基于磁性源的接地網拓撲結構檢測方法研究

李波，王秀娟，張林山，曹敏，胡凡君，付志紅，朱全聰

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2. 重慶大學，重慶 400000）

0 前言

接地網是電力系統的重要組成部分，其狀態的完好與否是變電站安全運行的重要保證，同時也是保證電網穩定運行、保護操作人員及電氣設備的重要手段。變電站中所有的電氣設備都連接在接地網上。接地網首先為這些設備提供一個公共的電位參考地，并能將雷擊或者系統短路故障時的大電流導入大地而迅速排泄電流，從而減小變電站的地電位升。因此，接地網接地性能的好壞直接影響著系統的穩定運行[1]。接地網建設時節點焊接不良、接地扁鋼長時間埋入地中因腐蝕等因素會導致接地網結構破壞[1]。接地網結構性故障對電力系統的安全運行有較大威脅，由于接地網的不可見性，該結構性故障難以發現，存在發現遲于事故的困境，因此對接地網拓撲結構進行檢測具有重要的工程應用價值。

重慶大學和清華大學率先在國際上開展了接地網結構性故障診斷方面的研究工作，提出了接地網結構性故障診斷的電路方法[2-5]。該方法基本原理是根據測量獲得的接地網可及端點之間的電阻和給定接地網的拓撲結構求解接地網每一段導體的電阻值，比對實際電阻值和原始理論值的大小從而診斷接地網的結構性故障[6]。由于實際接地網的可及斷點位置和數目的限制，電路方法尚無法在工業界推廣應用。華北電科院和武漢大學分別利用電化學極化技術進行接地網的腐蝕故障診斷的相關研究。通過對接地網進行電化學極化測試，可獲得被測處接地網導體的腐蝕速率，但無法對斷點等接地網結構性故障做出診斷[7-9]。

基于電磁感應原理的接地網結構性故障診斷方法最早見諸Dawalibi提交給加拿大電氣協會（CEA）的研究報告中[10]。這份研究報告中，Dawalibi提出了利用接地網可及端點向接地網中注入一定頻率的正弦電流，并在地表檢測網中正弦電流產生的交變磁場，通過交變磁場強度分布對接地網結構性故障進行診斷的電磁方法。華北電力大學對該方法進行了進一步研究[11-13]，設計了向接地網注入電流的電流源和磁場檢測電路，另外，還提出了向接地網中注入正弦電流，檢測電表電位差，并利用地表電位差分布進行故障診斷的新思路[14]。利用可及斷點向接地網中注入電流的電磁診斷方法同樣依賴于可及斷點的位置和數目[15-19]，如果某些區域可及斷點很少，則難以取得較好的診斷結果。

現有檢測方法大多需要接地網的拓撲結構圖紙作為支撐，測量過程通過接地引線往地網中注入電流的激勵方式，均無法擺脫接地引線位置及分布的限制。工程中接地網存在腐蝕嚴重且圖紙遺失、缺損等現象；運行期間經過擴改的接地網存在新舊網交替，與圖紙不符等現象，這為檢測帶來很大困難。本文提出了一種不依賴接地網可及端節點位置與分布的拓撲結構檢測方法，檢測過程不與接地網直接接觸，可實現接地網拓撲結構的無損檢測。

1 發射接收集一體式檢測裝置

檢測裝置由三個共幾何中心的且相互垂直的線圈（Rx、Ry、Tz）構成，以三個線圈的中心為坐標原點建立直角坐標系，如圖1、圖2所示。線圈Tz水平放置為發射線圈，線圈Rx、Ry豎直放置為接收線圈，Tz、Rx、Ry三個線圈相互垂直。Rx垂直于x軸放置，測量x方向的磁場；Ry垂直于y軸放置；測量y方向的磁場。根據電磁場理論，三線圈的耦合系數為零，即三線圈相互之間沒有互感，發射線圈產生的一次場信號不會影響測量結果。接收到線圈Rx、Ry接收的磁場信號為接地網導體中感應電流產生的二次磁場信號。

圖1 測量裝置結構示意圖

圖2 測量裝置結構設計圖

圖3 矩形接地網孔周圍任意點磁場計算示意圖

接地網與接收線圈的耦合模型實際是將接地網作為發射源，接收線圈作為受激勵目標體。將接地網孔中形成感應電流，等效成通電矩形線圈。可視其為單個發射線圈，對其周圍產生的磁感應強度分布情況進行分析。

如圖3所示，位于xoy平面邊長為a的載流接地網在任意點P產生的磁感應強度的各方向的分量為分別為：

當裝置靠近沿x軸走向的接地網扁鋼時，發射線圈Tz產生的一次場將在扁鋼中感生出沿x軸走向的感應電流，該感應電流產生的二次磁場在空間分布類似于通電直導體在周圍空間產生磁場的分布規律，由此，在地表磁感線的分布主要是垂直于x軸的分量，由接收線圈Rx測量，對接收線圈Ry的測量不會產生影響，由此可以定位x方向敷設的扁鋼；同理，對于沿y方向的接地扁鋼測量由接收線圈Ry實現。當裝置移至扁鋼正上方是，因為發射線圈Tz產生的一次場在扁鋼左右兩邊網孔產生的磁場強度大小相等，故在導體中產生的和磁場為零，導體中不會有電流經過。由此可以確定接地導體位置。

接地網支路導體長度不一，但普遍在3 m以上，當前大型變電站接地導體長度設計值可達到10 m以上。所以，我們考慮當測點位于接地網網孔上方時，接收線圈Rx測得的磁感應強度Bx和接收線圈Ry測得的磁感應強度By幅值，一般都較測點位于導體上方時小，且通常認為兩者幅值相位相等，二者輸出之差Bx-By為零，但也存在由于磁場疊加以及土壤電流流動所造成的特殊情況。當測點靠近沿y方向的接地網導體時，可檢測到Bx發生變化，而By不變則導致Bx-By偏離零；當測點靠近沿x方向的接地網導體時，Bx不變，而By發生變化，故Bx-By同樣偏離零。因此以接收線圈Rx輸出和接收線圈Ry輸出換算得的磁場強度之差Bx-By為判據，即可判斷接地網導體的走向。此外，以Bx-By為判據，還可以在一定程度上減小背景場干擾的影響，從而提高信號品質。

2 接地網模型仿真分析

為進一步分析檢測裝置的應用性，設計了如圖4所示的接地網大型接地仿真模型，為等間距的九宮格拓撲結構，將網格間距設置為10 m，研究區域為圖4中紅色虛線框所示。設置17條測線，測線間隔0.5 m，每條測線設置17個測點，測點間隔0.5 m。發射線圈半徑設置為0.2 m，激勵電流頻率為33 kHz的正弦電流，幅值為10 A。兩接收線圈設置為半徑為0.2 m，與發射線圈共集合中心，材料為銅，每個線圈匝數為200。

圖4 大網孔接地網仿真模型

利用CDEGS接地網仿真軟件對模型進行仿真，磁場數據成像如圖5所示，由圖5 (a)，圖5 (b)可以明顯看出，在扁鋼所在處正上方，地表磁場分布出現谷值，在扁鋼左右兩側各出現一個大小相等方向相反的峰值。在遠離扁鋼的區域，測量結果接近為零，直接用原始數據即可以形成接地網拓撲結構圖像。

通過仿真模型證明了，該測量裝置可以實現接地網拓撲結構檢測，文中提出的CGGT特征值小波邊緣檢測算法可以實現對該測量裝置測得的數據處理接地網成像也適用。對于網孔較小的接地網，測量結果受干擾影響較大，網孔大的情況，測量結果明顯，受干擾較小。該裝置可同時測量地表磁場的兩個水平分量值，一次性測量可實現整個接地網的拓撲結構成像。

圖5 接地網模型：(a)Bx分布情況，(b)By分布情況，(c)Bx-By分布情況

3 接地網現場實驗驗證

課題組在重慶大學校內建設了一個實驗場，開展磁性源拓撲結構診斷實驗研究。等效拓撲結構模型如圖6所示，坐標系建立如圖5，為分析接地網扁鋼的定位效果，在坐標點(0, -3)處設置一個斷點。發射線圈和接收線圈的共同圓心位于測點正上方。發射線圈半徑為1.25 m，發射線圈通以峰值電流為1 A的斜階躍脈沖電流。接收線圈半徑0.25 m，接收線圈和發射線圈共幾何中心。

圖6 接地網結構模型及測點布置

選擇如圖6所示的測點分布方式，設置了8條斜跨扁鋼的測線，x軸、y軸方向上測點的間距均為1 m。測點范圍的四個頂點坐標為(-11,13)，(-4,13)，(2,-13)和 (9,-13)。

圖7中可清晰看出接地網模型中斷點的位置在(0,-3)坐標處，且斷點位置所在的兩個地網網格呈現連片的高幅磁場，測點的磁場分布值在測量過程中逐點更新，變電站網絡的拓撲結構和故障或斷點可以實時清晰地顯示出來。

試驗結果表明，本文所設計的接地網拓撲結構檢測方法，可以實現接地扁鋼的定位，同時也可以確定斷點位置，說明該方法可在工程中進行推廣和應用。

圖7 測量結果場值分布成像效果圖

4 結束語

為了適應變電站工程需要，論文設計了一種發射與接收為一體的檢測裝置，該裝置結構簡單，測量過程不與接地網直接接觸，可實現非接觸式無損檢測。與已有方法相比，本文提出的方法克服了已有檢測方法對接地引線數目和位置分布的制約，具有更大的實際操作空間和可推廣性。論文通過理論分析，軟件仿真及現場試驗證實了論文所提出的檢查方法的正確性和可行性，對變電站接地網拓撲結構檢測具有重要的工程應用價值。