基于工频电磁场的铁磁性目标探测方法研究

张庆辉,杨 成,张天序

(1. 武汉工程大学电气信息学院,湖北 武汉 430205;2. 华中科技大学图像识别与人工智能研究所,湖北 武汉 430070)

1 引言

由于科学技术的快速发展,世界各国建立了分布广泛的高压电网,支撑人类创造巨大的物质文明。同时也带来了一个充满人造工频电磁辐射的环境,对生态环境、地球的近地空间包括电离层产生了越来越大的影响。因此需要对高压电网产生的工频电磁场的传播方式及其空间分布规律展开科学研究。

广泛分布在世界各地的低/中/高压交流输/配/用电网络会在整个空间中产生工频电磁场,相当于一个规模庞大的工频电磁场辐射源,向空气、地下和海水中传播频率为50/60Hz电磁场。由于超低频/极低频在海水中衰减较小,工频电磁场可穿透海水并作用于铁磁性障碍物,使其周围空间中的背景工频电磁场分布情况发生变化,在局部产生了叠加在背景工频电磁场上的二次感应电磁场的异常电磁信号,该异常信号可在一定范围内的水下或空气介质中被电磁探测器捕捉到。因此,可以充分利用现有的工频电磁场发射源实现对水下铁磁性目标的探测。

目前世界上还没有公开发表过利用工频电磁场探测水下铁磁性目标的研究。本文利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件模拟工频电磁场传播特性和工频电磁场与铁磁性目标相互作用后工频电磁场变化情况以及工频电磁场对铁磁性目标的集肤效应。

2 工频电磁场传播

2.1 工频电磁场产生机理

工频电场、磁场是一种静态场,由50/60Hz交流电网产生。电场的大小用电场强度来描述,磁场大小用磁感应强度来描述。如下图所示,在两条相距d的导线上施加电压U,则导线之间存在电场E;导线中通过电流I,则导体周围就存在磁场H。

图1 电磁场的产生原理

麦克斯韦方程组是表示场结构的定律,说明了带电体电场和磁场彼此之间相互联系和相互制约的规律。对于任意频段的电磁场而言,其传输方程均满足麦克斯韦方程组

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其中,H为磁场强度矢量,E为电场强度矢量,B为磁感应强度矢量,D为电位移矢量,J为传导电流密度,ρ为空间电荷密度

在电磁场理论中提到的辅助方程是表示场与介质的关系的,称为介质的特征方程,一般为

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其中,σ、ε、μ分别为介质的电导率、介电常数和导磁系数。

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2.2 磁偶极子工频电磁场理论模型

输电网是将发电厂的电能通过升降压变压器和电压较高的输电线路输送到用电区域,或在几个不同区域电网间互通能量,形成互联电网。由于输电线路结构十分复杂,考虑将整个输电网按区域分为若干个大型输电网络,形成分布式结构。每个大型输电网络又可按更小的区域分为若干个中型或小型子网络。两个变压器之间的输电线和地线以及对地的镜像组成了闭合的“环路”,可将其等效为一个磁偶极子。

图2 水平天线及其镜像

2.3 磁偶极子工频电磁场空间传播

利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,建立简单输电线路的磁偶极子空间电磁场计算模型。在该仿真软件中,输电线路默认接地,即可与大地形成电流回路,等效于磁偶极子。输电线路设置为典型的1000kV,1kA的正弦交流电。在1km×1km×0.6km范围内建立仿真模型模型,其中上方为空气层,下方为陆地层。空气的电磁参数为:εr=1,μr=1,σ=0S/m,空气的电磁参数为:ε=30,μr=1,σ=1.5S/m,ε为介电常数,μr为磁导率,σ为电导率,输电线路位于空间域的中心轴,输电线长度为500m,仿真模型如图3所示。

图3 简单输电线路仿真模型

仿真计算得到该输电线路在空间中产生的工频电磁场,截取导线正上方10m的平面,绘制该平面上的工频电磁场等值线图,如图4所示。从图中可以看出,电场等值线图在yoz面像数值0,磁场等值线图在xoz面像数值8,与磁偶极子产生的电磁场在空间中传播规律一致,可推断出输电线路可等效为磁偶极子模型。

图4 工频电磁场等值线图

仿真计算得到该输电线路在空间中产生的工频电磁场,截取导线正上方10m的平面,绘制该平面上的工频电磁场切面图,如图5所示。从图中可以看出在导线的两端其电场强度最大,而在导线周围磁感应强度最大。

图5 工频电磁场切面图

为了分析传输导线产生的电磁场矢量方向,绘制工频电磁场流线图,如图6所示,电场矢量主要分布在x-o-y平面,磁场矢量主要分布在 y-o-z平面,电场矢量和磁场矢量相互垂直,仿真结果符合电磁场的传播规律。

图6 工频电磁场流线图

3 模型的建立与求解

3.1 空间传播模型的建立

通常,辐射源在空气中产生电磁波的传播模型为3层模型结构即空气层、海水层、海底层,具体各介质层电磁参数具体如表1所示。

表1 脉搏波的主频率和imfs的中心频率

为简化传输模型,将分布式输电网络等效为一条500m的输电线路,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,建立简单的输电回路空间电磁场计算模型。输电线路设置为典型的1kA的50Hz正弦交流电。如图7所示,最上层介质层为空气层,输电线路位于图中所示。中间为海水层,最下层为海底层。

图7 输电线路仿真空间模型

3.3 工频电磁场与铁磁性物体相互作用机理

当导体暴露在时变电磁场中时,导体中将产生感应电流。感应电流产生的磁场会改变导体内部的电流分布,最终导致感应电流集中在导体表面,这种现象就是集肤效应。

考虑电磁波正入射进入导体的情况:γx=αx+jβx=0,即αx=βx=0,电磁波的波矢仅有z方向分量

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(6)

(7)

本文重点研究水下铁磁性目标在工频电磁场的作用下引起的电磁异常信号。水下目标为空心椭球体,长100m,外壳半径10m,壳厚1m,水深50m。外壳材料的电磁参数设置为σ=1.12×107[S/m],μr=500,ε=1。其中σ为电导率,μr为磁导率,ε为介电常数。如下图8所示。绿色介质为空心目标的空气介质,下方蓝色介质为目标铁磁性外壳。

图8 水下铁磁性模型

4 仿真结果分析

将目标放在距离输电线路约1200m处,仿真分析铁磁性目标与工频电磁场相互作用后距离目标高度20m处、长度为400m水平方向的工频电磁场变化情况。

图9a时没有目标时工频磁场变化情况,b是与铁磁性目标相互作用后,工频磁场变化情况,可以清晰的看出,在目标所在位置磁场增加到79pT,与背景场有明显差异。图10a时没有目标时工频电场变化情况,b是与铁磁性目标相互作用后,工频电场变化情况,可以清晰的看出,在目标所在位置电场减少到0.58μV/m,与背景场有明显差异。

图9 有无目标时磁场变化图

图10 有无目标时电场变化图

为了进行了解工频电磁场的集肤效应,绘制水下目标所在位置处,垂直方向的工频电磁场变化情况。从图11可以看出,当工频电磁场传播到铁磁性目标时,因集肤效应和涡流的原因,工频磁场相较于背景场会明显增加,传播到目标表面时到达极值。表明当工频电磁场遇到铁磁性目标时会大量聚集在目标表面。

图11 有无目标时磁场变化图

5 结论

本文提出了利用工频电磁场探测铁磁性目标方法,对输电网络在空间中传播与铁磁性目标相互作用进行了建模和分析。通过仿真研究了工频电磁场与铁磁性目标相互作用后,可产生局部电磁场信号,同时研究了铁磁性目标的肌肤效应,表明当工频电磁场遇到铁磁性目标时可在表面聚集,产生较为强烈的工频异常信号。结果表明:工频电磁场会对铁磁性目标相互作用,因其集肤效应和涡流,可产生明显异于背景场的畸变信号。为后续使用分布式输电网络进行目标探测提供了理论基础。

因构建实际输电网络工作量太大,所以使用一根输电线路进行仿真分析,目标信号相对较弱,模型有待完善。本文今后可对分布式输电网络进行扩充与模型优化,进一步研究工频电磁场探测铁磁性目标的研究。