变电站接地网导体与网格结构探测方法

刘 洋 江明亮 崔 翔

（1.华北电力大学数理学院 保定 071003 2.华北电力大学电气与电子工程学院 保定 071003）

1 引言

接地网是变电站安全运行的重要措施，变电站内的各种电气设备都通过下引线与接地网连接，接地网既是变电站正常运行的工作需要，也为站内的各种电气设备提供了一个公共的参考地，在电力系统短路故障或遭受雷击时能够快速泄放故障电流，降低变电站内的地电位升，保护站内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全。

变电站的接地装置多采用网格状的接地体，常以钢质材料或铜质材料等焊接成网格，网格导体埋于地下的深度一般在0.8m左右，以便实现均压、散流和减小接地电阻的作用，根据需要在不同的网格导体处有接地导体与地面的电气设备相连接。埋入地下的接地网，随着使用年限的增加，因焊接或腐蚀等原因可能使接地导体变细甚至断裂，破坏其原来的设计结构，降低接地性能，甚至丧失保护功能，对电力系统的稳定运行造成安全隐患。因此查找接地网导体的断点，诊断导体的腐蚀状态受到许多学者的重视[1-4]。

在进行接地网状态检测和安全性能评估时，一般都需要接地网的精准图纸[5-11]，然而，在实际工程中，对于运行年限较久的接地网或经过改扩建后的接地网，有时会遇到接地网图纸缺失、缺损，接地网图纸与实际铺设存在较大偏差等情况，给接地网状态检测和缺陷诊断带来较大困难。采用磁场检测方法不需要接地网图纸[12,13]，还可以解决上述难题。本文通过接地网的两条上引导体向接地网直接注入特定频率的正弦波电流，然后测量接地网支路导体电流在接地网地表面激发的磁感应强度分布，根据分布特征和规律即可判断地下导体的位置以及接地网的网格结构，为接地网的状态检测和安全性能评估奠定基础。仿真计算论证了探测方法的可行性，设计开发了探测系统，实验与应用结果证实了方法的正确性以及系统的可靠性。

2 仿真计算

2.1 仿真计算软件

变电站接地网的电磁场数值计算方法及计算软件已较为成熟[14-17]，课题组开发了接地网性能分析软件，其有效性已得到充分的验证[18]。该软件可以分析土壤结构、接地网接地性能，可以计算各频率点下的接地阻抗、各段导体上的轴向电流、漏电流、中点电位值、任意平面上的电位分布、各方向的电场分布、磁感应强度分布以及跨步电压和接触电动势。

2.2 仿真计算

为了寻求接地网导体位置及网格结构的探测方法，以图1所示的某220kV变电站接地网为例进行仿真计算，该接地网x、y方向分别有9根和10根网格导体，接地网埋深0.8m。假设从图1中可触及上引导体点M（0m, 59m）处向接地网注入 10A、300Hz的正弦波信号，从点N（191m, 64m）处通过地表面回流线抽出。流经接地网网格导体各支路的电流将在地表面激发产生300Hz的交变磁场，以沿x=66m地表面磁感应强度分量By的幅值分布为例，其分布特征如图2所示。

图1 某220kV变电站接地网Fig.1 Grounding grids of a 220kV substation

图2 地表面磁感应强度分量分布Fig.2 The distributions of the magnetic induction intensity on the ground surface

从图2的仿真计算结果看，本例中有地下导体处对应地表面磁感应强度分量幅值约在 150～320nT之间；地下无导体处对应地表面磁感应强度分量幅值约在 10nT以下，二者绝对差值明显，大于100nT。

地表面磁感应强度分布具有如下规律：垂直于网格导体支路电流方向的地表面磁感应强度分量分布呈现波浪式变化，y方向每根导体上方对应出现一个峰值。亦即，每个峰值对应的地下方将有一根导体存在，依此即可判断接地网地下y方向导体的位置，同理也可以判断出埋入地下的x方向导体位置，进而得到整个接地网的网格结构。

3 探测系统

探测系统由信号发射机（特种电流源）和信号接收机组成。信号接收机包括测距电路、探测线圈、信号调理电路、采集卡和笔记本监测终端组成的探测小车以及信号采集分析软件系统。

3.1 电流频率和电流强度的选取原则

整个探测系统的工作电流频率和电流强度的选取原则如下。

3.1.1 电流频率

由仿真计算可知[19]，由于接地网分布参数及土壤等因素的影响，在相同的电流强度下，当电流信号频率达到1.5kHz以上时，地表面磁感应强度随电流信号频率的增加而迅速下降。为了提高信号接收机的抗干扰能力，又要避开工频及其奇次谐波点。另外，电流信号频率越高，电流源输出足够强的电流就越困难。结合以上分析，通过实验确定了电流频率选择300Hz或400Hz[20]。

3.1.2 电流强度

注入接地网的电流强度越大，其在地表面激发的磁感应强度越强，易于信号的检测，但这对电流源在工作频点上的输出电流能力提出了较高的要求。只要地表面的磁感应强度信号能够被识别，就可以通过调整接收机的增益来测量并提取信号。电流强度过大会对接地网系统以及操作人员的安全带来不利影响。通过现场测试，发现 5～30A的电流强度可以满足实际探测的需要[21]。为留有一定的裕量，确定电流强度在0～50A的范围内。

3.2 电流源

在接地网的磁场方法检测中，需要正弦波恒流源，要求其工作频率可以在几百赫兹内调节，输出电流可以在几十安培范围内调节，能够满足接地网的低阻抗负载。基于高频脉宽调制（SPWM）和逆变功率推动技术（IGBT）的特种电源可以满足以上要求，其原理框图如图3所示。主要工作参数如下：纯正弦波输出，频率在200～600Hz内连续可调，负载在0～5Ω范围内，输出电流在1～50A内可调。

图3 恒流源原理框图Fig.3 Principle frame of constant current power

3.3 微弱磁感应强度测量系统

3.3.1 测量系统

微弱磁感应强度测量系统的设计要求需满足下述条件：①在变电站复杂电磁环境下，能够实现微弱磁感应强度信号（nT级）的有效测量；②在测量磁感应强度信号的过程中，能同步测量记录相应的位置信息；③测量系统的精度和灵敏度能满足接地网探测的工程需要。

整个测量系统安装在一个双轮小推车上，可以方便地在变电站内进行移动扫描测量，如图4所示。探测系统结构框图如图5所示。

在探测小车的其中一个车轮上安装干簧管开关，小车轮圆周长为1.5m。每前进一周，干簧管开关吸合5次，触发脉冲电路发出5个测距脉冲，触发采集卡采集测量磁感应强度信号，以实现位置信息的同步测量。

探测线圈是在一个长 20cm、宽 5cm的矩形骨架上，利用直径 0.35mm的漆包线双线并绕 2 000匝制成的，用于将磁感应强度信号转变为感应电压信号。放大电路用于放大信号和阻抗匹配，滤波器采用机械带通滤波器，中心频率设置为300Hz。

图4 探测小车的使用方法Fig.4 Using method of the detecting wheelbarrow

图5 探测系统结构框图Fig.5 Structure frame of the detecting system

3.3.2 测量系统精度及灵敏度分析

测量系统信号调理电路的总增益可在 10～1 000范围内调节。为检测测量系统的灵敏度，在水平地面上，在一半径r为 5m的圆环形回路上施加激励电流，将探测线圈置于圆环中心，接上检测系统，监视系统的输出信号。

设圆环形回路中激励电流为

则探测线圈处的磁感应强度近似为

系统输出电压为[19]

式中，f为信号频率；N为线圈匝数；S为线圈截面积；A为电路总增益；Bm为磁感应强度幅值。

设定f=300Hz，测量系统的总增益调至A=50，经实验测试发现，当i有效值约为66mA时，系统能够有效检测的最小输出电压信号峰值约为105mV，此时通过式（2）和式（3）推算出的B幅值分别约为 11.8nT、12.1nT，二者比较吻合；而当i≈2.65A时，输出最大不失真电压信号峰值约为4V，B≈471.8nT。i变化±250mA 时，B变化±50nT，输出电压信号变化±400mV。从上述实验结果看，系统的有效检测范围约在 12～470nT，与 2.2节的仿真计算结果相比，测量系统的精度和分辨能力能够满足接地网网格导体和结构探测的需要。

3.4 软件系统

3.4.1 探测方法与步骤

确定电流的注入与抽出点，根据 2.2节的仿真计算结果，为便于网格导体的探测，在探测南北方向导体时，尽可能沿东西方向选择两个地表可触及的下引导体线，然后从注入点向接地网注入电流，利用地表回流线从抽出点引回电流源。调整电流强度和接收机增益，观察采集到的信号波形，以信号能够被识别且不产生失真为宜。对于较大的接地网可以采用分片探测的方式进行。线圈平面平行于电流方向，利用移动式接收机进行扫描测量，同时记录磁感应强度和位置信息数据。

根据地表面磁感应强度出现峰值的位置坐标，确定南北方向导体的分布。改变电流注入与抽出点的位置，同样方法探测东西方向导体的分布。

以电流注入和抽出点作为参考点，建立平面直角坐标系，绘制接地网结构图，输出探测结果。

3.4.2 系统软件

变电站接地网导体和网格结构探测系统软件是基于Labview平台开发的，其程序框图如图6所示。实现了磁感应强度信号和测距定位信息数据的同步采集、存储和分析。

图6 程序框图Fig.6 Program flow chart

4 模拟实验与工程应用

4.1 导体与网格结构探测模拟实验

模拟实验是在华北电力大学试验接地网上进行的。首先通过两根上引导体注入300Hz的正弦波电流，地表回流线长度约为100m。调整电流源的输出电流，信号调理电路的增益，观察输出波形，实验中发现当电流强度为 6A，信号调理电路总增益为120时，地表面磁感应强度信号能够被分辨且信号不失真，然后开始测量。以电流注入点为坐标原点，建立如图7所示的坐标系。图7中A（0m, 0m）点即为电流注入点，选为坐标原点，B（18m, 24m）为电流抽出点。随机选择图7中x=10m,x=25m和y=10m,y=20m处的4条直线，利用测量小车在接地网地表面进行磁感应强度分量幅值的扫描测量，同时记录位置坐标，测量得到的x、y位置坐标及磁感应强度分量值示于图8。

因为地表面每一个磁感应强度分量峰值对应埋入地下的一条接地网导体，根据图8a可以判断，在图7坐标系中，对应y=0, 6, 12, 18, 24, 30m处存在沿y方向分布的接地网导体。根据图8b可以判断，在图7坐标系中，对应x=0, 6, 12, 18, 24, 30m处存在沿x方向分布的接地网导体。据此，可以在图 7中，以原点O（0m, 0m）为起点，分别绘出沿x和y方向的导体线，得到整个试验接地网的结构，经与实际铺设情况比较，二者符合较好，验证了通过测量地表面磁感应强度的分布推断接地网结构的方法是可行的。

图7 按注入点建立的坐标系Fig.7 Coordinate series built by injecting point

图8 磁场测量结果Fig.8 Measuring results of magnetic fields

4.2 接地网结构探测的工程应用

4.2.1 探测现场

为检验测试系统的可靠性和实用性，在不同电压等级的多个变电站进行了现场探测，均取得了理想的探测效果。现以某发电厂110kV变电站区域的探测为例。图9是该热电厂110kV变电站地表情况。该站已有近50年的运行历史，后经两次改扩建。II区是早期的变电输送区，I区和III区是扩容加建区。在图9所示方位，原东南角和正南方是早期主变位置，后改为由东区主变直接送电，输出杆塔在图 9的正北方。

图9 110kV变电站地表简况Fig.9 Ground surface condition of the 110kV substation

4.2.2 探测过程

首先，在图9中东北角和东南角边缘的接地下引导体上注入频率300Hz，电流强度20A的电流。利用探测小车从东边边缘出发向正西方向移动，并自动记录支路导体电流在地表面激发的磁感应强度对应分量，同时记录小车移动的位置，其中一次局部测量结果如图10a所示。

根据2.2节的仿真计算结果，可以判断，图10a中出现磁感应强度峰值所对应的距离坐标，必然存在南、北方向分布的接地网导体。随着远离电流注入与抽出位置，支路电流在地表激发的磁感应强度将逐渐变弱，为了提高信噪比和测量精度，其后，又将电流注入与抽出点向西侧移动，向西分段检测南北向全部导体的分布。

类似于南、北方向导体的判断，在寻找东、西方向导体时，电流是通过东、西两侧的上引导体线注入与抽出的，测量小车则沿南、北方向移动，分别从东侧向西侧逐步推断测量东、西方向导体的位置和分布情况。某次测量结果如图10b所示。

图10 探测导体分布测量结果Fig.10 Measuring results of detecting the conductor distributions in east-west and south-north directions

4.2.3 探测结果

通过对全部测量数据的汇总与分析，探测出的整个接地网的主体结构如图11所示。由于变电站北侧是建筑物，测量中无法准确判断北侧边缘东西方向的导体位置。从图11可以看出，由于该站运行年限较久，又经多次改扩建，该接地网缺乏精心的设计和科学计算，网格分布不均匀。后经局部挖开抽检，证实了探测结果准确可靠。

图11 测量区域接地网的整体结构Fig.11 Whole structure of the grounding grid in the measuring area

5 结论

在没有接地网图纸的情况下，本文利用磁场检测方法，探测变电站接地网导体的位置和网格结构，为接地网状态检测和缺陷诊断奠定了基础。仿真计算和应用实践表明了该方法是可行的，开发的探测系统可靠，探测结果准确，可用于工程实际。

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