CN103869206A - 一种高频脉冲逆散射成像的接地网状态检测*** - Google Patents
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Abstract
一种基于高频脉冲逆散射成像的接地网状态检测***。所述的检测***置于接地网上方地面。高频脉冲发射***的输出端连接发射天线,多个接收天线布置在发射天线信号覆盖范围内,组成接收阵列。接收天线连接至电磁接收***的输入端,电磁接收***的输出端连接至数据解释与成像***的输入端。高频脉冲发射***输出的高频脉冲信号输入至发射天线,发射天线将信号定向发送至地下接地网,所发送的信号在地下介质及接地网间传播,由多个接收天线组成的接收阵列接收包含地下接地网信息的信号,接收天线阵列的信号输送至电磁接收***,电磁接收***的输出信号输入至数据解释与成像***进行数据解释和图像重建。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于高频脉冲逆散射成像技术的接地网状态检测***。
背景技术
接地网在电力***安全可靠运行方面起着重要的作用,对保护站内工作人员的人身安全和各种电气设备的正常运行至关重要,其接地性能一直受到生产运行部门的重视。目前,镀锌钢是国内变电站地网较为常用的接地导体材料,经过长时间的运行,在多雨和沿海地区,随着使用年限的增加,易发生腐蚀,按照土壤腐蚀性的强弱不同,接地导体在土壤中的年腐蚀率在2.0mm-8.0mm间不等,除此之外,在施工过程当中地网的不良焊接、虚焊、漏焊以及来自土壤的腐蚀、接地短路电流的电动力作用等,可引起地网各均压带之间或接地引下线与均压带之间存在电气连接不良的故障点,不可避免的导致地网的安全性能遭到严重破坏,原来经过精心设计的接地网由于结构被改变,不能为故障电流和雷电电流提供有效的泄流通道,人身安全和设备安全受到严重威胁。
一旦发生由于接地网故障导致电力***事故,后果是较为严重的。短路电流通过接地引下线流入地网,地网故障而不能快速泄流就会导致电力***中性点发生偏移电位升高,同时地面电位升高,给变电运行人员的人身安全带来严重威胁。而反击过电压和电缆皮环流造成二次设备的绝缘能力遭到破坏,同时高压窜入控制室,因其监测和控制设备误动作或拒动从而扩大事故范围,造成巨大的经济损失和社会影响。在我国,因接地网腐蚀、发生断裂等缺陷引起的电力***的事故时有发生,每次事故都会造成巨大的经济损失,每次造成的直接经济损失都在几百万元至几千万元。
目前我国在五六十年代期间埋设的接地网,普遍存在接地装置的导体和接地引线腐蚀现象。一直以来,工程上了解接地网腐蚀及断点的常用方法一般都是凭借经验,根据地网所处的土壤环境的酸碱程度以及地网的运行年限,凭借着在诸多工程中的实际经验大概估计判断地网的腐蚀情况,然后对可能会存在的严重腐蚀危及安全的地网进行停电并抽样开挖。这样的做法没有针对性,耗费大量的人力物力财力,不能从根本上避免电力***事故的发生。
进入新世纪以来,随着我国经济快速发展,电力***电压等级不断提高、***容量不断扩大,接地故障电流也大幅度增加。另外,变电站的智能化程度越来越高,但是先进的监控设备抗干扰能力还比较弱,因此对接地装置的性能提出了更高的要求。为了保证接地网性能可靠正常就必须定期检查。
对接地网进行缺陷诊断,既具有宏观性,即要整体评估接地网的状态,又具有微观性,即准确定位缺陷所在位置,需要通过宏观测量接地网的状态量对接地网微观下的局部腐蚀情况或断点位置进行诊断。而接地网一般面积很大,被深埋在土壤中,直接检测难度大、工作量大,局部的缺陷对于接地网整体特征参量的影响不大,即整体测量接地网的参数难以反映局部特征,目前对于接地网缺陷的各种诊断方法准确性不高,灵敏度较低。
为了实现在不停电和不开挖的情况下对接地网的故障进行诊断,国内学者已经开展了很多工作。近年来,故障诊断技术有很多新方法和相应的测量***,研究理论也不断完善,基本形成了大电流分析技术、接地网节点分析技术、电磁场分析技术、在线腐蚀监测技术等等。目前对于接地网的检测,只能通过测量接地网电气参数间接判断接地网接地性能,测量大致的故障点,而不能具体得出腐蚀程度等,通过大面积开挖查找接地网导体断点和腐蚀段。电网络方法在强屏蔽或者散流作用下,同时由于接地网间互电阻作用,接地网网格导体两个可触及节点间的电阻值往往没有明显的变化,接地网导体局部出现断口时地表电位差变化很小,故接地网局部发生腐蚀断裂时很难仅仅通过外部接地电阻、跨步电势、电位分布、接触电势等参数进行准确判断。现有电磁场方法直接应用接地网腐蚀前网络拓扑和各边界条件引入麦克斯韦方程,得到接地网的地表电位分布或磁场分布,然后通过测量与计算结果的比较,进行腐蚀程度的判断。在获得各点电位分布的同时,能够很好地了解电网的运行状况。但是电磁场具有矢量特性,很容易受到外界干扰,影响测量的准确性进而影响腐蚀程度的判断。而传统的电化学测量***也难以准确的测量地网金属的腐蚀状态。
科学合理地测试接地网的特性参量、准确评估接地网的状态是确保电力***安全稳定运行的关键。由于接地网埋设在地下,很难判断运行中接地网的确切状态。对于接地网,一般以安全性为出发点,测量变电站接地网的接地阻抗、导通电阻、跨步电位差和接触电位差等特征参量,将单项的测量结果同规定阈值进行逐一比较,判断接地网是否安全。但对于接地网的局部或整体状态的研究很少。
因此,在变电站接地***建成后以及运行期间,需要通过现场试验、计算分析等手段对接地网的运行状态进行检测,并对接地网可能出现的故障及时做出诊断。为此,在避免开挖接地网且检测过程中不影响电力***正常安全运行的情况下,能快速准确的测试与接地网相关的电气参数,得到接地网范围地下介质结构分布情况,并进行高分辨率成像,可准确得到接地网状态分布情况十分重要。
目前关于接地网检测成像方法及***,重庆大学进行了接地网电阻抗成像方法的研究,将电阻抗成像测量原理中的电流注入方式、循环测量方式用于接地网腐蚀诊断。该方法为接地网的故障诊断提供了一个全新的思路,即通过直接成像直观的进行判断。但在其相关文献中提到该方法目前能判断出接地网导体腐蚀的大概区域,还不能准确确定腐蚀的具***置,也不能确定支路的腐蚀程度,还需进一步改进。
发明内容
为了克服原有大电流分析、接地网节点分析、电磁场分析、在线腐蚀监测等方法的不足,本发明提出一种基于高频脉冲逆散射技术的接地网状态检测***。本发明通过得到大地介质和接地网内部结构、电性特征和分布规律等信息来实现接地网状态监测,实现接地网的图像重建。本发明根据接地网超浅层高分辨率探测的特点,采用基于高频脉冲逆散射技术。本发明不但可以在超浅层获得介质结构信息,还可以获得电阻率信息及介电常数信息。通过电阻率及介电常数图像重建,可以在图像中判断接地网状态,对接地网腐蚀和断点缺陷进行定位,同时可以观测腐蚀程度和断点状态。
本发明基于高频脉冲逆散射的接地网状态检测***包括高频脉冲发射***、发射天线、电磁接收***、多个接收天线组成的接收阵列,以及数据解释与成像***。所述的基于高频脉冲逆散射的接地网状态检测***置于接地网上方地面。所述的高频脉冲电磁发射***发射高频窄脉冲信号,将高频窄脉冲信号通过发射天线定向发送到地面下的接地网,高频窄脉冲信号经地下介质传播后,由多个接收天线组成的接收阵列接收包含接地网信息的信号。本发明采用多次覆盖的观测方法以提高分辨率,由电磁接收***完成信号的全波形采集,对采集的包含接地网信息的数据进行处理,最终采用电磁逆散射成像技术进行数据的解释,实现地下超浅层接地网及周围介质结构、电阻率和介电常数的图像重建。应用本发明***的高频脉冲逆散射成像方法,可实现超浅层高分辨率的成像,并同时获得结构、电阻率和介电常数信息。
本发明所述的检测对象接地网处于地面下0.5~5m深处,基于高频脉冲逆散射的接地网状态检测***处于接地网地面上方,高频脉冲发射***的输出端连接发射天线,多个接收天线布置在发射天线信号覆盖范围内,组成接收阵列,接收天线连接至电磁接收***的输入端,电磁接收***的输出端连接至数据解释与成像***的输入端。高频脉冲发射***输出的高频脉冲信号输入给发射天线,发射天线将信号定向发送至地面下,所发送的信号在地下介质及接地网间传播,传播后由接收天线组成的接收阵列接收包含地下接地网信息的信号,接收天线阵列的信号输送给电磁接收***,电磁接收***的输出信号输入至数据解释与成像***进行数据解释和图像重建。
所述的发射天线定向向地下接地网发射电磁信号,应用于接地网状态检测的天线为宽带天线,天线范围为100MHz~4GHz。
所述的发射天线的布置方式为:接地网上方地面布置发射天线,同时在发射天线覆盖范围内布置多个接收天线,多个接收天线形成接收阵列,接收阵列位置固定,令发射天线移动,变角度发射,接收阵列进行接收。
发射天线和接收天线的检测方式为:在完成一个位置的发射天线移动、变角度发射,接收阵列固定不动接收后,同时移动发射天线和接收天线阵列,将接地网上方地面进行检测路径的划分,分为并列平行排布的多条检测路径,沿着第一条检测路径从起始点检测到终点,而后在第一条检测路径相邻路径上进行检测,以此类推,重复操作,完成所有检测路径的检测。
所述的高频脉冲发射***包括电源、脉冲发生器、波形整形模块、第一时钟源和第一时间控制模块。各个模块之间的连接方式和信号传输方式为:第一时钟源的输出端连接第一时间控制模块的输入端,第一时间控制模块的输出端连接脉冲发生器的输入端;电源的输出端也连接至脉冲发生器的输入端;脉冲发生器的输出端连接波形整形模块的输入端,波形整形的输出端连接发射天线。电源给脉冲发生器提供电,第一时钟源向第一时间控制模块输出信号,第一时间控制模块的输出信号输入至脉冲发生器,脉冲发生器的输出信号经波形整形最终输出给发射天线。
所述的电磁接收***包括第二时钟源、第二时间控制模块、增益控制放大器、低通滤波器、模数转换器,以及数据采集模块。上述各个模块之间的连接方式信号传输方式为:第二时钟源的输出端连接第二时间控制模块的输入端,第二时间控制模块的输出端连接增益控制放大器的输入端;接收天线连接增益控制放大器的输入端,增益控制放大器的输出端连接低通滤波器的输入端,低通滤波器的输出端连接模数转换器的输入端,模数转换器的输出端连接数据采集模块的输入端,第二时间控制模块的输出端连接数据采集模块的输入端。第二时钟源输出信号至第二时间控制模块,第二时间控制模块的输出信号分别输入至增益控制放大器和数据采集模块,实现自动增益控制及数据采集的工作时序。接收天线接收信号,传送给增益控制放大器,增益控制放大器输出信号至低通滤波器进行低通滤波,低通滤波器的输出信号作为模数转换器的输入信号,模数转换器的输出信号输入至数据采集模块作为输入信号。
所述的数据解释与成像单元包括基于逆散射的数据解释模块及图像显示模块。数据解释模块是基于散射原理的逆散射数据解释反演,利用接地网散射体外部所测信号包含的散射场来推断接地网的性质,以确定散射场数据中有意义的大地介质和接地网内部结构、电性特征和分布规律等信息。图像显示模块显示结构图像、电阻率/介电常数的图像。
本发明基于高频脉冲逆散射的接地网状态检测***的工作过程和操作步骤为:
(1)在接地网上方地面布置发射天线,同时在发射天线覆盖范围内布置多个接收天线,多个接收天线形成接收阵列;
(2)将高频脉冲发射***和电磁接收***置于接地网上方地面,高频脉冲发射***连接发射天线,多个接收天线形成的接收阵列连接电磁接收***;
(3)将高频脉冲发射***和电磁接收***上电,进行发射天线发射和接收阵列接收的观测及数据采集过程,同时固定接收天线,使发射天线移动、变角度发射;
(4)同时移动发射天线和接收阵列到下一个检测区域,重复步骤(3)的内容;
(5)按着设计的检测路径,完成整个大面积接地网的状态监测;
(6)应用逆散射方法进行采集数据的解释,最终实现接地网结构、电阻率/介电常数成像。
通过电阻率及介电常数图像重建,可以在图像中判断接地网状态,对接地网腐蚀和断点缺陷进行定位,同时可以观测腐蚀程度和断点状态。
附图说明
图1基于高频脉冲逆散射技术的接地网状态检测***示意图;
图2高频脉冲逆散射接地网状态检测***检测路径;
图3高频脉冲逆散射接地网状态检测***原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明基于高频脉冲逆散射技术的接地网状态检测***的结构组成示意图如图1所示。所述的接地网状态检测***包括高频脉冲发射***、发射天线、电磁接收***、多个接收天线组成的接收阵列,以及数据解释与成像***。数据解释与成像***中的成像包括结构成像和电阻率/介电常数成像。基于高频脉冲逆散射的接地网状态检测***处于接地网上方的地面,高频脉冲电磁发射***发射高频窄脉冲信号,将高频窄脉冲信号通过发射天线定向发送到地下的接地网。高频窄脉冲信号经地下介质传播,由多个接收天线组成的接收阵列接收该信号,采用多次覆盖的观测方法以提高分辨率,由电磁接收***完成信号的全波形采集,对采集的包含接地网信息的数据进行处理,最终采用电磁逆散射成像技术进行数据的解释,实现地下超浅层接地网及周围介质结构、电阻率和介电常数的图像重建。应用本发明***的高频脉冲逆散射成像方法,可实现超浅层高分辨率的成像,并同时获得结构、电阻率和介电常数信息。通过电阻率及介电常数图像重建,可以在图像中判断接地网状态,对接地网腐蚀和断点缺陷进行定位,同时可以观测腐蚀程度和断点状态。
所述的发射天线定向向地下接地网发射电磁信号,应用于接地网状态检测的天线为宽带天线,天线范围为100MHz~4GHz。
所述的天线的布置方式为:在接地网上方的地面布置发射天线,同时在发射天线的覆盖范围内布置多个接收天线,多个接收天线形成接收阵列。固定接收阵列的位置不变,令发射天线移动,变角度发射,接收阵列进行接收。
高频脉冲逆散射接地网状态检测***的检测路径如图2所示。完成一个位置的发射天线移动、变角度发射后,移动发射天线和接收天线阵列,将接地网上方地面进行检测路径的划分,分为并列平行排布的多条检测路径,沿着第一条检测路径从起始点检测到终点,而后在第一条检测路径相邻路径上进行检测,以此类推,重复操作,完成所有检测路径的检测。
如图3所示,所述的高频脉冲发射***包括电源、脉冲发生器、波形整形模块、第一时钟源1和第一时间控制模块1。连接方式为:第一时钟源1的输出作为第一时间控制模块1的输入,第一时间控制模块1的输出作为脉冲发生器的输入,同时电源的输出也作为脉冲发生器的输入。脉冲发生器的输出作为波形整形模块的输入,波形整形模块的输出连接发射天线。电源给脉冲发生器提供电。时钟源1输出信号至第一时间控制模块1,第一时间控制模块1的输出信号输入至脉冲发生器,脉冲发生器的输出信号经波形整形模块进行波形整形,最终输出给发射天线。
所述的电磁接收***包括第二时钟源2、第二时间控制模块2、增益控制放大器、低通滤波器、模数转换器,以及数据采集模块。连接方式为:第二时钟源2的输出端连接第二时间控制模块2的输入端,第二时间控制模块2的输出端连接增益控制放大器的输入端,接收天线的输出端连接增益控制放大器的输入端,增益控制放大器的输出端连接低通滤波器的输入端,低通滤波器的输出端连接模数转换器的输入端,模数转换器的输出端连接数据采集模块的输入端,第二时间控制模块2的输出端连接数据采集模块的输入端。第二时钟源2输出信号给第二时间控制模块2,第二时间控制模块2的输出信号分别输入给增益控制放大器和数据采集模块,实现自动增益控制及数据采集的工作时序。接收天线接收信号传送给增益控制放大器,增益控制放大器输出信号给低通滤波器进行低通滤波,低通滤波器输出信号给模数转换器作为输入信号,模数转换器的输出信号输入给数据采集作为输入信号。
所述的数据解释与成像单元包括基于逆散射的数据解释模块及图像显示模块,数据解释模块基于散射原理进行逆散射数据解释反演,利用接地网散射体外部测得信号中包含的散射场来推断接地网的性质,以确定散射场数据中有意义的大地介质和接地网内部结构、电性特征和分布规律等信息;图像显示模块显示的图像包括结构图像、电阻率/介电常数的图像。
Claims (7)
1.一种高频脉冲逆散射成像的接地网状态检测***,其特征在于,所述的检测***包括高频脉冲发射***、发射天线、电磁接收***、多个接收天线组成的接收阵列,以及数据解释与成像***;所述的基于高频脉冲逆散射成像技术的接地网状态检测***置于接地网上方地面;高频脉冲发射***的输出端连接发射天线,多个接收天线布置在发射天线信号覆盖范围内,组成接收阵列;接收天线连接至电磁接收***的输入端,电磁接收***的输出端连接至数据解释与成像***的输入端;高频脉冲发射***输出的高频脉冲信号输入至发射天线,发射天线将信号定向发送至地下接地网,所发送的信号在地下介质及接地网间传播,由多个接收天线组成的接收阵列接收包含地下接地网信息的信号,接收天线阵列的信号输送至电磁接收***,电磁接收***的输出信号输入至数据解释与成像***进行数据解释和图像重建。
2.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,所述的发射天线为宽带天线,天线范围为100MHz~4GHz;发射天线布置在接地网上方的地面。
3.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,在单个检测区域内,多个所述的接收天线布置在发射天线覆盖范围内,形成接收阵列;接收阵列的位置固定,令发射天线移动,变角度发射,接收阵列进行信号接收。
4.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,所述的高频脉冲发射***包括电源、脉冲发生器、波形整形、第一时钟源(1)和第一时间控制模块(1);所述第一时钟源(1)的输出端连接第一时间控制模块(1)的输入端,第一时间控制模块(1)的输出端连接脉冲发生器的输入端;电源的输出端也连接至脉冲发生器的输入端;脉冲发生器的输出端连接波形整形模块的输入端,波形整形的输出端连接发射天线;电源给脉冲发生器提供电,第一时钟源(1)向第一时间控制模块(1)输出信号,第一时间控制模块(1)的输出信号输入至脉冲发生器,脉冲发生器的输出信号经波形整形最终输出给发射天线。
5.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,所述的电磁接收***包括第二时钟源(2)、第二时间控制模块(2)、增益控制放大器、低通滤波器、模数转换器和数据采集模块;所述第二时钟源(2)的输出端连接第二时间控制模块(2)的输入端,第二时间控制模块(2)的输出端连接增益控制放大器的输入端;接收天线连接增益控制放大器的输入端,增益控制放大器的输出端连接低通滤波器的输入端,低通滤波器的输出端连接模数转换器的输入端,模数转换器的输出端连接数据采集模块的输入端,第二时间控制模块(2)的输出端连接数据采集模块的输入端。
6.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,所述的数据解释与成像单元包括基于逆散射的数据解释模块及图像显示模块;数据解释模块是基于散射原理的逆散射数据解释反演,利用接地网散射体外部所测信号包含的散射场来推断接地网的性质,以确定散射场数据中有意义的大地介质和接地网内部结构、电性特征和分布规律等信息;图像显示模块显示结构图像、电阻率/介电常数的图像。
7.根据权利要求1所述的高频脉冲逆散射接地网状态检测***,其特征在于,所述的发射天线和接收天线的检测方式为:在完成一个位置的发射天线移动、变角度发射,接收阵列固定不动接收后,同时移动发射天线和接收天线阵列,将接地网上方地面进行检测路径的划分,分为并列平行排布的多条检测路径,沿着第一条检测路径从起始点检测到终点,而后在第一条检测路径的相邻路径上进行检测,以此类推,重复操作,完成所有检测路径的检测。
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