基于電磁感應(yīng)法的變電站接地網(wǎng)探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

南方電網(wǎng)德宏供電局 李文杰 廖益發(fā) 謝尚東

有些變電站由于建設(shè)年代較早，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)和施工條件的限制，較大可能出現(xiàn)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的實(shí)際建設(shè)情況與設(shè)計(jì)方案不同的情況，另外也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)原始設(shè)計(jì)圖遺失或損壞而導(dǎo)致無法準(zhǔn)確判定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況[1]。于是，在對(duì)這些變電站的接地網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)或檢修時(shí)，就可能由于無法精確定位而導(dǎo)致維檢效率低下、或?qū)е戮S檢成本大幅增加等不利情況出現(xiàn)。但在當(dāng)前的工程實(shí)踐過程中，暫時(shí)還沒有成熟的接地網(wǎng)檢測(cè)方法。

1 基于電磁法的接地網(wǎng)探測(cè)原理

要實(shí)現(xiàn)把接地網(wǎng)的橫、縱向?qū)w情況在同一張圖中進(jìn)行表示，可按圖1所示方式，把橫向k階微分的各點(diǎn)數(shù)據(jù)和縱向k階微分的各點(diǎn)數(shù)據(jù)（其中i代表x方向坐標(biāo)，；j代表y方向坐標(biāo)，進(jìn)行變換。

若一半微分階次（即k/2）是奇數(shù)，則測(cè)點(diǎn)的值就取各檢測(cè)位置中的極小值，即有；若一半微分階次（即k/2）是偶數(shù)，則測(cè)點(diǎn)的值就取各檢測(cè)位置中的極大值，即有。

若感應(yīng)電壓的二階微分結(jié)果對(duì)應(yīng)的是0.6m檢測(cè)高度和半徑為0.1m的線圈時(shí)，利用圖1的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處置，就能獲得整體上的感應(yīng)電壓二次微分切片圖，從中就能非常輕易而直觀的辨識(shí)出接地網(wǎng)的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)[2]。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

從科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性出發(fā)，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證接地網(wǎng)的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電壓微分方法的計(jì)算準(zhǔn)確性，以及感應(yīng)電壓微分方法對(duì)識(shí)別接地網(wǎng)的拓?fù)浜蛿帱c(diǎn)位置的影響[3]。利用2×2接地柵格模型，通過使用感應(yīng)電壓差分方法來識(shí)別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接地拓?fù)涞墓收宵c(diǎn)，對(duì)線圈大小和測(cè)量距離與感應(yīng)電壓切片之間的關(guān)系展開探究，最終找到合適的測(cè)量參數(shù)對(duì)各種故障情況進(jìn)行模擬檢測(cè)，通過測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬計(jì)算結(jié)果就能夠直觀地顯示接地網(wǎng)的電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障點(diǎn)所在位置，該結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同[4]。

2.1 通用線圈尺寸的計(jì)算

在通常情況下，接地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸在5至15米間，填埋深度為0.5至1.5米。接地網(wǎng)的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢測(cè)難度隨著接地網(wǎng)中線圈尺寸和高度的增加而增大。因此，為獲得更精確的檢測(cè)結(jié)果并提高檢測(cè)效率，應(yīng)該選用尺寸越小、埋深越深的線圈，利用模型來來進(jìn)行計(jì)算[5]。

選擇尺寸為5米、埋深為1.5米（即檢測(cè)高度差為1.5米）的2×2接地網(wǎng)為模型，利用半徑分別為0.1米、0.5米、1米及1.5米的檢測(cè)線圈對(duì)模型的感應(yīng)電壓進(jìn)行計(jì)算，并利用前述分析方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二階微分，最終得到如圖2所示的模型感應(yīng)電壓二階微分切片圖。能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)線圈的尺寸分別為0.1米、0.5米和1米的情況時(shí)，模型上方位置感應(yīng)電壓的壓二階微分呈現(xiàn)負(fù)極大值，而中央?yún)^(qū)域的情況則是呈現(xiàn)正極大值，因此能夠直觀的判斷出模型匯總接地導(dǎo)體的具體位置，同時(shí)該位置的負(fù)極大值范圍會(huì)隨著線圈半徑的變大而變寬；在線圈尺寸變動(dòng)到1.5米時(shí)，模型上方區(qū)域的感應(yīng)電壓二階微分值不再呈現(xiàn)出如前述一致的規(guī)律性，因此不再可以作為判別地導(dǎo)體的位置和網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的依據(jù)。

通過前面的討論能夠發(fā)現(xiàn)：若接地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)尺寸≥5米、且埋深≤1.5米，則都能夠使用尺寸≤1米的線圈來利用前述檢測(cè)及計(jì)算方法來識(shí)別接地網(wǎng)的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和斷點(diǎn)情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和參數(shù)

選擇使用扁鋼材料，依據(jù)尺寸為5米的2×2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并按10倍比例進(jìn)行等效縮小，制作一個(gè)等效實(shí)體模型。該實(shí)體模型尺寸即為0.5米、接地導(dǎo)體截面尺寸為0.04m×0.004m，其填埋深度0.15米（比所等效的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)縮小10倍），選擇使用圓形（半徑為0.07米，保證合適的尺寸和檢測(cè)高度，以滿足MRL相關(guān)要求的前提下選擇盡量小的線圈）的中心回線式（400匝）線圈，一共布置13條1.2米長(zhǎng)的檢測(cè)線，按0.1米的線間距均勻布置，檢測(cè)線上的測(cè)量點(diǎn)按0.1米間距設(shè)置。

在實(shí)際工程條件下，土壤的電導(dǎo)率為0.01S/m～0.02S/m，而接地網(wǎng)的電導(dǎo)率一般能達(dá)到107S/m左右，兩者具有較大差距，同時(shí)考慮接地網(wǎng)的填埋深度最大也只有1.5米，上層填埋土壤對(duì)接地網(wǎng)的影響較小，故在進(jìn)行等效模擬時(shí)可以不管這些土壤的作用。在可動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上放置好檢測(cè)線圈，平臺(tái)將按照預(yù)先設(shè)置的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而完成前述實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)所使用的發(fā)射裝置為MiniTEM發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備cRIO和LabVIEW的可視化采集系統(tǒng)，由吉林大學(xué)自主研制。

3 發(fā)射-接收參數(shù)對(duì)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識(shí)別的影響驗(yàn)證

在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇邊長(zhǎng)為0.2米、63匝的正矩形線圈作為發(fā)射線圈，且其與接收線圈在同一平面內(nèi)，高度差為0.15米（如前所述將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了十倍的等效縮?。?，在實(shí)驗(yàn)裝置關(guān)閉斷電1.953125ms后采集相關(guān)數(shù)據(jù)，做出如圖3所示的情況對(duì)比圖。圖3(a)為接地網(wǎng)未被破壞時(shí)所檢測(cè)到的感應(yīng)電壓切片圖，圖中的黑色線條所示的即為接地網(wǎng)的識(shí)別輪廓位置。這與小尺寸線圈、低位置測(cè)量時(shí)的模擬結(jié)果基本類似，圖中所示高感應(yīng)電壓位置區(qū)域基本對(duì)應(yīng)接地網(wǎng)導(dǎo)體的真實(shí)位置，能夠比較明確而直接的判斷出接地網(wǎng)的拓?fù)湫螒B(tài)，也就證明前文所述通過計(jì)算的方式來識(shí)別同樣情況下接地網(wǎng)拓?fù)淝闆r和斷點(diǎn)位置的合理性和有效性。

必須指出的是檢測(cè)結(jié)果存在不均勻的特性，產(chǎn)生這種情況的原因是等效模型進(jìn)行了10倍縮小，使得實(shí)驗(yàn)裝置本身的抖動(dòng)在較小檢測(cè)高度的情況下被放大，而引起的檢測(cè)結(jié)果偏差。

在前述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將發(fā)生線圈的大小和檢測(cè)距離進(jìn)行加大，利用尺寸為0.75米、63匝的正矩形線圈作為發(fā)生線圈，且其與接收線圈在同一平面內(nèi)，高度差為0.5米（將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了十倍的等效縮小），發(fā)現(xiàn)若接地網(wǎng)是完好的，則得到如圖3（b）的檢測(cè)感應(yīng)電壓切片情況。從中可看出其結(jié)果顯現(xiàn)明顯凸形狀態(tài)，無法確定接地網(wǎng)格的網(wǎng)格邊界，也無法獲得接地網(wǎng)格的網(wǎng)格拓?fù)洹?/p>

上述感應(yīng)電壓測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與模擬線圈尺寸和電磁響應(yīng)的測(cè)量高度結(jié)果一致。傳輸線圈的尺寸與測(cè)量高度之間的差異會(huì)影響感應(yīng)電壓切片的形狀：如果傳輸線圈的尺寸較小，則測(cè)量高度越小，測(cè)量結(jié)果就可更直觀地顯示接地柵格的柵格拓?fù)?，接地柵極導(dǎo)體上的感應(yīng)電壓較大且呈凸形，節(jié)點(diǎn)處的感應(yīng)電壓較小且在局部最大值的每個(gè)小網(wǎng)格的中心呈凹形。相反，如果發(fā)射線圈的尺寸較大并且測(cè)量高度較高，則感應(yīng)電壓會(huì)呈現(xiàn)為整體凸形，并且無法反映接地柵格的柵格拓?fù)洹?/p>