辛明勇，徐長寶，田 兵，劉 仲，劉子軒，3，魯彩江，3

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，貴州貴陽 550002；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031）

0 引言

接地網(wǎng)的導(dǎo)體大多使用銅、鍍鋅鋼或覆銅鋼等材料，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究可知，在腐蝕性強的土壤中接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕速率可達3.4 mm/a，嚴重時可達8 mm/a。由于接地網(wǎng)一般敷設(shè)在地下0.3～1 m 深處，因此不能直觀的判定其位置及腐蝕狀況。傳統(tǒng)的探測方法有整體開挖法、選點開挖檢查法、搖表測量接地電阻法。傳統(tǒng)探測方法的缺點在于盲目性大，在消耗大量人力、物力、財力的同時阻滯電力系統(tǒng)的正常工作[1-4]。

對接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)進行探測前，首先要對接地網(wǎng)方位及深度進行探測。目前存在的接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測方法主要有電化學(xué)法、電網(wǎng)絡(luò)法、多信息融合法以及電磁法等[5-8]。電化學(xué)法通過測量金屬與土壤間腐蝕體系的電化學(xué)特性（包括擊穿電位、腐蝕電流等）來確定接地導(dǎo)體的腐蝕情況，但是該方法無法判斷出接地網(wǎng)的斷點情況[9-11]。電網(wǎng)絡(luò)法是指將接地網(wǎng)等效為純電阻網(wǎng)絡(luò)模型，通過測量接地引下線節(jié)點間的電氣特性值而建立接地網(wǎng)診斷方程，求解并分析對應(yīng)的電氣特性（通常為電阻、電壓）變化規(guī)律，但是當接地體存在局部侵蝕時，其電阻及電壓變化值很難獲取[12-17]。多信息融合法即結(jié)合多種方法對接地網(wǎng)狀態(tài)進行探測，能夠同時探測腐蝕程度和腐蝕速率等指標，提高接地網(wǎng)探測的可靠性和實用性[18-23]。電磁法是基于電磁感應(yīng)原理的探測方法，通過測量接地網(wǎng)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場來判斷接地網(wǎng)導(dǎo)體的方位、深度信息以及腐蝕程度[24-31]。

與電化學(xué)法、電網(wǎng)絡(luò)法、多信息融合法相比，電磁法可準確判斷出接地網(wǎng)的斷點情況，且原理簡單、應(yīng)用方便。因此，本文基于電磁法的電磁感應(yīng)原理，采用交流電激勵測量法對電力設(shè)備接地網(wǎng)進行研究與探測，旨在解決測量裝置移動不便以及難以精確探測接地導(dǎo)體方位及深度的問題，實驗表明采用電磁法可為電力設(shè)備狀態(tài)檢測提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計與距離分析

1.1 傳感器陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過接地引下線施加異頻正弦交流電時，接地網(wǎng)在其正上方地表處激發(fā)的磁感應(yīng)強度主要取決于激勵電流的大小、接地體埋設(shè)深度等因素。根據(jù)接地網(wǎng)磁感應(yīng)強度探測范圍及分辨率的需要，在工程實踐中常用磁通門傳感器以及各向異性磁阻（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）傳感器來采集磁感應(yīng)強度。磁通門傳感器的優(yōu)點在于魯棒性好，但其價格昂貴、體積大、頻率響應(yīng)較低、現(xiàn)場功耗較大。AMR 傳感器的優(yōu)點在于成本低、尺寸小、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、現(xiàn)場功耗低等。在實際測量過程中為了盡量排除外部干擾，對頻率響應(yīng)有著較高的要求，同時考慮到現(xiàn)場功耗以及便攜性，本文選用AMR 傳感器來采集磁感應(yīng)強度。

本文設(shè)計的接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭的傳感器布局示意圖如圖1 所示。圖1 中，x，y，z為三維空間坐標軸，1-5 號傳感器在同一水平面上，Δh為5 號和6 號傳感器之間的垂直距離，Δl為1 號與3 號傳感器之間的水平距離。

圖1 接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭的傳感器布局示意圖Fig.1 Grounding grid positioning and corrosion degree detection probe sensor layout

由圖1 可知，采用1-4 號傳感器所測磁場數(shù)據(jù)可確定接地導(dǎo)體的方位，采用5 號和6 號傳感器所測磁場數(shù)據(jù)可計算接地導(dǎo)體的深度，采用5 號傳感器所得磁場數(shù)據(jù)可判斷接地導(dǎo)體的腐蝕狀態(tài)。

由于傳感器的設(shè)置位置直接影響到探測深度的準確性，所以計算確定1 號與3 號、2 號與4 號、5號與6 號傳感器之間的距離就顯得十分重要。已知空間內(nèi)某一點的磁感應(yīng)強度與該點的三維空間坐標有直接關(guān)系，而探測接地網(wǎng)深埋時不僅與三維空間的坐標有關(guān)，更與5 號和6 號傳感器之間的高度差值Δh有關(guān)。因此必須先確定傳感器之間的距離，再通過控制變量法將后續(xù)測定接地網(wǎng)深度時的變量進行縮減，以保證計算結(jié)果的有效性和準確性。本文在對接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭傳感器距離進行理論分析時，設(shè)定矩形接地裝置邊框值為16 m，接地網(wǎng)深度范圍為0.3～2 m，探測探頭距地面高度為0.1 m，將接地網(wǎng)深度和探測探頭距地面高度相加得到探頭探測深度為0.4～2.1 m。

1.2 傳感器陣列距離分析

1.2.1 水平距離分析

圖1 中，探測探頭水平面上布置的1-4 號傳感器主要進行接地導(dǎo)體的方位判斷。由于4 個傳感器距離探測探頭中心的距離均相等，所以本文以1號傳感器為例計算其到探測探頭中心的最優(yōu)水平距離為0.5Δl。本文選用的單軸線性磁阻傳感器型號為HMC1001，其在水平面上測量磁場時與接地導(dǎo)體垂直方向測得的磁場值最大。由于接地網(wǎng)模型具有對稱性，因此產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度也具有對稱性。以第一卦限為例，對卦限內(nèi)的磁感應(yīng)強度（矢量）Bx分布進行理論分析與計算，即可計算出最優(yōu)水平距離Δl。

傳感器距離分析模型如圖2 所示。

圖2 傳感器距離分析模型Fig.2 Sensor distance analysis model

圖2 中，O為空間坐標系原點，A，B，C，D分別為接地網(wǎng)的4 個頂點，BM1x和BM3x（圖2 中深綠色箭頭表示其方向）分別為M1和M32 個點的磁感應(yīng)強度。

本文利用CDEGS 仿真軟件進行分析，由于陣列式傳感器的體積不宜過大，因此傳感器間水平距離的極限設(shè)置為0.4 m。本文選用接地導(dǎo)體材料為鍍鋅扁鋼，每根接地導(dǎo)體長為16 m，橫截面積為40 mm×4 mm，接地導(dǎo)體電阻率為1.78×10-7Ω·m，相對磁導(dǎo)率為200，激勵電流的強度和頻率分別為3 A和500 Hz，正極接點A 和負極接電C 的土壤電阻率均為300 Ω·m。

傳感器間水平距離Δl值仿真驗證結(jié)果如圖3所示。圖3（b）中，橫坐標軸為圖3（a）中觀測線段L1L2上觀測點在x軸上的坐標距原點O的距離。

圖3 傳感器間水平距離Δl值仿真驗證結(jié)果Fig.3 Simulation results of horizontal distance Δl between sensors

由圖3 可知，當1 號和3 號傳感器之間距離Δl分別為0.10 m，0.15 m，0.20 m，0.25 m，0.30 m，0.35 m，0.40 m 時，測量并計算在觀測線段L1L2上的1 號與3 號傳感器的磁感應(yīng)強度差值ΔB13的變化情況。觀測線段起止點L1和L2的x，y，z軸坐標分別為L1（7.5，0，0.5）m，L2（8.5，0，0.5）m。無論Δl取何值，觀測點位置越靠近接地導(dǎo)體，沿x軸方向上所測得的|ΔB13|值越小。在0.1～0.4 m 范圍內(nèi)，隨著水平距離Δl的增大，ΔB13變化逐漸明顯，最大值約為0.23 μT。探測探頭傳感器間水平距離Δl越大，磁感應(yīng)強度差值ΔB13越大，越便于接地導(dǎo)體方位的判定。據(jù)此判斷，探測探頭結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，本文選取Δl為0.4 m。

1.2.2 垂直距離分析

探測探頭中5 號傳感器位于探測探頭的中心，6 號傳感器位于5 號傳感器正上方距離中心位置Δh處，通過聯(lián)合計算5 號與6 號傳感器測量磁場值可得到此時被測接地導(dǎo)體的深度信息。5 號傳感器探測的沿x方向的磁感應(yīng)強度為關(guān)于x，y，z的三元函數(shù)；6 號傳感器探測的沿x方向磁感應(yīng)強度為關(guān)于x，y，z，Δh的四元函數(shù)。

Δh為0.2 m 時，觀測線段H1H2上計算深度與實際測量深度如圖4 所示。觀測線起止點H1和H2的x，y，z軸坐標分別為H1（8，0，0.4）m 和H2（8，0，2.1）m。

圖4 觀測線段H1H2上計算深度與實際測量深度Fig.4 Calculated depth and measured depth on observation line H1 H2

由圖4 可知，當5 號和6 號傳感器之間距離Δh為0.2 m 時，測量在觀測線段H1H2上的5 號與6 號傳感器的磁感應(yīng)強度值，可計算出BC段接地導(dǎo)體的深度信息。隨著實際深度的變化，計算深度值基本與實際深度一致，最大相對誤差為1.86%。據(jù)此判斷，在允許誤差2%以內(nèi)，本文選取Δh為0.2 m。

2 接地網(wǎng)定位方法

2.1 接地導(dǎo)體方位探測方法

對接地網(wǎng)進行定位首先要確定其埋設(shè)方向，方向指示方法如表1 所示。表1 中，B1，B2，B3，B4，B6分別為1，2，3，4，6 號傳感器沿x軸方向上磁感應(yīng)強度，表1 中方向參照圖1，其中1，3 號傳感器位置分別為正左和正右，2，4 號傳感器位置分別為正前和正后，5 號傳感器位置為居中。地下接地導(dǎo)體的埋設(shè)方位主要根據(jù)1，2，3，4，6 號傳感器信號強弱進行判斷，當B1，B2，B3，B4，B6滿足表1 中的條件時可確定接地導(dǎo)體的埋設(shè)方位。

表1 方向指示方法Table 1 Orientation detection method

2.2 接地導(dǎo)體深度計算方法

在探測到接地導(dǎo)體的方位信息后，將探測探頭置于被測接地導(dǎo)體中點的正上方（即ΔB13為0）。此時被測接地導(dǎo)體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度遠大于相鄰接地導(dǎo)體在此處的磁感應(yīng)強度，因此可只考慮被測接地導(dǎo)體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度。利用5 號與6 號傳感器的方位坐標聯(lián)合計算5 號和6 號傳感器測量值，得到被測接地導(dǎo)體的深度值。5 號與6 號傳感器沿x方向的磁感應(yīng)強度B5，B6分別為：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；L為當前被測接地導(dǎo)體的長度；I為激勵電流；H為探測探頭距接地導(dǎo)體的垂直距離。

忽略外加激勵電流不穩(wěn)定的缺點以及泄漏電流對深度計算的影響，得到B5和B6的比值為：

采用數(shù)值逼近的方法列方程求解H值為：

式中：R為深度計算精確值；Hi為第i次探測探頭距接地導(dǎo)體的垂直距離；k為測量總次數(shù)。

為獲得較為精確的深度計算值，R應(yīng)盡可能小，本文取R≤10-6，即認為此時計算得到的H值符合探測要求。

3 接地網(wǎng)定位探測實驗

3.1 接地導(dǎo)體方位探測實驗

接地網(wǎng)由多根較長的接地導(dǎo)體相互組合而成，在進行局部接地導(dǎo)體方位探測時主要分為2 種情況：（1）在接地網(wǎng)連接拐點±1.5 m 以外，導(dǎo)體連接拐點處對接地導(dǎo)體探測影響很小可忽略不計，因此可等效為單根接地導(dǎo)體的方位探測；（2）在接地網(wǎng)連接拐點±1.5 m 以內(nèi)，導(dǎo)體連接拐點處的導(dǎo)體敷設(shè)走向可等效為口字形接地導(dǎo)體直角拐點的方位探測。口字形接地導(dǎo)體方位探測圖如圖5 所示。

圖5 口字形接地導(dǎo)體方位探測圖Fig.5 Orientation detection diagram of mouth shaped grounding conductor

在進行接地導(dǎo)體方位探測時，分別對單根接地導(dǎo)體和口字形接地導(dǎo)體進行模擬實驗，實驗場地以單根長為6 m、橫截面積為40 mm×4 mm 的鍍鋅扁鋼為實驗對象。接地導(dǎo)體方位探測實驗測試結(jié)果和示意圖如圖6 所示。

圖6 接地導(dǎo)體方位探測實驗測試結(jié)果和示意圖Fig.6 Azimuth detection test results and diagram of grounding conductor

圖6（a）中，B1，B2，B3，B4分別為1—4 號傳感器位置上的磁感應(yīng)強度，M5N5－M9N9為觀測線段。4 號和2 號傳感器所測磁感應(yīng)強度差值ΔB42分布圖如圖6（b）所示。在探測區(qū)域內(nèi)沿著同一觀測線測量時，若4 號和2 號傳感器所測磁感應(yīng)強度差值ΔB42持續(xù)保持在0.4 μT 左右，而1 號和3 號傳感器所測磁感應(yīng)強度基本為0 時，說明在平行于該觀測線的下方0.5 m 范圍內(nèi)存在接地導(dǎo)體。具體位置判斷方法為：ΔB42＞0 時，接地導(dǎo)體在靠近4 號傳感器一側(cè)；ΔB42＜0 時，接地導(dǎo)體在靠近2 號傳感器一側(cè)；ΔB42≈0 時，接地導(dǎo)體在觀測線的正下方。2 號和4 號傳感器探測方式與之同理。在1-4 號傳感器配合使用進行接地導(dǎo)體方位探測過程中，1 號和3 號為1 組探測傳感器，2 號和4 號為1 組探測傳感器。當1 組探測傳感器差值變化明顯，而另1 組探測傳感器差值約為0 時，說明在差值變化明顯的這1 組傳感器垂直方向有接地導(dǎo)體的存在，沿著該組傳感器連線水平方向移動，可知接地導(dǎo)體在磁感應(yīng)強度測量數(shù)值較大的一側(cè)。

M5N5—M9N9觀測線段起止點坐標如表2 所示，觀測步長為0.1 m。表2 中，M5－M9為觀測線起點坐標值，N5－N9為觀測線終點坐標值。

表2 M5 N5－M9 N9觀測線段起止點坐標Table 2 M5 N5—M9 N9 observation line coordinates m

圖5 中的口字形接地導(dǎo)體與單根接地導(dǎo)體探測區(qū)別的關(guān)鍵在于2 根導(dǎo)體連接處附近的探測?？谧中谓拥貙?dǎo)體方位探測示意圖如圖7 所示。

圖7 口字形接地導(dǎo)體方位探測示意圖Fig.7 Schematic diagram of mouth shaped grounding conductor orientation detection

圖7 中，M10和M11分別為觀測線起點，N10和N11分別為觀測線終點。M10N10和M11N11觀測線段起止點坐標如表3 所示。表3 中，觀測步長為0.1 m。

表3 M10N10和M11N11觀測線段起止點坐標Table 3 M10N10 and M11N11 observation line coordinates m

本文對口字形接地導(dǎo)體連接拐點半徑1 m 范圍內(nèi)進行探測。口字形接地導(dǎo)體方位探測磁感應(yīng)強度差值分布如圖8 所示。

圖8 口字形接地導(dǎo)體方位探測磁感應(yīng)強度差值分布Fig.8 Difference distribution of magnetic induction intensity in orientation detection of mouth shaped grounding conductor

圖8 中，觀測步長為0.1 m，記錄1-4 號傳感器所測磁場，并計算3 號和1 號傳感器所測磁感應(yīng)強度ΔB31、4 號和2 號傳感器所測磁感應(yīng)強度差值ΔB42，所得x方向和y方向磁感應(yīng)強度差值分布圖如圖8（e）和圖8（f）所示。由圖8（e）和圖8（f）可知，在拐點半徑0.5～1 m 范圍內(nèi)，ΔB31和ΔB42差別不大，因此在拐點0.5 m 區(qū)域外可等效為單根接地導(dǎo)體的測量；在拐點半徑0.5 m 范圍內(nèi)，|ΔB42|明顯大于|ΔB31|，探測探頭過0 點時磁感應(yīng)強度差值ΔB42的正負值變化明顯（變化幅度高達0.3 μT）且ΔB31約等于0，由此可判定在垂直于觀測線方向上存在接地導(dǎo)體，且接地導(dǎo)體連接拐點正好處于ΔB42為0 的觀測點正下方。綜上，通過配合使用1，2，3，4 號傳感器，在拐點半徑0.5 m 范圍內(nèi)可有效的判定接地導(dǎo)體連接拐點的位置。

3.2 接地導(dǎo)體深度探測實驗

為驗證接地導(dǎo)體深度計算方法的可行性，以4根長為6 m、橫截面40 mm×4 mm 的鍍鋅扁鋼連接成的口字形接地網(wǎng)為實驗對象，觀測步長為0.05 m，探測深度為0.4～1 m。M12N12－M15N15觀測線段起止點坐標如表4 所示。

表4 M12N12－M15N15觀測線段起止點坐標Table 4 M12N12－M15N15 observation line coordinates m

根據(jù)式（4），對觀測線段M12N12－M15N15上測量到的磁感應(yīng)強度值進行計算，口字形接地導(dǎo)體深度計算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 口字形接地導(dǎo)體深度計算結(jié)果Fig.9 Calculation results of mouth shaped grounding conductor depth

由圖9（b）可知，接地體在0.8 m 及以上深度探測時得到的深度值偏差較大；接地導(dǎo)體在0.4～1 m探測深度范圍內(nèi)得到的深度計算值與實際深度偏差最大為0.096 m。所以在0.4～1 m 探測范圍內(nèi)，本文的深度計算方法可有效的計算接地導(dǎo)體的深度值。

4 結(jié)語

本文基于電磁感應(yīng)原理對電力設(shè)備接地網(wǎng)進行定位，提出了一種由6 個HMC1001 傳感器組成的陣列式傳感探頭。所研制探頭中，在同一水平面上的1-4 號傳感器用于測量接地網(wǎng)水平距離的磁感應(yīng)強度從而判定接地導(dǎo)體的埋設(shè)方位，5 號和6號傳感器用于測量接地網(wǎng)垂直距離的磁感應(yīng)強度從而判定接地導(dǎo)體的深度位置。實驗結(jié)果證明，本文所提電力設(shè)備接地網(wǎng)定位探測方法的可行性與準確性較高，可應(yīng)用于實際工程。