基于感应视磁阻抗法的接地网拓扑结构和故障的检测系统

李志忠,汤亮亮,王 森,郭 峰,徐 霞,刘 刚

(1. 国网陕西省电力有限公司 电力科学研究院,西安 710100； 2. 南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司)，南京 211106； 3. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)

在我国，大多数变电站的接地网材料为普通金属钢，随着使用年限的累积，加之土壤腐蚀作用，接地导体腐蚀问题比较突出，严重情况下甚至会出现接地导体断裂从而导致接地网电气连接性能的降低和接地电阻的增高[1-4]。一旦电力系统遭受雷击或发生短路故障，不仅容易造成检测设备和控制设备的误动作、不动作,还会给工作人员带来危险[5-6]。

经调研，国内外关于接地金属网故障的检测方法和技术有大量的基础性研究[7-12]。其故障诊断技术主要有电阻性网络法、电化学法、瞬变电磁法和电磁感应法等。其中,电阻性网络法是通过测量接地网支路导体电阻的变化值来确定接地网的故障情况[13-15]，使用该方法需要准确了解接地网的结构，然而对于运行多年的旧接地网难以准确建模，而且当接地网出现局部严重腐蚀或断点时，由于导体间互电阻的影响，测量结果会受到严重干扰。电化学检测技术是通过导体腐蚀时土壤中离子或者电荷的定性测量来分析接地体的运行状态，由于入地电流也会通过土壤散流，加上测量环境的背景信号干扰，电化学法的测量结果也会受到严重干扰，尤其是冻土区域环境中的接地网腐蚀[16]。瞬变电磁法类似于探地雷达，通过探测线圈产生的磁场在接地网中形成涡流，然后在地面提取二次磁场信号，通过二次场信号推算接地网的电气特征参量，从而判断接地网的运行状态，但变电站周围的各种电磁场很强，存在各种各样的电磁干扰，这影响了瞬变电磁法在接地网腐蚀判断中的应用[17]。电磁感应法是直接通过向接地网注入电流，分析接地网导体中电流在地表产生的一次场信号变化来判断接地网的运行状态，通过数值模拟仿真得到了该方法的可行性验证，但其测量结果受变电站复杂的电磁环境干扰较大[18]。

本工作在电磁感应法的基础上提出一种新的检测方法，并研制了一种简便、准确、不受现场运行条件限制且抗干扰能力强的检测系统，针对样机进行了基于感应视磁阻抗法检测原理的仿真计算和模拟接地网现场试验，通过仿真结果、试验数据及图形可以清晰地分辨接地网的拓扑结构和断点等现象，并论证了该系统的可行性和准确性。

1 视磁阻抗法的检测原理

如图1所示，向接地网中注入的电流会在地表形成磁场，线圈传感器会在交变电磁场中产生感应电压，该感应电压与接地导体中的电流之比，即为“感应视磁阻抗”。感应视磁阻抗检测法以电磁感应为基础，感应视磁阻抗反映了接地网的电性分布，在测量电(磁)场的分布基础上，通过提取电磁特性反映出地下的电性结构。

图1 感应视磁阻抗法原理示意图Fig. 1 Principle diagram of inductively apparent magnetic impedance method

当接地体完整时，可视为纯电阻电路，为简化问题，考察其中一个网格支路。如果网格支路两端的电压为u(t)=Umcosωt，且网格支路的电阻为R，那么支路中流过的电流i为

(1)

式中:Um为施加的电压幅值；ω为频率;t为时间。

根据Biot-Savart定律，当导体有电流流过时，电流元idl在高为h处产生的磁场强度(dB)为

(2)

式中：μ0为磁导率;idl为电流元;l为接地导体长度;r为电流元到测量点的距离;θ为电流元与r之间的夹角。

长度为l的接地导体流过电流时在高度为h处产生的等效阻抗(Zc)为

(3)

(4)

故测量线圈的感应电压为

(5)

式中：S为传感线圈的截面积;N为匝数;δ为测量线圈截面与水平方向的夹角;Φ为总磁通量。

假定接地网导体发生腐蚀，且腐蚀截面积比例为λ(腐蚀面积占总截面的百分比)，根据式(6):

R=ρL/A

(6)

式中:A为接地体截面积，则接地体的等效阻抗见式(7)：

(7)

式中：ρ为接地体电阻率;L为接地体长度;C为导体腐蚀部分对地电容。

于是该段导体中的感应电流为：

(8)

同理，线圈中的感应电压为：

(9)

由上式可知，采用矢量检测法，提取待测电压的实部和虚部，不仅能检测到地表电磁感应强度，从而得到接地网导体的物理位置和运行状态，还可以避开实分量成分的干扰信号。

2 基于视磁阻抗法的检测系统设计

传统的电磁感应法是利用仪器直接测量磁感应强度，然后推断接地网导体的位置和走向。然而,该方法应用在变电站接地网拓扑结构的探测上时，由于变电站复杂多变的电磁干扰，由接地体中电流在地面产生的磁感应强度被淹没在数倍数量级的电磁干扰场中。

与传统电磁感应法不同，本工作采用的感应视磁阻抗法不是直接测量磁场强度的水平分量，而是利用线圈在磁场中受到激发产生感应谐振的原理，研制出感应谐振传感器，并检测谐振传感器在该感应电磁场中受到激发而产生的电磁振荡。该电磁振荡的幅度、频率成分和相位等矢量参数与激励电流的比值也为一个矢量，即视阻抗，该视阻抗是由通电导体激发的磁场导致的，反映了通电导体的电磁特征。系统硬件部分包括激励电流源、探测线圈以及接收机等部分。

2.1 激励源

激励源设计方案如图2所示，整个激励源包括频率可编程正弦波发生器和音频功率驱动，其中信号发生器的参考信号由同步的方波信号获取，经隔离、整形和电平转换后，接入开关电容滤波器,滤波器采用可编程的DDS(Direct Digital Synthesis)技术,开关电容滤波器后级使用二阶低通滤波器滤除开关噪声，产生的波形为频率可变的正弦信号，信号经后级放大和功率放大后即可作为接地网的激励信号。

图2 激励源设计方案Fig. 2 Incentive source design plan

2.2 探测线圈

综合考虑探测的分辨力和灵敏度，以及安装和固定的便捷性，线圈采用扁平的矩形骨架，其上用铜线绕制，电感为1～2 H。结合仿真计算结果和待检测的磁感应强度的分布特征，设计了截面积为40 cm×60 cm，厚5 cm的矩形线圈。

按照计算参数绕制的两个线圈分别作为x和y方向的传感器，再选用高精度元器件，设计可控跳频器和自适应振荡回路，最后用特殊工艺进行固定和封装。

2.3 接收机

如图3所示，接收机由信号调理通道、检测模块、数据采集模块三个部分构成。其中信号调理通道的作用是与传感器线圈谐振电路配合，实现特定频率信号的放大，同时抑制噪声，并进行电平转换；相关检测模块对待测信号实施自相关算法，通过两路乘法器实现，在乘法器的输出端得到待测信号的实部和虚部信号；数据采集模块由单片机和24位高精度低噪声AD芯片构成，数据采集后传给虚拟仪器处理。

图3 接收机结构图Fig. 3 Receiver structure diagram

3 接地网拓扑结构、断点和腐蚀点的检测

3.1 接地网拓扑结构检测

首先利用仿真计算论证检测原理的可行性。模拟接地网的土壤结构设置为两层，上层厚度为5 m；电阻率为80 Ω·m，下层土壤电阻率为200 Ω·m。A点是激励源注入点，电流为幅值10 A、频率100 Hz的正弦波，B点为电流抽出点，电流波形与注入电流波形一致，如图4(a)所示。由图4(b)可以看出，A、B对角注入和抽出电流的方式刚好能获得接地网完整的拓扑结构。

(a) 示意图

在户外通过模拟接地网开展现场检测工作，模拟接地网采用尺寸为20 mm×3 mm的扁钢焊接，网格间距为4 m，埋深为1.2 m。实测时，注入10 A、100 Hz的正弦波电流。将测得的矢量值换算成幅度，根据结果绘制成热力图，从图5中可以清晰地看出接地网的拓扑结构，与实际的两个网格尺寸、形状完全吻合。

(a) 示意图

在实际测量中，开始并不知晓接地网的拓扑结构以及横向和纵向的敷设路径，因此设备测量路径不一定与实际接地网敷设路径一致。这里主要考虑斜向测量网格，即测量方向与网格呈一个夹角，以验证仪器在任意方向上对拓扑结构测量的准确性。由于现场场地条件受限，仅对“口”字形网格进行了探测试验，如图6(a)所示，检测装置分别沿着x、y轴进行测量。由于采用了双传感器结构，所以仍能准确测量出网格的拓扑结构，从图6(b)中可以清晰地看出“口”字形网格。

(a) 示意图

3.2 接地网断点检测

依据视磁阻抗法测量原理，当接地网出现断点故障时，接地网土壤表面的磁感应强度会发生变化。

设置接地网断点为P(10，4.2)，缝隙长为0.1 m，如图7(a)所示，仿真模型条件不变，B点位置改变。

从图7(b)中可以看出，接地网断点故障下地表面磁感应强度会出现跌落。同理，只改变电流注入和抽出点的位置到y方向，就能得出断点位置在y方向上的坐标，从而确定断点的具体坐标。

(a) 示意图

模拟接地网的环境与上节一致。实测时，注入10 A、100 Hz的正弦波电流。接地网格中标记1、2、3和4处的断点的裂口分别为10 mm、20 mm、30 mm和50 mm，以便分析不同断点间距对检测结果的影响。

由图8(b)分析可知，2号断点处有明显的“凹陷”区，由于该断点的存在，左下角相邻几个导体没有构成电流回路，此区域内导体的感应信号非常微弱，形成了“假断点”；1、3、4号断点处的信号幅度明显变弱，能够从图中清晰的看到断点位置；对比1号和4号两个断点处的信号，可以看出4号断点处的浅色区域多于1号断点的，且浅色更深，说明4号断点处的信号比1号弱，这与4号断点的裂口(50 mm)比1号断点的裂口(10 mm)宽一致；3号断点处的信号较强，原因是距离信号注入点近，电流大，但不能说明3号断点裂口比1、4号两处的小。

(a) 示意图

3.3 接地网腐蚀点检测

模拟接地网网格间距为3 m，对角注入10 A、10 Hz的异频正弦波激励电流，如图9(a)所示，A点为注入点、B点为抽出点，其他仿真条件不变。未腐蚀接地网导体段半径为0.067 m，设置线段MN为腐蚀段，腐蚀导体段长为2 m，变细后的导体半径为0.03 m。

(a) 示意图

当接地网导体发生腐蚀，其腐蚀导体上方的地表磁感应强度变小，两侧导体上方的地表磁感应强度变大。从图9(b)中可以明显看到，在x=3 m处腐蚀变细段上方的磁感应强度明显跌落。

在户外模拟接地网腐蚀和非腐蚀条件下的测试，非腐蚀下的扁钢截面尺寸为60 mm×6 mm，腐蚀后经化学处理的剩余截面尺寸为20 mm×3 mm，注流方式相同。由图10可以看出，两次测量所得的曲线变化趋势完全相同，可见仪器重复性较好；针对截面积减小的腐蚀段的测量，其测量幅值明显小于非腐蚀段的。

(a) 测量路径

4 结论

(1) 提出基于感应视磁阻抗法的接地网拓扑结构、断点和腐蚀情况的检测原理，并结合此原理给出特征提取量。

(2) 从感应视磁阻抗法的检测原理出发，研制了检测系统，主要包括激励源、探测线圈以及接收机等部件。

(3) 针对样机进行了仿真计算和模拟接地网现场试验，从仿真结果和试验数据可以清晰地分辨出接地网的拓扑结构，实现断点和腐蚀点的故障诊断，从而验证了检测系统的准确性。