一种塔基下采空区电磁检测方法技术

一种塔基下采空区电磁检测方法，利用金属材质电力杆塔自身的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中；通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，把地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况；所述的检测方法利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对电场分布变化自相关函数的提取和干扰压制。本发明专利技术可以满足电力巡检领域塔基下采空区检测的要求。

An Electromagnetic Detection Method for Goaf under Tower Foundation

An electromagnetic detection method for goaf under tower foundation is introduced, which takes advantage of the electrical conductivity of the metal power tower itself and injects the coded excitation signal into the earth as a sensor. The change of electric field distribution on the ground is detected by the detection sensor which centers around the power tower and the coded excitation signal on the ground is processed. According to the influence of goaf on electric field distribution, the location, scope and water distribution of goaf are inversely calculated. The detection method utilizes the autocorrelation characteristics of excitation signal and the cross correlation characteristics of power frequency interference, random electromagnetic interference and excitation signal to extract and suppress the autocorrelation function of electric field distribution variation. The invention can meet the requirements of detection of goaf under tower foundation in the field of Electric Power Patrol inspection.

【技术实现步骤摘要】
一种塔基下采空区电磁检测方法
本专利技术涉及一种采空区电磁检测方法，特别涉及一种用于电力巡检领域的电力杆塔塔基下采空区的电磁检测方法。
技术介绍
随着国家电网的发展，输电线路铺设的范围越来越大，不可避免的穿越一些矿藏、矿产区。地下矿藏、矿产的开采，会在原矿区域形成采空区。国家计划内开采形成的采空区在后期会进行回填等操作，使其不会对地面上的地形地貌形成影响。而一些非法私自开采形成的采空区则不会采取回填措施，极易引起地面塌陷、移位，对地面上的电力设施形成冲击，使电力杆塔倾斜、折断，影响电网的安全运行，造成巨大的经济损失。因而，开展相应的塔基下采空区检测技术研究意义重大。目前现有的采空区检测方法主要有：电阻率法、瞬变电磁法、可控源大地电磁法、地震法、地质雷达法、放射性元素法等。在这些方法中，放射性元素法是一种钻探方法，成本很高，不适合塔基下巡检的采空区检测使用。地质雷达法探测深度较浅，一般不超过60m，且在高电磁干扰的电力杆塔下存在电磁探测盲区。地震法高振源检测成本高，也极易引发地面塌陷，低震源检测分辨率低，也不适合塔基下采空区检测。可控源大地电磁法存在静态效应和近场效应，需远区测量。瞬变电磁法存在浅层探测盲区。电阻率法检测效率低，且对地形条件要求比较高，探测深度相对较浅。综上所述，以上方法大多应用于野外平坦广阔区域，是采空区检测常用的方法，单将这些方法应用在输电线路下的采空区检测还存在一些问题。输电线路中存在着高压电力杆塔，高压电力杆塔采用的材料多是铁磁性材料，在采空区检测中，电力杆塔会影响检测采空区时激励的电磁场分布，进而使采集的检测数据出现误差，影响最终的采空区检测结果。这个影响是目前输电线路下采空区检测方法中并未考虑的问题，也鲜有文献对此问题进行过分析。如何克服铁磁性电力杆塔对塔基下采空区检测的影响是目前研究的一个难点。塔基下采空区对塔基的影响遵循一定规律，如距离电力杆塔越近的采空区对塔基影响越大，距离电力杆塔越远的采空区影响越小。塔基正向方一个很小的采空区造成地面轻微的下陷也极可能造成杆塔倾斜，引发电力事故；距离电力杆塔较远的地下大采空区引起的沉降波及不到塔基也不会对电力输送造成影响。因此，在塔基下采空区检测中，对电力杆塔距离较近的区域检测需要较为精细，较远区域检测则可以相对粗糙一些。目前现有采空区检测手段在传感器布置时大多采用统一极距，条状或方形排列，其检测布置方式造成检测数据量大，效率较低，不适合电力巡检使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有方法的上述缺点，提出一种塔基下采空区电磁检测方法。本专利技术可以满足电力巡检领域塔基下采空区检测的要求。本专利技术塔基下采空区电磁检测方法是利用金属材质电力杆塔自身的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中。通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，并将所述的地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况。本专利技术利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制。本专利技术方法使用的激励信号为特定的相关性良好的编码信号，编码信号的自相关函数是一个冲激函数，互相关函数与自相关函数的最大值相比是一个极小值，可认为是0。为了减小电力杆塔对激励信号的影响，所用激励编码信号的频率选择较低的频率，一般在50Hz以下。所述检测传感器以激励的电力杆塔为中心，在其四周的地面上呈放射状分布。与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上。圆周方向上传感器之间的距离随着与电力杆塔距离的增加而增大。所述检测传感器检测由激励编码信号引起的地面电场分布变化，地面电场分布变化随激励信号的改变而呈现出编码规律。同时由于外界电力环境的干扰，检测的地面电场分布变化中含有工频干扰和杂散随机的电磁干扰。将检测的地面电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理。激励信号有良好自相关特性，工频干扰和随机电磁干扰与激励信号的互相关特性接近于0，本专利技术利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对激励信号自相关函数及大地电阻率信息的提取和干扰压制，提高检测信噪比，有利于后期数据处理与图像重建。本专利技术所述塔基下采空区电磁检测方法在采空区反演重建时，依据检测传感器放射状排布情况，利用放射线上检测传感器检测的数据首先进行放射断面重建，再根据检测传感器的排布顺序和距离、角度等参数对各个重建断面进行三维插值拟合，最终形成三维塔基下地下介质分布图像。本专利技术所述方法的具体实施步骤如下：1)首先将激励系统与金属材质电力杆塔相连，检测传感器以电力杆塔为中心，呈放射状布置在电力杆塔四周的地面，与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上，检测传感器数量为N，N为正整数，对检测传感器编号，记录检测传感器的编号a，位置s及系统响应函数r(t)，t为激励时间，同时记录检测传感器与电力杆塔之间的距离L，以及以电力杆塔为中心的圆周角度θ，设m，n分别为与电力杆塔距离不等且圆周角度相同的检测传感器的编号，m＝1,2…N，n＝1,2…N，m≠n，根据检测传感器位置和距离信息计算得到与反演计算相关的装置系数Kmn，如下式所示：式中，Lm为编号m的检测传感器与电力杆塔之间的距离，Ln为编号n的检测传感器与电力杆塔之间的距离，Kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数；2)将激励的编码信号x(t)施加到与大地相连的电力杆塔上，t为激励时间，由电力杆塔注入到大地中，在激励时同时对编码信号进行全波形采集；3)在激励开通的同时，通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器同步检测地面上的电场分布变化y(t)，进行全波形记录，记录的数据中含有大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)，如下式所示：y(t)＝x(t)*e(t)*r(t)+NS(t)式中，NS(t)为外界电力环境中的噪声干扰，t为激励时间；4)将记录的电场分布变化y(t)与采集的编码信号x(t)进行相关算法计算，依据信号的相关性得到包含编码信号的自相关函数、大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)的卷积结果，滤除外界电磁干扰；式中，★为相关运算符号，y(t)为电场分布变化，x(t)为编码信号，e(t)为大地系统函数，r(t)为检测传感器系统响应函数，为电场分布变化y(t)与编码信号x(t)的相关计算函数，为编码信号x(t)的自相关函数，t为激励时间；5)将卷积结果利用时频变换转换到频率域，与频率域的编码信号自相关函数及检测传感器系统响应函数r(ω)相除，扣除装置系数带来的影响，得到检测传感器之间的大地视电阻率函数ρe(ω)，计算公式如下：式中，ω为角频率坐标，ρe(ω)为频率域的大地视电阻率函数，Kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数，为电场分布变化y(t)与编码信号x(t)的相关计算函数在频率域的表达式，为编码信号x(t)自相关函数在频率域的表达式，r(ω)为检测传感器系统响应函数在频率域的表达式，t为激励时间；6)利用检测传感器位置和距离信息，将大地视电阻率函数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塔基下采空区电磁检测方法，其特征在于：所述的检测方法利用金属材质电力杆塔的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中；通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，把地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况；所述的检测方法利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制。

【技术特征摘要】
1.一种塔基下采空区电磁检测方法，其特征在于：所述的检测方法利用金属材质电力杆塔的导电特性，将金属材质电力杆塔作为传感器，把激励的编码信号注入到大地中；通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器检测地面上的电场分布变化，把地面的电场分布变化与激励的编码信号进行相关算法处理，根据采空区对电场分布的影响，反演计算采空区在地下的位置、范围大小及其赋水情况；所述的检测方法利用激励信号自相关特性，以及工频干扰和随机电磁干扰与激励信号互相关特性，实现对大地电阻率信息的提取和干扰压制。2.按照权利要求1所述的塔基下采空区电磁检测方法，其特征在于：所述激励信号的编码信号的自相关函数是一个冲激函数，互相关函数与自相关函数最大值相比是一个极小值，激励编码信号的频率在50Hz以下。3.按照权利要求1所述的塔基下采空区电磁检测方法，其特征在于：所述检测方法的步骤如下：1)首先将激励系统与金属材质电力杆塔相连，检测传感器以电力杆塔为中心，呈放射状布置在电力杆塔四周的地面，与电力杆塔距离相等的检测传感器均匀分布在以电力杆塔为圆心的圆周方向上，检测传感器数量为N，N为正整数，对检测传感器编号，记录检测传感器的编号a，位置s及系统响应函数r(t)，t为激励时间，同时记录检测传感器与电力杆塔之间的距离L，以及以电力杆塔为中心的圆周角度θ，设m，n分别为与电力杆塔距离不等且圆周角度相同的检测传感器的编号，m＝1,2…N，n＝1,2…N，m≠n，根据检测传感器位置和距离信息计算得到与反演计算相关的装置系数Kmn，如下式所示：式中，Lm为编号m的检测传感器与电力杆塔之间的距离，Ln为编号n的检测传感器与电力杆塔之间的距离，Kmn为编号m的检测传感器和编号n的检测传感器之间的装置系数；2)将激励的编码信号x(t)施加到与大地相连的电力杆塔上，t为激励时间，由电力杆塔注入到大地中，在激励时同时对编码信号进行全波形采集；3)在激励开通的同时，通过以电力杆塔为中心环绕分布的检测传感器同步检测地面上的电场分布变化y(t)，进行全波形记录，记录的数据中含有大地系统函数e(t)与检测传感器系统响应函数r(t)，如下式所示：y(t)＝x(t)*e(t)*r(t)+NS(t)式中，NS(t)为外界电...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨虹，田贇，张来福，李士强，刘国强，李艳红，
申请(专利权)人：国网山西省电力公司电力科学研究院，中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：山西,14