基于磁性源的接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)方法研究

李波，王秀娟，張林山，曹敏，胡凡君，付志紅，朱全聰

（1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；2. 重慶大學(xué)，重慶 400000）

0 前言

接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其狀態(tài)的完好與否是變電站安全運(yùn)行的重要保證，同時(shí)也是保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、保護(hù)操作人員及電氣設(shè)備的重要手段。變電站中所有的電氣設(shè)備都連接在接地網(wǎng)上。接地網(wǎng)首先為這些設(shè)備提供一個(gè)公共的電位參考地，并能將雷擊或者系統(tǒng)短路故障時(shí)的大電流導(dǎo)入大地而迅速排泄電流，從而減小變電站的地電位升。因此，接地網(wǎng)接地性能的好壞直接影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。接地網(wǎng)建設(shè)時(shí)節(jié)點(diǎn)焊接不良、接地扁鋼長(zhǎng)時(shí)間埋入地中因腐蝕等因素會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)破壞[1]。接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有較大威脅，由于接地網(wǎng)的不可見(jiàn)性，該結(jié)構(gòu)性故障難以發(fā)現(xiàn)，存在發(fā)現(xiàn)遲于事故的困境，因此對(duì)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

重慶大學(xué)和清華大學(xué)率先在國(guó)際上開(kāi)展了接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障診斷方面的研究工作，提出了接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障診斷的電路方法[2-5]。該方法基本原理是根據(jù)測(cè)量獲得的接地網(wǎng)可及端點(diǎn)之間的電阻和給定接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)求解接地網(wǎng)每一段導(dǎo)體的電阻值，比對(duì)實(shí)際電阻值和原始理論值的大小從而診斷接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性故障[6]。由于實(shí)際接地網(wǎng)的可及斷點(diǎn)位置和數(shù)目的限制，電路方法尚無(wú)法在工業(yè)界推廣應(yīng)用。華北電科院和武漢大學(xué)分別利用電化學(xué)極化技術(shù)進(jìn)行接地網(wǎng)的腐蝕故障診斷的相關(guān)研究。通過(guò)對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行電化學(xué)極化測(cè)試，可獲得被測(cè)處接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕速率，但無(wú)法對(duì)斷點(diǎn)等接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障做出診斷[7-9]。

基于電磁感應(yīng)原理的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障診斷方法最早見(jiàn)諸Dawalibi提交給加拿大電氣協(xié)會(huì)（CEA）的研究報(bào)告中[10]。這份研究報(bào)告中，Dawalibi提出了利用接地網(wǎng)可及端點(diǎn)向接地網(wǎng)中注入一定頻率的正弦電流，并在地表檢測(cè)網(wǎng)中正弦電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，通過(guò)交變磁場(chǎng)強(qiáng)度分布對(duì)接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性故障進(jìn)行診斷的電磁方法。華北電力大學(xué)對(duì)該方法進(jìn)行了進(jìn)一步研究[11-13]，設(shè)計(jì)了向接地網(wǎng)注入電流的電流源和磁場(chǎng)檢測(cè)電路，另外，還提出了向接地網(wǎng)中注入正弦電流，檢測(cè)電表電位差，并利用地表電位差分布進(jìn)行故障診斷的新思路[14]。利用可及斷點(diǎn)向接地網(wǎng)中注入電流的電磁診斷方法同樣依賴于可及斷點(diǎn)的位置和數(shù)目[15-19]，如果某些區(qū)域可及斷點(diǎn)很少，則難以取得較好的診斷結(jié)果。

現(xiàn)有檢測(cè)方法大多需要接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖紙作為支撐，測(cè)量過(guò)程通過(guò)接地引線往地網(wǎng)中注入電流的激勵(lì)方式，均無(wú)法擺脫接地引線位置及分布的限制。工程中接地網(wǎng)存在腐蝕嚴(yán)重且圖紙遺失、缺損等現(xiàn)象；運(yùn)行期間經(jīng)過(guò)擴(kuò)改的接地網(wǎng)存在新舊網(wǎng)交替，與圖紙不符等現(xiàn)象，這為檢測(cè)帶來(lái)很大困難。本文提出了一種不依賴接地網(wǎng)可及端節(jié)點(diǎn)位置與分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，檢測(cè)過(guò)程不與接地網(wǎng)直接接觸，可實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)。

1 發(fā)射接收集一體式檢測(cè)裝置

檢測(cè)裝置由三個(gè)共幾何中心的且相互垂直的線圈（Rx、Ry、Tz）構(gòu)成，以三個(gè)線圈的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，如圖1、圖2所示。線圈Tz水平放置為發(fā)射線圈，線圈Rx、Ry豎直放置為接收線圈，Tz、Rx、Ry三個(gè)線圈相互垂直。Rx垂直于x軸放置，測(cè)量x方向的磁場(chǎng)；Ry垂直于y軸放置；測(cè)量y方向的磁場(chǎng)。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，三線圈的耦合系數(shù)為零，即三線圈相互之間沒(méi)有互感，發(fā)射線圈產(chǎn)生的一次場(chǎng)信號(hào)不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。接收到線圈Rx、Ry接收的磁場(chǎng)信號(hào)為接地網(wǎng)導(dǎo)體中感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)信號(hào)。

圖1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 矩形接地網(wǎng)孔周圍任意點(diǎn)磁場(chǎng)計(jì)算示意圖

接地網(wǎng)與接收線圈的耦合模型實(shí)際是將接地網(wǎng)作為發(fā)射源，接收線圈作為受激勵(lì)目標(biāo)體。將接地網(wǎng)孔中形成感應(yīng)電流，等效成通電矩形線圈。可視其為單個(gè)發(fā)射線圈，對(duì)其周圍產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況進(jìn)行分析。

如圖3所示，位于xoy平面邊長(zhǎng)為a的載流接地網(wǎng)在任意點(diǎn)P產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的各方向的分量為分別為：

當(dāng)裝置靠近沿x軸走向的接地網(wǎng)扁鋼時(shí)，發(fā)射線圈Tz產(chǎn)生的一次場(chǎng)將在扁鋼中感生出沿x軸走向的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流產(chǎn)生的二次磁場(chǎng)在空間分布類似于通電直導(dǎo)體在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)的分布規(guī)律，由此，在地表磁感線的分布主要是垂直于x軸的分量，由接收線圈Rx測(cè)量，對(duì)接收線圈Ry的測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生影響，由此可以定位x方向敷設(shè)的扁鋼；同理，對(duì)于沿y方向的接地扁鋼測(cè)量由接收線圈Ry實(shí)現(xiàn)。當(dāng)裝置移至扁鋼正上方是，因?yàn)榘l(fā)射線圈Tz產(chǎn)生的一次場(chǎng)在扁鋼左右兩邊網(wǎng)孔產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等，故在導(dǎo)體中產(chǎn)生的和磁場(chǎng)為零，導(dǎo)體中不會(huì)有電流經(jīng)過(guò)。由此可以確定接地導(dǎo)體位置。

接地網(wǎng)支路導(dǎo)體長(zhǎng)度不一，但普遍在3 m以上，當(dāng)前大型變電站接地導(dǎo)體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值可達(dá)到10 m以上。所以，我們考慮當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于接地網(wǎng)網(wǎng)孔上方時(shí)，接收線圈Rx測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bx和接收線圈Ry測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度By幅值，一般都較測(cè)點(diǎn)位于導(dǎo)體上方時(shí)小，且通常認(rèn)為兩者幅值相位相等，二者輸出之差Bx-By為零，但也存在由于磁場(chǎng)疊加以及土壤電流流動(dòng)所造成的特殊情況。當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近沿y方向的接地網(wǎng)導(dǎo)體時(shí)，可檢測(cè)到Bx發(fā)生變化，而B(niǎo)y不變則導(dǎo)致Bx-By偏離零；當(dāng)測(cè)點(diǎn)靠近沿x方向的接地網(wǎng)導(dǎo)體時(shí)，Bx不變，而B(niǎo)y發(fā)生變化，故Bx-By同樣偏離零。因此以接收線圈Rx輸出和接收線圈Ry輸出換算得的磁場(chǎng)強(qiáng)度之差Bx-By為判據(jù)，即可判斷接地網(wǎng)導(dǎo)體的走向。此外，以Bx-By為判據(jù)，還可以在一定程度上減小背景場(chǎng)干擾的影響，從而提高信號(hào)品質(zhì)。

2 接地網(wǎng)模型仿真分析

為進(jìn)一步分析檢測(cè)裝置的應(yīng)用性，設(shè)計(jì)了如圖4所示的接地網(wǎng)大型接地仿真模型，為等間距的九宮格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將網(wǎng)格間距設(shè)置為10 m，研究區(qū)域?yàn)閳D4中紅色虛線框所示。設(shè)置17條測(cè)線，測(cè)線間隔0.5 m，每條測(cè)線設(shè)置17個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間隔0.5 m。發(fā)射線圈半徑設(shè)置為0.2 m，激勵(lì)電流頻率為33 kHz的正弦電流，幅值為10 A。兩接收線圈設(shè)置為半徑為0.2 m，與發(fā)射線圈共集合中心，材料為銅，每個(gè)線圈匝數(shù)為200。

圖4 大網(wǎng)孔接地網(wǎng)仿真模型

利用CDEGS接地網(wǎng)仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)成像如圖5所示，由圖5 (a)，圖5 (b)可以明顯看出，在扁鋼所在處正上方，地表磁場(chǎng)分布出現(xiàn)谷值，在扁鋼左右兩側(cè)各出現(xiàn)一個(gè)大小相等方向相反的峰值。在遠(yuǎn)離扁鋼的區(qū)域，測(cè)量結(jié)果接近為零，直接用原始數(shù)據(jù)即可以形成接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖像。

通過(guò)仿真模型證明了，該測(cè)量裝置可以實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)，文中提出的CGGT特征值小波邊緣檢測(cè)算法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該測(cè)量裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)處理接地網(wǎng)成像也適用。對(duì)于網(wǎng)孔較小的接地網(wǎng)，測(cè)量結(jié)果受干擾影響較大，網(wǎng)孔大的情況，測(cè)量結(jié)果明顯，受干擾較小。該裝置可同時(shí)測(cè)量地表磁場(chǎng)的兩個(gè)水平分量值，一次性測(cè)量可實(shí)現(xiàn)整個(gè)接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成像。

圖5 接地網(wǎng)模型：(a)Bx分布情況，(b)By分布情況，(c)Bx-By分布情況

3 接地網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

課題組在重慶大學(xué)校內(nèi)建設(shè)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，開(kāi)展磁性源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)診斷實(shí)驗(yàn)研究。等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型如圖6所示，坐標(biāo)系建立如圖5，為分析接地網(wǎng)扁鋼的定位效果，在坐標(biāo)點(diǎn)(0, -3)處設(shè)置一個(gè)斷點(diǎn)。發(fā)射線圈和接收線圈的共同圓心位于測(cè)點(diǎn)正上方。發(fā)射線圈半徑為1.25 m，發(fā)射線圈通以峰值電流為1 A的斜階躍脈沖電流。接收線圈半徑0.25 m，接收線圈和發(fā)射線圈共幾何中心。

圖6 接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型及測(cè)點(diǎn)布置

選擇如圖6所示的測(cè)點(diǎn)分布方式，設(shè)置了8條斜跨扁鋼的測(cè)線，x軸、y軸方向上測(cè)點(diǎn)的間距均為1 m。測(cè)點(diǎn)范圍的四個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為(-11,13)，(-4,13)，(2,-13)和 (9,-13)。

圖7中可清晰看出接地網(wǎng)模型中斷點(diǎn)的位置在(0,-3)坐標(biāo)處，且斷點(diǎn)位置所在的兩個(gè)地網(wǎng)網(wǎng)格呈現(xiàn)連片的高幅磁場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)分布值在測(cè)量過(guò)程中逐點(diǎn)更新，變電站網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障或斷點(diǎn)可以實(shí)時(shí)清晰地顯示出來(lái)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)接地扁鋼的定位，同時(shí)也可以確定斷點(diǎn)位置，說(shuō)明該方法可在工程中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

圖7 測(cè)量結(jié)果場(chǎng)值分布成像效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)變電站工程需要，論文設(shè)計(jì)了一種發(fā)射與接收為一體的檢測(cè)裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程不與接地網(wǎng)直接接觸，可實(shí)現(xiàn)非接觸式無(wú)損檢測(cè)。與已有方法相比，本文提出的方法克服了已有檢測(cè)方法對(duì)接地引線數(shù)目和位置分布的制約，具有更大的實(shí)際操作空間和可推廣性。論文通過(guò)理論分析，軟件仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)了論文所提出的檢查方法的正確性和可行性，對(duì)變電站接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。