施會(huì)，王豐華，胡徐銘，茅曉亮，呂佩佩，孟琦斌

(1. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400；2. 上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引 言

接地網(wǎng)作為變電站的重要組成部分，承擔(dān)著保證電氣設(shè)備良好接地的任務(wù)。但是，接地網(wǎng)導(dǎo)體埋于地下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)腐蝕、斷裂等故障，從而有可能造成事故，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，準(zhǔn)確診斷和定位接地網(wǎng)故障對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的意義。

目前，運(yùn)維人員主要通過(guò)定期大面積開挖變電站地面來(lái)對(duì)接地網(wǎng)導(dǎo)體狀態(tài)進(jìn)行診斷，不僅代價(jià)高，而且由于無(wú)法事先確定故障位置，具有一定的盲目性。而接地網(wǎng)故障診斷方法研究主要從3個(gè)方面展開：電化學(xué)檢測(cè)法、導(dǎo)體電阻法和電磁場(chǎng)分析法[3]。其中，電化學(xué)檢測(cè)法通過(guò)分析接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體的極化電阻、土壤電阻等電化學(xué)參數(shù)來(lái)進(jìn)行診斷，是表征接地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)和研究腐蝕機(jī)理的有效手段之一[4]。如文獻(xiàn)[5]采用小孔電化學(xué)傳感器和電化學(xué)檢測(cè)參數(shù)軟件，根據(jù)接地網(wǎng)導(dǎo)體金屬極化電阻和土壤電阻等電化學(xué)參數(shù)來(lái)識(shí)別接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)。然而，電化學(xué)檢測(cè)法存在傳感器限流以及變電站干擾信號(hào)和雜散電流干擾等問(wèn)題，在復(fù)雜的變電站環(huán)境下準(zhǔn)確性難以保證。導(dǎo)體電阻法通過(guò)測(cè)量接地引線節(jié)點(diǎn)間電阻，對(duì)比分析電阻的變化來(lái)判斷導(dǎo)體是否出現(xiàn)腐蝕或者斷裂[6-7]。文獻(xiàn)[8]將遺傳算法應(yīng)用于接地網(wǎng)腐蝕故障診斷中，以接地電阻為指標(biāo)建立了適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。但是，由于節(jié)點(diǎn)間電阻通常只有毫歐級(jí)，易受連線電阻的影響，對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求較高。電磁場(chǎng)分析法具有抗干擾能力強(qiáng)和準(zhǔn)確易行的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)接地網(wǎng)故障診斷研究的熱點(diǎn)方向[9-10]。其中，文獻(xiàn)[11]分別以規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩種接地網(wǎng)模型為研究對(duì)象，對(duì)接地網(wǎng)典型故障下的的地表電位分布進(jìn)行了測(cè)試分析。文獻(xiàn)[12]利用復(fù)鏡像法和Prony法計(jì)算得到了接地網(wǎng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的地表電位分布，提出了基于模糊理論的接地網(wǎng)故障診斷方法。文獻(xiàn)[13]根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論和Biot-Savart定律建立了支路電阻和地表磁場(chǎng)的最小二乘優(yōu)化模型，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了所提方法的可行性。文獻(xiàn)[14]計(jì)算了激勵(lì)電流產(chǎn)生的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)了磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕和斷裂故障的診斷。顯然，現(xiàn)有研究均從不同側(cè)面說(shuō)明了基于電場(chǎng)或磁場(chǎng)分布對(duì)接地網(wǎng)典型故障進(jìn)行診斷的有效性，但大都以接地網(wǎng)模型為對(duì)象進(jìn)行仿真研究，與實(shí)際接地網(wǎng)存在一定差異。此外，接地網(wǎng)導(dǎo)體故障類型較多，單獨(dú)依靠電場(chǎng)分布或磁場(chǎng)分布尚無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別接地網(wǎng)的故障類型，仍需進(jìn)行研究。

基于此，基于接地網(wǎng)的電磁場(chǎng)分布綜合診斷思想，以某實(shí)際35 kV變電站接地網(wǎng)為對(duì)象，應(yīng)用實(shí)測(cè)的手段對(duì)接地網(wǎng)正常與腐蝕、斷裂、虛焊及混合故障下地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化進(jìn)行研究，歸納總結(jié)其變化規(guī)律，為進(jìn)一步提高接地網(wǎng)故障診斷方法的準(zhǔn)確性及適用性提供依據(jù)。

1 接地網(wǎng)試驗(yàn)

1.1 接地網(wǎng)模型

圖1為根據(jù)某實(shí)際35 kV變電站接地網(wǎng)的圖紙得到的接地網(wǎng)示意圖。圖中，B為原點(diǎn)，BD段和BG段分別為x方向和y方向。接地網(wǎng)占地尺寸約為41.92 m×20.82 m，埋深為0.8 m。水平導(dǎo)體采用尺寸為40 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用直徑為38 mm、長(zhǎng)度為2.5 m的黑鐵管。A點(diǎn)和B點(diǎn)為接地網(wǎng)的可及節(jié)點(diǎn)。另外，a, b, c ,d, e, f為模擬故障設(shè)置點(diǎn)。

圖1 接地網(wǎng)示意圖

1.2 試驗(yàn)描述

試驗(yàn)所用系統(tǒng)為Red Phase 8100型接地裝置特性參數(shù)測(cè)量與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由變頻信號(hào)源、耦合變壓器及可調(diào)頻率多功能萬(wàn)用表組成，具有接地阻抗測(cè)量、電流分布情況測(cè)量及場(chǎng)區(qū)地表電位梯度測(cè)量等功能。

為避開測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的工頻及相應(yīng)諧波信號(hào)對(duì)測(cè)試的干擾，采用65 Hz異頻信號(hào)源注入激勵(lì)電流。其中，對(duì)接地網(wǎng)地表電位進(jìn)行測(cè)試時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)中的變頻信號(hào)源從圖1中A點(diǎn)向接地網(wǎng)注入激勵(lì)電流，并從電流參考極抽出。其中，電流參考極及電壓參考極根據(jù)30°夾角法確定[15]，即電流參考極距離接地網(wǎng)CE邊框約200 m，電壓參考極距離接地網(wǎng)CE邊框約120 m。為確保輸出回路的穩(wěn)定性，調(diào)整變頻信號(hào)源使其在允許輸出功率范圍內(nèi)最大輸出電流為6 A。對(duì)接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，電流注入點(diǎn)為圖1中的B點(diǎn)，電流抽出點(diǎn)為圖1中的A點(diǎn)。選用的感應(yīng)線圈為350匝和16 cm×4 cm的矩形線圈，其材質(zhì)為直徑1 mm的漆包線。

完成接地網(wǎng)正常工況時(shí)的地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量后，挖開模擬故障點(diǎn)土壤進(jìn)行故障設(shè)置，再對(duì)接地網(wǎng)故障工況下的地表電位分布和磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

1.3 故障設(shè)置

變電站接地網(wǎng)故障通常是由土壤腐蝕作用、施工時(shí)脫焊接問(wèn)題以及接地電流電動(dòng)力等因素引起，為綜合了解接地網(wǎng)典型故障下的電磁場(chǎng)分布，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕、斷裂、虛焊、脫焊以及混合故障等多種故障工況進(jìn)行模擬。具體故障工況如表1所示。

表1 接地網(wǎng)導(dǎo)體故障設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 正常工況

圖2為測(cè)量得到的接地網(wǎng)地表電位分布。由圖可見，接地網(wǎng)地表電位最大值為1.504 V，出現(xiàn)在電流注入點(diǎn)；電位最小值為0.693 V，出現(xiàn)在左下方網(wǎng)孔中心。另外，接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位明顯高于網(wǎng)孔上方，導(dǎo)體兩端節(jié)點(diǎn)處電位也會(huì)比導(dǎo)體中間段略高。

因接地網(wǎng)地表電位分布與電流注入點(diǎn)位置有關(guān)，基于試驗(yàn)接地網(wǎng)可用可及節(jié)點(diǎn)位置，為說(shuō)明選用A點(diǎn)作為電流注入點(diǎn)的合理性，文中同時(shí)基于接地網(wǎng)不等電位計(jì)算模型計(jì)算得到了電流注入點(diǎn)從B點(diǎn)注入時(shí)的地表電位分布[16]，如圖3所示。由圖可見，電流注入點(diǎn)為B時(shí)，接地網(wǎng)地表電位最大值和電位差遠(yuǎn)小于電流注入點(diǎn)為A時(shí)產(chǎn)生的地表電位，再次說(shuō)明了選用A點(diǎn)作為注入點(diǎn)的合理性。

圖2 正常工況下地表電位分布

圖3 接地網(wǎng)地表電位分布(電流注入點(diǎn)為B)

圖4 正常工況下地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖4為測(cè)量得到的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況。由圖可見，電流注入點(diǎn)與抽出點(diǎn)所在導(dǎo)體上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度較為明顯，且電流注入點(diǎn)所在導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度最高。地表磁感應(yīng)強(qiáng)度x分量最大值出現(xiàn)在電流注入點(diǎn)所在導(dǎo)體，大小為0.498 7 μT；磁感應(yīng)強(qiáng)度x分量最小值出現(xiàn)在右側(cè)網(wǎng)孔中心，大小為0.009 4 μT；地表磁感應(yīng)強(qiáng)度y分量最大值出現(xiàn)在電流抽出點(diǎn)所在導(dǎo)體，大小為0.677 4 μT；磁感應(yīng)強(qiáng)度y分量最小值出現(xiàn)在右側(cè)網(wǎng)孔中心，大小為0.028 7 μT。另外，沿y方向布置的接地導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強(qiáng)度的x方向分量較大，沿x方向布置的導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強(qiáng)度的y方向分量較大；網(wǎng)孔中心磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯跌落。

顯然，接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)于接地網(wǎng)其它部分而言更為明顯。因此，本文在后續(xù)分析中重點(diǎn)關(guān)注接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。

2.2 故障工況

2.2.1 腐蝕故障

變電站接地網(wǎng)腐蝕故障在圖1所示的ab段(29.8≤x≤30.0)進(jìn)行模擬，所對(duì)應(yīng)的故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 接地網(wǎng)腐蝕時(shí)BD段導(dǎo)體測(cè)試結(jié)果

由圖5(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕段所在的導(dǎo)體上方的地表電位大都略高于正常工況。其中，腐蝕段ab 處的地表電位變化最為明顯，變化幅度達(dá)到了約10.94%。究其原因?yàn)?，?dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生腐蝕故障時(shí)，故障導(dǎo)體附近的泄漏電流密度與導(dǎo)體的腐蝕程度有關(guān)，即導(dǎo)體的腐蝕程度越大其泄漏電流密度越大。相應(yīng)地，泄漏電流在故障段上方引起的地表電位也隨之上升。由圖5(b)可見，ab段所在的導(dǎo)體地表磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生了一定程度的改變。其中，在14

2.2.2 斷裂故障

變電站接地網(wǎng)斷裂故障在圖1所示a點(diǎn)(x=29.8)進(jìn)行模擬，所對(duì)應(yīng)的故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖6所示。

圖6 接地網(wǎng)斷裂時(shí)BD段導(dǎo)體測(cè)試結(jié)果

由圖6(a)可見，接地網(wǎng)地表電位在斷裂點(diǎn)a處(x=29.8)發(fā)生了明顯的變化。在x≥29.8的導(dǎo)體段，地表電位明顯高于正常工況，變化幅度最大可達(dá)16.87%。在14

由圖6(b)可見，在14

2.2.3 虛焊故障

變電站接地網(wǎng)虛焊故障在圖1所示a(x=14.4)，b(x=29.8)，c(x=30)和d點(diǎn)(x=40.0)進(jìn)行模擬，所對(duì)應(yīng)故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 接地網(wǎng)虛焊時(shí)BD段導(dǎo)體測(cè)試結(jié)果

由圖7(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體的地表電位僅在故障點(diǎn)a，b，c，d處略微高于正常工況，變化幅度最大可達(dá)5.13%。究其原因?yàn)?，?dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生虛焊故障時(shí)，故障點(diǎn)處導(dǎo)體接觸不良，導(dǎo)致導(dǎo)體的泄漏電流密度增大。相應(yīng)地，故障點(diǎn)上方地表電位也隨之上升。由圖7(b)可見，故障導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強(qiáng)度在全段導(dǎo)體范圍內(nèi)均略低于正常工況，變化幅度最大不超過(guò)11.38%。究其原因?yàn)?，?dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生虛焊故障時(shí)，故障導(dǎo)體上流經(jīng)的軸向電流減小，導(dǎo)致地表磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。

2.2.4 脫焊故障

變電站接地網(wǎng)脫焊故障的情形在圖1所示d(x=14.4;y=0)處進(jìn)行模擬，所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體Cd上方地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖8所示。

由圖8(a)可見，故障導(dǎo)體上方地表電位在脫焊處d(x=14.4;y=0)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最大降幅可達(dá)15.33%，在遠(yuǎn)離故障點(diǎn)的區(qū)域，地表電位漸趨正常。究其原因?yàn)?，?dāng)d點(diǎn)發(fā)生脫焊時(shí)，BD段導(dǎo)體上的軸向電流不再向Cd段導(dǎo)體分流。因此地表電位僅由較少的泄漏電流產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致其上地表電位相應(yīng)降低。

圖8 接地網(wǎng)脫焊時(shí)Cd段導(dǎo)體測(cè)試結(jié)果

由圖8(b)可見，故障導(dǎo)體Cd段上方磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯低于正常情況。究其原因?yàn)?，?dāng)d處發(fā)生脫焊時(shí)，BD段導(dǎo)體上的軸向電流不再向Cd段導(dǎo)體分流，Cd段導(dǎo)體由于不再有軸向電流流經(jīng)，因此地表磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯減小。

2.2.5 混合故障

接地網(wǎng)導(dǎo)體同時(shí)存在腐蝕和斷裂故障的情形在圖1所示ab段(29.8≤x≤30.0)和c處(x=40.0)進(jìn)行模擬，所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖9所示。

圖9 接地網(wǎng)混合故障下BD段導(dǎo)體測(cè)試結(jié)果

由圖9(a)可見，在ab段(29.8≤x≤30)因?yàn)楦g故障地表電位有一定程度上升，變化幅度最大可達(dá)11.38%。在斷裂點(diǎn)c(x=40.0)附近，地表電位發(fā)生明顯變化。在靠近電流注入點(diǎn)(3740)的部分，故障工況下地表電位明顯低于正常工況，變化幅度最大可達(dá)到27.11%；由圖9(b)可見，除了在14

3 接地網(wǎng)診斷規(guī)律總結(jié)

表2為根據(jù)變電站接地網(wǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果匯總得到的接地網(wǎng)導(dǎo)體典型故障下地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況。由表可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體存在腐蝕故障時(shí)，主要表征為故障段導(dǎo)體地表電位升高和磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，通?？蓪⒌乇黼娢蛔鳛榻拥鼐W(wǎng)導(dǎo)體腐蝕的主要判據(jù)。接地網(wǎng)導(dǎo)體存在斷裂故障時(shí)，地表電位在斷裂處發(fā)生突變，可根據(jù)地表電位識(shí)別導(dǎo)體斷裂故障。但當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在虛焊或脫焊故障時(shí)，受到接地網(wǎng)測(cè)試環(huán)境如土壤電阻率和測(cè)試誤差等因素的影響，單純依靠地表電位難以區(qū)分二者，建議輔以磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化來(lái)進(jìn)行識(shí)別。當(dāng)接地網(wǎng)存在混合故障時(shí)，地表電位與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律與單一故障工況時(shí)變化一致，且相對(duì)于單一故障，變化幅度更加劇烈。因此，在診斷混合故障時(shí)，可結(jié)合單一故障的判據(jù)進(jìn)行綜合判斷。

表2 接地網(wǎng)地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律

在具體應(yīng)用中，首先需根據(jù)變電站現(xiàn)場(chǎng)提供的接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)的位置信息，經(jīng)計(jì)算后選取地表電位最高值和電位差相對(duì)較大的可及節(jié)點(diǎn)作為電流注入點(diǎn)。然后，從選定的電流注入點(diǎn)向接地網(wǎng)注入異頻電流，沿接地網(wǎng)導(dǎo)體上方測(cè)量地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。最后，綜合分析測(cè)量結(jié)果對(duì)接地網(wǎng)的導(dǎo)體狀態(tài)進(jìn)行診斷。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某35 kV實(shí)際變電站接地網(wǎng)正常與典型故障下的地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的測(cè)試結(jié)果表明：

(1)接地網(wǎng)導(dǎo)體在不同故障下的地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度存在差異，為準(zhǔn)確識(shí)別接地網(wǎng)典型故障，結(jié)合接地網(wǎng)導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化會(huì)得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果;

(2)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在腐蝕故障時(shí)，故障段地表電位升高，電磁感應(yīng)強(qiáng)度降低；斷裂故障時(shí)，故障點(diǎn)至電流注入點(diǎn)段，地表電位上升，遠(yuǎn)離電流注入點(diǎn)段，電位下降。電磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅度降低；虛焊故障時(shí)，地表電位僅在故障點(diǎn)處略微升高，磁感應(yīng)強(qiáng)度在導(dǎo)體范圍內(nèi)略微下降；脫焊故障時(shí)，故障點(diǎn)處地表電位下降，磁感應(yīng)強(qiáng)度大幅度下降;

(3)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在混合故障時(shí)，故障段導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度與接地網(wǎng)單一故障下導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化規(guī)律一致。并且，相對(duì)單一故障而言，混合故障下地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度變化幅度更大。

需要指出的是，所得結(jié)果的有效性還需要更多的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，這也是我們下一步的工作。