基于工頻電磁場的鐵磁性目標(biāo)探測方法研究

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,世界各國建立了分布廣泛的高壓電網(wǎng),支撐人類創(chuàng)造巨大的物質(zhì)文明。同時也帶來了一個充滿人造工頻電磁輻射的環(huán)境,對生態(tài)環(huán)境、地球的近地空間包括電離層產(chǎn)生了越來越大的影響。因此需要對高壓電網(wǎng)產(chǎn)生的工頻電磁場的傳播方式及其空間分布規(guī)律展開科學(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)會在整個空間中產(chǎn)生工頻電磁場,相當(dāng)于一個規(guī)模龐大的工頻電磁場輻射源,向空氣、地下和海水中傳播頻率為50/60Hz電磁場。由于超低頻/極低頻在海水中衰減較小,工頻電磁場可穿透海水并作用于鐵磁性障礙物,使其周圍空間中的背景工頻電磁場分布情況發(fā)生變化,在局部產(chǎn)生了疊加在背景工頻電磁場上的二次感應(yīng)電磁場的異常電磁信號,該異常信號可在一定范圍內(nèi)的水下或空氣介質(zhì)中被電磁探測器捕捉到。因此,可以充分利用現(xiàn)有的工頻電磁場發(fā)射源實現(xiàn)對水下鐵磁性目標(biāo)的探測。

目前世界上還沒有公開發(fā)表過利用工頻電磁場探測水下鐵磁性目標(biāo)的研究。本文利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件模擬工頻電磁場傳播特性和工頻電磁場與鐵磁性目標(biāo)相互作用后工頻電磁場變化情況以及工頻電磁場對鐵磁性目標(biāo)的集膚效應(yīng)。

2 工頻電磁場傳播

2.1 工頻電磁場產(chǎn)生機理

工頻電場、磁場是一種靜態(tài)場,由50/60Hz交流電網(wǎng)產(chǎn)生。電場的大小用電場強度來描述,磁場大小用磁感應(yīng)強度來描述。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E;導(dǎo)線中通過電流I,則導(dǎo)體周圍就存在磁場H。

圖1 電磁場的產(chǎn)生原理

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

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

在電磁場理論中提到的輔助方程是表示場與介質(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理論模型

輸電網(wǎng)是將發(fā)電廠的電能通過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,考慮將整個輸電網(wǎng)按區(qū)域分為若干個大型輸電網(wǎng)絡(luò),形成分布式結(jié)構(gòu)。每個大型輸電網(wǎng)絡(luò)又可按更小的區(qū)域分為若干個中型或小型子網(wǎng)絡(luò)。兩個變壓器之間的輸電線和地線以及對地的鏡像組成了閉合的“環(huán)路”,可將其等效為一個磁偶極子。

圖2 水平天線及其鏡像

2.3 磁偶極子工頻電磁場空間傳播

利用COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件,建立簡單輸電線路的磁偶極子空間電磁場計算模型。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,輸電線長度為500m,仿真模型如圖3所示。

圖3 簡單輸電線路仿真模型

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

圖4 工頻電磁場等值線圖

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

圖5 工頻電磁場切面圖

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

圖6 工頻電磁場流線圖

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多物理場仿真軟件,建立簡單的輸電回路空間電磁場計算模型。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 工頻電磁場與鐵磁性物體相互作用機理

當(dāng)導(dǎo)體暴露在時變電磁場中時,導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會改變導(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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本文重點研究水下鐵磁性目標(biāo)在工頻電磁場的作用下引起的電磁異常信號。水下目標(biāo)為空心橢球體,長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)與工頻電磁場相互作用后距離目標(biāo)高度20m處、長度為400m水平方向的工頻電磁場變化情況。

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

圖9 有無目標(biāo)時磁場變化圖

圖10 有無目標(biāo)時電場變化圖

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

圖11 有無目標(biāo)時磁場變化圖

5 結(jié)論

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

因構(gòu)建實際輸電網(wǎng)絡(luò)工作量太大,所以使用一根輸電線路進行仿真分析,目標(biāo)信號相對較弱,模型有待完善。本文今后可對分布式輸電網(wǎng)絡(luò)進行擴充與模型優(yōu)化,進一步研究工頻電磁場探測鐵磁性目標(biāo)的研究。