接地網(wǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律及故障研究

權(quán)學(xué)政

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 電氣工程學(xué)院，西藏林芝，860000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障措施，其可靠性直接影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前，鋼材料是國(guó)內(nèi)接地網(wǎng)中最常用的一種接地材料，接地導(dǎo)體材料在土壤中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，腐蝕一旦嚴(yán)重就會(huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)性能發(fā)生改變，從而有可能引發(fā)電力系統(tǒng)故障，危害設(shè)備和人身安全[1~2]。對(duì)于接地網(wǎng)故障診斷的研究一直被研究人員關(guān)注，故障診斷技術(shù)也在不斷完善。已有的接地網(wǎng)故障診斷方法包括：導(dǎo)通電阻法、電化學(xué)檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法、地表電位法和磁感應(yīng)強(qiáng)度法[3~5]。由于利用磁感應(yīng)強(qiáng)度的分析方法具有抗干擾和準(zhǔn)確易行的優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)最常用的故障診斷方法[6]。本文通過(guò)運(yùn)用測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法，對(duì)接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律及故障進(jìn)行研究，為接地網(wǎng)導(dǎo)體故障診斷奠定基礎(chǔ)。

1 磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算的基本原理及計(jì)算模型

■1.1 基本原理

磁感應(yīng)強(qiáng)度法是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，將激勵(lì)電流注入接地網(wǎng)，通過(guò)測(cè)量接地網(wǎng)各支路導(dǎo)體中的電流在地表激發(fā)出磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)比地表磁場(chǎng)分布進(jìn)而來(lái)分辨接地網(wǎng)是否產(chǎn)生故障[7]。根據(jù)畢奧薩法爾定律，即可得出接地網(wǎng)導(dǎo)體中的電流在地表產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度如式(1)所示。

式中，B為導(dǎo)體軸向電流在地表激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為導(dǎo)體軸向電流；r為線單元點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)的位置矢量。

再通過(guò)矢量的疊加與分解即可獲得地表任一點(diǎn)總量及分量的磁感應(yīng)強(qiáng)度。本文所研究的均是分量即在X 方向上的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度。

■1.2 接地網(wǎng)模型搭建

在接地分析軟件CDEGS的MALZ 模塊中對(duì)接地網(wǎng)模型進(jìn)行搭建，接地網(wǎng)的長(zhǎng)為100m，寬為80m，埋深0.8m，并把接地網(wǎng)在X 軸上分成10 等分，Y 軸上分成8 等分。接地導(dǎo)體為鋼材質(zhì)，半徑為0.01m，相對(duì)電阻率為10，相對(duì)磁導(dǎo)率為636。電流激勵(lì)選為10A、300Hz的正弦波從中線A 點(diǎn)（50，80）和B 點(diǎn)（50，0）注入抽出，土壤模型選用均勻土壤，土壤電阻率為200Ω·m。接地網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)模型圖

在測(cè)量接地網(wǎng)中導(dǎo)體上方的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，觀測(cè)線選 取X=0-100m，Y=20m，40 m，60 m，80 m。 觀 測(cè) 線 步長(zhǎng)為5m。四種觀測(cè)線下的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖2所示。

圖2 不同觀測(cè)線下地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

從圖2 可知，不同觀測(cè)線下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律是一致的，只是地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小有差別。由于本文對(duì)接地導(dǎo)體在X=50m，Y=55-65m 處做不同程度的腐蝕，因此在下面的研究中只選取X=0-100m，Y=60m 處觀測(cè)線的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2 不同因素對(duì)接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

由于接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度與諸多因素有關(guān)，因此本文從以下幾個(gè)方面對(duì)接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律進(jìn)行研究。

■2.1 不同土壤模型對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

為了分析不同土壤模型對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、激勵(lì)電流的大小、頻率和位置、觀測(cè)線的選取不變，只有土壤模型發(fā)生改變。選取雙層土壤模型和三層土壤模型與均勻土壤模型進(jìn)行對(duì)比。土壤模型的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壤模型數(shù)據(jù)

三種土壤模型的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖3 ～圖5所示，以及在觀測(cè)點(diǎn)（50，60）的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 均勻土壤模型地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖4 雙層土壤模型地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖5 三層土壤模型地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖3 ～圖5 和表2 可知，三種土壤模型下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和分布規(guī)律差異非常小，因此土壤模型對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。

■2.2 激勵(lì)電流大小對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

為了分析不同激勵(lì)電流的大小對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵(lì)電流的頻率和位置、觀測(cè)線的選取不變，只有激勵(lì)電流的大小發(fā)生改變。選取的激勵(lì)電流分別為10A、40A、70A、100A。這四種不同電流下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖6 ～圖9所示。

圖6 激勵(lì)電流為10A地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖7 激勵(lì)電流為40A地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖8 激勵(lì)電流為70A地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖9 激勵(lì)電流為70A地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖6 ～圖9 可以看出不同激勵(lì)電流所產(chǎn)生的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律是一致的。因此只需提取最高點(diǎn)即觀測(cè)點(diǎn)（50，60）的數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 不同激勵(lì)電流在最高點(diǎn)的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度

由圖10 可以看出，最高點(diǎn)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與激勵(lì)電流的大小成正比，激勵(lì)電流越大，越容易測(cè)出地表磁感應(yīng)強(qiáng)度，但激勵(lì)電流越大對(duì)激勵(lì)電流源的設(shè)備要求就會(huì)越高。

■2.3 激勵(lì)電流頻率對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

為了分析不同激勵(lì)電流的頻率對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵(lì)電流的大小和位置、觀測(cè)線的選取不變，只有激勵(lì)電流的頻率發(fā)生改變。選取的激勵(lì)電流的頻率分別為30Hz、300 Hz、3000 Hz、30000 Hz、300000 Hz。這五種不同頻率下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)繪制到同一坐標(biāo)平面中如圖11所示。

圖11 不同頻率下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖11 可以看出，隨著激勵(lì)電流頻率的增加地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小整體趨于衰減，在3000Hz 以?xún)?nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)，因此在實(shí)際測(cè)量中激磁電流宜選用30Hz ～3000Hz 以?xún)?nèi)的頻率。

■2.4 激勵(lì)電流不同位置對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

為了激勵(lì)電流不同位置對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵(lì)電流的大小和頻率、觀測(cè)線的選取不變，只有激勵(lì)電流位置發(fā)生改變。分別令激勵(lì)電流的位置為中線A 點(diǎn)（50，80）和B 點(diǎn)（50，0）注入抽出和對(duì)角線C 點(diǎn)（0，80）和D 點(diǎn)（80，0）如圖12所示。激勵(lì)電流不同位置的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖13、14所示。

圖12 激勵(lì)電流不同位置模型圖

圖13 激勵(lì)電流中線地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

圖14 激勵(lì)電流對(duì)角線地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖13 和圖14 可以看出越靠近激勵(lì)電流注入抽出點(diǎn)時(shí)接地導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。當(dāng)激勵(lì)電流從中線注入抽出并且觀測(cè)線上的觀測(cè)點(diǎn)也與激勵(lì)電流的位置是對(duì)稱(chēng)時(shí)，地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律也是對(duì)稱(chēng)的；當(dāng)激勵(lì)電流從對(duì)角線注入抽出而觀測(cè)線上的觀測(cè)點(diǎn)與激勵(lì)電流的位置不對(duì)稱(chēng)時(shí)，地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律是不對(duì)稱(chēng)的，并且觀測(cè)點(diǎn)離注入或抽出點(diǎn)最近時(shí)，其上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度就最大。

3 接地網(wǎng)故障時(shí)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律研究

由畢奧薩法爾定律，通過(guò)測(cè)量接地網(wǎng)各支路導(dǎo)體中的電流在地表激發(fā)出磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而獲得地表磁場(chǎng)分布規(guī)律，進(jìn)而用來(lái)診斷接地網(wǎng)導(dǎo)體的缺陷情況。若接地網(wǎng)導(dǎo)體存在斷裂，則斷裂處無(wú)電流通過(guò)即該處地表磁感應(yīng)強(qiáng)度值較小或幾乎為零。若接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕變細(xì)，由式可知在電阻率ρ及長(zhǎng)度L不變時(shí)，橫截面積S減小會(huì)導(dǎo)致電阻R的增大，又因?yàn)楦髦冯妱?shì)差相等，所以被腐蝕支路電流I 勢(shì)必會(huì)減小，從而導(dǎo)致腐蝕處地表磁感應(yīng)強(qiáng)度減小。

（1）導(dǎo)體半徑腐蝕了1/4的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度；

（2）導(dǎo)體半徑腐蝕了1/2的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度；

（3）導(dǎo)體半徑腐蝕了3/4的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度；

（4）導(dǎo)體中間斷裂了0.1m的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度；

（5）導(dǎo)體中間斷裂了1m的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度。

將上述五種腐蝕情況以及接地網(wǎng)無(wú)故障情況下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)提取并繪制到同一坐標(biāo)平面中如圖15所示。

圖15 六種情況下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖15可以看出當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)腐蝕或斷裂時(shí)，腐蝕或斷裂處的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度都會(huì)下降，尤其是導(dǎo)體斷裂后其地表磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降到最低且無(wú)論是斷裂0.1m 還是1m最低值幾乎不變， 同時(shí)兩側(cè)導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)有所提升，尤其是導(dǎo)體斷裂后提升的最為明顯。因此可根據(jù)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)接地網(wǎng)導(dǎo)體的故障情況。

4 結(jié)論

本文基于電磁感應(yīng)原理對(duì)接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真研究，通過(guò)對(duì)不同因素下接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律以及接地網(wǎng)無(wú)故障和接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)故障情況下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律的研究可以得出如下結(jié)論：

（1）土壤模型對(duì)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響非常小；

（2）地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與激勵(lì)電流的大小成正比；

（3）激勵(lì)電流的頻率不是越大越好，而是宜選用30Hz~3000Hz 以?xún)?nèi)的頻率；

（4）越靠近激勵(lì)電流注入或抽出點(diǎn)時(shí)，接地網(wǎng)導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)越大；

（5）當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)故障時(shí)，故障導(dǎo)體處的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)降低，而兩側(cè)導(dǎo)體處的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)升高。