基于探地雷达对变电站接地网的成像检测技术

（国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐830000）

0 引言

变电站接地网对系统电气设备的安全稳定运行以及运行、检修人员的人身安全都起着至关重要的作用。随着接地网运行时间的延长，接地网也随着暴露出来相应问题，比如在日常检测过程中发现：部分一次主设备的接地出现严重锈蚀或者失地运行，一旦遭受雷击或者大电流冲击，很难满足热稳定性要求，极端情况造成主设备被击穿；开关端子箱、电源箱出现失地运行情况，感应电或设备本身漏电很容易导致运行、检修人员发生人身触电[1]。因此，如何去发现接地所存在的隐蔽性缺陷，以及实现接地扁钢缺陷准确定位，避免开挖的盲目性，为后期改造提供有力支撑，是一项有意义的工作。

综合上述接地网所暴露出来较为隐蔽的安全隐患，而目前较为传统的检测手段主要包括接地导通测试，接地电阻测试[2]，其中接地导通测试更注重历史值的比较，难以直观的发现隐蔽性缺陷。而接地阻抗测试是衡量整个接地网，也难以发现上述局部性的接地缺陷。其中最新颁布的电力行业标准，DL/T1532—2016《接地网腐蚀诊断技术导则》中指出，采取分区分块的办法来诊断接地网是否发生严重锈蚀甚至断裂[3-5]，需注入激励电流，并且对接地网设计竣工图纸的依赖性相对较强，同时也缺乏直观性，以及缺陷的准确定位，依然存在开挖的盲目性。同时也有许多学者提出，利用超声导波的方法来研究接地扁铁的腐蚀缺陷[6-8]，由于超声探头自身能量的限制以及接地网的复杂网络，超声在扁铁上的传播衰减很快，其有效检测长度相对较小，需多次开挖。

基于在运时限较长的变电站接地网所存在的问题，以及结合目前接地网常用的检测手段，笔者提出一种基于探地雷达对变电站接地网的成像检测技术，不依赖接地网设计图纸，能够及时发掘接地网隐蔽性缺陷，并实现接地扁铁缺陷定位，加强开挖的针对性，为后期改造提供有力支撑。该项检测技术应用到新疆某110 kV和35 kV变电站接地网的检测中，取得良好效果。

1 探地雷达检测成像技术

1.1 探地雷达简介

探地雷达是一种利用超高频脉冲电磁波去探测地下目标体特征的物理勘探方法，其先决条件就是目标体与周围土壤介质要存在足够的介电性差异，不同形状目标体在反射波上呈现不同的特征。电磁波在介质中的传播特性反映了地下不同介质的介电性差异，差异越明显，反射回波振幅越强烈，通过天线接收相应的反射回波的振幅、到达时刻以及波形等特征信息，确定目标体的空间信息[9-11]。

探地雷达系统主要由主机和阵列天线两部分组成，见图1。图中主机频带在100～3 000 MHz连续可调，配置24个通道，通过优化信号带宽和最佳分辨率可以实现高速勘察大范围扫描的同时避免图像细节的丢失。阵列天线设计包含蝴蝶结单极天线阵子，所有天线阵子均具有200 MHz～3 GHz频带宽，其中结合了不同的发射/接收天线对，从而使得勘测速度提高一倍且又不会丢失数据[12-13]。

1.2 适用接地网检测可行性分析

目前，变电站接地网所采用的接地扁铁大多采用镀锌扁钢，宽度和厚度与电压等级有关，依据GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，以某110 kV变电站为例，主接地网规格为40*4 mm，埋深为1.2 m。查找相关资料一些介质的电磁属性参数如表1所示，接地扁钢与围土存在明显的介电性差异[14-15]，具有极强的反射能力，同时也有相对较大的反射面积，做类似微分处理，将某一小部分接地扁钢看做点模型，目标体的平面位置可根据雷达系统自身里程计现场定位，与测试线的垂直距离可通过式（1）、（2）计算，其中接地扁铁单个点模型电磁波反射如图2所示。

图1 探地雷达系统组成图Fig.1 Composition of GPR system

表1 某些介质电磁属性参数Table 1 Some medium electromagnetic properties parameters

式中：D表示目标体到测试线的垂直距离（m）；V表示电磁波在地下某介质中的波速（m/ns）；X表示目标体与接收天线的水平距离（m）；T表示反射电磁波的双程走时（ns）；C表示电磁波在空气中的波速；εr表示介质的相对介电常数。

图2 目标体点模型电磁波反射图Fig.2 Electromagnetic reflection pattern of target point model

根据上述接地扁铁的点模型，对电磁波信号的反应可建模为复散射系数，对多个点模型反射回波信号，可做叠加处理[16-18]。设雷达阵列天线的发射电磁波信号为St（t），接收天线所接收到的K个目标接地扁钢反射回波信号可表示为

式（3）中，η表示雷达运动轨迹方向的方位时间变量；t表示电磁波信号传输方向的距离时间变量；σk表示接地扁钢的复散射系数，c为电磁波在真空中的传播速度。发射电磁波信号St（t）遇到目标接地扁钢后，考虑到接地扁钢的强反射，发生反射的过程中，St（t）在距离时间变量上存在一个延时，等于 2Rk(η)c，其中Rk(η)表示目标接地扁钢K在η时刻与雷达发射源之间的瞬时斜距；与此同时，考虑到雷达系统本身的运动，在方位时间变量上会产生一个相位调制，其角度为 4πf0Rk(η)c，f0表示载波频率，G(η)表示由于雷达本身的运动所产生的阵列天线包络线。目标接地扁钢的反射回波信号在方向变量和距离变量上都是出于扩散状态，而阵列天线的接收过程其实是将实物空间到信号空间的转变，通过信号处理完成空间重构，进而得到接地扁钢的剖面和断面反射回波图。

探地雷达在实际应用过程中，受到相应的制约因素，实际探测的深度以及目标体成像清晰度受目标体与围土之间的介电性差异、围土是否均匀以及围土的含盐、水度等客观条件的制约。另外，在实际探测过程中，天线接收的图像信息还叠加了目标体周围其他管线的反射、地下土壤分层、不均匀介质扰动等多种综合信息，这就对图像解释人员提出了更高的要求，应熟悉各种被检测目标体的图像特征，排除异常干扰，正确评估被检测目标体的状态。

2 现场试验

2.1 新建场地测试及分析

某新建场地基本情况如下，南北向长度约为2.5 m，布设间距83 cm的四根40 mm×4 mm接地扁铁，埋深深度由北向南逐渐变深；东西向长度约为1.8 m，东侧布设间距为5 cm的三根10 mm的并排钢管；中间布设40 mm扁铁以及5 mm铜管，西侧布设10 mm钢管，其间距90 cm；下方为北侧，上方位南侧，左边为东侧，右边为西侧，如图3所示。

图3 新建场地接地测试图Fig.3 Grounding test for the new site

通过对上述新建场地进行探地雷达测试，测试方向由北向南，接收反射回波如图4所示，测试方向由东向西如图5所示。从图4、5中可以看出，4根4 cm宽的扁铁的异常波形清晰可见，呈典型的双曲线形态，其埋深分别为0.38 m、0.55 m、0.81 m、1.07 m，1～4号水平间距分别为0.86 m、0.74 m、0.86 m；5号为更小直径的铜管目标体，埋深为0.53 m。初步得到以下结论：1）选用200 MHz—3 GHz频带天线的探地雷达能够有效分辨并探测到埋深在1.2 m以内的规格为40 mm×4 mm的接地扁铁并能够准确地实现水平和埋深方向的定位，误差不超过5 cm；2）比较4根接地扁铁的异常波形，其中埋深1 m的4号扁铁波形宽度较小，埋深0.8 m以内的1-3号扁铁波形较宽，依然可以分辨；3）能够探测出埋深在0.5 m左右的5 mm铜管，5号异常位于1号与2号两个异常之间，波形宽度相对较窄，依然可以分辨；4）3根细钢管的波形形态与同埋深的40 mm×4 mm扁铁的波形形态相似，其中无法分辨出以5 cm间距平行排列3根细钢管，波形上反映出来为单个金属管的波形。

2.2 变电站接地网现场测试

2.2.1 某35 kV站接地网测试及开挖分析

图4 由北向南测试波形图Fig.4 From the north to south test waveform

图5 由东向西测试波形图Fig.5 From east to west test waveforms

该35 kV变电站主于1996年投运，运行时限长达20年，处于较低洼地带，土壤相对湿润，腐蚀严重，由于接地网设计图纸缺失，这对当前接地网可靠性、寿命状态评估以及技改带来很大困难，无从下手，传统检测手段已无法满足此类变电站接地网检测需求。在此次通过探地雷达检测过程中，发现某处接地扁铁反射回波信号存在明显异常，出现较大范围的扩散现象，并且反射回波存在一定程度的“加粗”现象，如图6所示，通过仔细对比分析波形图，存在明显与围土介电性差异性很强的介质，依据经验推断，很有可能是由于接地扁铁在此处出现了锈蚀断裂的情况，并且随着运行时间的延长，锈蚀的铁渍一部分包裹在接地扁铁上，另一部分则分散在接地扁铁的周围，与周围土壤相互融合在一起，造成了探地雷达所接收到的反射回波存在明显异常，这是判断接地扁铁发生锈蚀断裂的主要依据。并对该接地扁铁可疑处，进行了现场开挖验证，如图7所示，验证了探地雷达判断的准确性，该处接地扁铁发生严重锈蚀断裂，通过此次探地雷达测试，作用主要体现在两个方面：一是实现了接地扁铁的准确定位；二是对锈蚀严重、断裂的接地扁铁从反射回波上实现了缺陷定位以及可视化。

2.2.2 某110 kV站接地网测试及开挖分析

图6 缺陷处探地雷达波形图Fig.6 Waveforms of GPR defects

图7 缺陷处现场开挖验证图Fig.7 Verification of site excavation at defects

该110 kV变电站周围土壤较为干燥，为沙质土壤，且该地区降雨稀少，通过以往的腐蚀调查得知，该地区腐蚀情况相对轻微。该站于2000年投运，运行时限达16年，依据GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》，随着变电站容量增加，入地短路电流也持续增大，急需掌握目前接地网是否能够满足安全稳定运行的要求，而对接地网进行开挖检查是所有工作的第一步，由于当初设计图纸缺失，故在此次开挖过程中，采用了先进的探地雷达技术，如图8所示。

图8 探地雷达现场检测Fig.8 Field detection of ground penetrating radar

此次探地雷达检测过程中，对某两处接地扁铁进行了重点分析，探地雷达波形图如图9所示，通过对比分析，图9（a）中所表现出来的雷达回波相对较为宽泛，且存在一定的分散现象，推断围土周边存在电磁介电性较强的介质，判断为由于扁铁的锈蚀，造成铁锈渍包裹在接地扁铁周围所造成，从雷达反射回波来判断，图9（a）比图9（b）中接地扁铁锈蚀严重，经现场开挖，如图10和图11所示，其中图9（a）、图9（b）分别对应图10和图11，验证了探地雷达的初步判断。通过探地雷达一方面实现了对埋地接地扁铁的定位；另一方面实现从从宏观上去判断接地扁铁的锈蚀情况，而从定量上区分，目前无法做到。

图9 两处接地扁铁探地雷达波形图Fig.9 Two ground flat iron ground-penetrating radar waveform

图10 图9（a）对应现场开挖图Fig.10 Figure 9（a）corresponds to FIG excavation site

图11 图9（b）对应现场开挖图Fig.11 Figure 9（b）corresponds to FIG excavation site

3 结语

应用探地雷达技术对变电站接地网开展成像检测工作，尤其对于设计图纸缺失的情况，在不停电、不开挖情况下，实现对接地网物理状态的检测和评估，是一种针对接地网的原位无损检测技术，相比传统检测方法而言，其具有针对性强、缺陷可视化、直观性强等特点。通过对接地网现场检测分析以及开挖验证，主要得出以下结论。

1）应用探地雷达技术能够发现接地网所存在的隐蔽性缺陷，并实现缺陷定位，以及从宏观上判断接地扁铁的锈蚀情况；

2）应用探地雷达技术能够实现对埋地接地扁铁的准确定位，包括水平位置以及埋深。利用探地雷达技术，为接地网的状态评估及后期改造提供有利的技术支撑。

同时，将探地雷达技术应用到接地网的检测中，也存在许多不足之处。探测效果容易受到目标体尺寸大小、围土均匀性、含盐和水分度等客观因素和图像解释人员所具备能力等主观因素的影响。另外，对于接地扁铁的腐蚀情况，无法对腐蚀程度加以区分，以及无法实现对目标体尺寸的判断，还有待针对典型目标体、典型土壤环境开展大量的试验，建立相应的标准图像库，加强图像识别能力。

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