變電站接地網(wǎng)電磁診斷法的試驗研究

施會，王豐華，胡徐銘，茅曉亮，呂佩佩，孟琦斌

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400；2. 上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240)

0 引 言

接地網(wǎng)作為變電站的重要組成部分，承擔(dān)著保證電氣設(shè)備良好接地的任務(wù)。但是，接地網(wǎng)導(dǎo)體埋于地下，不可避免地會出現(xiàn)腐蝕、斷裂等故障，從而有可能造成事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。因此，準(zhǔn)確診斷和定位接地網(wǎng)故障對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著十分重要的意義。

目前，運維人員主要通過定期大面積開挖變電站地面來對接地網(wǎng)導(dǎo)體狀態(tài)進(jìn)行診斷，不僅代價高，而且由于無法事先確定故障位置，具有一定的盲目性。而接地網(wǎng)故障診斷方法研究主要從3個方面展開：電化學(xué)檢測法、導(dǎo)體電阻法和電磁場分析法[3]。其中，電化學(xué)檢測法通過分析接地網(wǎng)金屬導(dǎo)體的極化電阻、土壤電阻等電化學(xué)參數(shù)來進(jìn)行診斷，是表征接地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)和研究腐蝕機理的有效手段之一[4]。如文獻(xiàn)[5]采用小孔電化學(xué)傳感器和電化學(xué)檢測參數(shù)軟件，根據(jù)接地網(wǎng)導(dǎo)體金屬極化電阻和土壤電阻等電化學(xué)參數(shù)來識別接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)。然而，電化學(xué)檢測法存在傳感器限流以及變電站干擾信號和雜散電流干擾等問題，在復(fù)雜的變電站環(huán)境下準(zhǔn)確性難以保證。導(dǎo)體電阻法通過測量接地引線節(jié)點間電阻，對比分析電阻的變化來判斷導(dǎo)體是否出現(xiàn)腐蝕或者斷裂[6-7]。文獻(xiàn)[8]將遺傳算法應(yīng)用于接地網(wǎng)腐蝕故障診斷中，以接地電阻為指標(biāo)建立了適應(yīng)度評價函數(shù)，通過仿真驗證了該方法的準(zhǔn)確性。但是，由于節(jié)點間電阻通常只有毫歐級，易受連線電阻的影響，對測量設(shè)備的要求較高。電磁場分析法具有抗干擾能力強和準(zhǔn)確易行的優(yōu)點，是近年來接地網(wǎng)故障診斷研究的熱點方向[9-10]。其中，文獻(xiàn)[11]分別以規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩種接地網(wǎng)模型為研究對象，對接地網(wǎng)典型故障下的的地表電位分布進(jìn)行了測試分析。文獻(xiàn)[12]利用復(fù)鏡像法和Prony法計算得到了接地網(wǎng)正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的地表電位分布，提出了基于模糊理論的接地網(wǎng)故障診斷方法。文獻(xiàn)[13]根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論和Biot-Savart定律建立了支路電阻和地表磁場的最小二乘優(yōu)化模型，通過仿真分析驗證了所提方法的可行性。文獻(xiàn)[14]計算了激勵電流產(chǎn)生的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度，設(shè)計了磁感應(yīng)強度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕和斷裂故障的診斷。顯然，現(xiàn)有研究均從不同側(cè)面說明了基于電場或磁場分布對接地網(wǎng)典型故障進(jìn)行診斷的有效性，但大都以接地網(wǎng)模型為對象進(jìn)行仿真研究，與實際接地網(wǎng)存在一定差異。此外，接地網(wǎng)導(dǎo)體故障類型較多，單獨依靠電場分布或磁場分布尚無法準(zhǔn)確識別接地網(wǎng)的故障類型，仍需進(jìn)行研究。

基于此，基于接地網(wǎng)的電磁場分布綜合診斷思想，以某實際35 kV變電站接地網(wǎng)為對象，應(yīng)用實測的手段對接地網(wǎng)正常與腐蝕、斷裂、虛焊及混合故障下地表電位和磁感應(yīng)強度的變化進(jìn)行研究，歸納總結(jié)其變化規(guī)律，為進(jìn)一步提高接地網(wǎng)故障診斷方法的準(zhǔn)確性及適用性提供依據(jù)。

1 接地網(wǎng)試驗

1.1 接地網(wǎng)模型

圖1為根據(jù)某實際35 kV變電站接地網(wǎng)的圖紙得到的接地網(wǎng)示意圖。圖中，B為原點，BD段和BG段分別為x方向和y方向。接地網(wǎng)占地尺寸約為41.92 m×20.82 m，埋深為0.8 m。水平導(dǎo)體采用尺寸為40 mm×6 mm的鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用直徑為38 mm、長度為2.5 m的黑鐵管。A點和B點為接地網(wǎng)的可及節(jié)點。另外，a, b, c ,d, e, f為模擬故障設(shè)置點。

圖1 接地網(wǎng)示意圖

1.2 試驗描述

試驗所用系統(tǒng)為Red Phase 8100型接地裝置特性參數(shù)測量與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由變頻信號源、耦合變壓器及可調(diào)頻率多功能萬用表組成，具有接地阻抗測量、電流分布情況測量及場區(qū)地表電位梯度測量等功能。

為避開測試現(xiàn)場的工頻及相應(yīng)諧波信號對測試的干擾，采用65 Hz異頻信號源注入激勵電流。其中，對接地網(wǎng)地表電位進(jìn)行測試時，應(yīng)用系統(tǒng)中的變頻信號源從圖1中A點向接地網(wǎng)注入激勵電流，并從電流參考極抽出。其中，電流參考極及電壓參考極根據(jù)30°夾角法確定[15]，即電流參考極距離接地網(wǎng)CE邊框約200 m，電壓參考極距離接地網(wǎng)CE邊框約120 m。為確保輸出回路的穩(wěn)定性，調(diào)整變頻信號源使其在允許輸出功率范圍內(nèi)最大輸出電流為6 A。對接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度進(jìn)行測試時，電流注入點為圖1中的B點，電流抽出點為圖1中的A點。選用的感應(yīng)線圈為350匝和16 cm×4 cm的矩形線圈，其材質(zhì)為直徑1 mm的漆包線。

完成接地網(wǎng)正常工況時的地表電位和磁感應(yīng)強度進(jìn)行測量后，挖開模擬故障點土壤進(jìn)行故障設(shè)置，再對接地網(wǎng)故障工況下的地表電位分布和磁感應(yīng)強度進(jìn)行測量。

1.3 故障設(shè)置

變電站接地網(wǎng)故障通常是由土壤腐蝕作用、施工時脫焊接問題以及接地電流電動力等因素引起，為綜合了解接地網(wǎng)典型故障下的電磁場分布，本實驗針對接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕、斷裂、虛焊、脫焊以及混合故障等多種故障工況進(jìn)行模擬。具體故障工況如表1所示。

表1 接地網(wǎng)導(dǎo)體故障設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 正常工況

圖2為測量得到的接地網(wǎng)地表電位分布。由圖可見，接地網(wǎng)地表電位最大值為1.504 V，出現(xiàn)在電流注入點；電位最小值為0.693 V，出現(xiàn)在左下方網(wǎng)孔中心。另外，接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位明顯高于網(wǎng)孔上方，導(dǎo)體兩端節(jié)點處電位也會比導(dǎo)體中間段略高。

因接地網(wǎng)地表電位分布與電流注入點位置有關(guān)，基于試驗接地網(wǎng)可用可及節(jié)點位置，為說明選用A點作為電流注入點的合理性，文中同時基于接地網(wǎng)不等電位計算模型計算得到了電流注入點從B點注入時的地表電位分布[16]，如圖3所示。由圖可見，電流注入點為B時，接地網(wǎng)地表電位最大值和電位差遠(yuǎn)小于電流注入點為A時產(chǎn)生的地表電位，再次說明了選用A點作為注入點的合理性。

圖2 正常工況下地表電位分布

圖3 接地網(wǎng)地表電位分布(電流注入點為B)

圖4 正常工況下地表磁感應(yīng)強度分布

圖4為測量得到的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度分布情況。由圖可見，電流注入點與抽出點所在導(dǎo)體上方的磁感應(yīng)強度較為明顯，且電流注入點所在導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強度最高。地表磁感應(yīng)強度x分量最大值出現(xiàn)在電流注入點所在導(dǎo)體，大小為0.498 7 μT；磁感應(yīng)強度x分量最小值出現(xiàn)在右側(cè)網(wǎng)孔中心，大小為0.009 4 μT；地表磁感應(yīng)強度y分量最大值出現(xiàn)在電流抽出點所在導(dǎo)體，大小為0.677 4 μT；磁感應(yīng)強度y分量最小值出現(xiàn)在右側(cè)網(wǎng)孔中心，大小為0.028 7 μT。另外，沿y方向布置的接地導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強度的x方向分量較大，沿x方向布置的導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強度的y方向分量較大；網(wǎng)孔中心磁感應(yīng)強度明顯跌落。

顯然，接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位和磁感應(yīng)強度相對于接地網(wǎng)其它部分而言更為明顯。因此，本文在后續(xù)分析中重點關(guān)注接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位和磁感應(yīng)強度變化。

2.2 故障工況

2.2.1 腐蝕故障

變電站接地網(wǎng)腐蝕故障在圖1所示的ab段(29.8≤x≤30.0)進(jìn)行模擬，所對應(yīng)的故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強度如圖5所示。

圖5 接地網(wǎng)腐蝕時BD段導(dǎo)體測試結(jié)果

由圖5(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕段所在的導(dǎo)體上方的地表電位大都略高于正常工況。其中，腐蝕段ab 處的地表電位變化最為明顯，變化幅度達(dá)到了約10.94%。究其原因為，當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生腐蝕故障時，故障導(dǎo)體附近的泄漏電流密度與導(dǎo)體的腐蝕程度有關(guān)，即導(dǎo)體的腐蝕程度越大其泄漏電流密度越大。相應(yīng)地，泄漏電流在故障段上方引起的地表電位也隨之上升。由圖5(b)可見，ab段所在的導(dǎo)體地表磁感應(yīng)強度發(fā)生了一定程度的改變。其中，在14

2.2.2 斷裂故障

變電站接地網(wǎng)斷裂故障在圖1所示a點(x=29.8)進(jìn)行模擬，所對應(yīng)的故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強度如圖6所示。

圖6 接地網(wǎng)斷裂時BD段導(dǎo)體測試結(jié)果

由圖6(a)可見，接地網(wǎng)地表電位在斷裂點a處(x=29.8)發(fā)生了明顯的變化。在x≥29.8的導(dǎo)體段，地表電位明顯高于正常工況，變化幅度最大可達(dá)16.87%。在14

由圖6(b)可見，在14

2.2.3 虛焊故障

變電站接地網(wǎng)虛焊故障在圖1所示a(x=14.4)，b(x=29.8)，c(x=30)和d點(x=40.0)進(jìn)行模擬，所對應(yīng)故障導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強度如圖7所示。

圖7 接地網(wǎng)虛焊時BD段導(dǎo)體測試結(jié)果

由圖7(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體的地表電位僅在故障點a，b，c，d處略微高于正常工況，變化幅度最大可達(dá)5.13%。究其原因為，當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生虛焊故障時，故障點處導(dǎo)體接觸不良，導(dǎo)致導(dǎo)體的泄漏電流密度增大。相應(yīng)地，故障點上方地表電位也隨之上升。由圖7(b)可見，故障導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強度在全段導(dǎo)體范圍內(nèi)均略低于正常工況，變化幅度最大不超過11.38%。究其原因為，當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體發(fā)生虛焊故障時，故障導(dǎo)體上流經(jīng)的軸向電流減小，導(dǎo)致地表磁感應(yīng)強度減小。

2.2.4 脫焊故障

變電站接地網(wǎng)脫焊故障的情形在圖1所示d(x=14.4;y=0)處進(jìn)行模擬，所對應(yīng)的導(dǎo)體Cd上方地表電位和磁感應(yīng)強度如圖8所示。

由圖8(a)可見，故障導(dǎo)體上方地表電位在脫焊處d(x=14.4;y=0)呈現(xiàn)下降趨勢，最大降幅可達(dá)15.33%，在遠(yuǎn)離故障點的區(qū)域，地表電位漸趨正常。究其原因為，當(dāng)d點發(fā)生脫焊時，BD段導(dǎo)體上的軸向電流不再向Cd段導(dǎo)體分流。因此地表電位僅由較少的泄漏電流產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致其上地表電位相應(yīng)降低。

圖8 接地網(wǎng)脫焊時Cd段導(dǎo)體測試結(jié)果

由圖8(b)可見，故障導(dǎo)體Cd段上方磁感應(yīng)強度明顯低于正常情況。究其原因為，當(dāng)d處發(fā)生脫焊時，BD段導(dǎo)體上的軸向電流不再向Cd段導(dǎo)體分流，Cd段導(dǎo)體由于不再有軸向電流流經(jīng)，因此地表磁感應(yīng)強度明顯減小。

2.2.5 混合故障

接地網(wǎng)導(dǎo)體同時存在腐蝕和斷裂故障的情形在圖1所示ab段(29.8≤x≤30.0)和c處(x=40.0)進(jìn)行模擬，所對應(yīng)的導(dǎo)體BD上方地表電位和磁感應(yīng)強度如圖9所示。

圖9 接地網(wǎng)混合故障下BD段導(dǎo)體測試結(jié)果

由圖9(a)可見，在ab段(29.8≤x≤30)因為腐蝕故障地表電位有一定程度上升，變化幅度最大可達(dá)11.38%。在斷裂點c(x=40.0)附近，地表電位發(fā)生明顯變化。在靠近電流注入點(3740)的部分，故障工況下地表電位明顯低于正常工況，變化幅度最大可達(dá)到27.11%；由圖9(b)可見，除了在14

3 接地網(wǎng)診斷規(guī)律總結(jié)

表2為根據(jù)變電站接地網(wǎng)實際測量結(jié)果匯總得到的接地網(wǎng)導(dǎo)體典型故障下地表電位和磁感應(yīng)強度的變化情況。由表可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體存在腐蝕故障時，主要表征為故障段導(dǎo)體地表電位升高和磁感應(yīng)強度降低，通常可將地表電位作為接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕的主要判據(jù)。接地網(wǎng)導(dǎo)體存在斷裂故障時，地表電位在斷裂處發(fā)生突變，可根據(jù)地表電位識別導(dǎo)體斷裂故障。但當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在虛焊或脫焊故障時，受到接地網(wǎng)測試環(huán)境如土壤電阻率和測試誤差等因素的影響，單純依靠地表電位難以區(qū)分二者，建議輔以磁感應(yīng)強度的變化來進(jìn)行識別。當(dāng)接地網(wǎng)存在混合故障時，地表電位與磁感應(yīng)強度變化規(guī)律與單一故障工況時變化一致，且相對于單一故障，變化幅度更加劇烈。因此，在診斷混合故障時，可結(jié)合單一故障的判據(jù)進(jìn)行綜合判斷。

表2 接地網(wǎng)地表電位和磁感應(yīng)強度變化規(guī)律

在具體應(yīng)用中，首先需根據(jù)變電站現(xiàn)場提供的接地網(wǎng)可及節(jié)點的位置信息，經(jīng)計算后選取地表電位最高值和電位差相對較大的可及節(jié)點作為電流注入點。然后，從選定的電流注入點向接地網(wǎng)注入異頻電流，沿接地網(wǎng)導(dǎo)體上方測量地表電位和磁感應(yīng)強度分布。最后，綜合分析測量結(jié)果對接地網(wǎng)的導(dǎo)體狀態(tài)進(jìn)行診斷。

4 結(jié)束語

對某35 kV實際變電站接地網(wǎng)正常與典型故障下的地表電位和磁感應(yīng)強度分布的測試結(jié)果表明：

(1)接地網(wǎng)導(dǎo)體在不同故障下的地表電位和磁感應(yīng)強度存在差異，為準(zhǔn)確識別接地網(wǎng)典型故障，結(jié)合接地網(wǎng)導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強度的變化會得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果;

(2)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在腐蝕故障時，故障段地表電位升高，電磁感應(yīng)強度降低；斷裂故障時，故障點至電流注入點段，地表電位上升，遠(yuǎn)離電流注入點段，電位下降。電磁感應(yīng)強度大幅度降低；虛焊故障時，地表電位僅在故障點處略微升高，磁感應(yīng)強度在導(dǎo)體范圍內(nèi)略微下降；脫焊故障時，故障點處地表電位下降，磁感應(yīng)強度大幅度下降;

(3)接地網(wǎng)導(dǎo)體存在混合故障時，故障段導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強度與接地網(wǎng)單一故障下導(dǎo)體地表電位和磁感應(yīng)強度變化規(guī)律一致。并且，相對單一故障而言，混合故障下地表電位和磁感應(yīng)強度變化幅度更大。

需要指出的是，所得結(jié)果的有效性還需要更多的現(xiàn)場測試來進(jìn)行驗證，這也是我們下一步的工作。