基于磁場測量的變電站接地網結構判斷實驗

劉 洋

(華北電力大學數理學院,河北保定071003)

1 引 言

在電力系統中,接地網是變電站安全運行的重要保證,對保護站內工作人員的人身安全和各種電氣設備的正常運行至關重要,其接地性能一直受到生產運行部門的重視.接地網的工頻接地參數和設計問題受到廣泛關注[1-8].然而,對于鋼質材料的接地網,在我國多雨和沿海地區,隨著使用年限的增加,易發生腐蝕,可能使接地導體變細甚至斷裂,破壞接地網的原有結構,降低接地網的接地性能,當系統遭受雷擊或發生短路故障時可能造成事故擴大,危及設備和工作人員的人身安全.近年來,查找接地網的缺陷部位成為電力部門一項重大的反事故措施.在對年限較久的變電站接地網進行診斷時,有時會遇到接地網圖紙數據丟失,或出現接地網實際結構與圖紙存在較大誤差的情況.本文通過磁場檢測方法,研究在沒有接地網圖紙的情況下,如何準確判定地下接地網的位置和結構的方法,及通過測量地表面磁感應強度的分布,如何確定接地網結構的具體步驟.利用電磁學的基本原理,研究接地網結構的判斷方法,使得物理知識的學習靈活扎實,使學生對物理的興趣得以培養,科學探索方法得以引導.

2 基本原理和判斷方法

2.1 基本原理

接地網通常埋于地下0.6～1 m,采用網格狀結構,如圖1所示.

圖1 激勵電流的注入

由于接地網埋于地下,常常在不挖開的情況下,通過無損檢測的方法診斷斷裂部位[9-12].圖1中,首先通過地表與接地網的引線直接注入激勵電流,然后用探測線圈探測地表的磁場.為了研究方便,以圖2所示的模型為例分析其診斷原理.在圖2中,當點 E(10,0)處注入激勵電流,并從點F(10,30)處抽出時,忽略土壤漏電流的影響,依據電路和網絡理論,利用基爾霍夫節點或環路電流定律可以求得各段網格導體中的支路電流和流向[13].

式中左側是一個系數矩陣,Ilk為各支路電流,Isk為激勵電流.

根據畢奧-薩法爾定律,任一支路電流在地表場點激發的磁感應強度可按下式計算

圖2 接地網模型

式中Blk為支路電流在地表場點激發的磁感應強度,r為激勵元電流源點與地表場點間的位置矢量.再利用矢量的疊加與分解原理即可以獲得地表任一場點的總磁感應強度及其分量.

診斷方法的基本思路是通過對變電站接地網的2根上引線向接地網直接注入異頻正弦波電流,基于電磁感應原理,利用磁感應強度測量系統檢測接地網導體支路電流在地表面上激發的磁感應強度,依據磁感應強度的分布特征和變化規律確定接地網結構和網格導體的缺陷狀態.

2.2 仿真計算

為了判定接地網的結構和缺陷,通過仿真計算來說明具體的判斷方法和原理.直接應用課題組開發的接地網接地性能分析軟件[11],對所述診斷方法進行可行性分析和可靠性檢驗.圖3為計算分析模型,假設 x,y方向分別有11根接地導體,每根導體長100 m、直徑12 mm.計算時將每根導體分為10段、每段10 m,接地導體電阻率為1.78×10-7Ω·m,相對磁導率為200,接地網埋深0.8 m;土壤水平分為2層,第一層厚5 m,土壤電阻率為8 0Ω·m,第二層土壤電阻率為200Ω·m.

圖3 接地網仿真計算模型

仿真計算如下進行,首先從圖3中 P(50,0)點處注入10 A,380 Hz的正弦波電流,從 Q(50,100)點抽出.計算結果以地表面上沿 x=40 m和y=60 m兩個方向的磁感應強度分量Bx的分布為例,如圖4所示.

從圖4結果看,Bx分布具有一定的規律性:1)靠近電流注入與抽出點的地表鄰近區域,Bx的值較大;2)垂直于 PQ段導體電流方向的導體地表面Bx分布呈現波浪式變化,且每根導體上方對應出現一個峰值;3)平行于 PQ段導體電流方向的導體地表面Bx的變化較平緩,正常情況下,一般不存在突變和明顯跌落的現象.

圖4 磁感強度分量Bx的分布

2.3 判斷接地網結構的判據和步驟

在接地網圖紙未知的情況下,通過地表面磁感應強度分量的有限測量,依據垂直于接地網導體電流方向,每個峰值下方將有1根導體存在的規律,尋找接地網的結構.向接地網注入電流后,分別沿 x和y方向測量接地網地表面磁感應強度的分布,并記下每個方向上出現峰值的位置,根據分布規律可以反推出地下接地網有無導體以及導體的走向,從而確立接地網的結構.判斷方法按以下4個步驟進行:

1)利用地表面已有的下引導體線,向接地網注入電流.

2)以電流注入點為原點構建直角坐標系.

3)分別沿 x和y方向測量地表面磁感應強度,并同時記錄出現峰值的位置坐標.

4)依據測量結果,根據峰值坐標反推接地網結構,并繪制出接地網結構圖.

3 接地網結構判斷實驗

為了檢驗判斷接地網結構方法的有效性,進行如下實驗.實驗是在華北電力大學二校區試驗接地網上進行的.通過現有2根上引導體注入300 Hz正弦波電流,地表回流線長度100 m.調整電流源的輸出電流和接收測量系統的增益,觀察輸出波形,在能夠分辨信號且不失真的情況下,實施測量.以電流注入點為原點,建立坐標系如圖5所示.分別隨機按圖5中 x=10 m,x=25 m和 y=10 m,y=20 m處,利用測量小車裝載的測量系統,在接地網地表面進行磁感應強度分量的測量,同時記錄位置坐標.由于垂直于導體支路電流方向上的地表面磁感應強度較強,測量中主要針對這一分量進行測量,測量得到的 x和y位置坐標及磁感應強度分量值如圖6所示.

圖5 按注入點建立的坐標系

因為地表面每個磁感應強度分量峰值對應埋入地下的1條接地網導體,根據圖6(a)可判斷,在圖5坐標系中,對應 y=0,6,12,18,24,30 m處存在沿 y方向分布的接地網導體.根據圖6(b)可以判斷,在圖5坐標系中,對應 x=0,6,12,18,24,30 m處存在沿 x方向分布的接地網導體.據此,可以在圖5中,以原點 O(0,0)為起點,分別繪出沿 x和y方向的導體線,可得到如圖7(a)所示的接地網結構圖.為了驗證判斷結果的正確性,把判斷出的接地網結構與實際鋪設情況進行比較.接地網實際鋪設情況如圖7(b)所示,二者基本相符,證實了通過測量地表面磁感應強度的分布推斷接地網結構的方法是可行的.

圖7 接地網結構

4 結束語

為使學生更好地理解和掌握電磁學的有關概念和規律,體現如何應用物理理論來分析和解決工程問題,把實際問題抽象成物理模型,利用物理原理進行分析研究.教學科研相結合,通過變電站接地網結構判斷實驗,提高了學生的學習興趣,激發了他們的求知欲,符合綜合素質培養的教學原則.

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