變電站接地網電磁診斷法的試驗研究

施會，王豐華，胡徐銘，茅曉亮，呂佩佩，孟琦斌

(1. 國網上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400；2. 上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

接地網作為變電站的重要組成部分，承擔著保證電氣設備良好接地的任務。但是，接地網導體埋于地下，不可避免地會出現腐蝕、斷裂等故障，從而有可能造成事故，帶來巨大的經濟損失[1-2]。因此，準確診斷和定位接地網故障對于電力系統的安全穩定運行有著十分重要的意義。

目前，運維人員主要通過定期大面積開挖變電站地面來對接地網導體狀態進行診斷，不僅代價高，而且由于無法事先確定故障位置，具有一定的盲目性。而接地網故障診斷方法研究主要從3個方面展開：電化學檢測法、導體電阻法和電磁場分析法[3]。其中，電化學檢測法通過分析接地網金屬導體的極化電阻、土壤電阻等電化學參數來進行診斷，是表征接地網材料腐蝕狀態和研究腐蝕機理的有效手段之一[4]。如文獻[5]采用小孔電化學傳感器和電化學檢測參數軟件，根據接地網導體金屬極化電阻和土壤電阻等電化學參數來識別接地網的腐蝕狀態。然而，電化學檢測法存在傳感器限流以及變電站干擾信號和雜散電流干擾等問題，在復雜的變電站環境下準確性難以保證。導體電阻法通過測量接地引線節點間電阻，對比分析電阻的變化來判斷導體是否出現腐蝕或者斷裂[6-7]。文獻[8]將遺傳算法應用于接地網腐蝕故障診斷中，以接地電阻為指標建立了適應度評價函數，通過仿真驗證了該方法的準確性。但是，由于節點間電阻通常只有毫歐級，易受連線電阻的影響，對測量設備的要求較高。電磁場分析法具有抗干擾能力強和準確易行的優點，是近年來接地網故障診斷研究的熱點方向[9-10]。其中，文獻[11]分別以規則形狀和不規則形狀兩種接地網模型為研究對象，對接地網典型故障下的的地表電位分布進行了測試分析。文獻[12]利用復鏡像法和Prony法計算得到了接地網正常狀態和故障狀態下的地表電位分布，提出了基于模糊理論的接地網故障診斷方法。文獻[13]根據電網絡理論和Biot-Savart定律建立了支路電阻和地表磁場的最小二乘優化模型，通過仿真分析驗證了所提方法的可行性。文獻[14]計算了激勵電流產生的接地網地表磁感應強度，設計了磁感應強度測量系統，實現了接地網導體腐蝕和斷裂故障的診斷。顯然，現有研究均從不同側面說明了基于電場或磁場分布對接地網典型故障進行診斷的有效性，但大都以接地網模型為對象進行仿真研究，與實際接地網存在一定差異。此外，接地網導體故障類型較多，單獨依靠電場分布或磁場分布尚無法準確識別接地網的故障類型，仍需進行研究。

基于此，基于接地網的電磁場分布綜合診斷思想，以某實際35 kV變電站接地網為對象，應用實測的手段對接地網正常與腐蝕、斷裂、虛焊及混合故障下地表電位和磁感應強度的變化進行研究，歸納總結其變化規律，為進一步提高接地網故障診斷方法的準確性及適用性提供依據。

1 接地網試驗

1.1 接地網模型

圖1為根據某實際35 kV變電站接地網的圖紙得到的接地網示意圖。圖中，B為原點，BD段和BG段分別為x方向和y方向。接地網占地尺寸約為41.92 m×20.82 m，埋深為0.8 m。水平導體采用尺寸為40 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用直徑為38 mm、長度為2.5 m的黑鐵管。A點和B點為接地網的可及節點。另外，a, b, c ,d, e, f為模擬故障設置點。

圖1 接地網示意圖

1.2 試驗描述

試驗所用系統為Red Phase 8100型接地裝置特性參數測量與管理系統。該系統由變頻信號源、耦合變壓器及可調頻率多功能萬用表組成，具有接地阻抗測量、電流分布情況測量及場區地表電位梯度測量等功能。

為避開測試現場的工頻及相應諧波信號對測試的干擾，采用65 Hz異頻信號源注入激勵電流。其中，對接地網地表電位進行測試時，應用系統中的變頻信號源從圖1中A點向接地網注入激勵電流，并從電流參考極抽出。其中，電流參考極及電壓參考極根據30°夾角法確定[15]，即電流參考極距離接地網CE邊框約200 m，電壓參考極距離接地網CE邊框約120 m。為確保輸出回路的穩定性，調整變頻信號源使其在允許輸出功率范圍內最大輸出電流為6 A。對接地網地表磁感應強度進行測試時，電流注入點為圖1中的B點，電流抽出點為圖1中的A點。選用的感應線圈為350匝和16 cm×4 cm的矩形線圈，其材質為直徑1 mm的漆包線。

完成接地網正常工況時的地表電位和磁感應強度進行測量后，挖開模擬故障點土壤進行故障設置，再對接地網故障工況下的地表電位分布和磁感應強度進行測量。

1.3 故障設置

變電站接地網故障通常是由土壤腐蝕作用、施工時脫焊接問題以及接地電流電動力等因素引起，為綜合了解接地網典型故障下的電磁場分布，本實驗針對接地網導體腐蝕、斷裂、虛焊、脫焊以及混合故障等多種故障工況進行模擬。具體故障工況如表1所示。

表1 接地網導體故障設置

2 結果分析

2.1 正常工況

圖2為測量得到的接地網地表電位分布。由圖可見，接地網地表電位最大值為1.504 V，出現在電流注入點；電位最小值為0.693 V，出現在左下方網孔中心。另外，接地網導體上方的地表電位明顯高于網孔上方，導體兩端節點處電位也會比導體中間段略高。

因接地網地表電位分布與電流注入點位置有關，基于試驗接地網可用可及節點位置，為說明選用A點作為電流注入點的合理性，文中同時基于接地網不等電位計算模型計算得到了電流注入點從B點注入時的地表電位分布[16]，如圖3所示。由圖可見，電流注入點為B時，接地網地表電位最大值和電位差遠小于電流注入點為A時產生的地表電位，再次說明了選用A點作為注入點的合理性。

圖2 正常工況下地表電位分布

圖3 接地網地表電位分布(電流注入點為B)

圖4 正常工況下地表磁感應強度分布

圖4為測量得到的接地網地表磁感應強度分布情況。由圖可見，電流注入點與抽出點所在導體上方的磁感應強度較為明顯，且電流注入點所在導體的地表磁感應強度最高。地表磁感應強度x分量最大值出現在電流注入點所在導體，大小為0.498 7 μT；磁感應強度x分量最小值出現在右側網孔中心，大小為0.009 4 μT；地表磁感應強度y分量最大值出現在電流抽出點所在導體，大小為0.677 4 μT；磁感應強度y分量最小值出現在右側網孔中心，大小為0.028 7 μT。另外，沿y方向布置的接地導體上方磁感應強度的x方向分量較大，沿x方向布置的導體上方磁感應強度的y方向分量較大；網孔中心磁感應強度明顯跌落。

顯然，接地網導體上方的地表電位和磁感應強度相對于接地網其它部分而言更為明顯。因此，本文在后續分析中重點關注接地網導體上方的地表電位和磁感應強度變化。

2.2 故障工況

2.2.1 腐蝕故障

變電站接地網腐蝕故障在圖1所示的ab段(29.8≤x≤30.0)進行模擬，所對應的故障導體BD上方地表電位和磁感應強度如圖5所示。

圖5 接地網腐蝕時BD段導體測試結果

由圖5(a)可見，接地網導體腐蝕段所在的導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，變化幅度達到了約10.94%。究其原因為，當接地網導體發生腐蝕故障時，故障導體附近的泄漏電流密度與導體的腐蝕程度有關，即導體的腐蝕程度越大其泄漏電流密度越大。相應地，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段所在的導體地表磁感應強度發生了一定程度的改變。其中，在14

2.2.2 斷裂故障

變電站接地網斷裂故障在圖1所示a點(x=29.8)進行模擬，所對應的故障導體BD上方地表電位和磁感應強度如圖6所示。

圖6 接地網斷裂時BD段導體測試結果

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

由圖6(b)可見，在14

2.2.3 虛焊故障

變電站接地網虛焊故障在圖1所示a(x=14.4)，b(x=29.8)，c(x=30)和d點(x=40.0)進行模擬，所對應故障導體BD上方地表電位和磁感應強度如圖7所示。

圖7 接地網虛焊時BD段導體測試結果

由圖7(a)可見，接地網導體的地表電位僅在故障點a，b，c，d處略微高于正常工況，變化幅度最大可達5.13%。究其原因為，當接地網導體發生虛焊故障時，故障點處導體接觸不良，導致導體的泄漏電流密度增大。相應地，故障點上方地表電位也隨之上升。由圖7(b)可見，故障導體上方磁感應強度在全段導體范圍內均略低于正常工況，變化幅度最大不超過11.38%。究其原因為，當接地網導體發生虛焊故障時，故障導體上流經的軸向電流減小，導致地表磁感應強度減小。

2.2.4 脫焊故障

變電站接地網脫焊故障的情形在圖1所示d(x=14.4;y=0)處進行模擬，所對應的導體Cd上方地表電位和磁感應強度如圖8所示。

由圖8(a)可見，故障導體上方地表電位在脫焊處d(x=14.4;y=0)呈現下降趨勢，最大降幅可達15.33%，在遠離故障點的區域，地表電位漸趨正常。究其原因為，當d點發生脫焊時，BD段導體上的軸向電流不再向Cd段導體分流。因此地表電位僅由較少的泄漏電流產生，進而導致其上地表電位相應降低。

圖8 接地網脫焊時Cd段導體測試結果

由圖8(b)可見，故障導體Cd段上方磁感應強度明顯低于正常情況。究其原因為，當d處發生脫焊時，BD段導體上的軸向電流不再向Cd段導體分流，Cd段導體由于不再有軸向電流流經，因此地表磁感應強度明顯減小。

2.2.5 混合故障

接地網導體同時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)進行模擬，所對應的導體BD上方地表電位和磁感應強度如圖9所示。

圖9 接地網混合故障下BD段導體測試結果

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

3 接地網診斷規律總結

表2為根據變電站接地網實際測量結果匯總得到的接地網導體典型故障下地表電位和磁感應強度的變化情況。由表可見，接地網導體存在腐蝕故障時，主要表征為故障段導體地表電位升高和磁感應強度降低，通常可將地表電位作為接地網導體腐蝕的主要判據。接地網導體存在斷裂故障時，地表電位在斷裂處發生突變，可根據地表電位識別導體斷裂故障。但當接地網導體存在虛焊或脫焊故障時，受到接地網測試環境如土壤電阻率和測試誤差等因素的影響，單純依靠地表電位難以區分二者，建議輔以磁感應強度的變化來進行識別。當接地網存在混合故障時，地表電位與磁感應強度變化規律與單一故障工況時變化一致，且相對于單一故障，變化幅度更加劇烈。因此，在診斷混合故障時，可結合單一故障的判據進行綜合判斷。

表2 接地網地表電位和磁感應強度變化規律

在具體應用中，首先需根據變電站現場提供的接地網可及節點的位置信息，經計算后選取地表電位最高值和電位差相對較大的可及節點作為電流注入點。然后，從選定的電流注入點向接地網注入異頻電流，沿接地網導體上方測量地表電位和磁感應強度分布。最后，綜合分析測量結果對接地網的導體狀態進行診斷。

4 結束語

對某35 kV實際變電站接地網正常與典型故障下的地表電位和磁感應強度分布的測試結果表明：

(1)接地網導體在不同故障下的地表電位和磁感應強度存在差異，為準確識別接地網典型故障，結合接地網導體地表電位和磁感應強度的變化會得到更為準確的結果;

(2)接地網導體存在腐蝕故障時，故障段地表電位升高，電磁感應強度降低；斷裂故障時，故障點至電流注入點段，地表電位上升，遠離電流注入點段，電位下降。電磁感應強度大幅度降低；虛焊故障時，地表電位僅在故障點處略微升高，磁感應強度在導體范圍內略微下降；脫焊故障時，故障點處地表電位下降，磁感應強度大幅度下降;

(3)接地網導體存在混合故障時，故障段導體地表電位和磁感應強度與接地網單一故障下導體地表電位和磁感應強度變化規律一致。并且，相對單一故障而言，混合故障下地表電位和磁感應強度變化幅度更大。

需要指出的是，所得結果的有效性還需要更多的現場測試來進行驗證，這也是我們下一步的工作。