變電站接地網腐蝕診斷系統的設計

魏 欣

（南京信息職業技術學院，江蘇南京，210023）

變電站接地網腐蝕診斷系統的設計

魏 欣

（南京信息職業技術學院，江蘇南京，210023）

為提高變電站接地網腐蝕診斷的效率和精度，提出一種新的診斷方法。將異頻激勵源注入接地網，基于電磁感應原理測量地表空間磁感應強度分布，診斷網格導體腐蝕變細和斷點故障。由于變電站的電磁環境非常復雜，工頻磁場干擾可達十幾微特，本文設計了一種磁感應強度測量系統，能有效檢測激勵電流在地表面上產生的磁感應強度。實驗和現場檢測結果表明所提方法簡便、有效，診斷系統滿足測試需要，可用于工程實際。

變電站；接地網；電磁感應；腐蝕診斷

0 引言

接地對于電力系統安全運行起著十分關鍵的作用，它是變電站安全運行的重要保證，對保護站內工作人員的人身安全和各種電氣設備的正常運行至關重要。隨著現代電網的快速發展，電壓等級和系統容量在不斷提高，接地故障電流亦不斷增大，各種微機監控設備的普遍應用，對接地的性能要求日益嚴格。國內就曾多次發生因接地不良而引發的機組跳閘停機、主設備損壞及二次設備燒毀等事故，極大地危害了電網的安全穩定運行。

目前工程中采用的抽樣挖掘技術檢測接地網的腐蝕情況，成本高昂，效率低下，而且帶有很大的盲目性，難以準確判斷故障位置。本文提出的一種測量系統，利用空間磁場檢測法對子網絡進行局部測試及故障診斷，該系統可以在不必挖掘土方的前提下，無需依賴接地網圖紙進行理論值或仿真值計算，就可對可能出現的故障節點位置進行判斷，所需成本較低，提高接地網缺陷診斷的精準度。在確定大致故障位置后，再進行開挖作業，大大提高了效率，節約了成本。如能在電力系統中得以推廣，必將帶來巨大的經濟和社會效益。

1 理論依據

根據國家標準《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB50065-2011）規定，變電站接地網是鋪設深度為0.8米，按照間距10～15米進行網格狀布置[8]。所以每個接地網網格都可以看成是一個矩形線圈，若在矩形線圈中注入異頻激勵源，則在地表產生的磁場強度分布情況的計算方法如圖1所示。

圖1 通電矩形線圈計算方法示意圖

通過Matlab進行仿真分析后可以看到在線圈附近的空間磁場強度較大，如圖2所示。

圖2 矩形線圈空間磁場分布仿真圖

通過空間磁場檢測法不僅可以判斷出接地網格的位置，而且可以通過檢測的磁場強度的大小判斷出流過導體電流值的大小。所以通過空間磁場的檢測不僅能夠找出測試區域中接地網的實際位置，無需依賴任何施工圖紙，大大提高了檢測的效率和精度。

2 腐蝕檢測系統的設計

上述仿真結果表明本文所提出的診斷方法可行，若將該方法用于工程實際，需解決變電站復雜電磁環境下，如何實現磁感應強度有效測量的問題。變電站的工頻磁場干擾可達十幾μT，同時還存在諧波、開關以及線路電流變化等引起的電磁干擾，500kV變電站內磁感應強度的水平分量、垂直分量及總磁感應強度約在9～13 μT，干擾的頻點主要是工頻及其各奇次諧波，且工頻干擾遠大于各奇次諧波[9-10]。解決思路是通過改變激勵電流信號的頻率，通過陷波、放大、濾波等選頻放大技術，抑制工頻，避開主要的干擾頻點，如圖3所示。

用于描述地表磁感應強度測量值和接地網測量段電阻值之間的關系，其公式為測量電壓與地表磁感應強度關系為，式中為地表磁場強度，為磁場強度所對應的測量電壓值，轉換系數，N為線圈匝數，S為線圈截面積，A為測量系統總增益。

地表磁感應強度與接地網電阻值關系為

圖3 腐蝕檢測系統框圖

2.1 探測線圈的設計

利用電磁感應方法測量磁感應強度，首先需要解決測量線圈的研制問題。測量線圈的形狀有很多，有球形的、圓柱形的、方形的、扁平形的、帶形的等等。電磁感應法測量的磁感應強度不是某一點的值，而是探測線圈界定范圍內磁感應強度的平均值。我們要測量的是，在向變電站接地網注入激勵電流后，其在地表面激發的磁感應強度分布情況，顯然是非均勻磁場，探測線圈做的越小，其界定范圍內的磁場越能近似地視為均勻的。但是，探測線圈太小時，相應的感應電勢也要減小，又會使測量的靈敏度收到影響。顯然，探測線圈的分辨力和靈敏度是互相矛盾的，為了兼顧兩個方面，考慮到變電站接地網網格導體跨度一般在10～20 m的幾何尺度，因此設計探測線圈的幾何尺度只要遠小于這個尺度，是可以滿足診斷測量需要的。

2.2 前置緩沖陷波器的設計

由于我們進行磁感應強度測量，所面臨的工頻干擾遠大于要檢測的信號，必須抑制，否則將淹沒欲提取的信號，所以要進行陷波處理。接下來，為了進一步抑制信號鄰近的諧波等干擾采用帶通濾波處理。本文設計的50Hz陷波電路，采用RC雙T陷波網絡，放大器加有正反饋，用以進行阻抗變換。跟隨器的加入，使得調整電位器RW時，只改變電路的Q值，而陷波頻率及無限大衰減值不受影響。這樣，兩只放大器，一方面起反饋作用，一方面起隔離作用。

2.3 帶通濾波器的設計

信號經過工頻陷波處理后，為了抑制其諧波、其它雜波等有效地提取信號，進一步抑制噪聲和干擾，提高信噪比，進行帶通濾波處理是必須的。本文設計了一個具有巴特沃茲特性的8階帶通濾波器電路。帶通中心頻率為600 Hz，低通濾波部分截至頻率設定為500 Hz，高通濾波部分截至頻率設定為700 Hz。

3 系統實驗

為檢驗磁感應強度測量系統的分辨能力和抗干擾能力，進行如下實驗。分別將半徑為 10m 的 2 個圓環形導線疊放在一起，一個回路施加激勵電流，另一個回路用于施加干擾電流，在圓環中心處放置探測線圈，接上檢測系統，測量輸出信號。

設定檢測系統的總增益 G=30，設圓環回路中的激勵電流 ：，

因探測線圈幾何尺寸遠小于圓環，可近似認為探測線圈處的磁感應強度大小為：

實驗發現，當激勵電流有效值約為 180mA 時，系統能檢測最小輸出電壓信號幅值 Uom≈130 mV，此時計算幅值 Bm 分別約為 13.2 和 13.8 nT，二者較吻合；當激勵電流約為 4A 時，輸出最大電壓幅值 Uom≈3.2 V，Bm 約為 371.5nT；激勵電流變化±300 mA 時，磁感應強度變化±60 nT，輸出電壓信號變化±270 mV。從上述結果看，系統的有效檢測范圍在 12～670 nT 內，能滿足診斷要求。

4 總結

本文基于空間磁場的接地網分割測試，通過檢測激勵電流在變電站地表面激發的磁感應強度，進行接地網故障診斷，從而實現了接地網的分塊故障診斷和局部故障診斷。經過理論分析和實踐驗證該檢測方法是可行的。

本系統的檢測儀器針對變電站的復雜電磁環境，利用選頻放大技術，能夠有效抑制電磁干擾，準確的測量接地網地表磁感應強度。實驗和應用結果表明該裝置簡便、可行，檢測系統可靠、有效，可以用于工程實際。

[1]Zhao Zhibin，Cui Xiang，Zhang Bo，et al．Analysis of grounding systems in multi-layer soil with finite volumes of different resistivities

[J]Proceedings of the CSEE，2004，24(9)：218-223．

[2]魯志偉，文習山，史艷玲．大型變電站接地網工頻接地參數的數值計算[J]．中國電機工程學報,2003,23(12)：89-93．

[3]CIGRE WG 36.04．Guide on electromagnetic compatibility in electric power plants and substation[C]．CIGRE，Paris，1997．

劉渝根，騰永禧，陳先祿．接地網腐蝕的診斷方法研究[J]．高電壓技術，2004，30(6)：19-21．

The design of substation grounding grid corrosion diagnosis system

Wei Xin
（Jiandong College,Jiangsu Changzhou,213022）

In order to improve the efficiency and accuracy of the substation grounding grid corrosion diagnosis, a new diagnosis method is proposed. The interband excitation source into the grounding, based on the distribution of magnetic induction intensity of the electromagnetic induction principle to measure the surface space, diagnosis grid conductor corrosion thinning and breakpoint fault. Because of the complexity of the electromagnetic environment of the substation, power frequency magnetic field interference can reach more than 10 micro. In this paper, the design of the magnetic induction intensity measurement system, effective detection of exciting current in the magnetic induction intensity which is produced on the ground surface. Experimental and field test results show that the proposed method is simple, effective, and the diagnostic system can meet the needs of the test, which can be used in engineering practice.

substation; grounding grid; electromagnetic induction; corrosion diagnosis

江蘇省電子信息工程技術研究開發中心開放基金項目（項目編號：KF20130102）