基于电磁场原理和地表电位的接地网腐蚀诊断研究

褚旭, 余绍帅, 严亚兵, 李辉

(1. 国家电能变换与控制工程技术研究中心, 湖南 长沙 410082；2. 湖南大学, 湖南 长沙 410082；3. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院, 湖南 长沙 410208)

0 引言

接地网是变电站保护电力系统安全的重要保障, 主要作用是为故障电流提供流散的通道[1],接地网的可靠性关系到电网系统的安全。 我国早期电力系统多使用镀锌扁钢、 圆钢等接地网导体作为接地网材料, 但是钢制材料存在着导电率低、 耐腐蚀性差等特点[2], 特别是导体金属长期在潮湿或者盐碱地土壤中工作更容易发生腐蚀。 在中国西北、 东北、 华北及滨海地区存在大量盐碱地, 而这些盐碱地分布着大量变电站等设施, 在腐蚀性较强的潮湿或者盐碱地土壤中, 接地网金属年腐蚀可达2.0 mm, 在腐蚀性强的土壤中可达3.4 mm, 腐蚀性极强的土壤中可达8.0 mm[3]。 由于中国地质情况及气候条件较为复杂, 有的地区产生酸雨, 这些因素会改变土壤状况, 加速接地网导体的腐蚀[4]。另外, 因为设计问题, 接地网使用的导体材料较为普通, 没有采取防腐蚀措施[5]。 随着接地网导体腐蚀情况的加剧, 接地网接地电阻不断增大, 当雷电流或故障电流入地时, 会导致接地网导体因发热或大电流的电动力而发生断裂故障。 接地网的腐蚀断裂不仅会导致接地效果不良, 防雷和防触电效果变差[6], 还损坏电力系统设备, 可能引起电力系统的故障, 给变电站和社会带来经济损失[7]。

接地网腐蚀断裂位置定位[8]是评估接地网安全性能的重要手段, 在工程上, 大多采用测量接地电阻值间接判断接地网性能[9－10]。 但当接地网发生腐蚀断裂时, 接地网电阻也可能维持原有值, 因此单从接地电阻值判断接地网状态存在一定的误判风险, 无法准确了解接地网的腐蚀情况[11]。

为避免变电站复杂环境噪声对地表磁感应强度的影响[16], 引入接地网地表电位信息对地表磁感应强度进行补充, 本文提出基于电磁场(electromagnetic field theory, EFT) 和地表电位(earth surface potential, ESP) 相结合的方法进行接地网腐蚀导体部位诊断, 从而弥补在强磁干扰下EFT 方法测量精度差的缺陷。 该方法首先分析在EFT 基础上腐蚀导体的磁感应强度分布, 接着分析腐蚀导体的ESP 分布, 将磁感应强度曲线和ESP分布曲线进行结合, 最后确定导体腐蚀位置和类型。 经测试表明, 试验所设置的导体腐蚀位置和算法得到的导体腐蚀位置一致, 表明了该方法诊断腐蚀导体的精确性。

1 接地网诊断原理及模型搭建

1.1 接地网腐蚀诊断原理

接地网导体材料主要采用镀锌扁钢或镀锌圆钢, 长期深埋地下, 易受材质和环境因素影响发生腐蚀断裂。 基于EFT 和ESP 结合的方法进行接地网腐蚀导体部位诊断, 其中基于EFT 诊断接地导体腐蚀的方法是向接地网注入激励电流, 测量导体垂直地面上的磁感应强度, 分析磁感应强度波形的变化及分布情况, 进而确定接地导体腐蚀位置。

根据毕奥－萨伐尔定律, 接地网导体轴向电流在周围空间产生的感应磁场的磁感应强度可表示为:

式中,B为电流元在P点激发的磁感应强度；I为源电流；L为积分路径；er为电流元指向待求场点的单位向量；μ0为真空磁导率；Idl为长直导线上任意电流元；r为导体上线单元点与地表点间的位置矢量。

图1 为接地网等效电路模型, 假设接地网导体长度为l, 并且是由理想导线和纯导体组成的规则图形, 通过接地网下接引线Q向接地网注入激励电流I, 接地网等效电阻为R, 流经接地网各个导体的电流为IR, 流向大地的泄漏电流为Ix。

图1 接地网局部等效模型

假设接地导体由m段(m→∞) 组成, 将m段导体看作由m个点组成的接地网导体, 每个点产生的泄露电流均匀流入大地中, 地表电位为:

式中,Vp为点P处的地表电位；R(P,Ri) 为点P下i处导体的阻值；Ii为i处导体产生的泄露电流；ρ为接地各段导体电阻率；R为导体电阻；s为导体横截面积。

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当电流源发生变化时, 导体上方各点电位随之发生变化, 通过电流源和均匀导体电阻值即可对电位分布进行求解。

对于实际的接地网, 当设计完成时, 空间拓扑结构已经确定[17], 当有电流流经该接地网时, 将在整个接地网上方地表周围的空间场域产生唯一确定的地表电位分布[18]。 根据式(2), 当接地网发生腐蚀甚至断裂时, 导体的电阻增加, 空间域的电场和地表电位分布发生改变[19], 因此接地网地表电位分布能反映出接地网各导体的实际状态。

因为变电站属于复杂电磁环境, 基于EFT 和ESP 相结合的方法进行接地网腐蚀导体部位诊断,将地表电位作为接地网磁场变化的补充, 既能弥补复杂噪声环境对测量的影响, 又能更好地进行接地网腐蚀的诊断。

1.2 接地网计算模型搭建

图2 为常见变电站接地网的拓扑结构。 设计接地网面积为200 m×200 m,X、Y方向各有11 段导体, 接地网埋深0.8 m, 材料为铜, 电阻率为0.017 2 Ω·m, 每段导体的横截面半径为0.005 2 m。 导体均匀分布,P点和Q点分别是激励电流的注入和抽出点, 激励电流为20 A、 60 Hz。

图2 观测线及接地网模型

当接地网存在腐蚀、 断裂时, 磁场法和电位法需要设立观测线进行地表磁场和电位的采集, 利用地表磁场和电位分布规律去判定腐蚀位置, 进行精确定位。 为了验证方法的可行性, 同时便捷高效地分析接地网导体上方的地表电位值和磁感应强度分布规律, 观测线平行于X轴, 长度为200 m, 分别在X为0 ～200 m 处,Y为0 m、 10 m、 20 m、 …、200 m 处设置观测线。 观测点间距为1 m, 每条观测线上共有201 个观测点。 所有观测线下的地表磁感应强度和地表电位如图3 所示。

图3 不同观测线下地表磁感应强度和地表电位分布

图3 (a)、 (b) 分别为在所有观测线下的地表磁感应强度分布图和地表电位分布图, 由地表磁感应强度分布图可知, 在电流源输入和抽出点地表磁感应强度较高, 距离此两点越远, 地表磁感应强度越小。 对于地表电位图来说, 接地网地表电位曲线较为光滑, 处于导体正上方的地表电位值越高,靠近电流注入点导体电位最高。

2 接地网腐蚀分析

2.1 磁感应强度和地表电位波形分析

基于EFT 和ESP 进行接地网腐蚀导体诊断,设置腐蚀导体位置为图 2 中S(100, 120)、T(100, 100), 观测线位置为Y＝110 m、X＝0 ～200 m, 观测线步长为1 m, 激励电流在P、Q处注入和抽出, 电流源为20 A、 60 Hz。 接地网导体存在电阻, 导致流经导体的电流和泄漏电流不同, 从而使导体上方的磁感应强度和地表电位呈现不同的波形, 如图4 所示。

图4 完好、 腐蚀导体的地表磁感应强度和地表电位分布

图4 (a)、 (b) 中分别为S、T段导体完好和腐蚀状态下的地表磁感应强度对比和地表电位对比, 从图4 (a) 中可以明显得到如下规律: 接地网导体正上方地表磁感应强度最强, 并出现峰值；地表磁感应强度和电流注入、 抽出点距离成正比；接地网导体腐蚀时, 所在区域地表磁感应强度降低； 因为整体电流不变, 所以腐蚀导体的腐蚀部位上方地表磁感应强度降低, 其余地表磁感应强度峰值高于导体完好时地表磁感应强度峰值。

接地网导体被腐蚀时, 地表磁感应强度发生变化, 可以使用EFT 进行接地网故障诊断, 但是易受周围环境影响, 根据图4 (b) 可得以下规律:接地网导体正上方地表电位最强, 并出现峰值； 地表电位和电流注入、 抽出点距离成正比； 接地网导体被腐蚀时, 所在区域地表电位降低； 接地网发生腐蚀时, 腐蚀导体的腐蚀部位上方电位出现拐点。

导体腐蚀部位出现拐点主要是因为变电站接地网规模较大且导体分布密集, 导体断裂或腐蚀会让导体局部电阻增大, 导致局部散流性能降低, 泄漏电流减小引起地表电位降低。 接地网部分导体发生腐蚀时, 地表磁感应强度和电位发生变化, 可以依据磁感应强度曲线和地表电位曲线信息确定接地网腐蚀位置, 判断腐蚀程度。

2.2 不同腐蚀程度波形分析

为判断导体腐蚀程度对磁感应强度和地表电位的影响, 进行腐蚀导体和断裂导体波形对比实验,图5 为S、T段导体完好、 腐蚀和断裂时地表磁感应强度曲线和地表电位曲线。 当导体开始腐蚀甚至发生断裂时, 地表磁感应强度和地表电位的降落幅度也逐渐增加, 并且符合上节所述规律, 因此可以使用地表电位作为地表磁感应强度的补充, 进行接地网故障位置和状态的检测。

图5 完好导体、 腐蚀、 断裂导体的地表磁感应强度和地表电位分布

3 基于EFT 和ESP 的接地网腐蚀诊断

3.1 模拟实验等价有效性分析

为了使基于EFT 和ESP 的腐蚀诊断方法运用到实际接地网腐蚀诊断中, 基于实际接地网在典型状态下的地表磁场分布和地表电位分布规律, 根据量纲相似中的几何相似原理[20], 选取一个实际的10 kV变电站为模板, 设计两款真实的接地网模型进行EFT 和ESP 腐蚀诊断试验, 测量地表磁场分布和地表电位分布。

以地表电位为例, 假设设计接地网和实际接地网几何形状相似, 且实际接地网和设计接地网所对应的长度比值处处相等, 为λ1； 根据静电场唯一确定性原理, 即当场源及边界条件确定, 场域中任意点均满足拉普拉斯方程或泊松方程时, 点电位便确定, 即静电场只有唯一解[21]。 由于设计接地网满足拉普拉斯方程, 根据几何相似原理, 设计接地网的地表电位可表示为:

式中,λv表示设计接地网和原型接地网中对应点的电位比例尺；V2表示设计接地网任意点的地表电位；x、y、z表示空间方位坐标。

由式(3) 可知, 设计接地网亦满足拉普拉斯方程。 根据场源叠加性和场的唯一性可知, 设计的接地网所得到的地表电位分布与实际场的电位分布存在一定的比例关系。

将土壤电阻率比例设为λρ, 泄露电流比例设为λI, 则可得设计接地网和实际接地网的地表电位关系为:

式中,V1、V2分别代表实际地表电位和设计地表电位。

由几何相似原理可知, 根据几何比例设计的接地网模型所呈现的地表电位和原场电位相似, 磁感应强度也相似, 故地表电位分布规律和地表磁感应强度分布规律类似。

3.2 接地网腐蚀诊断部位定位

根据某10 kV 变电站模板, 基于几何相似原理设计接地网模型, 把原型接地网与设计接地网的长度比例尺取2, 故障电流比例尺均取为1, 如图6 所示。 实线为所铺设的镀锌扁钢, 宽度为0.005 2 m,导体埋深0.8 m。 虚线L1 为观测线, 其中水平方向为X轴方向, 竖直方向为Y轴方向, 注入激励电流为20 A、 60 Hz, 从P点注入、Q点抽出, 在R、S段设置故障点。

图6 设计接地网模型示意图

为了更准确地观测接地网导体表面的磁感应强度和地表电位, 设置观测线间距为2 m、 观测点间距为1 m 进行测量。 图7 为接地网导体完好状态下的地表磁感应强度和地表电位分布图, 可以看出,接地网地表磁感应强度和地表电位呈现中间高、 两端低的分布规律, 导体上方的地表磁感应强度和地表电位高于网孔上方, 导体两端节点处也明显高于导体中间位置, 其中数值最高处分别位于电流注入和抽出点。

图7 接地网完好状态下地表磁感应强度和电位分布

假设图6 中R、S段导体发生腐蚀断裂, 在接地网上方设置1 条观测线L1, 为点(0, 60) 和点(100, 60) 之间的连线, 其中观测线步长为1 m,即一条线上有101 个观测点, 设置激励电流为20 A、 60 Hz, 地表磁感应强度和电位分布如图8 所示。 由图8 (a) 中接地网完好导体和腐蚀导体地表磁感应分布可知, 在腐蚀导体上方磁感应强度明显低于完好导体的接地网地表磁感应强度。 如图8(b) 所示, 当存在导体腐蚀时, 地表电位下降,可以明显看出在位置X＝50 m 附近存在腐蚀。 腐蚀导体通流能力下降, 导体的泄漏电流密度存在差异, 并与通流能力成反比。

图8 观测线L1 地表磁感应强度和电位分布

4 结论

基于EFT 和ESP 相结合的方法进行接地网腐蚀导体部位诊断, 对比完好导体和腐蚀导体状态下的地表磁感应强度分布图和地表电位分布图, 得到以下结论。

1) 当接地网发生腐蚀断裂时, 地表磁感应强度曲线和地表电位分布曲线会发生明显变化, 依据曲线变化特征能更加有效地确定接地网腐蚀导体位置区间, 对变电站检修和维护有重要意义。

2) 对比腐蚀导体和完好导体的地表磁感应强度曲线和地表电位分布曲线, 并根据曲线特征确定腐蚀位置, 发现地表电位分布图能很好地表现出接地网导体腐蚀位置, 进一步验证了基于EFT 和ESP 相结合的方法进行接地网腐蚀导体部位的诊断方法的准确性。