基于感應視磁阻抗法的接地網拓撲結構和故障的檢測系統

李志忠,湯亮亮,王 森,郭 峰,徐 霞,劉 剛

(1. 國網陜西省電力有限公司 電力科學研究院,西安 710100； 2. 南瑞集團有限公司(國網電力科學研究院有限公司)，南京 211106； 3. 國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074)

在我國，大多數變電站的接地網材料為普通金屬鋼，隨著使用年限的累積，加之土壤腐蝕作用，接地導體腐蝕問題比較突出，嚴重情況下甚至會出現接地導體斷裂從而導致接地網電氣連接性能的降低和接地電阻的增高[1-4]。一旦電力系統遭受雷擊或發生短路故障，不僅容易造成檢測設備和控制設備的誤動作、不動作,還會給工作人員帶來危險[5-6]。

經調研，國內外關于接地金屬網故障的檢測方法和技術有大量的基礎性研究[7-12]。其故障診斷技術主要有電阻性網絡法、電化學法、瞬變電磁法和電磁感應法等。其中,電阻性網絡法是通過測量接地網支路導體電阻的變化值來確定接地網的故障情況[13-15]，使用該方法需要準確了解接地網的結構，然而對于運行多年的舊接地網難以準確建模，而且當接地網出現局部嚴重腐蝕或斷點時，由于導體間互電阻的影響，測量結果會受到嚴重干擾。電化學檢測技術是通過導體腐蝕時土壤中離子或者電荷的定性測量來分析接地體的運行狀態，由于入地電流也會通過土壤散流，加上測量環境的背景信號干擾，電化學法的測量結果也會受到嚴重干擾，尤其是凍土區域環境中的接地網腐蝕[16]。瞬變電磁法類似于探地雷達，通過探測線圈產生的磁場在接地網中形成渦流，然后在地面提取二次磁場信號，通過二次場信號推算接地網的電氣特征參量，從而判斷接地網的運行狀態，但變電站周圍的各種電磁場很強，存在各種各樣的電磁干擾，這影響了瞬變電磁法在接地網腐蝕判斷中的應用[17]。電磁感應法是直接通過向接地網注入電流，分析接地網導體中電流在地表產生的一次場信號變化來判斷接地網的運行狀態，通過數值模擬仿真得到了該方法的可行性驗證，但其測量結果受變電站復雜的電磁環境干擾較大[18]。

本工作在電磁感應法的基礎上提出一種新的檢測方法，并研制了一種簡便、準確、不受現場運行條件限制且抗干擾能力強的檢測系統，針對樣機進行了基于感應視磁阻抗法檢測原理的仿真計算和模擬接地網現場試驗，通過仿真結果、試驗數據及圖形可以清晰地分辨接地網的拓撲結構和斷點等現象，并論證了該系統的可行性和準確性。

1 視磁阻抗法的檢測原理

如圖1所示，向接地網中注入的電流會在地表形成磁場，線圈傳感器會在交變電磁場中產生感應電壓，該感應電壓與接地導體中的電流之比，即為“感應視磁阻抗”。感應視磁阻抗檢測法以電磁感應為基礎，感應視磁阻抗反映了接地網的電性分布，在測量電(磁)場的分布基礎上，通過提取電磁特性反映出地下的電性結構。

圖1 感應視磁阻抗法原理示意圖Fig. 1 Principle diagram of inductively apparent magnetic impedance method

當接地體完整時，可視為純電阻電路，為簡化問題，考察其中一個網格支路。如果網格支路兩端的電壓為u(t)=Umcosωt，且網格支路的電阻為R，那么支路中流過的電流i為

(1)

式中:Um為施加的電壓幅值；ω為頻率;t為時間。

根據Biot-Savart定律，當導體有電流流過時，電流元idl在高為h處產生的磁場強度(dB)為

(2)

式中：μ0為磁導率;idl為電流元;l為接地導體長度;r為電流元到測量點的距離;θ為電流元與r之間的夾角。

長度為l的接地導體流過電流時在高度為h處產生的等效阻抗(Zc)為

(3)

(4)

故測量線圈的感應電壓為

(5)

式中：S為傳感線圈的截面積;N為匝數;δ為測量線圈截面與水平方向的夾角;Φ為總磁通量。

假定接地網導體發生腐蝕，且腐蝕截面積比例為λ(腐蝕面積占總截面的百分比)，根據式(6):

R=ρL/A

(6)

式中:A為接地體截面積，則接地體的等效阻抗見式(7)：

(7)

式中：ρ為接地體電阻率;L為接地體長度;C為導體腐蝕部分對地電容。

于是該段導體中的感應電流為：

(8)

同理，線圈中的感應電壓為：

(9)

由上式可知，采用矢量檢測法，提取待測電壓的實部和虛部，不僅能檢測到地表電磁感應強度，從而得到接地網導體的物理位置和運行狀態，還可以避開實分量成分的干擾信號。

2 基于視磁阻抗法的檢測系統設計

傳統的電磁感應法是利用儀器直接測量磁感應強度，然后推斷接地網導體的位置和走向。然而,該方法應用在變電站接地網拓撲結構的探測上時，由于變電站復雜多變的電磁干擾，由接地體中電流在地面產生的磁感應強度被淹沒在數倍數量級的電磁干擾場中。

與傳統電磁感應法不同，本工作采用的感應視磁阻抗法不是直接測量磁場強度的水平分量，而是利用線圈在磁場中受到激發產生感應諧振的原理，研制出感應諧振傳感器，并檢測諧振傳感器在該感應電磁場中受到激發而產生的電磁振蕩。該電磁振蕩的幅度、頻率成分和相位等矢量參數與激勵電流的比值也為一個矢量，即視阻抗，該視阻抗是由通電導體激發的磁場導致的，反映了通電導體的電磁特征。系統硬件部分包括激勵電流源、探測線圈以及接收機等部分。

2.1 激勵源

激勵源設計方案如圖2所示，整個激勵源包括頻率可編程正弦波發生器和音頻功率驅動，其中信號發生器的參考信號由同步的方波信號獲取，經隔離、整形和電平轉換后，接入開關電容濾波器,濾波器采用可編程的DDS(Direct Digital Synthesis)技術,開關電容濾波器后級使用二階低通濾波器濾除開關噪聲，產生的波形為頻率可變的正弦信號，信號經后級放大和功率放大后即可作為接地網的激勵信號。

圖2 激勵源設計方案Fig. 2 Incentive source design plan

2.2 探測線圈

綜合考慮探測的分辨力和靈敏度，以及安裝和固定的便捷性，線圈采用扁平的矩形骨架，其上用銅線繞制，電感為1～2 H。結合仿真計算結果和待檢測的磁感應強度的分布特征，設計了截面積為40 cm×60 cm，厚5 cm的矩形線圈。

按照計算參數繞制的兩個線圈分別作為x和y方向的傳感器，再選用高精度元器件，設計可控跳頻器和自適應振蕩回路，最后用特殊工藝進行固定和封裝。

2.3 接收機

如圖3所示，接收機由信號調理通道、檢測模塊、數據采集模塊三個部分構成。其中信號調理通道的作用是與傳感器線圈諧振電路配合，實現特定頻率信號的放大，同時抑制噪聲，并進行電平轉換；相關檢測模塊對待測信號實施自相關算法，通過兩路乘法器實現，在乘法器的輸出端得到待測信號的實部和虛部信號；數據采集模塊由單片機和24位高精度低噪聲AD芯片構成，數據采集后傳給虛擬儀器處理。

圖3 接收機結構圖Fig. 3 Receiver structure diagram

3 接地網拓撲結構、斷點和腐蝕點的檢測

3.1 接地網拓撲結構檢測

首先利用仿真計算論證檢測原理的可行性。模擬接地網的土壤結構設置為兩層，上層厚度為5 m；電阻率為80 Ω·m，下層土壤電阻率為200 Ω·m。A點是激勵源注入點，電流為幅值10 A、頻率100 Hz的正弦波，B點為電流抽出點，電流波形與注入電流波形一致，如圖4(a)所示。由圖4(b)可以看出，A、B對角注入和抽出電流的方式剛好能獲得接地網完整的拓撲結構。

(a) 示意圖

在戶外通過模擬接地網開展現場檢測工作，模擬接地網采用尺寸為20 mm×3 mm的扁鋼焊接，網格間距為4 m，埋深為1.2 m。實測時，注入10 A、100 Hz的正弦波電流。將測得的矢量值換算成幅度，根據結果繪制成熱力圖，從圖5中可以清晰地看出接地網的拓撲結構，與實際的兩個網格尺寸、形狀完全吻合。

(a) 示意圖

在實際測量中，開始并不知曉接地網的拓撲結構以及橫向和縱向的敷設路徑，因此設備測量路徑不一定與實際接地網敷設路徑一致。這里主要考慮斜向測量網格，即測量方向與網格呈一個夾角，以驗證儀器在任意方向上對拓撲結構測量的準確性。由于現場場地條件受限，僅對“口”字形網格進行了探測試驗，如圖6(a)所示，檢測裝置分別沿著x、y軸進行測量。由于采用了雙傳感器結構，所以仍能準確測量出網格的拓撲結構，從圖6(b)中可以清晰地看出“口”字形網格。

(a) 示意圖

3.2 接地網斷點檢測

依據視磁阻抗法測量原理，當接地網出現斷點故障時，接地網土壤表面的磁感應強度會發生變化。

設置接地網斷點為P(10，4.2)，縫隙長為0.1 m，如圖7(a)所示，仿真模型條件不變，B點位置改變。

從圖7(b)中可以看出，接地網斷點故障下地表面磁感應強度會出現跌落。同理，只改變電流注入和抽出點的位置到y方向，就能得出斷點位置在y方向上的坐標，從而確定斷點的具體坐標。

(a) 示意圖

模擬接地網的環境與上節一致。實測時，注入10 A、100 Hz的正弦波電流。接地網格中標記1、2、3和4處的斷點的裂口分別為10 mm、20 mm、30 mm和50 mm，以便分析不同斷點間距對檢測結果的影響。

由圖8(b)分析可知，2號斷點處有明顯的“凹陷”區，由于該斷點的存在，左下角相鄰幾個導體沒有構成電流回路，此區域內導體的感應信號非常微弱，形成了“假斷點”；1、3、4號斷點處的信號幅度明顯變弱，能夠從圖中清晰的看到斷點位置；對比1號和4號兩個斷點處的信號，可以看出4號斷點處的淺色區域多于1號斷點的，且淺色更深，說明4號斷點處的信號比1號弱，這與4號斷點的裂口(50 mm)比1號斷點的裂口(10 mm)寬一致；3號斷點處的信號較強，原因是距離信號注入點近，電流大，但不能說明3號斷點裂口比1、4號兩處的小。

(a) 示意圖

3.3 接地網腐蝕點檢測

模擬接地網網格間距為3 m，對角注入10 A、10 Hz的異頻正弦波激勵電流，如圖9(a)所示，A點為注入點、B點為抽出點，其他仿真條件不變。未腐蝕接地網導體段半徑為0.067 m，設置線段MN為腐蝕段，腐蝕導體段長為2 m，變細后的導體半徑為0.03 m。

(a) 示意圖

當接地網導體發生腐蝕，其腐蝕導體上方的地表磁感應強度變小，兩側導體上方的地表磁感應強度變大。從圖9(b)中可以明顯看到，在x=3 m處腐蝕變細段上方的磁感應強度明顯跌落。

在戶外模擬接地網腐蝕和非腐蝕條件下的測試，非腐蝕下的扁鋼截面尺寸為60 mm×6 mm，腐蝕后經化學處理的剩余截面尺寸為20 mm×3 mm，注流方式相同。由圖10可以看出，兩次測量所得的曲線變化趨勢完全相同，可見儀器重復性較好；針對截面積減小的腐蝕段的測量，其測量幅值明顯小于非腐蝕段的。

(a) 測量路徑

4 結論

(1) 提出基于感應視磁阻抗法的接地網拓撲結構、斷點和腐蝕情況的檢測原理，并結合此原理給出特征提取量。

(2) 從感應視磁阻抗法的檢測原理出發，研制了檢測系統，主要包括激勵源、探測線圈以及接收機等部件。

(3) 針對樣機進行了仿真計算和模擬接地網現場試驗，從仿真結果和試驗數據可以清晰地分辨出接地網的拓撲結構，實現斷點和腐蝕點的故障診斷，從而驗證了檢測系統的準確性。