为本发明实施例中瞬变电磁探测装置结构示意图；

图3为本发明发射机产生双极性梯形波；

图4为田字形网格有效检测面积示意图；

图5为两平行线圈位置示意图；

图6为本发明实施例中坐标系的建立；

图7为本发明实施例中中线、测线布置以及不同位置存在断点的示意图；

图8为本发明实施例中中心回线装置与测线相对位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1为本发明实施例公开的一种接地网断点诊断方法的流程图。图2 为本发明实施例中瞬变电磁探测装置结构示意图。该装置包括发射线圈和接收 线圈，其中发射线圈与发射机相连，电源向发射机供电，接收线圈与接收机相 连。发射线圈、接收线圈中心点重合。瞬变电磁的发射线圈和接收线圈为中心 回线方式。

参见图3所示，发射机产生双极性梯形波。直接根据接收线圈接收到的二 次感应电压值判断接地网的断点情况。要求发射线圈的等效边长等于接地网埋 深的2倍，然后寻找涵盖检测位置的一个田字形网格。发射线圈的等效边长等 于接地网埋深的2倍，等效边长计算如下：圆形发射线圈面积为s，其等效正 方形线圈边长为

基于上述瞬变电磁探测装置，该方法步骤包括：

S1：根据欲检测位置，找出涵盖检测位置的一个田字形网格；

如图4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4中虚线所围 正方形)范围即为有效检测面积。

在该范围检测时，认为可以忽略田字形网格以外接地网网格的影响。依据 如下：

如图5所示两个平行放置线圈，设第一线圈1的半径为a，圆心坐标为(0， 0，0)，第二线圈2的半径为b，圆心坐标为(Lx，Ly，Lz)。根据聂以曼公 式将线圈的参数带入，最终得出线圈1和线圈2的互感公式为：

由上式可以看出当a、b固定时，互感与两个线圈中心点的距离成反比关系，通过在Matlab中进行计算，绘图发现当两线圈中心点的距离超过 1/2第一线圈1的半径时，M急速下降超过两个数量级。为了更加严谨，选择 如图4所示的虚线范围作为有效检测面积。选择该范围作为有效面积的前提是 发射线圈的等效边长等于接地网埋深的2倍，接收线圈的等效边长以可以接收 到断电后的二次感应电压值为准。

S2：在田字形网格上方的有效检测面积内建立坐标系；参见图6，

S3：在田字形网格上方的有效检测面积内放置多条测线，要求测线关于田 字形网格中线呈对称分布；参见图7，

S4：在每一条测线上确定测点坐标，要求所有测线测点间距及测点位置设 置具有一致性；

S5：采用中心回线装置，将发射、接收线圈的中心点与测点重合，沿着一 条测线逐点进行测量，得到测量数据(二次感应电压值)；

S6：绘制每条测线不同测点在不同采样时刻的二次感应电压图，根据田字 形接地网格在不同位置存在断点的规律，判断断点位置。

在图4中，每个接地网网格边长为5m，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多条测线，每条测线设置10个测点， 测点间距50cm(参见图7和图8)。

当瞬变电磁中心回线装置发射双极性梯形波时，接收线圈接收到的异常环 响应为：

$V_{AL\left(t\right)}=-\frac{M_{RL}{M}_{TL}I}{L_{AL}}{e}^{-T/{\tau }_L}[\frac{1}{T_1}(e^{T_1/{\tau }_L}-1)-\frac{1}{T_3-T_2}(e^{T_3/{\tau }_L}-e^{T_2/{\tau }_L})]e^{-t/{\tau }_L},$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。M_TL、M_RL分别为发射线圈、接收线圈与异常环的互感。τ_L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：τ_L＝nμ₀r_AL[n*ln(8/r_a)-(2n-1.25)]/(2r_ALρ_L/r_a²)， 其中μ₀为磁导率，n为异常环的匝数，r_AL为异常环的等效半径，r_a为异常环横截 面半径，ρ_L为导线电阻率。

基于上述瞬变电磁异常环响应公式，对于如图7所示不同断点位置的田字 形网格，步骤6中所依据的不同位置断点检测规律叙述如下：

当田字形网格无断点时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移动时，测 得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x坐标相 同时，不同测线的感应电压关于y轴原点呈对称分布。

当图7中出现断点1所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布；并且当测线在x轴上方 时，测得的x轴负半轴感应电压几乎为零。

当图7中出现断点2所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布；并且当测线在x轴上方 时，测得的x轴正半轴感应电压几乎为零。

当图7中出现断点3所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布；并且当测线在x轴下方 时，测得的x轴负半轴感应电压几乎为零。

当图7中出现断点4所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布；并且当测线在x轴下方 时，测得的x轴正半轴感应电压几乎为零。

当图7中出现断点5所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x 坐标相同时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，x轴上方测 得的感应电压值比下方感应电压值要小。

当图7中出现断点6所示情况时，，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴 移动时，测得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时， x坐标相同时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，x轴上方 测得的感应电压值比下方感应电压值要大。

当图7中出现断点7所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x 坐标相同时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，x轴上方测 得的感应电压值几乎为零。

当图7中出现断点8所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点呈对称分布；不同测线沿着y轴移动时，x 坐标相同时，不同测线的感应电压关于y轴原点不再呈对称分布，x轴下方测 得的感应电压值几乎为零。

当图7中出现断点9所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布，每一条测线测得的x轴 的负半轴电压几乎为零。

当图7中出现断点10所示情况时，同一条测线当发射接收线圈沿着x轴移 动时，测得的感应电压关于x轴原点不再呈对称分布，每一条测线测得的x轴 正半轴电压几乎为零。

本发明公开的一种瞬变电磁异常环探测方法，实现在不开挖、不停电的情 况下，对接地网进行断点诊断，降低了诊断过程的经济损失，提高断点检测的 准确性。

本发明在田字形网格上方的有效检测面积内建立坐标系；在田字形网格上 方的有效检测面积内放置多条测线，要求测线关于田字形网格中线呈对称分布； 在每一条测线上确定测点坐标，要求所有测线测点间距及测点位置设置具有一 致性；采用中心回线装置，将发射、接收线圈的中心点与测点重合，沿着一条 测线逐点进行测量，得到测量数据(二次感应电压值)；

绘制每条测线不同测点在不同采样时刻的二次感应电压图，根据田字形接 地网格在不同位置存在断点的规律，判断断点位置。该方法可实现在不开挖、 不断电的情况下检测接地网断点情况，并且可以实现有目的性的探测，直接由 二次感应电压值来判断断点情况，无需进行一次场剔除，无需计算电阻率，降 低了检测的复杂程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。