高频电磁波（共9篇）
高频电磁波 篇1
高频电磁波电阻率测井仪 (EP3) 是利用不同频率和不同长度的电极系进行测量, 采集相对相位差。它一次测井可同时获得纵向分辨率较高且相互匹配的深、中、浅三条电阻率曲线及自然电位曲线, 据此可以系统评价地层电阻率空间分布情况, 划分薄层, 评价储层流体类型, 划分油气、水界面, 计算含水饱和度。
高频电磁波电阻率测井仪 (EP3) 机械结构由线圈系和电子线路两部分组成。
1 线圈系部分
高频电磁波电阻率测井仪采用特殊金属材料作为线圈芯轴骨架, 上下各三个发射线圈 (T1-T6) 、对称排列, 中间两个接收线圈 (R1, R2) , 这样大大增强了仪器的机械强度和韧性, 从而更能保证测井的正常施工 (如图1) 。
2 电子线路部分
电子线路部分是由发射驱动电路、信号测量放大及传输和数据通讯等功能模块构成, 信号测量放大模块与线圈系集成为一体, 数据采集控制和数据传输模块位于仪器上部电子线路中。具体功能如下所述:
2.1 发射驱动电路
高频电磁波电阻率测井仪发射驱动电路分别采用上下对称的2MHz、1.1MHz、0.7M H z的6个发射信号源, 它们交替发射, 周期进行。发射线圈向地层发射电磁波时, 接收线圈不间断接收信号。由两路低噪声前置放大电路测量两个不同的信号。一路测量上接收信号, 另一路测量下接收信号。两路信号经数据采集电路传输给地面。该电路的功能是为6个发射线圈提供发射信号。
2.2 数据采集及传输电路
该电路又分为以下三个部分:
2.2.1 置于线圈系内的射频信号 (RF) 前置放大及混频电路
射频RF前放板的功能:
将A、B两个天线线圈接收到的射频信号放大后送到混频器;
混频器将射频信号与本振信号差频为低频信号;
将低频信号放大输出至接收板;
产生混频所需的3种频率的本振信号;
射频RF前放板电路流程描述:
接收天线的射频信号经过变压器耦合到射频放大器放大输出至混频器, 同时本振信号也送入混频器中, 本振信号与射频的输入信号相差2000赫兹。混频器的输出为差频信号, 差频信号经过放大后, 送入置于线路筒内的IF差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路。
2.2.2 置于线路筒内的I F差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路
I F差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路板功能:
对差频信号放大、滤波, 使其输出信号在一个合适的范围内;
通过AC--DC电路将交流信号转换为直流信号, 供AD进行采集;
电压比较器将差频正弦波信号转换方波信号, 该信号和时序电路来的控制信号一起控制计数器的启动和停止, 实现相位差的测量;
通过隔离控制器对本振信号的选择和发射电路的启动进行控制;
单片机电路对整个仪器的工作流程进行总体控制, 负责时序电路的控制、AD数据的读取以及与通讯接口板之间的串口通讯;
接收板电路流程描述:
前放输出的A、B两个通道的信号经过放大后, 由带通滤波器进行滤波。滤波后的信号送入双路的程控放大器中, 由程控来分别对A、B通道的信号进行放大。放大后的信号, 一个分支进入RMS至DC转换电路, 将交流信号变为直流, 由模数转换器转换为数字量传送给单片机, 单片机根据AD采集到的数值, 来调整程控放大器的增益, 使得程控的输出保持在一个合理的范围内。
程控输出的另一个分支带通滤波器滤波后送入比较器中, 比较器在交流波形的过零点会输出上升和下降沿。比较器的输出经过隔离驱动器送给时序电路。
隔离驱动器的输出经过非门反相后触发单稳态延时电路, 经过D触发器二分频后启动周期计数, A、B两个通道的D触发器输出做异或运算, 异或门的输出控制计数器进行加减计数, 记录下A、B通道的相位差。
单片机控制在每一次测量前进行清除D触发器、使能信号输出等操作, 当计数结束后单片机读取计数器的数值并计算出差频信号的频率, A、B通道的相位差。还要控制AD采集RMS交流转换的直流, 读取AD的采集数据, 通过计算来控制程控增益, 保证送入比较器的交流信号在一个合理的范围内。
2.2.3 置于线路筒内的通讯控制电路
单片机通过串口接收数据通讯接口板的传输命令, 将准备好的数据上传到接口板, 然后通过遥测短节传输到地面仪器中, 进行计算处理。
3 数据通讯电路
接收下发命令、编码发送测量数据。包括遥测通信接口电路、驱动电路及温度测量采集电路, 完成通过总线接收地面仪器的命令并按命令执行相应操作的功能。
3.1 总线驱动电路
电磁波传播测井仪遵循1553通信接口规范, 不仅要满足通信协议、数据格式和传输速率, 而且要满足电气性能。驱动电路就是为了满足1553电气特性而设计。来自地面系统的数据和命令通过仪器总线接收, 这两个信号经过耦合驱动, 加到混合电路内部的译码电路完成解码。发送到地面的数据经过混合电路内部的编码电路编码, 经过驱动传回地面系统。
3.2 遥测通信接口电路
遥测通信接口电路实现对来自地面系统的命令或数据进行译码, 正常译码后通知单片机来读取有效命令或数据;对发往地面系统的数据进行曼彻斯特编码。整个通信的收发过程都通过中断查询来实现。数据的接收和发送采用了专用的曼彻斯特编译码芯片15530。曼彻斯特编译码芯片15530集成在混合电路内。
3.3 温度测量采集电路
温度测量采集电路完成对仪器线路筒内的温度测量采集功能。
摘要：电磁波在介质中传播要发生相移和幅度衰减, 在非磁性地层中, 当频率在几兆赫兹之内时, 相移和幅度衰减的大小主要取决于介质电阻率。高频电磁波电阻率测井仪 (EP3) 就是根据这一基本原理而设计出的电阻率型仪器, 本文就是对这种新型电磁波传播测井仪在设计思路上的具体介绍。
关键词：电磁波,高频,相移,介电
高频电磁波 篇2
阻尼型高斯-牛顿法及其在高频电磁波测井反演中的应用
提出一种改进的.阻尼型高斯-牛顿优化算法,通过引入阻尼矩阵,对反演参数依其相对修改量不同而给以不同的阻尼作用,并将它用于高频电磁波测井资料的反演中.
作 者：张美玲 邢光龙 刘曼芬 杨善德 作者单位：吉林大学物理系,吉林,长春,130023刊 名：计算物理 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS年，卷(期)：19(2)分类号：O241关键词：高斯-牛顿法 阻尼矩阵 高频电磁波测井反演
高频电磁波 篇3
当电力设备在运行状态下的时候, 会因为绝缘材料的老化等原因而产生局部放电, 因此对局部放电进行监测是为了能够及时的发现电力设备中存在的绝缘缺陷, 从而预防因局部放电而造成大面积的电网停电事故。
由于局部放电电流的脉冲会造成高频空间的电磁波辐射, 再加上超高频监测频带比较宽, 与以往的脉冲电流监测方法相比, 具有更多的局部放电数据信息。
因此, 基于超高频电磁波的局部放电空间定位方法, 对电力设备, 尤其是高压电力设备局部放电进行监测和定位, 具有重要的作用和意义。
1 电站局部放电空间定位方法概述
1.1 电站局部放电定位监测的优点
随着传感器和故障诊断技术的不断发展, 使电力设备运行状态的检测增添了更多的技术支持, 而对于局部放电定位监测的方法, 在高压电力设备绝缘领域中也得到了普遍的应用, 和传统的在线检测方法相比, 局部放电定位监测具有以下几个方面的优点。
1) 局部放电进行测试能够是在设备运行状态的条件下, 从中可以获取在停电检测中无法拥有的数据和信息, 从而能够及时的将绝缘材料老化所潜在的故障得以实现, 为设备的风险进行综合评估给予更多的数据支持;另外还能够防止因为需要停电进行试验而使电气设施出现不必要的损失, 使设备的使用寿命得以延长。
2) 通过使用局部放电检测能够对电力设备在设计、制造中可能存在的绝缘缺陷进行及时的发现, 并且采取相适应的措施进行及时的处理。
3) 由于在局部放电定位监测过程中所使用到的传感器具有比较高的灵敏度, 从而能够对绝缘材料中因出现老化、局部放电的部位而产生的电磁波进行有效的采集, 之后再运用计算机诊断系统对设备中拥有的绝缘情况进行整合性的诊断和分析, 从中使检修的效率和质量得到大幅度的提高。
1.2 电站局部放电定位现有方法的缺点
目前, 在对局部放电定位的方法中主要有电气参数定位法、超声波定位法、超高频电磁波侦测法三种, 但是在实践过程中, 电气参数定位法的操作相对来说具有一定的复杂性, 并且不具备良好的通用性, 在现场特别容易受到电磁的干扰而造成影响, 因此不适用在对局部放电的在线检测上;超声波定位法由于在空间传递的程度衰减比较快, 尤其是在不同的介质中进行传播的时候, 所拥有的速度完全不同, 只能够几十厘米内进行小范围的准确定位;而超高频电磁波侦测法虽然能够对常规局部放电测量中出现的电晕、开关等各种电气干扰进行有效的躲避, 但是由于超高频电磁波的传播速度非常快, 因此对时间延误差具有很强的敏感性, 对局部放电进行定位极有可能会因为微小的时延误差而造成失败。
2 基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位的实验
2.1 实验平台的建立
由于在常规的电站中各种类型的电气设备都会不可避免的会在发生绝缘故障之前而出现局部放电的情况, 而由其局放信号所产生的电磁波信号却能够通过不具有屏蔽效果的套管、绝缘材料、油等向电站空间进行传输。
为了能够更好的进行局部放电监测和定位, 首先需要构建一个基于超高频电磁波的局部放电测量系统, 在系统中包括了检波器、微带全向天线、数字示波器、计算机等多种设备。在实验的时候需要对局部放电而产生的超高频电磁波的单次放电信号以及150个工频周期的统计波形进行收集, 其中, 数字示波器是用来采集电磁波信号单次的波形以及统计谱图的, 计算机则是用来对电磁波信号单次波所拥有的波形特征量及统计谱图参数进行提取。
如图3、图4所示, 图3是局部放电试验系统图, 图4是局部放电电磁波测量机数据采集的系统接线图。
2.2 精确定位方法的计算原理
由于在电站中各种电气设备都会相应的封闭在一些接地性的金属外壳内, 因此当发生绝缘故障的时候很难及时的从外部对故障的位置进行判断, 因此在以往传统的检测方法中单单就对绝缘故障发生的位置进行确定就要浪费很多的时间, 若是能够及时的对电站局部放电源进行及时准确的定位那么不仅能够使查找故障源的时间缩短, 而且还能够有效的提高工作效率。
在一般情况下, 变电站内部的噪声频率通常都会在300MHz以下, 因此利用超高频电磁波中的300~1500MHz频段就能够对噪声的干扰进行有效的避开, 从而使定位的精确度得以提高。
目前, 在寻找局部放电源相近位置的时候, 为了避免出现较大的计算量以及将计算进行简化, 都会采用空间快速搜索法来进行, 也就在空间坐标系中将三维搜索区域进行等效的分为若干个小网格, 就如图5所示。
通过利用网格, 运用以下公式进行计算:
其中, L0k1为传感器到放电源的距离, 而i=1, 2, 3。由fk0= (L0K1, L0k2, L0k3) , fk= (LK1, LK2, LK3) 组成的空间向量方程进行求出两者存在的空间距离, 然后通过对不同的网格点K进行依次改变, 当dk最小的时候, 那么其所对应的网格也就是离放电源最近的位置。
3 实验结果分析
3.1 现场测量的在线系统
由于在现场所采用的是微带天线传感器, 其所具有的带宽为10~3000MHz, 所具有的优点主要有宽频带、高测量频率、大信息量以及具有较强的抗干扰能力。
在实验中将两个超高频传感器安装在试验的每一台变压器上, 可以分别在变压器的下方底座以及上方检修孔存在的绝缘缝隙地方进行安装, 如图6所示。
因为在现场还具有外界产生的电磁波的干扰, 因此有必要在传感器外面加多一层金属外壳, 以此来将外界产生的干扰进行屏蔽, 只是在缝隙的那一面上对准, 留出开口来对变压器内部产生的电磁波信号进行接收。
同时由于微带天线的耦合电磁波具有一定的方向性, 因此外界产生的对电磁信号进行的干扰性能够进入到传感器的入射角度相对来说很小, 再加上当干扰信号传递到传感器的时候已经得到了严重的衰减, 因此能够对传感器外面的电磁干扰进行有效的屏蔽。
另外, 可以将在变压器附近安装的一台工控机进行充分的利用, 对两个传感器所偶和道德超高频信号进行同时采集, 在系统中所具有的采样率为1×109s-1, 而所需的采样时间为1μs, 在进行连续采集的时间最好控制其的间隔时间为2h, 同时运用光缆将收集到的数据进行及时的传送到处于电站的主控制在线监测服务平台上, 如图7所示是传感器检测到的局部放电产生的电磁波信号。
3.2 现场测量的结果分析
为了验证系统现场能够在具有强干扰环境下进行正常运行的效果, 可以选择在500k V的变电站进行对现场系统测试的试验, 如图8所示则为监测系统的现场测试图, 而天线则可以安装在具有可移动性的支架上, 当天线安装之后所得出的坐标则如图9所示, 并且利用模拟放电源对其进行相应的验证。
当示波器将放电源所发出的超高频电磁波信号数据进行采集之后, 运用系统对信号数据进行相应的分析和定位算法计算之后, 可以得出测试位置1的平均位置坐标是 (5.46m, 0.68m, 0.58m) , 测试位置2的平均坐标是 (0.26m, 9.34, -0.18m) , 而实际上的模拟放电源的真实位置坐标分别是 (5.3m, 0.7m, 0.6m) 和 (0.1m, 9.5m, 0) , 由此可见, 放电源在10m的范围内进行定位的结果误差比20cm小, 因此能够完全满足于对变电站全站的局部放电进行精确定位的要求。
4 总结
综上所述, 通过对基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法进行介绍, 从对电站局部放电空间定位方法的作用、优点、缺点进行简单的介绍之后, 再将基于超高频电磁波的传播和定位原理进行介绍, 通过实验平台进行相应的实验之后可以得出, 基于超高频电磁波上的对电站局部放电监测和定位的方法具有明显的优势, 其在使用过程中拥有较高的灵敏度, 再加上电磁波的波速具有一定的稳定性, 信号比比较高等的特点, 能够将局部放电的大致区域进行快速的查找, 能够充分额度满足电站中对局部放电的监测和放电空间进行精确的定位, 从而为电力设备的安全运行提供必要的保障。
摘要：对高压电力设备的运行状态进行评估的其中一个方法就是对局部放电进行测量和诊断, 但是在现阶段对局部放电进行监测主要还是采取对单个设备进行监测为主要的办法, 而在测试的过程中, 所需要的测试仪器以及程序相对来说比较大, 难免对电站局部放电空间定位具有一定的缺陷, 而目前基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法, 能够对电力设备的查找存在的缺陷上具有明显的优势, 因此在对高压电力设备的运行状态进行测量和诊断具有良好的发展应用前景。
关键词：超高频电磁波,电站,局部放电,空间定位
参考文献
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高频电磁波 篇4
铜山口矿区深部找矿EH-4高频大地电磁测深低阻2、3、4异常解析
通过验证2号低阻异常的钻探工程ZK02-1000、ZK03-1000施工,揭示引起2号低阻异常的原因,推测铜山口矿区深部2、3、4号低阻异常原因,确定深部找矿靶区,为指导矿山深部进一步合理找矿提供依据.
作 者：欧阳南 OUYANG Nan 作者单位：大冶有色金属设计研究院,湖北,黄石,435005刊 名：资源环境与工程英文刊名：RESOURCES ENVIRONMENT & ENGINEERING年，卷(期)：200923(4)分类号：P631.3+25关键词：电磁测探 低阻异常 矿化 地质构造
高频电磁波 篇5
金属、非金属和复合材料等各种结构材料在可变负荷作用下都会产生疲劳现象。疲劳试验的目的即是测出试样在不同交变载荷作用下的疲劳寿命,对于产品结构设计具有十分重要的意义。目前,在各种类型的疲劳试验机中,电磁谐振式高频疲劳试验机因其采用共振原理,具有试验频率高、激振功率低等特点,被各大高校、科研院所、工厂企业等广泛应用[1]。
材料的疲劳寿命试验通常需要对不同刚度的试样进行性能测试,负载的变化与试样的刚度变化是多种多样的,会给电磁谐振式高频疲劳试验系统带来很大的扰动,造成试验过程不稳定、试验数据可靠性差,因此对采用不同试样进行材料疲劳寿命试验时针对系统动态特性的研究是非常重要的。虽然国内外对于高频疲劳试验机的动态特性研究不多,但是作为振动系统的相关领域却有着较多的成就成果。文献[2]提出了应用状态变量分析法分析振动系统的动态特性,无需对非线性因素进行近似处理。文献[3]提出了将模态迭加法和矩阵摄动法相结合应用于非线性转子系统的动态特性分析。文献[4]在机构的动态方程基础上,利用多尺度法对机构的非线性特性进行研究,得到了机构弹性位移的时域和频域响应曲线。文献[5]提出了一种建立在线性时变振动系统动力学方程系数矩阵运算基础上的区间状态转移矩阵逼近算法。
本研究以电磁谐振式高频疲劳试验机主流机型—天水红山试验机有限公司的PLG-100为研究对象[6],建立系统的二自由度线性振动力学模型,通过理论计算、数值仿真及实验验证来分析高频疲劳试验机振动系统的动态特性。
1 谐振式高频疲劳试验机主机模型
PLG-100高频疲劳试验机主机结构如图1所示。为建立系统动力学模型,本研究对其主机结构进行分析。机座、力传感器、滚珠丝杠、直流电机、移动横梁是连接在一起的,因此这几个物理机构可以考虑为一个整体,认为是机座质量M4。这个整体机座通过两个减振弹簧K6与大地相连接,从而可以简单地表示成一个质量块M4通过弹簧K6与大地连接。接头和试样(刚度为K5)通过测力传感器与外围机座相连接,机座质量M4通过静载环(两个板簧K4)与试台相连接,而通过接头及试样则直接和试台相连接。这里的试台包括工作台及衔铁(主振质量M2)和附加砝码M3。试台又通过动载环(两个板簧K3)与平衡铁相连,平衡铁上面连接着铁芯,铁芯和衔铁构成电磁铁。平衡铁和电磁铁合成一块称为激振质量M1,而激振质量块与滚珠丝杠间是有间隙的,即不和机座或大地连接[7]。
主机结构经简化后的模型如图2所示。
2 谐振式高频疲劳试验振动系统动态特性分析
2.1 系统固有频率计算
高频疲劳试验机的振动系统在试样未出现裂纹前,研究者可将其所受的弹性力简化为线性模型;忽略阻尼对系统的作用,可根据图2将其简化为一个双自由度线性振动系统进行分析。
其受力分析图如图3所示。
本研究根据图3对主振模块M2和激振模块M1进行受力分析,取向下为正,令k2=2k3,k1=2k4+k5,由牛顿第二定律得系统自由振动微分方程为:
对于一个双自由度无阻尼系统而言,它具有两个固有频率,当系统按任意一个固有频率作自由振动时,系统的运动是一种同步运动,称为主振动。令主振动为:
将式(2)代入式(1),令系数行列式为零,可得系统的特征方程为:
解得系统第一主振动的固有频率表达式为:
电磁谐振式高频疲劳试验机的工作频率范围一般为50 Hz~300 Hz,本研究采用系统第一主振动的固有频率为工作频率。
2.2 工作台共振振幅计算
高频疲劳试验机工作过程中,必然有阻尼的存在,如材料阻尼、相对运动阻尼等。阻尼系数是高频疲劳试验机较为重要参数之一。为分析系统的振幅,考虑阻尼的影响,所得主机模型的力学分析图如图4所示。
从而得到此时系统的运动微分方程为:
考虑谐波激振,即Fe(t)=F0eiωt,其稳态位移响应x1(t)=X1eiωt,x2(t)=X2eiωt。根据力学模型系统的运动方程可表示为:
式中:[Z]—位移阻抗矩阵,{X}—位移列向量幅值,{F}—激振力向量幅值。
根据式(6),本研究将式(5)中各系数矩阵行列所对应的值代入,可得主振模块的振幅为:
本研究根据相关材料及对系统的进一步分析发现:一般情况下有阻尼线性系统的固有频率与系统的质量、刚度和阻尼有关,但是对于小阻尼系统,它和无阻尼系统的固有频率相差不大。因此,研究者在估算小阻尼情况下高频疲劳试验机的固有频率时,可应用无阻尼时固有频率计算公式。本研究根据式(3)将固有频率代入式(8),再令阻尼系数C2=C1=C,则得主振模块共振振幅为[8]:
2.3 试样刚度对系统固有频率和工作台共振振幅的影响
由高频疲劳试验机设计手册得:m1=280.4 kg,m2=520.25 kg,k2=4.98×108N/m,k4=3.16×108N/m;同时为体现阻尼对振幅的作用,本研究取阻尼比ζ=0.06及ζ=0.1,根据式(4)和式(9),用Matlab仿真分析试样刚度对系统固有频率和共振振幅的影响,结果如图5、图6所示。
由仿真结果分析可得:
(1)固有频率fn1(由ωn1=2πfn1转换得到)随着试样刚度k5的增大而增大,共振振幅X1 max则随着刚度的增大而减小;且其曲线变化趋势皆由快而慢,最后趋于平缓,即随着k5的增大,两者的变化速率在逐渐减小;
(2)在试样刚度k5较小时(如图6所示,约小于5×109N/m)阻尼比对系统振幅影响较大。
通过调整对试验机工作性能有影响的输入参数及编程仿真计算,本研究可以预先了解系统的动力学特性,最终实现对试验机的优化设计。
3 动态特性实验及结果分析
3.1 实验平台及实验方法
根据系统动态特性及设备输入条件和实验采样精度要求,本研究搭建了基于Lab VIEW实验平台[9,10](实物图如图7所示)。当上位机发出振动信号开始实验,所得扫频的共振频率作为激振器工作频率,使试验机工作在共振状态。为求得系统位移响应,本研究将安装在试样上的力传感器转换成电信号经NI9237调理,再通过NI USB-9162转化为串口输出,经PC机标定程序测得试样受力值,由虎克定律可得系统稳态位移x(t)=F/k5,即可得系统最大振幅[11]。
3.2 实验结果及数据分析
该实验中采用5个不同直径的圆柱试样,通过有限元分析计算得到试样的刚度,经实验测得不同试样刚度下系统固有频率及工作台共振振幅,并与仿真结果进行对比,实验数据如表1所示。
动态特性实验中所得系统固有频率和工作台共振振幅的实验数据及仿真数据如图8所示。由于系统阻尼系数无法精确测定,本研究在理论上计算了ζ分别为0.06和0.1的仿真数据,由实验结果可知:实验数据分布在ζ分别为0.06和0.1的两组仿真数据之间。
实际的试验机谐振系统弹簧刚度系数和摩擦阻尼系数并非是完全线性,与简化线性化模型参数存在一定差距是误差存在的主要原因,此外本研究采用的双自由度离散集中质量模型中,主振质量和激振质量计算存在一定误差也造成固有频率和共振振幅实验值和理论值存在误差。但实验数据与仿真数据变化趋势能够较好吻合,说明本研究动力学模型的建立和计算方法是正确的,可以满足试验机动态性能预测要求。
4 结束语
为研究谐振式高频疲劳试验机的动态特性,本研究建立了振动系统的动力学模型,并通过仿真得到了试样刚度对系统固有频率及共振振幅的影响。对试验机进行的实验测试结果与仿真结果相吻合,证明了本研究动力学模型的建立和计算方法的正确性;通过调整输入参数,可以预测试验机在不同情况下的动态特性,为试验机性能的进一步优化和控制系统的设计奠定了基础。
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高频电磁波 篇6
气体绝缘金属开关设备 (GIS) 具有占地面积小、维护工作量少、安装周期短、可靠性高等优点。但由于在制造、装配过程中的工艺问题, 其内部仍不可避免的存在各种缺陷。这些缺陷会导致GIS内部会发生局部放电 (以下简称局放) 。局放是GIS设备绝缘劣化的先兆, 并能够引起绝缘的进一步劣化, 最终导致绝缘击穿或沿面闪络。
GIS内部产生的局放是一系列具有极短上升时间的脉冲。就单个局放脉冲而言, 其上升时间可短至1ns以下, 包含从高达数GHz频率成分的能量分布[1,2,3], 并且在GIS中激发出超高频 (UHF) 频段的电磁波。针对GIS内部局放电磁波的特点, 国内外普遍采用UHF法对GIS内部局放进行检测[4,5,6,7,8,9]。
GIS除了长直腔体结构外, 还包括若干弯角结构, 如:L型和T型分支结构。局放激励的UHF电磁波在经过弯角时, 电磁波的传播会受到影响。笔者采用时域有限差分 (FDTD) 算法对GIS的L型分支和T型分支内UHF电磁波的传播进行仿真计算, 重点研究了弯角对电磁波的时域波形和频率成分的影响。
1 电磁波在同轴波导中的传播理论
单相GIS具有良好的同轴波导结构, 可简化为如图1所示的结构, 其中a为导体半径, b为GIS筒内径, 如图1所示。
图图11GGIISS简简化化模模型型
当GIS中发生局放时, PD将激发横电磁波 (TEM) 、横电波 (TE) 和横磁波 (TM) , 它们在高于各自截至频率的频段传播。各高次模波的截至频率取决于同轴波导的尺寸和传输媒质。GIS中局放脉冲激发的电磁波是TEM, TE和TM三种波的合成, 其中含有大量的高次模成分, 故应对TEM, TE, TM三种形式的电磁波进行分析。
采用柱坐标来描述局放脉冲和其激发的超高频电磁波。设局放路径为起于 (r1, 0, 0) 止于 (r2, 0, 0) 的一条径向线, 如图2所示。可得沿正Z方向传播TEM波电场和磁场分别为:
对于TM波, Hz=0,
对于TE波, Ez=0,
式 (3) 和式 (4) 中, A、B、C、D为系数, Jn (kcr) 为第一、二类贝塞尔函数。
单相GIS中E11次模的截止频率为:
式中:c为光速。
2 FDTD算法
采用FDTD算法对GIS内局放激发超高频电磁波信号经L型分支的衰减特性进行仿真计算。FDTD是直接对Maxwell方程在时域和空间内进行差分以解决电磁波在介质中传播和反射问题的算法。其基本思想是:FDTD计算区域空间节点采用Yee元胞的方法, 运用中心差分近似对麦克斯韦旋度方程进行离散化, 并采用交错抽样进行计算。如图3所示, 为在FDTD离散中反映电场和磁场各节点空间排布的Yee元胞。
由图可见, 每一个磁场分量由四个电场分量环绕;同样, 每一个电场分量由四个磁场分量环绕。此外, 计算时将电场和磁场在时间顺序上交替抽样, 抽样时间间隔相差半个时间步长, 使麦克斯韦旋度方程离散以后构成显式差分方程, 从而可以在时间上进行迭代求解。因此, 由给定电磁问题的初始值, FDTD算法就可以逐步推进地求得各个时刻空间电磁场的分布。另外, 由于FDTD采用吸收边界条件的方法, 使得计算可以在有限的空间范围内进行[10], 这样就可以降低程序对计算机硬件的要求
3 L型分支中电磁波传播仿真试验
3.1 仿真模型的建立
对L型分支建立如图4 (a) 所示仿真模型。模型分为三段, 两端段长度均为1 m, 内导体直径10 cm, 外壳内径为50 cm。中间段为一L型分支结构, 两臂长度均为1 m, 并与两端段分别用一个盆式绝缘子隔开。盆式绝缘子厚度为5 cm, 外径54 cm, 材料介电强度ε=6。在L弯的两臂各设置一个电场探针, 探针均置于Ф=0处。激励源位置以及探针编号和位置如图4 (b) 所示。
模拟放电通道长度l=10 mm, 模拟电流采用高斯脉冲, 其表达式为:
取t0=0.6 ns, I0=10 m A, σ=0.122, 幅值为10 m A, 波形如图5所示。
3.2 L型分支对电磁波电场强度和频率成分的影响
探针1、2测得的电磁波电场波形及其频谱如图6所示。
从探针1和2处所测得的波形频谱可以看出, 超高频电磁波信号多集中在300 MHz~3 000 MHz频率段, 探针1、2处所测得电场强度峰-峰值分别为0.34 V/m、0.16 V/m, 由此可得, 在上述模型中, 局放电磁波信号在经过L型分支后, 衰减了约6.8 d B, 衰减程度较为严重。
电磁波在经过L型分支前后的电场信号增益的幅频特性如图7所示。
从图7中可以看出, 在GIS腔体内, L型分支对电磁波的衰减多在300 MHz~2 000 MHz以及3 000 MHz以上频率, 而对于2 000 MHz~3 000 MHz频率段的信号分量衰减较小, 某些频率成分不但没有衰减, 反而得到了增强。这是由电磁波在腔体中的谐振现象引起。
4 T型分支中电磁波传播仿真试验
4.1 仿真模型的建立
对T型分支建立如图8 (a) 所示仿真模型。模型分为四个部分。中间部分为一T形体同轴结构, 其直臂长为2 m, 垂直臂的长度均为1 m。T形结构的三个端部各有一个盆式绝缘子, 并各向外有1 m的延伸同轴结构。整个仿真模型内导体直径10 cm, 外壳内径为50 cm。盆式绝缘子厚度为5 cm, 外径54 cm, 介电强度ε=6。在T形结构直臂上的分支前和分支后以及垂直臂上分别设置一个电场探针, 探针均置于Ф=0处。激励源位置以及探针编号和位置如图8 (b) 所示。
激励源的设置与L型分支的仿真试验相同。
4.2 T型分支对电磁波电场强度和频率成分的影响
探针1至3测得的电磁波电场信号及其频谱如图9所示。
探针1、2、3处所测得电场强度峰-峰值分别为0.33 V/m、0.28 V/m, 0.14 V/m。由此可得, 在上述模型中, 局放所激励的电磁波信号在经过T形分支后, 传播到直臂另一端的信号衰减了约1.4 d B, 传播到垂直臂的信号衰减了约7.4d B。可见, 电磁波经T形分支结构到垂直臂上的衰减比传播到直臂另一端上的衰减大。
电磁波在经过T型弯前后的电场信号增益的幅频特性如图10所示。
从图10中可以看出, 在GIS腔体内, 经过T形分支结构的电磁波信号在某些频率点上不但没有衰减, 反而得到了增强。这是由电磁波在T形结构端部三个盆式绝缘子所封闭腔体中的谐振现象引起。
5 结束语
对GIS中L型和T型分支结构中电磁波的传播进行了仿真研究, 分析了电磁波经过不同分支结构后电场波形和频率成分的变化, 可得到以下结论:
(1) 电磁波通过L型和T型分支后, 电场强度的幅值均有衰减;
(2) 在GIS腔体内, L型分支对电磁波的衰减集中在300MHz~2 000 MHz以及3 000 MHz以上频率;
(3) GIS腔体内的谐振使UHF电磁波在通过L型和T型分支后某些频率成分的电场强度得到增强;
(4) 电磁波通过T型分支后, 信号各频率成分沿拐弯路径比沿直线路径衰减严重。
摘要：运用时域有限差分算法对GIS的中L型和T型分支内局放超高频电磁波的传播进行仿真。研究了L型和T型分支对超高频电磁波时域波形及频率成分的影响, 指出L型分支对在GIS腔体内传播的超高频电磁破电场强度衰减程度较为严重, L型分支对电磁波的衰减集中在300 MHz至2 000 MHz以及3 000 MHz以上频率, 且某些频率成分的电场强度得到增强;电磁波通过T型分支后, 信号各频率成分沿拐弯路径比沿直线路径衰减严重。
关键词：GIS,超高频,电磁波,FDTD,频域特性,电场强度
参考文献
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高频电磁波 篇7
矿产资源是人类可持续发展的重要物质基础。经过几千年的开发利用，地表出露及浅地表矿产资源已面临枯竭。现代工业的巨大需求，促使人们探索越来越深的矿产资源。地球物理勘探方法成为人们勘查隐伏矿产的必要的方法。重力，磁法，地震，电法勘探从不同的物理属性揭示地下可能的经济矿体分布。就电法勘探而言，要探测埋藏较深的矿体，常规传导类方法需要很大的布极尺寸，劳动强度大，工作效率不高，分辨率低。基于电磁感应原理的电磁法成为探测大埋深矿产资源的有效方法[1,2,3,4]。
EH4电导率成像系统是由美国geometrics生产的高频大地电磁观测仪器[5]。通过在地表观测不同频率的天然场源或人工源电磁信号估计出测点下方不同深度的大地电阻率。主要用于地下水，地热，金属矿产及场地工程勘查。装备轻便，工作效率高。但由于天然大地电磁场源有寂静区，在一些频段电磁场强很弱，EH4电导率成像系统采用人工场源来改善数据质量。但大部分情况下，只观测天然场。本文主要论述EH4的数理处理方法，对数据处理结果的图示有一定改善，并提出要获得高质量数据需要注意的几个问题。
1 EH4高频大地电磁测深原理
大地电磁测深原理遵循Maxwell方程。当均匀平面电磁波垂直入射于均匀各向同性大地介质中，电磁场在极化平面上是均匀的，对于谐变电磁场由Maxwell方程组，忽略位移电流，有：
由式(1)可知，在z轴向下为正的右手螺旋直角坐标系中，电磁场分量Ey只与Hx有关，Hy只与Ex有关，都沿z轴传播，物理学中称这种波为线性偏振波。以方向的分量来命名线性偏振波，对于偏振波(Ey, Hx)由式
同理，对于偏振波(Hy, Ex)由式(1)有：
式中为介质的电磁传播波数，ω为电磁信号角频率，σ为介质电导率。
这里要说明的是，这两种线性偏振波的分解是任意的，对坐标轴x, y的方位未作任何限制，如果取y方向沿磁场H的极化方向，Hy=H, Hx=0，必有Ey=E, Ey=0，因而也称这种平面电磁波为TEM波。
由式 (3) , 对于H偏振波 (Hy, Ex) , 有如下解的形式
由边界条件, 当z=∞, Hy=0, Ex=0, 当, 将波数写成复数a-ib, 则有:
对于均匀大地, 式中, 由电磁波在介质中扩散的趋肤深度定义, 平面电磁波在均匀大地中的趋肤深度为:
由式 (1) 和式 (5) , 可得均匀大地的波阻抗
由式 (7) 可知, 在地表观测相互正交的一对电磁场分量 (Ex, Hy) 或 (Ey, Hx) 可估计出大地的波阻抗, 进而得到大地的视电阻率
这种测量方式称为标量测量。对于各向异性介质, 则需要四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx同时测量, 由下式可估计大地介质的张量阻抗
进而可计算大地的电阻率张量, 通过坐标旋转得到两个主轴方向的电阻率
通过在地表观测并记录四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx的时间序列, 傅立叶变换估计各场分量的自功率密度谱和互功率密度谱, 由下列公式估计波阻抗
式中, E*x表示复共轭, 且
波阻抗是信号频率的函数, 不同频率的电磁波有不同的趋肤深度, 高频趋肤深度浅, 低频趋肤深度大, 因而可得到连续的大地电阻率断面。Stratagem大地电磁观测系统正是基于平面波电磁理论设计的, 频带范围从11.7Hz到100 kHz, 在一个测点只需几分钟到十几分钟时间就可得到几米到1000m左右深度的大地电阻率信息。一般采用张量观测方式。在观测时应按技术要求严格操作, 保证电极有良好的接地, 磁场传感器应尽量减小人为干扰。以确保能获得高质量的观测数据。
2 数据处理流程
EH4观测系统的时间序列是分频段、分块记录的。其高频模式有三个频段，频段一：10Hz～1kHz;频段二：500Hz～3kHz;频段三：750Hz～92kHz。在每个频带，有不同的采样频率，四个场分量的时间序列同时连续记录，分块存贮。在一个数据块中每个场分量记录12288个数据。估计功率谱时将每个分量的12288个样值分三段进行离散傅立叶变换，叠加取平均。采集多少个数据块要根据信号强弱设定，通过叠加平均提高信噪比。EH4自带的imagem处理软件数据处理主要有以下几步：
第一步：由时间序列y文件估计四个信号量的自功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。先对每个频率的电场道自功率谱用系数(1/5f, f为信号频率)归一化处理。将每个频段所有数据块的自功率谱和互功率谱按中心频率叠加平均。
第二步：计算(Ex, Hy)和(Ey, Hx)信号对的相关系数
取相关系数大的频率的功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。
第三步：对第二步的功率谱文件进行校准。用出厂校准的功率谱频率表，电场、磁场传感器标定文件，各信号采集通道标定文件，以及采集过程中各频带的放大倍数，滤波器设置参数对功率谱x文件进行校准。
第四步：用校准的各频率的信号自功率谱和互功率谱，按式(11)计算各频率的阻抗张量。计算各频率的视电阻率。
第五步：对每个测点的不同频率的电阻率值进行Bostick变换，转换为深度电阻率。将连续测量的各测点深度电阻率值进行空间域平滑滤波，得到深度电阻率断面。
但是在测量过程中，大地电磁场在一些频段上场强很弱，再加上不可避免的人文干扰，基于imagem的处理方法的改进是必要的。化希瑞(2008)提出了基于希尔伯特黄变换(HHT)的去噪和功率谱重构方法对EH4的处理结果有很大的改善。王通(2007)则尝试用高阶统计量来重构EH4的功率谱文件[6]。陈庆凯(2005)提出了数据插值和地形改正的方法。本文介绍一种基于有理插值的数据插值方法，对EH4处理结果的图示有一定的改善。
3 有理插值方法及应用
如果已知表列值(x1, f1)， (x2, f2)， (x3, f3)，…(xi, fi)，…(xn, fn)，则可以用一个连分式函数Φ(x)来逼近它[7]，连分式函数Φ(x)的形式为
式中，连分式系数a1, a2, a3，…ai, an-1, an可由表列值的倒差商算法求得，算法见表1:
显然有，Φ(xi)=fi, i=0, 1, 2，…，n，这个算法很容易编程实现，且计算量小。在插值点前后取4～5个节点就够了。本文基于matlab编制了用表列值构建连分式有理插值函数的EH4数据插值程序。
4 实例
应用编制的连分式有理插值程序处理了甘肃某测区EH4观测的一条断面。先用imagem程序处理时间序列，剔除质量不好的时间段，重新估计功率谱，相关系数均选取0.6，二维分析空间滤波系数取0.3，输出处理后的断面电阻率深度数据文件。检查输出的数据文件发现，由于一些频率场值较弱，在所需关心的深度没有电阻率数值，或电阻率数值太稀。
在应用有理插值算法时，在需要数据插值的深度，选择上下5个数据点，构造连分式有理插值函数，输入深度值，可得到该深度的电阻率插值数据。从图1可看出，应用有理插值处理后(见图1b)图像明显要比没有插值(见图1a)的表现的细致。
在插值计算中发现，当数据质量不好，或在深度变化较小的范围内，电阻率差异很大时，插值计算中会有负值出现，这时应对原数据先进行平滑处理，再进行有理插值计算。
5 结束语
EH4大地电磁观测系统已成为深部找矿的有效地球物理方法。通过数据处理及结合地质资料的数据解释，其结果能反映不同地质体的电阻率分布，连续电导率剖面可以直观地提供电性异常在剖面上的形态、规模，为隐伏矿体预测提供必要的信息。但由于天然大地电磁场在一些频段很微弱，且不可避免存在人文干扰，对EH4数据处理方法上的改进是非常有必要的。本论述尝试将连分式有理插值方法应用到EH4大地电磁数据的后处理中，结果表明，通过对电阻率深度数据的有效插值，可以使二维电阻率剖面的显示更细致，以帮助对地质信息的判读。但对于地球物理观测，采集到高质量的数据是第一位的。对于没有质量保证的数据，任何高超的数据处理技术都毫无意义。
参考文献
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[6]王通.大地电磁测深信号的高阶谱估计及应用研究[D].中南大学, 2007.
高频电磁波 篇8
交联聚乙烯( XLPE) 电缆具有敷设容易、耐高温、绝缘性能优良和运行维护简便等特点,在配电网中被广泛应用［1 － 3］。但随着运行年限的增长,由XLPE电缆及接头绝缘损坏等问题引起的电力故障和事故也在不断增加［4 － 5］,因此,电网运行单位对运行中的XLPE电缆绝缘劣化状况一直重点关注［6 － 7］。
目前,中、高压XLPE电缆接头主要为硅橡胶绝缘预制型电缆接头［8］。预制型电缆接头在生产和安装的过程中,存在接头内混入杂质或半导电层尖端突起等现象,因而引起电场集中或绝缘缺陷［9］,在长期电压作用下易导致绝缘故障。因此,电缆中间接头是高压电缆绝缘的薄弱环节和典型运行故障部位［10］。而局部放电则是造成XLPE电力电缆绝缘破坏的主要原因［11］; 另一方面XLPE电力电缆的绝缘状况与其局部放电量密切相关,局部放电量的变化预示着可能存在着影响电缆稳定运行的缺陷［12］,因而能够较为全面、灵敏地反映电气设备的绝缘状况［13］。目前国内外专家学者以及IEC、IEEE、CIGRE等国际权威电力组织一致推荐局部放电试验作为评价XLPE电力电缆绝缘状况的最佳方法［14 － 15］。因此,开展电缆中间接头的局部放电检测的研究,对于维护电力电缆安全稳定运行具有重要的理论意义及实用价值。
对于局部放电检测,传感器有外置式和内置式两种。内置式传感器需要把传感器置入在电缆中间接头中,这需要在敷设电缆时安装实现,而对于已经投入运行的电缆很难实施。并且,传感器置入电缆中间接头内,电缆中间接头的电场分布会受到影响,如果安装位置不当反而会使电缆中间接头发生故障［16］。而对于外置式传感器,由于电缆及其接头屏蔽层的作用,信号很难辐射出来。虽然可以通过电缆接头的接地线向外辐射,但是信号衰减严重。经研究发现,用于三相交叉互联的电缆中间接头的屏蔽层是断开的,因此电磁信号可能通过屏蔽层断开处辐射出来。但高频电磁波信号在空气中传播时衰减迅速,传感器安装位置不同接收到信号的大小有很大不同。因此研究接头外辐射出的电磁场信号的分布特点,确定接头外信号最强处,有利于更准确的现场测量。
因此,本文首先利用电磁仿真软件HFSS对上述电缆接头建立了仿真计算的三维模型,分析了在电缆接头内部发生局部放电时,激发的电磁波信号的强度及其分布特点。不但检验了电磁信号可以通过屏蔽层断开处辐射出来,而且确定了接头外信号最强处,为外置式高频微带传感器安装位置提供了指导。然后制作了外置式微带传感器,利用其在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测。现场检测验证了仿真结果: 电缆内部局部放电产生的电磁波可以通过电缆接头屏蔽层断开处辐射出来; 在电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧,辐射出来的局部放电信号最强。
1 高频微带传感器
为接收局部放电产生的高频电磁信号,需研制合适的传感器。合理设计传感器,保证高的灵敏度和宽的接收频带是实现电缆局部放电检测的关键。本文采用的传感器基于微带贴片天线理论。微带天线应用于100 MHz至100 GHz的宽广频域范围内,具有体积小、重量轻和剖面薄等特点。微带天线在卫星通信、遥感等领域已得到广泛应用。近年来,在GIS及电力电缆局部放电检测中也得到越来越多的应用。
微带天线是将导体薄片贴加在带有导体接地板的介质基片上而形成的天线。在接地板与导体贴片之间能够激励起电磁场,并通过二者间的缝隙向外辐射。当导体贴片为圆形、圆环形或矩形薄片等规则形状的面积单元时,该种微带天线被称作微带贴片天线,其结构如图1 所示。
下面以图1 中的矩形微带天线为例,讲述微带贴片天线的基本工作原理［17］。贴片的尺寸为a* b,介质基片的厚度为h,hλ0,λ0为自由空间波长。微带贴片可看作为宽为a长为b的一段微带传输线,因其终端a边处呈现开路,将形成电压腹波。一般取b≈0. 5λm,λm为微带线上波长,于是在另一端也呈电压腹波。此时贴片与接地板间的电场分布如图2 所示。
由图2 可知,电场可以分解为水平于接地板方向及垂直于接地板方向。两开路端的垂直分量的方向相反,水平分量的方向相同。因此,电场的水平分量产生的场相叠加,垂直分量所产生的场相抵消。所以,矩形微带天线的主要辐射产生于沿两条a边的缝隙,这两条边称作辐射边。研制的基于微带贴片天线的传感器如图3 所示。
图3基于微带贴片天线的传感器
2 仿真分析
2. 1 电缆接头三维仿真模型构建
为了有效分析局部放电电磁脉冲的传播特性,需要构造电缆中间接头三维仿真模型。通过收集国内电缆附件公司的资料及相关标准,对其中典型的电缆中间接头构建了三维仿真模型,如图4 所示。
图4电缆中间接头的三维仿真模型
其中,电缆由铜导体、内外半导电层、绝缘、金属护套组成。电缆中间接头主要包括金属连接套管、半导电屏蔽、橡胶应力锥、硅橡胶主绝缘等。其中防水层为非阻磁绝缘材料,将其简化为空气层。
2. 2 激励源的设置
本文采用脉冲高斯函数型激励来模拟电缆接头中的局部放电的激励电流源［18］,高斯函数的公式为:
式中I0为脉冲电流幅值,σ 为衰减时间常数。设电流脉冲幅值为10m A,t0取0. 5 ns,σ取0. 15 ns。此时的电流脉冲波形如图5 所示。
2. 3 电磁仿真分析
复合介质沿面放电是电缆中间接头中最常见的放电类型,因此本文把激励源设置在XLPE绝缘与中间接头内部硅橡胶交界面上［19］,设置的激励源脉冲宽度为1 ns,脉冲的峰值为10 m A,位置如图6 所示。设置好求解方式、网格设置等后,便可利用HFSS提供的时域仿真器进行时域内的仿真。
在时域内,当t = 1 000 Ps时,电缆接头内及周围的电场分布图如图7 所示。
磁场分布图如图8 所示。
可见此时激励源激发的电磁场刚刚开始传播,并未传播到电缆接头外。接头内激励源附近的电磁场较大。
当t = 2 000 Ps时,电缆接头内及周围的电场分布图如图9 所示。磁场分别图如图10 所示。
由图可知,此时电磁场已经通过屏蔽层断开处辐射到电缆接头外。为了确定传感器的具体安装位置,需设置一探测线来观察此线上不同点的电磁场强度。因高频电磁波信号在空间传播过程中会产生较大衰减,信号最强处应靠近电缆接头,因此探测线紧贴电缆接头外壁。结合电缆接头的圆轴形对称结构特点,最后确定的探测线如图6 中所示,信号最强处在线上的某一位置。通过此线可得到线上不同位置处的电磁场变化曲线。在设置时取此线上的均匀的5 个点,得到的电场、磁场变化曲线如图11、图12 所示。
由图可知,显示的归一化距离= 0 的线比其它的线代表的电场分布、磁场分布更强,是传感器的理想安装位置。此线代表点的位置为靠近接地线的一侧、电缆屏蔽层断开处,即探测线的最左处。
Measurement & Detecting Technic
通过以上结果可知: 电缆接头内部发生局部放电时激发的电磁波能通过电缆中间接头屏蔽层断开处辐射出来,因此可以采用外置式高频微带传感器进行电磁波信号的检测; 电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧,为传感器的最佳安装位置。
3 现场实测
根据国标GB/T12706. 3 - 2008 规定,电缆在投运前需进行交流耐压试验,交流耐压试验成为电力电缆交接和预防性试验的主要手段。而脉冲电流法作为目前较为灵敏的局部放电检测法,早已经成为一种成熟的检测方法,随着交流耐压试验的普及,脉冲电流法也更加广泛地应用到电力电缆局部放电检测中去。而进行交流耐压试验时,试验电压为运行电压的两倍,由于超过了正常运行电压,所以合格的电缆接头也可能发生局部放电,但根据国标规定被试电缆接头产生的局部放电量不应超过10 PC。
为了验证本文的仿真结果,在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了检测,检测系统分为传统的脉冲电流法检测及基于高频微带传感器的电磁波检测。检测系统原理框图如图13 所示。
将传感器安装在仿真所确定的电缆接头的最佳位置,现场安装图如图14 所示。
系统安装完毕后,脉冲电流局部放电检测仪( 下文简称局放仪) 显示的背景局放量约为1. 8 PC,高频电磁检测系统未显示任何明显的脉冲信号。之后进行加压试验,当加到2 倍运行电压时,局放仪检测到脉冲信号,显示的放电量约为6. 4 PC,高频电磁检测系统检测到局部放电脉冲信号。在最佳安装位置,高频微带传感器测得的波形图如图15 所示。
其峰峰值为53. 8 m V。传感器在周围其它同样靠近电缆接头外壁但非最佳安装位置处,测得的波形图如图16 所示。
其峰峰值为26. 9 m V。
对比所测结果可知,二者的背景噪声信号基本相同,但传感器在仿真得到的最佳安装位置处测得的局部放电脉冲信号比其它位置更强。
4 结束语
本文利用电磁仿真软件HFSS对典型的电缆中间接头构建了三维仿真模型,据此进行了电缆中间接头局部放电的电磁仿真,研究了接头外辐射出的电磁场信号的分布特点。为验证仿真结论,在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测。结论如下:
1) 电缆内部局部放电产生的电磁波可以通过电缆接头屏蔽层断开处辐射出来。
2) 在电缆屏蔽层断开处、靠近接地线的一侧,辐射出来的局部放电信号最强,是传感器安装的最佳位置。
摘要：电缆中间接头局部放电是导致交联聚乙烯(XLPE)电力电缆事故的主要原因,因此必须进行电缆中间接头局部放电的研究。电缆接头屏蔽层对高频电磁波信号有屏蔽作用,高频电磁波信号在空间传播过程中还会产生较大衰减,针对用于三相交叉互联的电缆中间接头屏蔽层是断开的这一特征,进行了电缆接头局部放电的建模、仿真和现场检测。首先,利用高频结构仿真器(High Frequency Structure Simulator,简称HFSS)建立了电缆接头的三维仿真模型,分析了在电缆接头内部发生局部放电时,高频电磁波信号通过屏蔽层断开处辐射出来的强度及其分布特点,验证了采用外置式微带传感器进行电缆接头局部放电检测的可行性。然后设置了电磁场探测线,生成了此线上不同位置处的电磁场变化曲线,分析了不同曲线的幅值情况,得到了信号最强的传感器最佳安装位置。最后,根据微带贴片天线理论,制作了外置式微带传感器,在某电缆线路投运前的交流耐压试验中进行了电磁波检测,验证了仿真结果。
高频电磁波 篇9
1 高频大地电磁测深 (EH4) 技术的使用原理
高频大地电磁测深又称为电导率勘探技术, 对于天然场成像有显著成效。因此, 在勘察的过程中加上人工勘查工具, 针对电阻率、阻抗相位以及ρs—H变化曲线的变化进行勘察分析, 其频段观测较宽, 勘探的深度随着频率的降低而呈现增加的趋势。根据表象的二维反演的方式进行分析, 结合地电断面进行调整, 并通过多层的逼近将最终根据地形面貌的形式特征分别选用的是“+”字型、“L”字型、“T”字型等布极法。
EH4技术在使用过程中也存在着相应的要求。使用中应该远离电磁干扰, 接地电阻要小于200Ωm, 在操作机械过程中, 应在磁探头、电极、磁棒线等的布设上保持一定的间距, 避免相互干扰。而在真正观测的时候, 对于资料的随时抓取以及时间的叠加选定等都有严格的要求。观测的过程应随时根据电阻率的变化进行调控, 保证曲线圆滑、无断点。呈现的情况如图1、图2显示:
2 EH4技术应用的案例分析
在鄂西入川的交界地段有一个典型的深埋的特大隧道, 在这一地段地表植被茂盛, 岩石较多, 地形起伏较大, 沟壑纵横, 是一个特殊的地质构造群。对隧道的施工途径设计要求, 要根据隧道途径区的地质情况进行确定, 对岩层的分布、风化的强度以及分层的界定等都要进行探测。探测深度不超过800 m。经过实地勘察, 岩层所穿过的隧道主要是以白云岩及泥质灰岩为主, 在地质活动的演变下坍塌形成的陡坎、陡岩发育, 主要沿着隧道的轴线方方向进行, 因此, 施工过程中受到地质条件的影响较大, 受当地地质条件的限制不能采用常规的地震勘察或者电法勘察进行作业, 因此, 只有采用高频大地电磁测深进行勘探, 在相对平坦的地方将电性层的勘探结果与地震反射的速度分层结果进行结果对比, 总结出灰岩、白石岩以及各风化岩石的电阻率及波速的变化范围, 来确定勘察的标准工作。并对下级工作任务的开展具有一定的指导作用。
由高频大地电磁测深 (EH4) 二维反演电阻率剖面图及地电解释断面图可看出, 在勘探工程的操作中, 自上而下的层位比较明显, 而且风化的界面也比较清晰, 所建的隧道穿越的地层主要是在ρs值在600Ωm以上的强风化层进行作业的。电性比较稳定统一。因此, 由高频大地电磁测探和地震反射波的统计结果进行分析, 无论是断裂层还是基岩风化层的探测都比较吻合, 同时与开展的地质调查的结果也是基本一致, 这也印证了电阻率的ρs值普遍小于100Ωm, 相对断裂的围岩, 断裂的倾向也比较明显, 破碎的宽度也很清楚。
高频大地电磁测深勘探不仅在技术应用上是可行的, 尤其是在特殊的地形条件下进行岩层的界定划分、进行数据处理是相当有利的。因此, 在采用高频大地电磁测深的基础上与地震的波速相结合, 保证地质勘察的真实性与有效性。在现实的情形中, EH4的优点是显著的, 但也存在不足, 主要是抗电磁的干扰能力较差, 因此在使用时还要从实际出发进行相应的调控, 保证勘察工作的有效进行。
摘要：介绍了高频大地电磁测深 (EH4) 的探测技术的使用原理, 以及该技术所具有的探测装备较轻、采集信息所受地形干扰较小而探测深度较大的特点, 并论述了在地质勘查工程中, 它对于解决复杂地质情况下地质任务所具有的优势。
关键词：高频大地电磁测深 (EH4) ,基岩,地质勘探,覆盖层
参考文献
[1]段圣龙.EH-4高频大地电磁测深勘查采空区的效果分析[J].工程地球物理学报, 2011 (2) .