張慶輝,楊 成,張?zhí)煨?/p>

(1. 武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院,湖北 武漢 430205;2. 華中科技大學(xué)圖像識(shí)別與人工智能研究所,湖北 武漢 430070)

1 引言

由于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,世界各國(guó)建立了分布廣泛的高壓電網(wǎng),支撐人類(lèi)創(chuàng)造巨大的物質(zhì)文明。同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)充滿人造工頻電磁輻射的環(huán)境,對(duì)生態(tài)環(huán)境、地球的近地空間包括電離層產(chǎn)生了越來(lái)越大的影響。因此需要對(duì)高壓電網(wǎng)產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)的傳播方式及其空間分布規(guī)律展開(kāi)科學(xué)研究。

廣泛分布在世界各地的低/中/高壓交流輸/配/用電網(wǎng)絡(luò)會(huì)在整個(gè)空間中產(chǎn)生工頻電磁場(chǎng),相當(dāng)于一個(gè)規(guī)模龐大的工頻電磁場(chǎng)輻射源,向空氣、地下和海水中傳播頻率為50/60Hz電磁場(chǎng)。由于超低頻/極低頻在海水中衰減較小,工頻電磁場(chǎng)可穿透海水并作用于鐵磁性障礙物,使其周?chē)臻g中的背景工頻電磁場(chǎng)分布情況發(fā)生變化,在局部產(chǎn)生了疊加在背景工頻電磁場(chǎng)上的二次感應(yīng)電磁場(chǎng)的異常電磁信號(hào),該異常信號(hào)可在一定范圍內(nèi)的水下或空氣介質(zhì)中被電磁探測(cè)器捕捉到。因此,可以充分利用現(xiàn)有的工頻電磁場(chǎng)發(fā)射源實(shí)現(xiàn)對(duì)水下鐵磁性目標(biāo)的探測(cè)。

目前世界上還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表過(guò)利用工頻電磁場(chǎng)探測(cè)水下鐵磁性目標(biāo)的研究。本文利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件模擬工頻電磁場(chǎng)傳播特性和工頻電磁場(chǎng)與鐵磁性目標(biāo)相互作用后工頻電磁場(chǎng)變化情況以及工頻電磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性目標(biāo)的集膚效應(yīng)。

2 工頻電磁場(chǎng)傳播

2.1 工頻電磁場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理

工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)是一種靜態(tài)場(chǎng),由50/60Hz交流電網(wǎng)產(chǎn)生。電場(chǎng)的大小用電場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)描述,磁場(chǎng)大小用磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)描述。如下圖所示,在兩條相距d的導(dǎo)線上施加電壓U,則導(dǎo)線之間存在電場(chǎng)E;導(dǎo)線中通過(guò)電流I,則導(dǎo)體周?chē)痛嬖诖艌?chǎng)H。

圖1 電磁場(chǎng)的產(chǎn)生原理

麥克斯韋方程組是表示場(chǎng)結(jié)構(gòu)的定律,說(shuō)明了帶電體電場(chǎng)和磁場(chǎng)彼此之間相互聯(lián)系和相互制約的規(guī)律。對(duì)于任意頻段的電磁場(chǎng)而言,其傳輸方程均滿足麥克斯韋方程組

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其中,H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量,E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量,D為電位移矢量,J為傳導(dǎo)電流密度,ρ為空間電荷密度

在電磁場(chǎng)理論中提到的輔助方程是表示場(chǎng)與介質(zhì)的關(guān)系的,稱為介質(zhì)的特征方程,一般為

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其中,σ、ε、μ分別為介質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)。

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2.2 磁偶極子工頻電磁場(chǎng)理論模型

輸電網(wǎng)是將發(fā)電廠的電能通過(guò)升降壓變壓器和電壓較高的輸電線路輸送到用電區(qū)域,或在幾個(gè)不同區(qū)域電網(wǎng)間互通能量,形成互聯(lián)電網(wǎng)。由于輸電線路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,考慮將整個(gè)輸電網(wǎng)按區(qū)域分為若干個(gè)大型輸電網(wǎng)絡(luò),形成分布式結(jié)構(gòu)。每個(gè)大型輸電網(wǎng)絡(luò)又可按更小的區(qū)域分為若干個(gè)中型或小型子網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)變壓器之間的輸電線和地線以及對(duì)地的鏡像組成了閉合的“環(huán)路”,可將其等效為一個(gè)磁偶極子。

圖2 水平天線及其鏡像

2.3 磁偶極子工頻電磁場(chǎng)空間傳播

利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件,建立簡(jiǎn)單輸電線路的磁偶極子空間電磁場(chǎng)計(jì)算模型。在該仿真軟件中,輸電線路默認(rèn)接地,即可與大地形成電流回路,等效于磁偶極子。輸電線路設(shè)置為典型的1000kV,1kA的正弦交流電。在1km×1km×0.6km范圍內(nèi)建立仿真模型模型,其中上方為空氣層,下方為陸地層?？諝獾碾姶艆?shù)為:εr=1,μr=1,σ=0S/m,空氣的電磁參數(shù)為:ε=30,μr=1,σ=1.5S/m,ε為介電常數(shù),μr為磁導(dǎo)率,σ為電導(dǎo)率,輸電線路位于空間域的中心軸,輸電線長(zhǎng)度為500m,仿真模型如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)單輸電線路仿真模型

仿真計(jì)算得到該輸電線路在空間中產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng),截取導(dǎo)線正上方10m的平面,繪制該平面上的工頻電磁場(chǎng)等值線圖,如圖4所示。從圖中可以看出,電場(chǎng)等值線圖在yoz面像數(shù)值0,磁場(chǎng)等值線圖在xoz面像數(shù)值8,與磁偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在空間中傳播規(guī)律一致,可推斷出輸電線路可等效為磁偶極子模型。

圖4 工頻電磁場(chǎng)等值線圖

仿真計(jì)算得到該輸電線路在空間中產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng),截取導(dǎo)線正上方10m的平面,繪制該平面上的工頻電磁場(chǎng)切面圖,如圖5所示。從圖中可以看出在導(dǎo)線的兩端其電場(chǎng)強(qiáng)度最大,而在導(dǎo)線周?chē)鸥袘?yīng)強(qiáng)度最大。

圖5 工頻電磁場(chǎng)切面圖

為了分析傳輸導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)矢量方向,繪制工頻電磁場(chǎng)流線圖,如圖6所示,電場(chǎng)矢量主要分布在x-o-y平面,磁場(chǎng)矢量主要分布在 y-o-z平面,電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量相互垂直,仿真結(jié)果符合電磁場(chǎng)的傳播規(guī)律。

圖6 工頻電磁場(chǎng)流線圖

3 模型的建立與求解

3.1 空間傳播模型的建立

通常,輻射源在空氣中產(chǎn)生電磁波的傳播模型為3層模型結(jié)構(gòu)即空氣層、海水層、海底層,具體各介質(zhì)層電磁參數(shù)具體如表1所示。

表1 脈搏波的主頻率和imfs的中心頻率

為簡(jiǎn)化傳輸模型,將分布式輸電網(wǎng)絡(luò)等效為一條500m的輸電線路,利用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)仿真軟件,建立簡(jiǎn)單的輸電回路空間電磁場(chǎng)計(jì)算模型。輸電線路設(shè)置為典型的1kA的50Hz正弦交流電。如圖7所示,最上層介質(zhì)層為空氣層,輸電線路位于圖中所示。中間為海水層,最下層為海底層。

圖7 輸電線路仿真空間模型

3.3 工頻電磁場(chǎng)與鐵磁性物體相互作用機(jī)理

當(dāng)導(dǎo)體暴露在時(shí)變電磁場(chǎng)中時(shí),導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)改變導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布,最終導(dǎo)致感應(yīng)電流集中在導(dǎo)體表面,這種現(xiàn)象就是集膚效應(yīng)。

考慮電磁波正入射進(jìn)入導(dǎo)體的情況:γx=αx+jβx=0,即αx=βx=0,電磁波的波矢僅有z方向分量

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本文重點(diǎn)研究水下鐵磁性目標(biāo)在工頻電磁場(chǎng)的作用下引起的電磁異常信號(hào)。水下目標(biāo)為空心橢球體,長(zhǎng)100m,外殼半徑10m,殼厚1m,水深50m。外殼材料的電磁參數(shù)設(shè)置為σ=1.12×107[S/m],μr=500,ε=1。其中σ為電導(dǎo)率,μr為磁導(dǎo)率,ε為介電常數(shù)。如下圖8所示。綠色介質(zhì)為空心目標(biāo)的空氣介質(zhì),下方藍(lán)色介質(zhì)為目標(biāo)鐵磁性外殼。

圖8 水下鐵磁性模型

4 仿真結(jié)果分析

將目標(biāo)放在距離輸電線路約1200m處,仿真分析鐵磁性目標(biāo)與工頻電磁場(chǎng)相互作用后距離目標(biāo)高度20m處、長(zhǎng)度為400m水平方向的工頻電磁場(chǎng)變化情況。

圖9a時(shí)沒(méi)有目標(biāo)時(shí)工頻磁場(chǎng)變化情況,b是與鐵磁性目標(biāo)相互作用后,工頻磁場(chǎng)變化情況,可以清晰的看出,在目標(biāo)所在位置磁場(chǎng)增加到79pT,與背景場(chǎng)有明顯差異。圖10a時(shí)沒(méi)有目標(biāo)時(shí)工頻電場(chǎng)變化情況,b是與鐵磁性目標(biāo)相互作用后,工頻電場(chǎng)變化情況,可以清晰的看出,在目標(biāo)所在位置電場(chǎng)減少到0.58μV/m,與背景場(chǎng)有明顯差異。

圖9 有無(wú)目標(biāo)時(shí)磁場(chǎng)變化圖

圖10 有無(wú)目標(biāo)時(shí)電場(chǎng)變化圖

為了進(jìn)行了解工頻電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng),繪制水下目標(biāo)所在位置處,垂直方向的工頻電磁場(chǎng)變化情況。從圖11可以看出,當(dāng)工頻電磁場(chǎng)傳播到鐵磁性目標(biāo)時(shí),因集膚效應(yīng)和渦流的原因,工頻磁場(chǎng)相較于背景場(chǎng)會(huì)明顯增加,傳播到目標(biāo)表面時(shí)到達(dá)極值。表明當(dāng)工頻電磁場(chǎng)遇到鐵磁性目標(biāo)時(shí)會(huì)大量聚集在目標(biāo)表面。

圖11 有無(wú)目標(biāo)時(shí)磁場(chǎng)變化圖

5 結(jié)論

本文提出了利用工頻電磁場(chǎng)探測(cè)鐵磁性目標(biāo)方法,對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)在空間中傳播與鐵磁性目標(biāo)相互作用進(jìn)行了建模和分析。通過(guò)仿真研究了工頻電磁場(chǎng)與鐵磁性目標(biāo)相互作用后,可產(chǎn)生局部電磁場(chǎng)信號(hào),同時(shí)研究了鐵磁性目標(biāo)的肌膚效應(yīng),表明當(dāng)工頻電磁場(chǎng)遇到鐵磁性目標(biāo)時(shí)可在表面聚集,產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的工頻異常信號(hào)。結(jié)果表明:工頻電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)鐵磁性目標(biāo)相互作用,因其集膚效應(yīng)和渦流,可產(chǎn)生明顯異于背景場(chǎng)的畸變信號(hào)。為后續(xù)使用分布式輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)提供了理論基礎(chǔ)。

因構(gòu)建實(shí)際輸電網(wǎng)絡(luò)工作量太大,所以使用一根輸電線路進(jìn)行仿真分析,目標(biāo)信號(hào)相對(duì)較弱,模型有待完善。本文今后可對(duì)分布式輸電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)充與模型優(yōu)化,進(jìn)一步研究工頻電磁場(chǎng)探測(cè)鐵磁性目標(biāo)的研究。