基于磁性源的接地网拓扑结构检测方法研究

李波，王秀娟，张林山，曹敏，胡凡君，付志红，朱全聪

（1. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217；2. 重庆大学，重庆 400000）

0 前言

接地网是电力系统的重要组成部分，其状态的完好与否是变电站安全运行的重要保证，同时也是保证电网稳定运行、保护操作人员及电气设备的重要手段。变电站中所有的电气设备都连接在接地网上。接地网首先为这些设备提供一个公共的电位参考地，并能将雷击或者系统短路故障时的大电流导入大地而迅速排泄电流，从而减小变电站的地电位升。因此，接地网接地性能的好坏直接影响着系统的稳定运行[1]。接地网建设时节点焊接不良、接地扁钢长时间埋入地中因腐蚀等因素会导致接地网结构破坏[1]。接地网结构性故障对电力系统的安全运行有较大威胁，由于接地网的不可见性，该结构性故障难以发现，存在发现迟于事故的困境，因此对接地网拓扑结构进行检测具有重要的工程应用价值。

重庆大学和清华大学率先在国际上开展了接地网结构性故障诊断方面的研究工作，提出了接地网结构性故障诊断的电路方法[2-5]。该方法基本原理是根据测量获得的接地网可及端点之间的电阻和给定接地网的拓扑结构求解接地网每一段导体的电阻值，比对实际电阻值和原始理论值的大小从而诊断接地网的结构性故障[6]。由于实际接地网的可及断点位置和数目的限制，电路方法尚无法在工业界推广应用。华北电科院和武汉大学分别利用电化学极化技术进行接地网的腐蚀故障诊断的相关研究。通过对接地网进行电化学极化测试，可获得被测处接地网导体的腐蚀速率，但无法对断点等接地网结构性故障做出诊断[7-9]。

基于电磁感应原理的接地网结构性故障诊断方法最早见诸Dawalibi提交给加拿大电气协会（CEA）的研究报告中[10]。这份研究报告中，Dawalibi提出了利用接地网可及端点向接地网中注入一定频率的正弦电流，并在地表检测网中正弦电流产生的交变磁场，通过交变磁场强度分布对接地网结构性故障进行诊断的电磁方法。华北电力大学对该方法进行了进一步研究[11-13]，设计了向接地网注入电流的电流源和磁场检测电路，另外，还提出了向接地网中注入正弦电流，检测电表电位差，并利用地表电位差分布进行故障诊断的新思路[14]。利用可及断点向接地网中注入电流的电磁诊断方法同样依赖于可及断点的位置和数目[15-19]，如果某些区域可及断点很少，则难以取得较好的诊断结果。

现有检测方法大多需要接地网的拓扑结构图纸作为支撑，测量过程通过接地引线往地网中注入电流的激励方式，均无法摆脱接地引线位置及分布的限制。工程中接地网存在腐蚀严重且图纸遗失、缺损等现象；运行期间经过扩改的接地网存在新旧网交替，与图纸不符等现象，这为检测带来很大困难。本文提出了一种不依赖接地网可及端节点位置与分布的拓扑结构检测方法，检测过程不与接地网直接接触，可实现接地网拓扑结构的无损检测。

1 发射接收集一体式检测装置

检测装置由三个共几何中心的且相互垂直的线圈（Rx、Ry、Tz）构成，以三个线圈的中心为坐标原点建立直角坐标系，如图1、图2所示。线圈Tz水平放置为发射线圈，线圈Rx、Ry竖直放置为接收线圈，Tz、Rx、Ry三个线圈相互垂直。Rx垂直于x轴放置，测量x方向的磁场；Ry垂直于y轴放置；测量y方向的磁场。根据电磁场理论，三线圈的耦合系数为零，即三线圈相互之间没有互感，发射线圈产生的一次场信号不会影响测量结果。接收到线圈Rx、Ry接收的磁场信号为接地网导体中感应电流产生的二次磁场信号。

图1 测量装置结构示意图

图2 测量装置结构设计图

图3 矩形接地网孔周围任意点磁场计算示意图

接地网与接收线圈的耦合模型实际是将接地网作为发射源，接收线圈作为受激励目标体。将接地网孔中形成感应电流，等效成通电矩形线圈。可视其为单个发射线圈，对其周围产生的磁感应强度分布情况进行分析。

如图3所示，位于xoy平面边长为a的载流接地网在任意点P产生的磁感应强度的各方向的分量为分别为：

当装置靠近沿x轴走向的接地网扁钢时，发射线圈Tz产生的一次场将在扁钢中感生出沿x轴走向的感应电流，该感应电流产生的二次磁场在空间分布类似于通电直导体在周围空间产生磁场的分布规律，由此，在地表磁感线的分布主要是垂直于x轴的分量，由接收线圈Rx测量，对接收线圈Ry的测量不会产生影响，由此可以定位x方向敷设的扁钢；同理，对于沿y方向的接地扁钢测量由接收线圈Ry实现。当装置移至扁钢正上方是，因为发射线圈Tz产生的一次场在扁钢左右两边网孔产生的磁场强度大小相等，故在导体中产生的和磁场为零，导体中不会有电流经过。由此可以确定接地导体位置。

接地网支路导体长度不一，但普遍在3 m以上，当前大型变电站接地导体长度设计值可达到10 m以上。所以，我们考虑当测点位于接地网网孔上方时，接收线圈Rx测得的磁感应强度Bx和接收线圈Ry测得的磁感应强度By幅值，一般都较测点位于导体上方时小，且通常认为两者幅值相位相等，二者输出之差Bx-By为零，但也存在由于磁场叠加以及土壤电流流动所造成的特殊情况。当测点靠近沿y方向的接地网导体时，可检测到Bx发生变化，而By不变则导致Bx-By偏离零；当测点靠近沿x方向的接地网导体时，Bx不变，而By发生变化，故Bx-By同样偏离零。因此以接收线圈Rx输出和接收线圈Ry输出换算得的磁场强度之差Bx-By为判据，即可判断接地网导体的走向。此外，以Bx-By为判据，还可以在一定程度上减小背景场干扰的影响，从而提高信号品质。

2 接地网模型仿真分析

为进一步分析检测装置的应用性，设计了如图4所示的接地网大型接地仿真模型，为等间距的九宫格拓扑结构，将网格间距设置为10 m，研究区域为图4中红色虚线框所示。设置17条测线，测线间隔0.5 m，每条测线设置17个测点，测点间隔0.5 m。发射线圈半径设置为0.2 m，激励电流频率为33 kHz的正弦电流，幅值为10 A。两接收线圈设置为半径为0.2 m，与发射线圈共集合中心，材料为铜，每个线圈匝数为200。

图4 大网孔接地网仿真模型

利用CDEGS接地网仿真软件对模型进行仿真，磁场数据成像如图5所示，由图5 (a)，图5 (b)可以明显看出，在扁钢所在处正上方，地表磁场分布出现谷值，在扁钢左右两侧各出现一个大小相等方向相反的峰值。在远离扁钢的区域，测量结果接近为零，直接用原始数据即可以形成接地网拓扑结构图像。

通过仿真模型证明了，该测量装置可以实现接地网拓扑结构检测，文中提出的CGGT特征值小波边缘检测算法可以实现对该测量装置测得的数据处理接地网成像也适用。对于网孔较小的接地网，测量结果受干扰影响较大，网孔大的情况，测量结果明显，受干扰较小。该装置可同时测量地表磁场的两个水平分量值，一次性测量可实现整个接地网的拓扑结构成像。

图5 接地网模型：(a)Bx分布情况，(b)By分布情况，(c)Bx-By分布情况

3 接地网现场实验验证

课题组在重庆大学校内建设了一个实验场，开展磁性源拓扑结构诊断实验研究。等效拓扑结构模型如图6所示，坐标系建立如图5，为分析接地网扁钢的定位效果，在坐标点(0, -3)处设置一个断点。发射线圈和接收线圈的共同圆心位于测点正上方。发射线圈半径为1.25 m，发射线圈通以峰值电流为1 A的斜阶跃脉冲电流。接收线圈半径0.25 m，接收线圈和发射线圈共几何中心。

图6 接地网结构模型及测点布置

选择如图6所示的测点分布方式，设置了8条斜跨扁钢的测线，x轴、y轴方向上测点的间距均为1 m。测点范围的四个顶点坐标为(-11,13)，(-4,13)，(2,-13)和 (9,-13)。

图7中可清晰看出接地网模型中断点的位置在(0,-3)坐标处，且断点位置所在的两个地网网格呈现连片的高幅磁场，测点的磁场分布值在测量过程中逐点更新，变电站网络的拓扑结构和故障或断点可以实时清晰地显示出来。

试验结果表明，本文所设计的接地网拓扑结构检测方法，可以实现接地扁钢的定位，同时也可以确定断点位置，说明该方法可在工程中进行推广和应用。

图7 测量结果场值分布成像效果图

4 结束语

为了适应变电站工程需要，论文设计了一种发射与接收为一体的检测装置，该装置结构简单，测量过程不与接地网直接接触，可实现非接触式无损检测。与已有方法相比，本文提出的方法克服了已有检测方法对接地引线数目和位置分布的制约，具有更大的实际操作空间和可推广性。论文通过理论分析，软件仿真及现场试验证实了论文所提出的检查方法的正确性和可行性，对变电站接地网拓扑结构检测具有重要的工程应用价值。