變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏 欣

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210023）

變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

魏 欣

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210023）

為提高變電站接地網(wǎng)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(lì)源注入接地網(wǎng)，基于電磁感應(yīng)原理測量地表空間磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，診斷網(wǎng)格導(dǎo)體腐蝕變細(xì)和斷點(diǎn)故障。由于變電站的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，工頻磁場干擾可達(dá)十幾微特，本文設(shè)計(jì)了一種磁感應(yīng)強(qiáng)度測量系統(tǒng)，能有效檢測激勵(lì)電流在地表面上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場檢測結(jié)果表明所提方法簡便、有效，診斷系統(tǒng)滿足測試需要，可用于工程實(shí)際。

變電站；接地網(wǎng)；電磁感應(yīng)；腐蝕診斷

0 引言

接地對于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行起著十分關(guān)鍵的作用，它是變電站安全運(yùn)行的重要保證，對保護(hù)站內(nèi)工作人員的人身安全和各種電氣設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。隨著現(xiàn)代電網(wǎng)的快速發(fā)展，電壓等級和系統(tǒng)容量在不斷提高，接地故障電流亦不斷增大，各種微機(jī)監(jiān)控設(shè)備的普遍應(yīng)用，對接地的性能要求日益嚴(yán)格。國內(nèi)就曾多次發(fā)生因接地不良而引發(fā)的機(jī)組跳閘停機(jī)、主設(shè)備損壞及二次設(shè)備燒毀等事故，極大地危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前工程中采用的抽樣挖掘技術(shù)檢測接地網(wǎng)的腐蝕情況，成本高昂，效率低下，而且?guī)в泻艽蟮拿つ啃?，難以準(zhǔn)確判斷故障位置。本文提出的一種測量系統(tǒng)，利用空間磁場檢測法對子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部測試及故障診斷，該系統(tǒng)可以在不必挖掘土方的前提下，無需依賴接地網(wǎng)圖紙進(jìn)行理論值或仿真值計(jì)算，就可對可能出現(xiàn)的故障節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行判斷，所需成本較低，提高接地網(wǎng)缺陷診斷的精準(zhǔn)度。在確定大致故障位置后，再進(jìn)行開挖作業(yè)，大大提高了效率，節(jié)約了成本。如能在電力系統(tǒng)中得以推廣，必將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 理論依據(jù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50065-2011）規(guī)定，變電站接地網(wǎng)是鋪設(shè)深度為0.8米，按照間距10～15米進(jìn)行網(wǎng)格狀布置[8]。所以每個(gè)接地網(wǎng)網(wǎng)格都可以看成是一個(gè)矩形線圈，若在矩形線圈中注入異頻激勵(lì)源，則在地表產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度分布情況的計(jì)算方法如圖1所示。

圖1 通電矩形線圈計(jì)算方法示意圖

通過Matlab進(jìn)行仿真分析后可以看到在線圈附近的空間磁場強(qiáng)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(wǎng)格的位置，而且可以通過檢測的磁場強(qiáng)度的大小判斷出流過導(dǎo)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(qū)域中接地網(wǎng)的實(shí)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(tǒng)的設(shè)計(jì)

上述仿真結(jié)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(shí)際，需解決變電站復(fù)雜電磁環(huán)境下，如何實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度有效測量的問題。變電站的工頻磁場干擾可達(dá)十幾μT，同時(shí)還存在諧波、開關(guān)以及線路電流變化等引起的電磁干擾，500kV變電站內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量、垂直分量及總磁感應(yīng)強(qiáng)度約在9～13 μT，干擾的頻點(diǎn)主要是工頻及其各奇次諧波，且工頻干擾遠(yuǎn)大于各奇次諧波[9-10]。解決思路是通過改變激勵(lì)電流信號(hào)的頻率，通過陷波、放大、濾波等選頻放大技術(shù)，抑制工頻，避開主要的干擾頻點(diǎn)，如圖3所示。

用于描述地表磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值和接地網(wǎng)測量段電阻值之間的關(guān)系，其公式為測量電壓與地表磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系為，式中為地表磁場強(qiáng)度，為磁場強(qiáng)度所對應(yīng)的測量電壓值，轉(zhuǎn)換系數(shù)，N為線圈匝數(shù)，S為線圈截面積，A為測量系統(tǒng)總增益。

地表磁感應(yīng)強(qiáng)度與接地網(wǎng)電阻值關(guān)系為

圖3 腐蝕檢測系統(tǒng)框圖

2.1 探測線圈的設(shè)計(jì)

利用電磁感應(yīng)方法測量磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)法測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度不是某一點(diǎn)的值，而是探測線圈界定范圍內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的平均值。我們要測量的是，在向變電站接地網(wǎng)注入激勵(lì)電流后，其在地表面激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(nèi)的磁場越能近似地視為均勻的。但是，探測線圈太小時(shí)，相應(yīng)的感應(yīng)電勢也要減小，又會(huì)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(gè)方面，考慮到變電站接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體跨度一般在10～20 m的幾何尺度，因此設(shè)計(jì)探測線圈的幾何尺度只要遠(yuǎn)小于這個(gè)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(shè)計(jì)

由于我們進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度測量，所面臨的工頻干擾遠(yuǎn)大于要檢測的信號(hào)，必須抑制，否則將淹沒欲提取的信號(hào)，所以要進(jìn)行陷波處理。接下來，為了進(jìn)一步抑制信號(hào)鄰近的諧波等干擾采用帶通濾波處理。本文設(shè)計(jì)的50Hz陷波電路，采用RC雙T陷波網(wǎng)絡(luò)，放大器加有正反饋，用以進(jìn)行阻抗變換。跟隨器的加入，使得調(diào)整電位器RW時(shí)，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?zhàn)饔茫环矫嫫鸶綦x作用。

2.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

信號(hào)經(jīng)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(hào)，進(jìn)一步抑制噪聲和干擾，提高信噪比，進(jìn)行帶通濾波處理是必須的。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(shè)定為500 Hz，高通濾波部分截至頻率設(shè)定為700 Hz。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為檢驗(yàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度測量系統(tǒng)的分辨能力和抗干擾能力，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。分別將半徑為 10m 的 2 個(gè)圓環(huán)形導(dǎo)線疊放在一起，一個(gè)回路施加激勵(lì)電流，另一個(gè)回路用于施加干擾電流，在圓環(huán)中心處放置探測線圈，接上檢測系統(tǒng)，測量輸出信號(hào)。

設(shè)定檢測系統(tǒng)的總增益 G=30，設(shè)圓環(huán)回路中的激勵(lì)電流 ：，

因探測線圈幾何尺寸遠(yuǎn)小于圓環(huán)，可近似認(rèn)為探測線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為：

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激勵(lì)電流有效值約為 180mA 時(shí)，系統(tǒng)能檢測最小輸出電壓信號(hào)幅值 Uom≈130 mV，此時(shí)計(jì)算幅值 Bm 分別約為 13.2 和 13.8 nT，二者較吻合；當(dāng)激勵(lì)電流約為 4A 時(shí)，輸出最大電壓幅值 Uom≈3.2 V，Bm 約為 371.5nT；激勵(lì)電流變化±300 mA 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度變化±60 nT，輸出電壓信號(hào)變化±270 mV。從上述結(jié)果看，系統(tǒng)的有效檢測范圍在 12～670 nT 內(nèi)，能滿足診斷要求。

4 總結(jié)

本文基于空間磁場的接地網(wǎng)分割測試，通過檢測激勵(lì)電流在變電站地表面激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)行接地網(wǎng)故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)的分塊故障診斷和局部故障診斷。經(jīng)過理論分析和實(shí)踐驗(yàn)證該檢測方法是可行的。

本系統(tǒng)的檢測儀器針對變電站的復(fù)雜電磁環(huán)境，利用選頻放大技術(shù)，能夠有效抑制電磁干擾，準(zhǔn)確的測量接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明該裝置簡便、可行，檢測系統(tǒng)可靠、有效，可以用于工程實(shí)際。

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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(shù)研究開發(fā)中心開放基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KF20130102）