基于電磁感應法的變電站接地網探測實驗研究

南方電網德宏供電局 李文杰 廖益發 謝尚東

有些變電站由于建設年代較早，由于當時設計和施工條件的限制，較大可能出現接地網拓撲結構圖的實際建設情況與設計方案不同的情況，另外也經常會出現原始設計圖遺失或損壞而導致無法準確判定網絡拓撲結構的情況[1]。于是，在對這些變電站的接地網進行維護或檢修時，就可能由于無法精確定位而導致維檢效率低下、或導致維檢成本大幅增加等不利情況出現。但在當前的工程實踐過程中，暫時還沒有成熟的接地網檢測方法。

1 基于電磁法的接地網探測原理

要實現把接地網的橫、縱向導體情況在同一張圖中進行表示，可按圖1所示方式，把橫向k階微分的各點數據和縱向k階微分的各點數據（其中i代表x方向坐標，；j代表y方向坐標，進行變換。

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

若感應電壓的二階微分結果對應的是0.6m檢測高度和半徑為0.1m的線圈時，利用圖1的方式對數據進行處置，就能獲得整體上的感應電壓二次微分切片圖，從中就能非常輕易而直觀的辨識出接地網的網格拓撲結結構[2]。

2 實驗介紹

從科學的嚴謹性出發，設計并進行了實驗室模擬實驗，以驗證接地網的感應電壓和感應電壓微分方法的計算準確性，以及感應電壓微分方法對識別接地網的拓撲和斷點位置的影響[3]。利用2×2接地柵格模型，通過使用感應電壓差分方法來識別拓撲結構和接地拓撲的故障點，對線圈大小和測量距離與感應電壓切片之間的關系展開探究，最終找到合適的測量參數對各種故障情況進行模擬檢測，通過測得的實驗結果和模擬計算結果就能夠直觀地顯示接地網的電網拓撲結構和故障點所在位置，該結果與仿真結果基本相同[4]。

2.1 通用線圈尺寸的計算

在通常情況下，接地網網格尺寸在5至15米間，填埋深度為0.5至1.5米。接地網的網格拓撲結構的檢測難度隨著接地網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結果并提高檢測效率，應該選用尺寸越小、埋深越深的線圈，利用模型來來進行計算[5]。

選擇尺寸為5米、埋深為1.5米（即檢測高度差為1.5米）的2×2接地網為模型，利用半徑分別為0.1米、0.5米、1米及1.5米的檢測線圈對模型的感應電壓進行計算，并利用前述分析方式對計算結果進行二階微分，最終得到如圖2所示的模型感應電壓二階微分切片圖。能夠發現，當檢測線圈的尺寸分別為0.1米、0.5米和1米的情況時，模型上方位置感應電壓的壓二階微分呈現負極大值，而中央區域的情況則是呈現正極大值，因此能夠直觀的判斷出模型匯總接地導體的具體位置，同時該位置的負極大值范圍會隨著線圈半徑的變大而變寬；在線圈尺寸變動到1.5米時，模型上方區域的感應電壓二階微分值不再呈現出如前述一致的規律性，因此不再可以作為判別地導體的位置和網格拓撲結構的依據。

通過前面的討論能夠發現：若接地網的網絡尺寸≥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及計算方法來識別接地網的網格拓撲結構和斷點情況。

2.2 實驗裝置和參數

選擇使用扁鋼材料，依據尺寸為5米的2×2網絡結構并按10倍比例進行等效縮小，制作一個等效實體模型。該實體模型尺寸即為0.5米、接地導體截面尺寸為0.04m×0.004m，其填埋深度0.15米（比所等效的實際網絡縮小10倍），選擇使用圓形（半徑為0.07米，保證合適的尺寸和檢測高度，以滿足MRL相關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米長的檢測線，按0.1米的線間距均勻布置，檢測線上的測量點按0.1米間距設置。

在實際工程條件下，土壤的電導率為0.01S/m～0.02S/m，而接地網的電導率一般能達到107S/m左右，兩者具有較大差距，同時考慮接地網的填埋深度最大也只有1.5米，上層填埋土壤對接地網的影響較小，故在進行等效模擬時可以不管這些土壤的作用。在可動實驗平臺上放置好檢測線圈，平臺將按照預先設置的方式進行運動，從而完成前述實驗。本次實驗所使用的發射裝置為MiniTEM發射系統，該系統具備cRIO和LabVIEW的可視化采集系統，由吉林大學自主研制。

3 發射-接收參數對接地網拓撲結構識別的影響驗證

在本次實驗中，選擇邊長為0.2米、63匝的正矩形線圈作為發射線圈，且其與接收線圈在同一平面內，高度差為0.15米（如前所述將相關參數進行了十倍的等效縮小），在實驗裝置關閉斷電1.953125ms后采集相關數據，做出如圖3所示的情況對比圖。圖3(a)為接地網未被破壞時所檢測到的感應電壓切片圖，圖中的黑色線條所示的即為接地網的識別輪廓位置。這與小尺寸線圈、低位置測量時的模擬結果基本類似，圖中所示高感應電壓位置區域基本對應接地網導體的真實位置，能夠比較明確而直接的判斷出接地網的拓撲形態，也就證明前文所述通過計算的方式來識別同樣情況下接地網拓撲情況和斷點位置的合理性和有效性。

必須指出的是檢測結果存在不均勻的特性，產生這種情況的原因是等效模型進行了10倍縮小，使得實驗裝置本身的抖動在較小檢測高度的情況下被放大，而引起的檢測結果偏差。

在前述實驗的基礎上將發生線圈的大小和檢測距離進行加大，利用尺寸為0.75米、63匝的正矩形線圈作為發生線圈，且其與接收線圈在同一平面內，高度差為0.5米（將相關參數進行了十倍的等效縮小），發現若接地網是完好的，則得到如圖3（b）的檢測感應電壓切片情況。從中可看出其結果顯現明顯凸形狀態，無法確定接地網格的網格邊界，也無法獲得接地網格的網格拓撲。

上述感應電壓測量實驗的結果與模擬線圈尺寸和電磁響應的測量高度結果一致。傳輸線圈的尺寸與測量高度之間的差異會影響感應電壓切片的形狀：如果傳輸線圈的尺寸較小，則測量高度越小，測量結果就可更直觀地顯示接地柵格的柵格拓撲，接地柵極導體上的感應電壓較大且呈凸形，節點處的感應電壓較小且在局部最大值的每個小網格的中心呈凹形。相反，如果發射線圈的尺寸較大并且測量高度較高，則感應電壓會呈現為整體凸形，并且無法反映接地柵格的柵格拓撲。