（國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊830000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)對系統(tǒng)電氣設備的安全穩(wěn)定運行以及運行、檢修人員的人身安全都起著至關重要的作用。隨著接地網(wǎng)運行時間的延長，接地網(wǎng)也隨著暴露出來相應問題，比如在日常檢測過程中發(fā)現(xiàn)：部分一次主設備的接地出現(xiàn)嚴重銹蝕或者失地運行，一旦遭受雷擊或者大電流沖擊，很難滿足熱穩(wěn)定性要求，極端情況造成主設備被擊穿；開關端子箱、電源箱出現(xiàn)失地運行情況，感應電或設備本身漏電很容易導致運行、檢修人員發(fā)生人身觸電[1]。因此，如何去發(fā)現(xiàn)接地所存在的隱蔽性缺陷，以及實現(xiàn)接地扁鋼缺陷準確定位，避免開挖的盲目性，為后期改造提供有力支撐，是一項有意義的工作。

綜合上述接地網(wǎng)所暴露出來較為隱蔽的安全隱患，而目前較為傳統(tǒng)的檢測手段主要包括接地導通測試，接地電阻測試[2]，其中接地導通測試更注重歷史值的比較，難以直觀的發(fā)現(xiàn)隱蔽性缺陷。而接地阻抗測試是衡量整個接地網(wǎng)，也難以發(fā)現(xiàn)上述局部性的接地缺陷。其中最新頒布的電力行業(yè)標準，DL/T1532—2016《接地網(wǎng)腐蝕診斷技術導則》中指出，采取分區(qū)分塊的辦法來診斷接地網(wǎng)是否發(fā)生嚴重銹蝕甚至斷裂[3-5]，需注入激勵電流，并且對接地網(wǎng)設計竣工圖紙的依賴性相對較強，同時也缺乏直觀性，以及缺陷的準確定位，依然存在開挖的盲目性。同時也有許多學者提出，利用超聲導波的方法來研究接地扁鐵的腐蝕缺陷[6-8]，由于超聲探頭自身能量的限制以及接地網(wǎng)的復雜網(wǎng)絡，超聲在扁鐵上的傳播衰減很快，其有效檢測長度相對較小，需多次開挖。

基于在運時限較長的變電站接地網(wǎng)所存在的問題，以及結合目前接地網(wǎng)常用的檢測手段，筆者提出一種基于探地雷達對變電站接地網(wǎng)的成像檢測技術，不依賴接地網(wǎng)設計圖紙，能夠及時發(fā)掘接地網(wǎng)隱蔽性缺陷，并實現(xiàn)接地扁鐵缺陷定位，加強開挖的針對性，為后期改造提供有力支撐。該項檢測技術應用到新疆某110 kV和35 kV變電站接地網(wǎng)的檢測中，取得良好效果。

1 探地雷達檢測成像技術

1.1 探地雷達簡介

探地雷達是一種利用超高頻脈沖電磁波去探測地下目標體特征的物理勘探方法，其先決條件就是目標體與周圍土壤介質(zhì)要存在足夠的介電性差異，不同形狀目標體在反射波上呈現(xiàn)不同的特征。電磁波在介質(zhì)中的傳播特性反映了地下不同介質(zhì)的介電性差異，差異越明顯，反射回波振幅越強烈，通過天線接收相應的反射回波的振幅、到達時刻以及波形等特征信息，確定目標體的空間信息[9-11]。

探地雷達系統(tǒng)主要由主機和陣列天線兩部分組成，見圖1。圖中主機頻帶在100～3 000 MHz連續(xù)可調(diào)，配置24個通道，通過優(yōu)化信號帶寬和最佳分辨率可以實現(xiàn)高速勘察大范圍掃描的同時避免圖像細節(jié)的丟失。陣列天線設計包含蝴蝶結單極天線陣子，所有天線陣子均具有200 MHz～3 GHz頻帶寬，其中結合了不同的發(fā)射/接收天線對，從而使得勘測速度提高一倍且又不會丟失數(shù)據(jù)[12-13]。

1.2 適用接地網(wǎng)檢測可行性分析

目前，變電站接地網(wǎng)所采用的接地扁鐵大多采用鍍鋅扁鋼，寬度和厚度與電壓等級有關，依據(jù)GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，以某110 kV變電站為例，主接地網(wǎng)規(guī)格為40*4 mm，埋深為1.2 m。查找相關資料一些介質(zhì)的電磁屬性參數(shù)如表1所示，接地扁鋼與圍土存在明顯的介電性差異[14-15]，具有極強的反射能力，同時也有相對較大的反射面積，做類似微分處理，將某一小部分接地扁鋼看做點模型，目標體的平面位置可根據(jù)雷達系統(tǒng)自身里程計現(xiàn)場定位，與測試線的垂直距離可通過式（1）、（2）計算，其中接地扁鐵單個點模型電磁波反射如圖2所示。

圖1 探地雷達系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition of GPR system

表1 某些介質(zhì)電磁屬性參數(shù)Table 1 Some medium electromagnetic properties parameters

式中：D表示目標體到測試線的垂直距離（m）；V表示電磁波在地下某介質(zhì)中的波速（m/ns）；X表示目標體與接收天線的水平距離（m）；T表示反射電磁波的雙程走時（ns）；C表示電磁波在空氣中的波速；εr表示介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

圖2 目標體點模型電磁波反射圖Fig.2 Electromagnetic reflection pattern of target point model

根據(jù)上述接地扁鐵的點模型，對電磁波信號的反應可建模為復散射系數(shù)，對多個點模型反射回波信號，可做疊加處理[16-18]。設雷達陣列天線的發(fā)射電磁波信號為St（t），接收天線所接收到的K個目標接地扁鋼反射回波信號可表示為

式（3）中，η表示雷達運動軌跡方向的方位時間變量；t表示電磁波信號傳輸方向的距離時間變量；σk表示接地扁鋼的復散射系數(shù)，c為電磁波在真空中的傳播速度。發(fā)射電磁波信號St（t）遇到目標接地扁鋼后，考慮到接地扁鋼的強反射，發(fā)生反射的過程中，St（t）在距離時間變量上存在一個延時，等于 2Rk(η)c，其中Rk(η)表示目標接地扁鋼K在η時刻與雷達發(fā)射源之間的瞬時斜距；與此同時，考慮到雷達系統(tǒng)本身的運動，在方位時間變量上會產(chǎn)生一個相位調(diào)制，其角度為 4πf0Rk(η)c，f0表示載波頻率，G(η)表示由于雷達本身的運動所產(chǎn)生的陣列天線包絡線。目標接地扁鋼的反射回波信號在方向變量和距離變量上都是出于擴散狀態(tài)，而陣列天線的接收過程其實是將實物空間到信號空間的轉變，通過信號處理完成空間重構，進而得到接地扁鋼的剖面和斷面反射回波圖。

探地雷達在實際應用過程中，受到相應的制約因素，實際探測的深度以及目標體成像清晰度受目標體與圍土之間的介電性差異、圍土是否均勻以及圍土的含鹽、水度等客觀條件的制約。另外，在實際探測過程中，天線接收的圖像信息還疊加了目標體周圍其他管線的反射、地下土壤分層、不均勻介質(zhì)擾動等多種綜合信息，這就對圖像解釋人員提出了更高的要求，應熟悉各種被檢測目標體的圖像特征，排除異常干擾，正確評估被檢測目標體的狀態(tài)。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 新建場地測試及分析

某新建場地基本情況如下，南北向長度約為2.5 m，布設間距83 cm的四根40 mm×4 mm接地扁鐵，埋深深度由北向南逐漸變深；東西向長度約為1.8 m，東側布設間距為5 cm的三根10 mm的并排鋼管；中間布設40 mm扁鐵以及5 mm銅管，西側布設10 mm鋼管，其間距90 cm；下方為北側，上方位南側，左邊為東側，右邊為西側，如圖3所示。

圖3 新建場地接地測試圖Fig.3 Grounding test for the new site

通過對上述新建場地進行探地雷達測試，測試方向由北向南，接收反射回波如圖4所示，測試方向由東向西如圖5所示。從圖4、5中可以看出，4根4 cm寬的扁鐵的異常波形清晰可見，呈典型的雙曲線形態(tài)，其埋深分別為0.38 m、0.55 m、0.81 m、1.07 m，1～4號水平間距分別為0.86 m、0.74 m、0.86 m；5號為更小直徑的銅管目標體，埋深為0.53 m。初步得到以下結論：1）選用200 MHz—3 GHz頻帶天線的探地雷達能夠有效分辨并探測到埋深在1.2 m以內(nèi)的規(guī)格為40 mm×4 mm的接地扁鐵并能夠準確地實現(xiàn)水平和埋深方向的定位，誤差不超過5 cm；2）比較4根接地扁鐵的異常波形，其中埋深1 m的4號扁鐵波形寬度較小，埋深0.8 m以內(nèi)的1-3號扁鐵波形較寬，依然可以分辨；3）能夠探測出埋深在0.5 m左右的5 mm銅管，5號異常位于1號與2號兩個異常之間，波形寬度相對較窄，依然可以分辨；4）3根細鋼管的波形形態(tài)與同埋深的40 mm×4 mm扁鐵的波形形態(tài)相似，其中無法分辨出以5 cm間距平行排列3根細鋼管，波形上反映出來為單個金屬管的波形。

2.2 變電站接地網(wǎng)現(xiàn)場測試

2.2.1 某35 kV站接地網(wǎng)測試及開挖分析

圖4 由北向南測試波形圖Fig.4 From the north to south test waveform

圖5 由東向西測試波形圖Fig.5 From east to west test waveforms

該35 kV變電站主于1996年投運，運行時限長達20年，處于較低洼地帶，土壤相對濕潤，腐蝕嚴重，由于接地網(wǎng)設計圖紙缺失，這對當前接地網(wǎng)可靠性、壽命狀態(tài)評估以及技改帶來很大困難，無從下手，傳統(tǒng)檢測手段已無法滿足此類變電站接地網(wǎng)檢測需求。在此次通過探地雷達檢測過程中，發(fā)現(xiàn)某處接地扁鐵反射回波信號存在明顯異常，出現(xiàn)較大范圍的擴散現(xiàn)象，并且反射回波存在一定程度的“加粗”現(xiàn)象，如圖6所示，通過仔細對比分析波形圖，存在明顯與圍土介電性差異性很強的介質(zhì)，依據(jù)經(jīng)驗推斷，很有可能是由于接地扁鐵在此處出現(xiàn)了銹蝕斷裂的情況，并且隨著運行時間的延長，銹蝕的鐵漬一部分包裹在接地扁鐵上，另一部分則分散在接地扁鐵的周圍，與周圍土壤相互融合在一起，造成了探地雷達所接收到的反射回波存在明顯異常，這是判斷接地扁鐵發(fā)生銹蝕斷裂的主要依據(jù)。并對該接地扁鐵可疑處，進行了現(xiàn)場開挖驗證，如圖7所示，驗證了探地雷達判斷的準確性，該處接地扁鐵發(fā)生嚴重銹蝕斷裂，通過此次探地雷達測試，作用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是實現(xiàn)了接地扁鐵的準確定位；二是對銹蝕嚴重、斷裂的接地扁鐵從反射回波上實現(xiàn)了缺陷定位以及可視化。

2.2.2 某110 kV站接地網(wǎng)測試及開挖分析

圖6 缺陷處探地雷達波形圖Fig.6 Waveforms of GPR defects

圖7 缺陷處現(xiàn)場開挖驗證圖Fig.7 Verification of site excavation at defects

該110 kV變電站周圍土壤較為干燥，為沙質(zhì)土壤，且該地區(qū)降雨稀少，通過以往的腐蝕調(diào)查得知，該地區(qū)腐蝕情況相對輕微。該站于2000年投運，運行時限達16年，依據(jù)GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，隨著變電站容量增加，入地短路電流也持續(xù)增大，急需掌握目前接地網(wǎng)是否能夠滿足安全穩(wěn)定運行的要求，而對接地網(wǎng)進行開挖檢查是所有工作的第一步，由于當初設計圖紙缺失，故在此次開挖過程中，采用了先進的探地雷達技術，如圖8所示。

圖8 探地雷達現(xiàn)場檢測Fig.8 Field detection of ground penetrating radar

此次探地雷達檢測過程中，對某兩處接地扁鐵進行了重點分析，探地雷達波形圖如圖9所示，通過對比分析，圖9（a）中所表現(xiàn)出來的雷達回波相對較為寬泛，且存在一定的分散現(xiàn)象，推斷圍土周邊存在電磁介電性較強的介質(zhì)，判斷為由于扁鐵的銹蝕，造成鐵銹漬包裹在接地扁鐵周圍所造成，從雷達反射回波來判斷，圖9（a）比圖9（b）中接地扁鐵銹蝕嚴重，經(jīng)現(xiàn)場開挖，如圖10和圖11所示，其中圖9（a）、圖9（b）分別對應圖10和圖11，驗證了探地雷達的初步判斷。通過探地雷達一方面實現(xiàn)了對埋地接地扁鐵的定位；另一方面實現(xiàn)從從宏觀上去判斷接地扁鐵的銹蝕情況，而從定量上區(qū)分，目前無法做到。

圖9 兩處接地扁鐵探地雷達波形圖Fig.9 Two ground flat iron ground-penetrating radar waveform

圖10 圖9（a）對應現(xiàn)場開挖圖Fig.10 Figure 9（a）corresponds to FIG excavation site

圖11 圖9（b）對應現(xiàn)場開挖圖Fig.11 Figure 9（b）corresponds to FIG excavation site

3 結語

應用探地雷達技術對變電站接地網(wǎng)開展成像檢測工作，尤其對于設計圖紙缺失的情況，在不停電、不開挖情況下，實現(xiàn)對接地網(wǎng)物理狀態(tài)的檢測和評估，是一種針對接地網(wǎng)的原位無損檢測技術，相比傳統(tǒng)檢測方法而言，其具有針對性強、缺陷可視化、直觀性強等特點。通過對接地網(wǎng)現(xiàn)場檢測分析以及開挖驗證，主要得出以下結論。

1）應用探地雷達技術能夠發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)所存在的隱蔽性缺陷，并實現(xiàn)缺陷定位，以及從宏觀上判斷接地扁鐵的銹蝕情況；

2）應用探地雷達技術能夠?qū)崿F(xiàn)對埋地接地扁鐵的準確定位，包括水平位置以及埋深。利用探地雷達技術，為接地網(wǎng)的狀態(tài)評估及后期改造提供有利的技術支撐。

同時，將探地雷達技術應用到接地網(wǎng)的檢測中，也存在許多不足之處。探測效果容易受到目標體尺寸大小、圍土均勻性、含鹽和水分度等客觀因素和圖像解釋人員所具備能力等主觀因素的影響。另外，對于接地扁鐵的腐蝕情況，無法對腐蝕程度加以區(qū)分，以及無法實現(xiàn)對目標體尺寸的判斷，還有待針對典型目標體、典型土壤環(huán)境開展大量的試驗，建立相應的標準圖像庫，加強圖像識別能力。

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