劉 洋 江明亮 崔 翔

（1.華北電力大學數(shù)理學院 保定 071003 2.華北電力大學電氣與電子工程學院 保定 071003）

1 引言

接地網(wǎng)是變電站安全運行的重要措施，變電站內(nèi)的各種電氣設備都通過下引線與接地網(wǎng)連接，接地網(wǎng)既是變電站正常運行的工作需要，也為站內(nèi)的各種電氣設備提供了一個公共的參考地，在電力系統(tǒng)短路故障或遭受雷擊時能夠快速泄放故障電流，降低變電站內(nèi)的地電位升，保護站內(nèi)工作人員的人身安全和各種電氣設備的安全。

變電站的接地裝置多采用網(wǎng)格狀的接地體，常以鋼質(zhì)材料或銅質(zhì)材料等焊接成網(wǎng)格，網(wǎng)格導體埋于地下的深度一般在0.8m左右，以便實現(xiàn)均壓、散流和減小接地電阻的作用，根據(jù)需要在不同的網(wǎng)格導體處有接地導體與地面的電氣設備相連接。埋入地下的接地網(wǎng)，隨著使用年限的增加，因焊接或腐蝕等原因可能使接地導體變細甚至斷裂，破壞其原來的設計結(jié)構(gòu)，降低接地性能，甚至喪失保護功能，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成安全隱患。因此查找接地網(wǎng)導體的斷點，診斷導體的腐蝕狀態(tài)受到許多學者的重視[1-4]。

在進行接地網(wǎng)狀態(tài)檢測和安全性能評估時，一般都需要接地網(wǎng)的精準圖紙[5-11]，然而，在實際工程中，對于運行年限較久的接地網(wǎng)或經(jīng)過改擴建后的接地網(wǎng)，有時會遇到接地網(wǎng)圖紙缺失、缺損，接地網(wǎng)圖紙與實際鋪設存在較大偏差等情況，給接地網(wǎng)狀態(tài)檢測和缺陷診斷帶來較大困難。采用磁場檢測方法不需要接地網(wǎng)圖紙[12,13]，還可以解決上述難題。本文通過接地網(wǎng)的兩條上引導體向接地網(wǎng)直接注入特定頻率的正弦波電流，然后測量接地網(wǎng)支路導體電流在接地網(wǎng)地表面激發(fā)的磁感應強度分布，根據(jù)分布特征和規(guī)律即可判斷地下導體的位置以及接地網(wǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為接地網(wǎng)的狀態(tài)檢測和安全性能評估奠定基礎。仿真計算論證了探測方法的可行性，設計開發(fā)了探測系統(tǒng)，實驗與應用結(jié)果證實了方法的正確性以及系統(tǒng)的可靠性。

2 仿真計算

2.1 仿真計算軟件

變電站接地網(wǎng)的電磁場數(shù)值計算方法及計算軟件已較為成熟[14-17]，課題組開發(fā)了接地網(wǎng)性能分析軟件，其有效性已得到充分的驗證[18]。該軟件可以分析土壤結(jié)構(gòu)、接地網(wǎng)接地性能，可以計算各頻率點下的接地阻抗、各段導體上的軸向電流、漏電流、中點電位值、任意平面上的電位分布、各方向的電場分布、磁感應強度分布以及跨步電壓和接觸電動勢。

2.2 仿真計算

為了尋求接地網(wǎng)導體位置及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的探測方法，以圖1所示的某220kV變電站接地網(wǎng)為例進行仿真計算，該接地網(wǎng)x、y方向分別有9根和10根網(wǎng)格導體，接地網(wǎng)埋深0.8m。假設從圖1中可觸及上引導體點M（0m, 59m）處向接地網(wǎng)注入 10A、300Hz的正弦波信號，從點N（191m, 64m）處通過地表面回流線抽出。流經(jīng)接地網(wǎng)網(wǎng)格導體各支路的電流將在地表面激發(fā)產(chǎn)生300Hz的交變磁場，以沿x=66m地表面磁感應強度分量By的幅值分布為例，其分布特征如圖2所示。

圖1 某220kV變電站接地網(wǎng)Fig.1 Grounding grids of a 220kV substation

圖2 地表面磁感應強度分量分布Fig.2 The distributions of the magnetic induction intensity on the ground surface

從圖2的仿真計算結(jié)果看，本例中有地下導體處對應地表面磁感應強度分量幅值約在 150～320nT之間；地下無導體處對應地表面磁感應強度分量幅值約在 10nT以下，二者絕對差值明顯，大于100nT。

地表面磁感應強度分布具有如下規(guī)律：垂直于網(wǎng)格導體支路電流方向的地表面磁感應強度分量分布呈現(xiàn)波浪式變化，y方向每根導體上方對應出現(xiàn)一個峰值。亦即，每個峰值對應的地下方將有一根導體存在，依此即可判斷接地網(wǎng)地下y方向?qū)w的位置，同理也可以判斷出埋入地下的x方向?qū)w位置，進而得到整個接地網(wǎng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

3 探測系統(tǒng)

探測系統(tǒng)由信號發(fā)射機（特種電流源）和信號接收機組成。信號接收機包括測距電路、探測線圈、信號調(diào)理電路、采集卡和筆記本監(jiān)測終端組成的探測小車以及信號采集分析軟件系統(tǒng)。

3.1 電流頻率和電流強度的選取原則

整個探測系統(tǒng)的工作電流頻率和電流強度的選取原則如下。

3.1.1 電流頻率

由仿真計算可知[19]，由于接地網(wǎng)分布參數(shù)及土壤等因素的影響，在相同的電流強度下，當電流信號頻率達到1.5kHz以上時，地表面磁感應強度隨電流信號頻率的增加而迅速下降。為了提高信號接收機的抗干擾能力，又要避開工頻及其奇次諧波點。另外，電流信號頻率越高，電流源輸出足夠強的電流就越困難。結(jié)合以上分析，通過實驗確定了電流頻率選擇300Hz或400Hz[20]。

3.1.2 電流強度

注入接地網(wǎng)的電流強度越大，其在地表面激發(fā)的磁感應強度越強，易于信號的檢測，但這對電流源在工作頻點上的輸出電流能力提出了較高的要求。只要地表面的磁感應強度信號能夠被識別，就可以通過調(diào)整接收機的增益來測量并提取信號。電流強度過大會對接地網(wǎng)系統(tǒng)以及操作人員的安全帶來不利影響。通過現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn) 5～30A的電流強度可以滿足實際探測的需要[21]。為留有一定的裕量，確定電流強度在0～50A的范圍內(nèi)。

3.2 電流源

在接地網(wǎng)的磁場方法檢測中，需要正弦波恒流源，要求其工作頻率可以在幾百赫茲內(nèi)調(diào)節(jié)，輸出電流可以在幾十安培范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足接地網(wǎng)的低阻抗負載。基于高頻脈寬調(diào)制（SPWM）和逆變功率推動技術（IGBT）的特種電源可以滿足以上要求，其原理框圖如圖3所示。主要工作參數(shù)如下：純正弦波輸出，頻率在200～600Hz內(nèi)連續(xù)可調(diào)，負載在0～5Ω范圍內(nèi)，輸出電流在1～50A內(nèi)可調(diào)。

圖3 恒流源原理框圖Fig.3 Principle frame of constant current power

3.3 微弱磁感應強度測量系統(tǒng)

3.3.1 測量系統(tǒng)

微弱磁感應強度測量系統(tǒng)的設計要求需滿足下述條件：①在變電站復雜電磁環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)微弱磁感應強度信號（nT級）的有效測量；②在測量磁感應強度信號的過程中，能同步測量記錄相應的位置信息；③測量系統(tǒng)的精度和靈敏度能滿足接地網(wǎng)探測的工程需要。

整個測量系統(tǒng)安裝在一個雙輪小推車上，可以方便地在變電站內(nèi)進行移動掃描測量，如圖4所示。探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

在探測小車的其中一個車輪上安裝干簧管開關，小車輪圓周長為1.5m。每前進一周，干簧管開關吸合5次，觸發(fā)脈沖電路發(fā)出5個測距脈沖，觸發(fā)采集卡采集測量磁感應強度信號，以實現(xiàn)位置信息的同步測量。

探測線圈是在一個長 20cm、寬 5cm的矩形骨架上，利用直徑 0.35mm的漆包線雙線并繞 2 000匝制成的，用于將磁感應強度信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘妷盒盘枴７糯箅娐酚糜诜糯笮盘柡妥杩蛊ヅ?，濾波器采用機械帶通濾波器，中心頻率設置為300Hz。

圖4 探測小車的使用方法Fig.4 Using method of the detecting wheelbarrow

圖5 探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structure frame of the detecting system

3.3.2 測量系統(tǒng)精度及靈敏度分析

測量系統(tǒng)信號調(diào)理電路的總增益可在 10～1 000范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。為檢測測量系統(tǒng)的靈敏度，在水平地面上，在一半徑r為 5m的圓環(huán)形回路上施加激勵電流，將探測線圈置于圓環(huán)中心，接上檢測系統(tǒng)，監(jiān)視系統(tǒng)的輸出信號。

設圓環(huán)形回路中激勵電流為

則探測線圈處的磁感應強度近似為

系統(tǒng)輸出電壓為[19]

式中，f為信號頻率；N為線圈匝數(shù)；S為線圈截面積；A為電路總增益；Bm為磁感應強度幅值。

設定f=300Hz，測量系統(tǒng)的總增益調(diào)至A=50，經(jīng)實驗測試發(fā)現(xiàn)，當i有效值約為66mA時，系統(tǒng)能夠有效檢測的最小輸出電壓信號峰值約為105mV，此時通過式（2）和式（3）推算出的B幅值分別約為 11.8nT、12.1nT，二者比較吻合；而當i≈2.65A時，輸出最大不失真電壓信號峰值約為4V，B≈471.8nT。i變化±250mA 時，B變化±50nT，輸出電壓信號變化±400mV。從上述實驗結(jié)果看，系統(tǒng)的有效檢測范圍約在 12～470nT，與 2.2節(jié)的仿真計算結(jié)果相比，測量系統(tǒng)的精度和分辨能力能夠滿足接地網(wǎng)網(wǎng)格導體和結(jié)構(gòu)探測的需要。

3.4 軟件系統(tǒng)

3.4.1 探測方法與步驟

確定電流的注入與抽出點，根據(jù) 2.2節(jié)的仿真計算結(jié)果，為便于網(wǎng)格導體的探測，在探測南北方向?qū)w時，盡可能沿東西方向選擇兩個地表可觸及的下引導體線，然后從注入點向接地網(wǎng)注入電流，利用地表回流線從抽出點引回電流源。調(diào)整電流強度和接收機增益，觀察采集到的信號波形，以信號能夠被識別且不產(chǎn)生失真為宜。對于較大的接地網(wǎng)可以采用分片探測的方式進行。線圈平面平行于電流方向，利用移動式接收機進行掃描測量，同時記錄磁感應強度和位置信息數(shù)據(jù)。

根據(jù)地表面磁感應強度出現(xiàn)峰值的位置坐標，確定南北方向?qū)w的分布。改變電流注入與抽出點的位置，同樣方法探測東西方向?qū)w的分布。

以電流注入和抽出點作為參考點，建立平面直角坐標系，繪制接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，輸出探測結(jié)果。

3.4.2 系統(tǒng)軟件

變電站接地網(wǎng)導體和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)探測系統(tǒng)軟件是基于Labview平臺開發(fā)的，其程序框圖如圖6所示。實現(xiàn)了磁感應強度信號和測距定位信息數(shù)據(jù)的同步采集、存儲和分析。

圖6 程序框圖Fig.6 Program flow chart

4 模擬實驗與工程應用

4.1 導體與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)探測模擬實驗

模擬實驗是在華北電力大學試驗接地網(wǎng)上進行的。首先通過兩根上引導體注入300Hz的正弦波電流，地表回流線長度約為100m。調(diào)整電流源的輸出電流，信號調(diào)理電路的增益，觀察輸出波形，實驗中發(fā)現(xiàn)當電流強度為 6A，信號調(diào)理電路總增益為120時，地表面磁感應強度信號能夠被分辨且信號不失真，然后開始測量。以電流注入點為坐標原點，建立如圖7所示的坐標系。圖7中A（0m, 0m）點即為電流注入點，選為坐標原點，B（18m, 24m）為電流抽出點。隨機選擇圖7中x=10m,x=25m和y=10m,y=20m處的4條直線，利用測量小車在接地網(wǎng)地表面進行磁感應強度分量幅值的掃描測量，同時記錄位置坐標，測量得到的x、y位置坐標及磁感應強度分量值示于圖8。

因為地表面每一個磁感應強度分量峰值對應埋入地下的一條接地網(wǎng)導體，根據(jù)圖8a可以判斷，在圖7坐標系中，對應y=0, 6, 12, 18, 24, 30m處存在沿y方向分布的接地網(wǎng)導體。根據(jù)圖8b可以判斷，在圖7坐標系中，對應x=0, 6, 12, 18, 24, 30m處存在沿x方向分布的接地網(wǎng)導體。據(jù)此，可以在圖 7中，以原點O（0m, 0m）為起點，分別繪出沿x和y方向的導體線，得到整個試驗接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，經(jīng)與實際鋪設情況比較，二者符合較好，驗證了通過測量地表面磁感應強度的分布推斷接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)的方法是可行的。

圖7 按注入點建立的坐標系Fig.7 Coordinate series built by injecting point

圖8 磁場測量結(jié)果Fig.8 Measuring results of magnetic fields

4.2 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)探測的工程應用

4.2.1 探測現(xiàn)場

為檢驗測試系統(tǒng)的可靠性和實用性，在不同電壓等級的多個變電站進行了現(xiàn)場探測，均取得了理想的探測效果?，F(xiàn)以某發(fā)電廠110kV變電站區(qū)域的探測為例。圖9是該熱電廠110kV變電站地表情況。該站已有近50年的運行歷史，后經(jīng)兩次改擴建。II區(qū)是早期的變電輸送區(qū)，I區(qū)和III區(qū)是擴容加建區(qū)。在圖9所示方位，原東南角和正南方是早期主變位置，后改為由東區(qū)主變直接送電，輸出桿塔在圖 9的正北方。

圖9 110kV變電站地表簡況Fig.9 Ground surface condition of the 110kV substation

4.2.2 探測過程

首先，在圖9中東北角和東南角邊緣的接地下引導體上注入頻率300Hz，電流強度20A的電流。利用探測小車從東邊邊緣出發(fā)向正西方向移動，并自動記錄支路導體電流在地表面激發(fā)的磁感應強度對應分量，同時記錄小車移動的位置，其中一次局部測量結(jié)果如圖10a所示。

根據(jù)2.2節(jié)的仿真計算結(jié)果，可以判斷，圖10a中出現(xiàn)磁感應強度峰值所對應的距離坐標，必然存在南、北方向分布的接地網(wǎng)導體。隨著遠離電流注入與抽出位置，支路電流在地表激發(fā)的磁感應強度將逐漸變?nèi)?，為了提高信噪比和測量精度，其后，又將電流注入與抽出點向西側(cè)移動，向西分段檢測南北向全部導體的分布。

類似于南、北方向?qū)w的判斷，在尋找東、西方向?qū)w時，電流是通過東、西兩側(cè)的上引導體線注入與抽出的，測量小車則沿南、北方向移動，分別從東側(cè)向西側(cè)逐步推斷測量東、西方向?qū)w的位置和分布情況。某次測量結(jié)果如圖10b所示。

圖10 探測導體分布測量結(jié)果Fig.10 Measuring results of detecting the conductor distributions in east-west and south-north directions

4.2.3 探測結(jié)果

通過對全部測量數(shù)據(jù)的匯總與分析，探測出的整個接地網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)如圖11所示。由于變電站北側(cè)是建筑物，測量中無法準確判斷北側(cè)邊緣東西方向的導體位置。從圖11可以看出，由于該站運行年限較久，又經(jīng)多次改擴建，該接地網(wǎng)缺乏精心的設計和科學計算，網(wǎng)格分布不均勻。后經(jīng)局部挖開抽檢，證實了探測結(jié)果準確可靠。

圖11 測量區(qū)域接地網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.11 Whole structure of the grounding grid in the measuring area

5 結(jié)論

在沒有接地網(wǎng)圖紙的情況下，本文利用磁場檢測方法，探測變電站接地網(wǎng)導體的位置和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為接地網(wǎng)狀態(tài)檢測和缺陷診斷奠定了基礎。仿真計算和應用實踐表明了該方法是可行的，開發(fā)的探測系統(tǒng)可靠，探測結(jié)果準確，可用于工程實際。

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