基于電磁場原理和地表電位的接地網腐蝕診斷研究

褚旭, 余紹帥, 嚴亞兵, 李輝

(1. 國家電能變換與控制工程技術研究中心, 湖南 長沙 410082；2. 湖南大學, 湖南 長沙 410082；3. 國網湖南省電力有限公司電力科學研究院, 湖南 長沙 410208)

0 引言

接地網是變電站保護電力系統安全的重要保障, 主要作用是為故障電流提供流散的通道[1],接地網的可靠性關系到電網系統的安全。 我國早期電力系統多使用鍍鋅扁鋼、 圓鋼等接地網導體作為接地網材料, 但是鋼制材料存在著導電率低、 耐腐蝕性差等特點[2], 特別是導體金屬長期在潮濕或者鹽堿地土壤中工作更容易發生腐蝕。 在中國西北、 東北、 華北及濱海地區存在大量鹽堿地, 而這些鹽堿地分布著大量變電站等設施, 在腐蝕性較強的潮濕或者鹽堿地土壤中, 接地網金屬年腐蝕可達2.0 mm, 在腐蝕性強的土壤中可達3.4 mm, 腐蝕性極強的土壤中可達8.0 mm[3]。 由于中國地質情況及氣候條件較為復雜, 有的地區產生酸雨, 這些因素會改變土壤狀況, 加速接地網導體的腐蝕[4]。另外, 因為設計問題, 接地網使用的導體材料較為普通, 沒有采取防腐蝕措施[5]。 隨著接地網導體腐蝕情況的加劇, 接地網接地電阻不斷增大, 當雷電流或故障電流入地時, 會導致接地網導體因發熱或大電流的電動力而發生斷裂故障。 接地網的腐蝕斷裂不僅會導致接地效果不良, 防雷和防觸電效果變差[6], 還損壞電力系統設備, 可能引起電力系統的故障, 給變電站和社會帶來經濟損失[7]。

接地網腐蝕斷裂位置定位[8]是評估接地網安全性能的重要手段, 在工程上, 大多采用測量接地電阻值間接判斷接地網性能[9－10]。 但當接地網發生腐蝕斷裂時, 接地網電阻也可能維持原有值, 因此單從接地電阻值判斷接地網狀態存在一定的誤判風險, 無法準確了解接地網的腐蝕情況[11]。

為避免變電站復雜環境噪聲對地表磁感應強度的影響[16], 引入接地網地表電位信息對地表磁感應強度進行補充, 本文提出基于電磁場(electromagnetic field theory, EFT) 和地表電位(earth surface potential, ESP) 相結合的方法進行接地網腐蝕導體部位診斷, 從而彌補在強磁干擾下EFT 方法測量精度差的缺陷。 該方法首先分析在EFT 基礎上腐蝕導體的磁感應強度分布, 接著分析腐蝕導體的ESP 分布, 將磁感應強度曲線和ESP分布曲線進行結合, 最后確定導體腐蝕位置和類型。 經測試表明, 試驗所設置的導體腐蝕位置和算法得到的導體腐蝕位置一致, 表明了該方法診斷腐蝕導體的精確性。

1 接地網診斷原理及模型搭建

1.1 接地網腐蝕診斷原理

接地網導體材料主要采用鍍鋅扁鋼或鍍鋅圓鋼, 長期深埋地下, 易受材質和環境因素影響發生腐蝕斷裂。 基于EFT 和ESP 結合的方法進行接地網腐蝕導體部位診斷, 其中基于EFT 診斷接地導體腐蝕的方法是向接地網注入激勵電流, 測量導體垂直地面上的磁感應強度, 分析磁感應強度波形的變化及分布情況, 進而確定接地導體腐蝕位置。

根據畢奧－薩伐爾定律, 接地網導體軸向電流在周圍空間產生的感應磁場的磁感應強度可表示為:

式中,B為電流元在P點激發的磁感應強度；I為源電流；L為積分路徑；er為電流元指向待求場點的單位向量；μ0為真空磁導率；Idl為長直導線上任意電流元；r為導體上線單元點與地表點間的位置矢量。

圖1 為接地網等效電路模型, 假設接地網導體長度為l, 并且是由理想導線和純導體組成的規則圖形, 通過接地網下接引線Q向接地網注入激勵電流I, 接地網等效電阻為R, 流經接地網各個導體的電流為IR, 流向大地的泄漏電流為Ix。

圖1 接地網局部等效模型

假設接地導體由m段(m→∞) 組成, 將m段導體看作由m個點組成的接地網導體, 每個點產生的泄露電流均勻流入大地中, 地表電位為:

式中,Vp為點P處的地表電位；R(P,Ri) 為點P下i處導體的阻值；Ii為i處導體產生的泄露電流；ρ為接地各段導體電阻率；R為導體電阻；s為導體橫截面積。

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當電流源發生變化時, 導體上方各點電位隨之發生變化, 通過電流源和均勻導體電阻值即可對電位分布進行求解。

對于實際的接地網, 當設計完成時, 空間拓撲結構已經確定[17], 當有電流流經該接地網時, 將在整個接地網上方地表周圍的空間場域產生唯一確定的地表電位分布[18]。 根據式(2), 當接地網發生腐蝕甚至斷裂時, 導體的電阻增加, 空間域的電場和地表電位分布發生改變[19], 因此接地網地表電位分布能反映出接地網各導體的實際狀態。

因為變電站屬于復雜電磁環境, 基于EFT 和ESP 相結合的方法進行接地網腐蝕導體部位診斷,將地表電位作為接地網磁場變化的補充, 既能彌補復雜噪聲環境對測量的影響, 又能更好地進行接地網腐蝕的診斷。

1.2 接地網計算模型搭建

圖2 為常見變電站接地網的拓撲結構。 設計接地網面積為200 m×200 m,X、Y方向各有11 段導體, 接地網埋深0.8 m, 材料為銅, 電阻率為0.017 2 Ω·m, 每段導體的橫截面半徑為0.005 2 m。 導體均勻分布,P點和Q點分別是激勵電流的注入和抽出點, 激勵電流為20 A、 60 Hz。

圖2 觀測線及接地網模型

當接地網存在腐蝕、 斷裂時, 磁場法和電位法需要設立觀測線進行地表磁場和電位的采集, 利用地表磁場和電位分布規律去判定腐蝕位置, 進行精確定位。 為了驗證方法的可行性, 同時便捷高效地分析接地網導體上方的地表電位值和磁感應強度分布規律, 觀測線平行于X軸, 長度為200 m, 分別在X為0 ～200 m 處,Y為0 m、 10 m、 20 m、 …、200 m 處設置觀測線。 觀測點間距為1 m, 每條觀測線上共有201 個觀測點。 所有觀測線下的地表磁感應強度和地表電位如圖3 所示。

圖3 不同觀測線下地表磁感應強度和地表電位分布

圖3 (a)、 (b) 分別為在所有觀測線下的地表磁感應強度分布圖和地表電位分布圖, 由地表磁感應強度分布圖可知, 在電流源輸入和抽出點地表磁感應強度較高, 距離此兩點越遠, 地表磁感應強度越小。 對于地表電位圖來說, 接地網地表電位曲線較為光滑, 處于導體正上方的地表電位值越高,靠近電流注入點導體電位最高。

2 接地網腐蝕分析

2.1 磁感應強度和地表電位波形分析

基于EFT 和ESP 進行接地網腐蝕導體診斷,設置腐蝕導體位置為圖 2 中S(100, 120)、T(100, 100), 觀測線位置為Y＝110 m、X＝0 ～200 m, 觀測線步長為1 m, 激勵電流在P、Q處注入和抽出, 電流源為20 A、 60 Hz。 接地網導體存在電阻, 導致流經導體的電流和泄漏電流不同, 從而使導體上方的磁感應強度和地表電位呈現不同的波形, 如圖4 所示。

圖4 完好、 腐蝕導體的地表磁感應強度和地表電位分布

圖4 (a)、 (b) 中分別為S、T段導體完好和腐蝕狀態下的地表磁感應強度對比和地表電位對比, 從圖4 (a) 中可以明顯得到如下規律: 接地網導體正上方地表磁感應強度最強, 并出現峰值；地表磁感應強度和電流注入、 抽出點距離成正比；接地網導體腐蝕時, 所在區域地表磁感應強度降低； 因為整體電流不變, 所以腐蝕導體的腐蝕部位上方地表磁感應強度降低, 其余地表磁感應強度峰值高于導體完好時地表磁感應強度峰值。

接地網導體被腐蝕時, 地表磁感應強度發生變化, 可以使用EFT 進行接地網故障診斷, 但是易受周圍環境影響, 根據圖4 (b) 可得以下規律:接地網導體正上方地表電位最強, 并出現峰值； 地表電位和電流注入、 抽出點距離成正比； 接地網導體被腐蝕時, 所在區域地表電位降低； 接地網發生腐蝕時, 腐蝕導體的腐蝕部位上方電位出現拐點。

導體腐蝕部位出現拐點主要是因為變電站接地網規模較大且導體分布密集, 導體斷裂或腐蝕會讓導體局部電阻增大, 導致局部散流性能降低, 泄漏電流減小引起地表電位降低。 接地網部分導體發生腐蝕時, 地表磁感應強度和電位發生變化, 可以依據磁感應強度曲線和地表電位曲線信息確定接地網腐蝕位置, 判斷腐蝕程度。

2.2 不同腐蝕程度波形分析

為判斷導體腐蝕程度對磁感應強度和地表電位的影響, 進行腐蝕導體和斷裂導體波形對比實驗,圖5 為S、T段導體完好、 腐蝕和斷裂時地表磁感應強度曲線和地表電位曲線。 當導體開始腐蝕甚至發生斷裂時, 地表磁感應強度和地表電位的降落幅度也逐漸增加, 并且符合上節所述規律, 因此可以使用地表電位作為地表磁感應強度的補充, 進行接地網故障位置和狀態的檢測。

圖5 完好導體、 腐蝕、 斷裂導體的地表磁感應強度和地表電位分布

3 基于EFT 和ESP 的接地網腐蝕診斷

3.1 模擬實驗等價有效性分析

為了使基于EFT 和ESP 的腐蝕診斷方法運用到實際接地網腐蝕診斷中, 基于實際接地網在典型狀態下的地表磁場分布和地表電位分布規律, 根據量綱相似中的幾何相似原理[20], 選取一個實際的10 kV變電站為模板, 設計兩款真實的接地網模型進行EFT 和ESP 腐蝕診斷試驗, 測量地表磁場分布和地表電位分布。

以地表電位為例, 假設設計接地網和實際接地網幾何形狀相似, 且實際接地網和設計接地網所對應的長度比值處處相等, 為λ1； 根據靜電場唯一確定性原理, 即當場源及邊界條件確定, 場域中任意點均滿足拉普拉斯方程或泊松方程時, 點電位便確定, 即靜電場只有唯一解[21]。 由于設計接地網滿足拉普拉斯方程, 根據幾何相似原理, 設計接地網的地表電位可表示為:

式中,λv表示設計接地網和原型接地網中對應點的電位比例尺；V2表示設計接地網任意點的地表電位；x、y、z表示空間方位坐標。

由式(3) 可知, 設計接地網亦滿足拉普拉斯方程。 根據場源疊加性和場的唯一性可知, 設計的接地網所得到的地表電位分布與實際場的電位分布存在一定的比例關系。

將土壤電阻率比例設為λρ, 泄露電流比例設為λI, 則可得設計接地網和實際接地網的地表電位關系為:

式中,V1、V2分別代表實際地表電位和設計地表電位。

由幾何相似原理可知, 根據幾何比例設計的接地網模型所呈現的地表電位和原場電位相似, 磁感應強度也相似, 故地表電位分布規律和地表磁感應強度分布規律類似。

3.2 接地網腐蝕診斷部位定位

根據某10 kV 變電站模板, 基于幾何相似原理設計接地網模型, 把原型接地網與設計接地網的長度比例尺取2, 故障電流比例尺均取為1, 如圖6 所示。 實線為所鋪設的鍍鋅扁鋼, 寬度為0.005 2 m,導體埋深0.8 m。 虛線L1 為觀測線, 其中水平方向為X軸方向, 豎直方向為Y軸方向, 注入激勵電流為20 A、 60 Hz, 從P點注入、Q點抽出, 在R、S段設置故障點。

圖6 設計接地網模型示意圖

為了更準確地觀測接地網導體表面的磁感應強度和地表電位, 設置觀測線間距為2 m、 觀測點間距為1 m 進行測量。 圖7 為接地網導體完好狀態下的地表磁感應強度和地表電位分布圖, 可以看出,接地網地表磁感應強度和地表電位呈現中間高、 兩端低的分布規律, 導體上方的地表磁感應強度和地表電位高于網孔上方, 導體兩端節點處也明顯高于導體中間位置, 其中數值最高處分別位于電流注入和抽出點。

圖7 接地網完好狀態下地表磁感應強度和電位分布

假設圖6 中R、S段導體發生腐蝕斷裂, 在接地網上方設置1 條觀測線L1, 為點(0, 60) 和點(100, 60) 之間的連線, 其中觀測線步長為1 m,即一條線上有101 個觀測點, 設置激勵電流為20 A、 60 Hz, 地表磁感應強度和電位分布如圖8 所示。 由圖8 (a) 中接地網完好導體和腐蝕導體地表磁感應分布可知, 在腐蝕導體上方磁感應強度明顯低于完好導體的接地網地表磁感應強度。 如圖8(b) 所示, 當存在導體腐蝕時, 地表電位下降,可以明顯看出在位置X＝50 m 附近存在腐蝕。 腐蝕導體通流能力下降, 導體的泄漏電流密度存在差異, 并與通流能力成反比。

圖8 觀測線L1 地表磁感應強度和電位分布

4 結論

基于EFT 和ESP 相結合的方法進行接地網腐蝕導體部位診斷, 對比完好導體和腐蝕導體狀態下的地表磁感應強度分布圖和地表電位分布圖, 得到以下結論。

1) 當接地網發生腐蝕斷裂時, 地表磁感應強度曲線和地表電位分布曲線會發生明顯變化, 依據曲線變化特征能更加有效地確定接地網腐蝕導體位置區間, 對變電站檢修和維護有重要意義。

2) 對比腐蝕導體和完好導體的地表磁感應強度曲線和地表電位分布曲線, 并根據曲線特征確定腐蝕位置, 發現地表電位分布圖能很好地表現出接地網導體腐蝕位置, 進一步驗證了基于EFT 和ESP 相結合的方法進行接地網腐蝕導體部位的診斷方法的準確性。