基于电磁感应法的变电站接地网探测实验研究

南方电网德宏供电局 李文杰 廖益发 谢尚东

有些变电站由于建设年代较早，由于当时设计和施工条件的限制，较大可能出现接地网拓扑结构图的实际建设情况与设计方案不同的情况，另外也经常会出现原始设计图遗失或损坏而导致无法准确判定网络拓扑结构的情况[1]。于是，在对这些变电站的接地网进行维护或检修时，就可能由于无法精确定位而导致维检效率低下、或导致维检成本大幅增加等不利情况出现。但在当前的工程实践过程中，暂时还没有成熟的接地网检测方法。

1 基于电磁法的接地网探测原理

要实现把接地网的横、纵向导体情况在同一张图中进行表示，可按图1所示方式，把横向k阶微分的各点数据和纵向k阶微分的各点数据（其中i代表x方向坐标，；j代表y方向坐标，进行变换。

若一半微分阶次（即k/2）是奇数，则测点的值就取各检测位置中的极小值，即有；若一半微分阶次（即k/2）是偶数，则测点的值就取各检测位置中的极大值，即有。

若感应电压的二阶微分结果对应的是0.6m检测高度和半径为0.1m的线圈时，利用图1的方式对数据进行处置，就能获得整体上的感应电压二次微分切片图，从中就能非常轻易而直观的辨识出接地网的网格拓扑结结构[2]。

2 实验介绍

从科学的严谨性出发，设计并进行了实验室模拟实验，以验证接地网的感应电压和感应电压微分方法的计算准确性，以及感应电压微分方法对识别接地网的拓扑和断点位置的影响[3]。利用2×2接地栅格模型，通过使用感应电压差分方法来识别拓扑结构和接地拓扑的故障点，对线圈大小和测量距离与感应电压切片之间的关系展开探究，最终找到合适的测量参数对各种故障情况进行模拟检测，通过测得的实验结果和模拟计算结果就能够直观地显示接地网的电网拓扑结构和故障点所在位置，该结果与仿真结果基本相同[4]。

2.1 通用线圈尺寸的计算

在通常情况下，接地网网格尺寸在5至15米间，填埋深度为0.5至1.5米。接地网的网格拓扑结构的检测难度随着接地网中线圈尺寸和高度的增加而增大。因此，为获得更精确的检测结果并提高检测效率，应该选用尺寸越小、埋深越深的线圈，利用模型来来进行计算[5]。

选择尺寸为5米、埋深为1.5米（即检测高度差为1.5米）的2×2接地网为模型，利用半径分别为0.1米、0.5米、1米及1.5米的检测线圈对模型的感应电压进行计算，并利用前述分析方式对计算结果进行二阶微分，最终得到如图2所示的模型感应电压二阶微分切片图。能够发现，当检测线圈的尺寸分别为0.1米、0.5米和1米的情况时，模型上方位置感应电压的压二阶微分呈现负极大值，而中央区域的情况则是呈现正极大值，因此能够直观的判断出模型汇总接地导体的具体位置，同时该位置的负极大值范围会随着线圈半径的变大而变宽；在线圈尺寸变动到1.5米时，模型上方区域的感应电压二阶微分值不再呈现出如前述一致的规律性，因此不再可以作为判别地导体的位置和网格拓扑结构的依据。

通过前面的讨论能够发现：若接地网的网络尺寸≥5米、且埋深≤1.5米，则都能够使用尺寸≤1米的线圈来利用前述检测及计算方法来识别接地网的网格拓扑结构和断点情况。

2.2 实验装置和参数

选择使用扁钢材料，依据尺寸为5米的2×2网络结构并按10倍比例进行等效缩小，制作一个等效实体模型。该实体模型尺寸即为0.5米、接地导体截面尺寸为0.04m×0.004m，其填埋深度0.15米（比所等效的实际网络缩小10倍），选择使用圆形（半径为0.07米，保证合适的尺寸和检测高度，以满足MRL相关要求的前提下选择尽量小的线圈）的中心回线式（400匝）线圈，一共布置13条1.2米长的检测线，按0.1米的线间距均匀布置，检测线上的测量点按0.1米间距设置。

在实际工程条件下，土壤的电导率为0.01S/m～0.02S/m，而接地网的电导率一般能达到107S/m左右，两者具有较大差距，同时考虑接地网的填埋深度最大也只有1.5米，上层填埋土壤对接地网的影响较小，故在进行等效模拟时可以不管这些土壤的作用。在可动实验平台上放置好检测线圈，平台将按照预先设置的方式进行运动，从而完成前述实验。本次实验所使用的发射装置为MiniTEM发射系统，该系统具备cRIO和LabVIEW的可视化采集系统，由吉林大学自主研制。

3 发射-接收参数对接地网拓扑结构识别的影响验证

在本次实验中，选择边长为0.2米、63匝的正矩形线圈作为发射线圈，且其与接收线圈在同一平面内，高度差为0.15米（如前所述将相关参数进行了十倍的等效缩小），在实验装置关闭断电1.953125ms后采集相关数据，做出如图3所示的情况对比图。图3(a)为接地网未被破坏时所检测到的感应电压切片图，图中的黑色线条所示的即为接地网的识别轮廓位置。这与小尺寸线圈、低位置测量时的模拟结果基本类似，图中所示高感应电压位置区域基本对应接地网导体的真实位置，能够比较明确而直接的判断出接地网的拓扑形态，也就证明前文所述通过计算的方式来识别同样情况下接地网拓扑情况和断点位置的合理性和有效性。

必须指出的是检测结果存在不均匀的特性，产生这种情况的原因是等效模型进行了10倍缩小，使得实验装置本身的抖动在较小检测高度的情况下被放大，而引起的检测结果偏差。

在前述实验的基础上将发生线圈的大小和检测距离进行加大，利用尺寸为0.75米、63匝的正矩形线圈作为发生线圈，且其与接收线圈在同一平面内，高度差为0.5米（将相关参数进行了十倍的等效缩小），发现若接地网是完好的，则得到如图3（b）的检测感应电压切片情况。从中可看出其结果显现明显凸形状态，无法确定接地网格的网格边界，也无法获得接地网格的网格拓扑。

上述感应电压测量实验的结果与模拟线圈尺寸和电磁响应的测量高度结果一致。传输线圈的尺寸与测量高度之间的差异会影响感应电压切片的形状：如果传输线圈的尺寸较小，则测量高度越小，测量结果就可更直观地显示接地栅格的栅格拓扑，接地栅极导体上的感应电压较大且呈凸形，节点处的感应电压较小且在局部最大值的每个小网格的中心呈凹形。相反，如果发射线圈的尺寸较大并且测量高度较高，则感应电压会呈现为整体凸形，并且无法反映接地栅格的栅格拓扑。