劉 洋

(華北電力大學(xué)數(shù)理學(xué)院,河北保定071003)

1 引 言

在電力系統(tǒng)中,接地網(wǎng)是變電站安全運(yùn)行的重要保證,對(duì)保護(hù)站內(nèi)工作人員的人身安全和各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要,其接地性能一直受到生產(chǎn)運(yùn)行部門的重視.接地網(wǎng)的工頻接地參數(shù)和設(shè)計(jì)問題受到廣泛關(guān)注[1-8].然而,對(duì)于鋼質(zhì)材料的接地網(wǎng),在我國(guó)多雨和沿海地區(qū),隨著使用年限的增加,易發(fā)生腐蝕,可能使接地導(dǎo)體變細(xì)甚至斷裂,破壞接地網(wǎng)的原有結(jié)構(gòu),降低接地網(wǎng)的接地性能,當(dāng)系統(tǒng)遭受雷擊或發(fā)生短路故障時(shí)可能造成事故擴(kuò)大,危及設(shè)備和工作人員的人身安全.近年來,查找接地網(wǎng)的缺陷部位成為電力部門一項(xiàng)重大的反事故措施.在對(duì)年限較久的變電站接地網(wǎng)進(jìn)行診斷時(shí),有時(shí)會(huì)遇到接地網(wǎng)圖紙數(shù)據(jù)丟失,或出現(xiàn)接地網(wǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)與圖紙存在較大誤差的情況.本文通過磁場(chǎng)檢測(cè)方法,研究在沒有接地網(wǎng)圖紙的情況下,如何準(zhǔn)確判定地下接地網(wǎng)的位置和結(jié)構(gòu)的方法,及通過測(cè)量地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,如何確定接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的具體步驟.利用電磁學(xué)的基本原理,研究接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的判斷方法,使得物理知識(shí)的學(xué)習(xí)靈活扎實(shí),使學(xué)生對(duì)物理的興趣得以培養(yǎng),科學(xué)探索方法得以引導(dǎo).

2 基本原理和判斷方法

2.1 基本原理

接地網(wǎng)通常埋于地下0.6～1 m,采用網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu),如圖1所示.

圖1 激勵(lì)電流的注入

由于接地網(wǎng)埋于地下,常常在不挖開的情況下,通過無損檢測(cè)的方法診斷斷裂部位[9-12].圖1中,首先通過地表與接地網(wǎng)的引線直接注入激勵(lì)電流,然后用探測(cè)線圈探測(cè)地表的磁場(chǎng).為了研究方便,以圖2所示的模型為例分析其診斷原理.在圖2中,當(dāng)點(diǎn) E(10,0)處注入激勵(lì)電流,并從點(diǎn)F(10,30)處抽出時(shí),忽略土壤漏電流的影響,依據(jù)電路和網(wǎng)絡(luò)理論,利用基爾霍夫節(jié)點(diǎn)或環(huán)路電流定律可以求得各段網(wǎng)格導(dǎo)體中的支路電流和流向[13].

式中左側(cè)是一個(gè)系數(shù)矩陣,Ilk為各支路電流,Isk為激勵(lì)電流.

根據(jù)畢奧-薩法爾定律,任一支路電流在地表場(chǎng)點(diǎn)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度可按下式計(jì)算

圖2 接地網(wǎng)模型

式中Blk為支路電流在地表場(chǎng)點(diǎn)激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,r為激勵(lì)元電流源點(diǎn)與地表場(chǎng)點(diǎn)間的位置矢量.再利用矢量的疊加與分解原理即可以獲得地表任一場(chǎng)點(diǎn)的總磁感應(yīng)強(qiáng)度及其分量.

診斷方法的基本思路是通過對(duì)變電站接地網(wǎng)的2根上引線向接地網(wǎng)直接注入異頻正弦波電流,基于電磁感應(yīng)原理,利用磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)接地網(wǎng)導(dǎo)體支路電流在地表面上激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度,依據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布特征和變化規(guī)律確定接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格導(dǎo)體的缺陷狀態(tài).

2.2 仿真計(jì)算

為了判定接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和缺陷,通過仿真計(jì)算來說明具體的判斷方法和原理.直接應(yīng)用課題組開發(fā)的接地網(wǎng)接地性能分析軟件[11],對(duì)所述診斷方法進(jìn)行可行性分析和可靠性檢驗(yàn).圖3為計(jì)算分析模型,假設(shè) x,y方向分別有11根接地導(dǎo)體,每根導(dǎo)體長(zhǎng)100 m、直徑12 mm.計(jì)算時(shí)將每根導(dǎo)體分為10段、每段10 m,接地導(dǎo)體電阻率為1.78×10-7Ω·m,相對(duì)磁導(dǎo)率為200,接地網(wǎng)埋深0.8 m;土壤水平分為2層,第一層厚5 m,土壤電阻率為8 0Ω·m,第二層土壤電阻率為200Ω·m.

圖3 接地網(wǎng)仿真計(jì)算模型

仿真計(jì)算如下進(jìn)行,首先從圖3中 P(50,0)點(diǎn)處注入10 A,380 Hz的正弦波電流,從 Q(50,100)點(diǎn)抽出.計(jì)算結(jié)果以地表面上沿 x=40 m和y=60 m兩個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分量Bx的分布為例,如圖4所示.

從圖4結(jié)果看,Bx分布具有一定的規(guī)律性:1)靠近電流注入與抽出點(diǎn)的地表鄰近區(qū)域,Bx的值較大;2)垂直于 PQ段導(dǎo)體電流方向的導(dǎo)體地表面Bx分布呈現(xiàn)波浪式變化,且每根導(dǎo)體上方對(duì)應(yīng)出現(xiàn)一個(gè)峰值;3)平行于 PQ段導(dǎo)體電流方向的導(dǎo)體地表面Bx的變化較平緩,正常情況下,一般不存在突變和明顯跌落的現(xiàn)象.

圖4 磁感強(qiáng)度分量Bx的分布

2.3 判斷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的判據(jù)和步驟

在接地網(wǎng)圖紙未知的情況下,通過地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分量的有限測(cè)量,依據(jù)垂直于接地網(wǎng)導(dǎo)體電流方向,每個(gè)峰值下方將有1根導(dǎo)體存在的規(guī)律,尋找接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu).向接地網(wǎng)注入電流后,分別沿 x和y方向測(cè)量接地網(wǎng)地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布,并記下每個(gè)方向上出現(xiàn)峰值的位置,根據(jù)分布規(guī)律可以反推出地下接地網(wǎng)有無導(dǎo)體以及導(dǎo)體的走向,從而確立接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu).判斷方法按以下4個(gè)步驟進(jìn)行:

1)利用地表面已有的下引導(dǎo)體線,向接地網(wǎng)注入電流.

2)以電流注入點(diǎn)為原點(diǎn)構(gòu)建直角坐標(biāo)系.

3)分別沿 x和y方向測(cè)量地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度,并同時(shí)記錄出現(xiàn)峰值的位置坐標(biāo).

4)依據(jù)測(cè)量結(jié)果,根據(jù)峰值坐標(biāo)反推接地網(wǎng)結(jié)構(gòu),并繪制出接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖.

3 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)判斷實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)判斷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)方法的有效性,進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)是在華北電力大學(xué)二校區(qū)試驗(yàn)接地網(wǎng)上進(jìn)行的.通過現(xiàn)有2根上引導(dǎo)體注入300 Hz正弦波電流,地表回流線長(zhǎng)度100 m.調(diào)整電流源的輸出電流和接收測(cè)量系統(tǒng)的增益,觀察輸出波形,在能夠分辨信號(hào)且不失真的情況下,實(shí)施測(cè)量.以電流注入點(diǎn)為原點(diǎn),建立坐標(biāo)系如圖5所示.分別隨機(jī)按圖5中 x=10 m,x=25 m和 y=10 m,y=20 m處,利用測(cè)量小車裝載的測(cè)量系統(tǒng),在接地網(wǎng)地表面進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度分量的測(cè)量,同時(shí)記錄位置坐標(biāo).由于垂直于導(dǎo)體支路電流方向上的地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng),測(cè)量中主要針對(duì)這一分量進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量得到的 x和y位置坐標(biāo)及磁感應(yīng)強(qiáng)度分量值如圖6所示.

圖5 按注入點(diǎn)建立的坐標(biāo)系

因?yàn)榈乇砻婷總€(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度分量峰值對(duì)應(yīng)埋入地下的1條接地網(wǎng)導(dǎo)體,根據(jù)圖6(a)可判斷,在圖5坐標(biāo)系中,對(duì)應(yīng) y=0,6,12,18,24,30 m處存在沿 y方向分布的接地網(wǎng)導(dǎo)體.根據(jù)圖6(b)可以判斷,在圖5坐標(biāo)系中,對(duì)應(yīng) x=0,6,12,18,24,30 m處存在沿 x方向分布的接地網(wǎng)導(dǎo)體.據(jù)此,可以在圖5中,以原點(diǎn) O(0,0)為起點(diǎn),分別繪出沿 x和y方向的導(dǎo)體線,可得到如圖7(a)所示的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖.為了驗(yàn)證判斷結(jié)果的正確性,把判斷出的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)與實(shí)際鋪設(shè)情況進(jìn)行比較.接地網(wǎng)實(shí)際鋪設(shè)情況如圖7(b)所示,二者基本相符,證實(shí)了通過測(cè)量地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布推斷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方法是可行的.

圖7 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

為使學(xué)生更好地理解和掌握電磁學(xué)的有關(guān)概念和規(guī)律,體現(xiàn)如何應(yīng)用物理理論來分析和解決工程問題,把實(shí)際問題抽象成物理模型,利用物理原理進(jìn)行分析研究.教學(xué)科研相結(jié)合,通過變電站接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)判斷實(shí)驗(yàn),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,激發(fā)了他們的求知欲,符合綜合素質(zhì)培養(yǎng)的教學(xué)原則.

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