一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力设备检测技术领域，特别是涉及一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测方法及装置。

背景技术

我国电力系统接地网主要采用镀锌扁钢铺设，接地扁钢长期埋设在地下，因施工时焊接不良及漏焊、土壤腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，使得接地导体发生腐蚀断裂，造成散流能力下降，接地性能降低，影响人员及设备安全。现有的接地网腐蚀诊断方法一般要求接地网的全部或者部分拓扑结构已知，由于接地网设计图存在不准确和缺失的情况，因此要求能够准确获知接地网拓扑结构的方法。

现有研究中，一般采用通过两根地网引下线注入异频的正弦激励电流，基于电磁感应原理使用接收线圈采集激励电流在地表面产生的磁感应强度，由此判断接地网格导体位置的方法。该方法的局限在于，通过单个低频正弦源向接地网注入电流，低频正弦电流产生的地表磁感应强度较小难以有效分辨，而单个激励源只能有效测量某一方向或接地网某一区域导体，对大地网需要逐条导体或分块测量。

因此，现有技术的缺陷是，现有的单个激励源电磁检测方法检测效率较低，单次有效检测范围较小。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测装置，所用组合脉冲源电磁发射机经至少三根接地引下线连接接地网向接地网注入双极性陡脉冲电流，再用二分量磁场接收线圈组合获取接地网产生的脉冲磁场信号发送给上位机，上位机形成接地网的拓扑结构图像，检测效率较高，单次有效检测范围较大。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测装置，其关键在于，包括组合脉冲源电磁发射机、二分量磁场接收线圈组合、上位机，上位机经接收机连接二分量磁场接收线圈组合，组合脉冲源电磁发射机经至少三根接地引下线与接地网相连，组合脉冲源电磁发射机经接地引下线向接地网注入双极性陡脉冲电流，二分量磁场接收线圈组合获取接地网产生的脉冲磁场信号转换成相应的感应电压信号，接收机获取二分量磁场接收线圈组合的感应电压信号转换成数据信号传送给上位机，上位机根据接收机的信号输出接地网的拓扑结构图像。

本发明选择至少三根接地引下线作为电流的注入点，每一根接地引下线与接地网上相应的点相连接，将接地网连接组合脉冲源电磁发射机，接地引下线任意两根均可形成一个发射组合，该发射组合是指通过其中任意两根接地引下线向接地网注入双极性陡脉冲电流的方式，对应于所有的发射组合，组合脉冲源电磁发射机在一个周期内依次按照所有的发射组合向接地网注入双极性陡脉冲电流，所有的发射组合排列顺序可以根据自己的需要设定。

同时，对应组合脉冲源电磁发射机的每一个发射组合，在每一个发射电流脉冲关断期间，使用二分量磁场接收线圈组合采集地表脉冲磁场信号的水平分量，接收机测出二分量磁场接收线圈组合的感应电压信号；将二分量磁场接收线圈组合的接收线圈Rx和接收线圈Ry采集到的信号矢量相加，并求取其模值，将一个周期内所有发射组合对应的模值相加，即为该处感应磁场；由感应磁场的空间分布获得接地网的拓扑结构图像。

二分量磁场接收线圈组合设置有正交的接收线圈Rx和接收线圈Ry。

所述接收机设置有数据采集卡，数据采集卡采集二分量磁场接收线圈组合的感应电压信号转换成数据信号输出给上位机。

接地网可以是三角形，也可以是矩形，还可以是其它的形状。

其中一种优选的方式为：所述接地网为矩形，接地网设置有顶点A、顶点B、顶点C和顶点D；组合脉冲源电磁发射机经四根接地引下线分别与接地网的顶点A、顶点B、顶点C和顶点D相连接。

所述组合脉冲源电磁发射机设置有四桥臂恒压钳位电路，四桥臂恒压钳位电路设置有直流电源Us，直流电源Us的正极连接二极管D9的正极，二极管D9的负极连接双向稳压管Dz的一端，双向稳压管Dz的另一端连接直流电源Us的负极，二极管D9的负极还连接IGBT模块J1的集电极，IGBT模块J1的控制极连接控制电路，IGBT模块J1的发射极连接IGBT模块J2的集电极，IGBT模块J2的控制极连接控制电路，IGBT模块J2的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J1的发射极还与接地网相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J3的集电极，IGBT模块J3的控制极连接控制电路，IGBT模块J3的发射极连接IGBT模块J4的集电极，IGBT模块J4的控制极连接控制电路，IGBT模块J4的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J3的发射极还与接地网相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J5的集电极，IGBT模块J5的控制极连接控制电路，IGBT模块J5的发射极连接IGBT模块J6的集电极，IGBT模块J6的控制极连接控制电路，IGBT模块J6的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J5的发射极还与接地网相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J7的集电极，IGBT模块J7的控制极连接控制电路，IGBT模块J7的发射极连接IGBT模块J8的集电极，IGBT模块J8的控制极连接控制电路，IGBT模块J8的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J7的发射极还与接地网相连。

所述双极性陡脉冲电流关断时电流变化速率大于100kA/s。

一种组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：组合脉冲源电磁发射机在一个周期内按如下步骤向接地网注入双极性陡脉冲电流：

步骤A1：组合脉冲源电磁发射机经顶点A和顶点B向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点B的发射组合；

步骤A2：组合脉冲源电磁发射机经顶点A和顶点C向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点C的发射组合；

步骤A3：组合脉冲源电磁发射机经顶点A和顶点D向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点D的发射组合；

步骤A4：组合脉冲源电磁发射机经顶点B和顶点C向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点B和顶点C的发射组合；

步骤A5：组合脉冲源电磁发射机经顶点B和顶点D向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点B和顶点D的发射组合；

步骤A6：组合脉冲源电磁发射机经顶点C和顶点D向接地网注入双极性陡脉冲电流，形成顶点C和顶点D的发射组合。

一种组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：包括如下步骤：

步骤B1：上位机在每一个双极性陡脉冲电流关断期间，通过二分量磁场接收线圈组合采集地表脉冲磁场信号水平分量；

步骤B2：上位机将二分量磁场接收线圈组合采集到的信号矢量相加，并求取其磁通密度模MB

步骤B3：对应组合脉冲源电磁发射机在一个周期内所有的发射组合，上位机将二分量磁场接收线圈组合对应的磁通密度模MB

步骤B4：上位机由感应磁场的空间分布获得接地网的拓扑结构图像。

所述的组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：所述步骤B2采用如下公式计算磁通密度模MB

MB

公式(1)中，B

所述的组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：所述步骤B4中，上位机采用如下方法获得接地网的拓扑结构图像；

在接地网的区域(x,y)∈R上，R代表接地网的坐标范围；(x,y)代表接地网的坐标范围内的坐标点，对于(x,y)中任意的常数x

▽MB

则称在该坐标点取得局部极大值；磁通密度模的局部极大值在接地网的导体正上方取得，对应局部极大值的坐标点的集合构成连通图，即为接地网的拓扑结构图像。

显著效果:本发明提供了一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测装置，所用组合脉冲源电磁发射机经至少三根接地引下线连接接地网向接地网注入双极性陡脉冲电流，再用二分量磁场接收线圈组合获取接地网产生的脉冲磁场信号发送给上位机，上位机形成接地网的拓扑结构图像，检测效率较高，单次有效检测范围较大。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的电路模块结构图；

图3为四桥臂恒压钳位电路的电路图；

图4为顶点A和顶点B形成的发射组合示意图；

图5为顶点A和顶点C形成的发射组合示意图；

图6为顶点A和顶点D形成的发射组合示意图；

图7为顶点B和顶点C形成的发射组合示意图；

图8为顶点B和顶点D形成的发射组合示意图；

图9为顶点C和顶点D形成的发射组合示意图；

图10为双极性陡脉冲电流的波形图；

图11为二分量磁场接收线圈的示意图；

图12为二分量磁场接收线圈的结构图；

图13为一个接地网的拓扑结构图；

图14为组合脉冲源电磁发射机的控制方法流程图；

图15为上位机的检测方法流程图；

图16为单源激励的第一种感应磁场图像；

图17为单源激励的第二种感应磁场图像；

图18为组合源感应磁场图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-图18所示，一种接地网拓扑结构的组合脉冲源电磁检测装置，包括组合脉冲源电磁发射机2、二分量磁场接收线圈组合3、上位机5，上位机5经接收机4连接二分量磁场接收线圈组合3，组合脉冲源电磁发射机2经至少三根接地引下线11与接地网1相连，组合脉冲源电磁发射机2向接地网1注入双极性陡脉冲电流，二分量磁场接收线圈组合3获取接地网1产生的脉冲磁场信号转换成相应的感应电压信号，接收机4获取二分量磁场接收线圈组合3的感应电压信号转换成数据信号传送给上位机5，上位机5根据接收机4的信号输出接地网1的拓扑结构图像。

本发明选择至少三根接地引下线11作为电流的注入点，每一根接地引下线11与接地网1上相应的点相连接，将接地网1连接组合脉冲源电磁发射机2，接地引下线11任意两根均可形成一个发射组合，该发射组合是指通过任意两根接地引下线11向接地网1注入双极性陡脉冲电流的方式，对应于所有的发射组合，组合脉冲源电磁发射机2在一个周期内依次按照所有的发射组合向接地网1注入双极性陡脉冲电流，所有的发射组合排列顺序可以根据自己的需要设定。

同时，对应组合脉冲源电磁发射机2的每一个发射组合，在每一个发射电流脉冲关断期间，使用二分量磁场接收线圈组合3采集地表脉冲磁场信号水平分量，该地表脉冲磁场信号由接地网1通入双极性陡脉冲电流产生，接收机4测出二分量磁场接收线圈组合3的感应电压信号；将二分量磁场接收线圈组合3的接收线圈Rx和接收线圈Ry采集到的信号矢量相加，并求取其模值，将一个周期内所有发射组合对应的模值相加，即为该处感应磁场；由感应磁场的空间分布获得接地网1的拓扑结构图像。

二分量磁场接收线圈组合3设置有正交的接收线圈Rx和接收线圈Ry；接收线圈Rx和接收线圈Ry与数据采集卡41相连，将获得的感应电压信号发送给数据采集卡41。

所述接收机4设置有数据采集卡41，数据采集卡41采集二分量磁场接收线圈组合3的感应电压信号转换成数据信号输出给上位机5。

二分量磁场接收线圈组合3用于采集地表脉冲磁场信号水平分量并转换成感应电压信号发送数据采集卡41，数据采集卡41转换成相应的数据信号输出给上位机5，上位机5根据数据采集卡41的数据信号可以计算相应的磁感应强度。

接地网1可以是三角形，也可以是矩形，还可以是其它的形状。

其中一种优选的方式为：所述接地网1为矩形，接地网1设置有顶点A、顶点B、顶点C和顶点D；组合脉冲源电磁发射机2经四根接地引下线11分别与接地网1的顶点A、顶点B、顶点C和顶点D相连接。

接地网1呈矩形的较多，由扁钢制成，为增大有效测量面积，将矩形接地网1的四个顶点分别定义为顶点A、顶点B、顶点C、顶点D。选择四个顶点作为电流注入点，其两两组合的方式有C

所述组合脉冲源电磁发射机2设置有四桥臂恒压钳位电路，如图3所示，四桥臂恒压钳位电路有4个输出极，工作时任意两个输出极之间组合。四桥臂恒压钳位电路设置有直流电源Us，直流电源Us的正极连接二极管D9的正极，二极管D9的负极连接双向稳压管Dz的一端，双向稳压管Dz的另一端连接直流电源Us的负极，二极管D9的负极还连接IGBT模块J1的集电极，IGBT模块J1的控制极连接控制电路，IGBT模块J1的发射极连接IGBT模块J2的集电极，IGBT模块J2的控制极连接控制电路，IGBT模块J2的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J1的发射极还与接地网1的顶点A相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J3的集电极，IGBT模块J3的控制极连接控制电路，IGBT模块J3的发射极连接IGBT模块J4的集电极，IGBT模块J4的控制极连接控制电路，IGBT模块J4的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J3的发射极还与接地网1顶点D相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J5的集电极，IGBT模块J5的控制极连接控制电路，IGBT模块J5的发射极连接IGBT模块J6的集电极，IGBT模块J6的控制极连接控制电路，IGBT模块J6的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J5的发射极还与接地网1的顶点C相连；

二极管D9的负极还连接IGBT模块J7的集电极，IGBT模块J7的控制极连接控制电路，IGBT模块J7的发射极连接IGBT模块J8的集电极，IGBT模块J8的控制极连接控制电路，IGBT模块J8的发射极连接直流电源Us的负极，IGBT模块J7的发射极还与接地网1的顶点B相连。

由控制电路控制IGBT模块J1、IGBT模块J2、IGBT模块J3、IGBT模块J4、IGBT模块J5、IGBT模块J6、IGBT模块J7、IGBT模块J8的通断。

其中，控制电路采用微处理器进行控制，微处理器的电路图略。

所述双极性陡脉冲电流关断时电流变化速率大于100kA/s。

为提高接地网1产生的磁场信号强度，增加信噪比，压制现场电磁噪声，接地网1的注入电流为双极性陡脉冲电流，如图10所示，其特征为关断时电流变化速率大于100kA/s。

对于理想的接收线圈，由电磁感应定律可得发射电流关断期间的线圈感应电压；

在梯形波发射电流线性关断情况下，线性变化的电流和磁场在接收线圈中感应出恒定的电压，层叠绕制的同心接收线圈内部磁场视为均匀分布，线圈感应电压重写为：

U

式中n和S分别为接收线圈的匝数和有效面积，B

采用上述公式上位机5还可以根据二分量磁场接收线圈组合3的感应电压信号U

设变电站以某一方向为正方向工频电磁噪声为：

B

则接收线圈采集到的感应电压最大值：

U

式中f

由于t

如图11和图12所示，二分量磁场接收线圈组合3的接收线圈Rx和接收线圈Ry相互垂直并且通过支架固定，接收平行于地面的正交两方向的磁场。沿任何方向铺设的载流导体，该导体指构成接地网1的扁钢，在地表的感应磁场的水平分量都可以分解为两正交方向，其合成磁场方向与大小与分解方式无关，因此两垂直的磁场接收线圈Rx和接收线圈Ry可以完备描述地表一点的磁场水平分量。通过将上述二分量磁场接收线圈组合3放在接地网1的区域R内相应坐标点上，即可测量该坐标点磁场。实际使用时，可以使用推车等机构带动二分量磁场接收线圈组合3和接收机4在接地网1的区域R内运动，对区域R内相应坐标点进行检测。

一种组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：组合脉冲源电磁发射机2在一个周期内按如下步骤向接地网1注入双极性陡脉冲电流：

步骤A1：组合脉冲源电磁发射机2经顶点A和顶点B向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点B的发射组合；

该发射组合即指从顶点A和顶点B向接地网1注入双极性陡脉冲电流的方式；

步骤A2：组合脉冲源电磁发射机2经顶点A和顶点C向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点C的发射组合；

步骤A3：组合脉冲源电磁发射机2经顶点A和顶点D向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点A和顶点D的发射组合；

步骤A4：组合脉冲源电磁发射机2经顶点B和顶点C向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点B和顶点C的发射组合；

步骤A5：组合脉冲源电磁发射机2经顶点B和顶点D向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点B和顶点D的发射组合；

步骤A6：组合脉冲源电磁发射机2经顶点C和顶点D向接地网1注入双极性陡脉冲电流，形成顶点C和顶点D的发射组合。

步骤A1-步骤A6形成了组合脉冲源电磁发射机2的一个发射周期。

微处理器控制四桥臂恒压钳位电路按照上述的方法向接地网1注入双极性陡脉冲电流。

上述的各种发射组合方式为其中一种优选的发射组合方式和发射顺序，本发明不局限于上述的组合方式和排列顺序，比如对应于三角形的接地网1，可以通过三根接地引下线11连接三角形的三个顶点，形成对应的两两组合和相应的排列顺序；实际使用时，连接点也不局限于顶点。

一种组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：包括如下步骤：

步骤B1：上位机5在每一个双极性陡脉冲电流关断期间，通过二分量磁场接收线圈组合3采集地表脉冲磁场信号水平分量；

步骤B2：上位机5将二分量磁场接收线圈组合3采集到的信号矢量相加，并求取其磁通密度模MB

步骤B3：对应组合脉冲源电磁发射机2在一个周期内所有的发射组合，上位机5将二分量磁场接收线圈组合3对应的磁通密度模MB

步骤B4：上位机5由感应磁场的空间分布获得接地网1的拓扑结构图像。

所述的组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：所述步骤B2采用如下公式计算磁通密度模MB

MB

公式(1)中，B

所述的组合脉冲源电磁检测装置的检测方法，其关键在于：所述步骤B4中，上位机5采用如下方法获得接地网1的拓扑结构图像；

在接地网1的区域(x,y)∈R上，R代表接地网1的坐标范围；(x,y)代表接地网1的坐标范围内的坐标点，对于(x,y)中任意的常数x

则称在该坐标点取得局部极大值；磁通密度模的局部极大值在接地网1的导体正上方取得，对应局部极大值的坐标点的集合构成连通图，即为接地网1的拓扑结构图像。

因为1/t

如图16-图18所示，仅采用单个激励源的存在较大的测量死区，有效测量区域小，多源组合发射减小了测量死区，一次测量就得到整个接地网1的拓扑结构。对于如图13所示的接地网1的拓扑结构，如图16-图1 7为单源激励的感应磁场；图18为组合源的感应磁场。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。