论文部分内容阅读
【摘 要】变电站接地网在运行过程中，常常由于腐蚀、焊接等原因而导致接地网导体断裂、截面积减小等缺陷的发生，严重时甚至会引发电力系统故障。目前变电站接地网检测方法无法对接地体的腐蚀部位进行精确定位，必须实施多点开挖，以致缺陷处理时间较长，另外，有些变电站接地网分布图磨损不全，以致检测出接地网缺陷后只能施行大片开挖进行缺陷精确定位。本文提出基于异频电流的瞬变脉冲电磁法来检测变电站接地网缺陷，研制检测装置并将装置试运行于现场。结果表明：利用本装置测得数据绘制接地网结构是可行的;通过本装置检测接地网缺陷位置是准确的。
1.背景
变电站接地网在运行过程中，常常由于腐蚀、焊接等原因而导致接地网导体断裂、截面积减小等缺陷的发生，严重时甚至会引发电力系统故障，并造成巨大的经济损失及严重的社会影响。
目前，检测地网缺陷的检测方法为接地引下线导通检测法，其主要缺点是：无法对接地体的腐蚀部位进行精确定位，以致实施多点开挖;由于修建时间久远有些变电站接地网分布图磨损不全，以致检测出接地网缺陷后只能施行大片开挖进行缺陷精确定位。
2.基于“异频电流的瞬变脉冲电磁法”精确定位地网缺陷原理
瞬变脉冲电磁法是向周围空间建立瞬变脉冲电磁场，在脉冲间隙阶段观测随时间衰减的电磁场，研究异常的空间分布以及异常与时间的关系。辅以施加异频电流技术，通过向变电站接地网注入异频正弦波电流，基于电磁感应原理利用线圈接收并观测地表面磁感应强度分布，依据地表面磁感应强度分布特征及变化规律，判断接地网的结构，确定导体的位置，从而实现接地网断點、腐蚀状态诊断与精确定位。
3.装置制作
基于“异频电流的瞬变脉冲电磁法”变电站接地网缺陷检测装置是由发射系统、接收系统、数据处理系统、显示系统和组装方式五部分组成。
3.1发射系统
发射系统核心为逆变功率模块，作用是对接地网注入异频电流。本装置选用绝缘栅极晶体管IGBT，并选用脉冲宽度调节器PWM对脉冲宽度进行调制。
3.2接收系统
接收系统是利用电磁感应方法测量磁感应强度，采用探测线圈于地表接收和采集接地网发射的电磁信号。探测线圈选用尺寸为24 cm×6 cm的双线并绕且配带中心抽头的矩形线圈。
3.3数据处理系统
基于传输距离短、数据传输率高的特点，本装置数据处理系统选用USB通讯方式。其设计主要为滤波器、前置缓冲放大器、数据采集卡的选择以及PCB板的制作。
本装置选用带通滤波电路为带通中心频率可调的滤波器LTC1068-50、放大器AD620作为前置缓冲放大器、USB总线多功能数据采集卡。
3.4显示系统
软件界面采用LabVIEW，其设计主要包括终端监视器的选择以及诊断软件系统的研发。终端监视器选择10寸工业平板电脑YYJPC-104。设计软件流程图，并依据软件流程图编写软件程序，软件系统主程序流程如图1所示。
3.5组装方式
组装方式采用小车式。其中装置小车材质选用不锈钢、车轮选用定向式车轮。
4.设备整体调试
通过在试验场地实施测量，验证利用本装置测得数据绘制接地网结构的可行性，以及检测接地网缺陷位置的准确性。
4.1接地网结构的判断实验
利用测试数据绘制出的地网结构图与实际接地网结构基本相符。因此，利用本装置测得数据绘制接地网结构是可行的。
4.2模拟接地网缺陷实验
模拟接地网各种缺陷，并对实验接地网按相同模拟条件进行仿真计算，通过对比利用所研制装置检测接地网各种缺陷类型位置与实际设置缺陷位置是否相符，确定本装置检测接地网缺陷位置的准确性。
首先，在图2的P点处模拟了三种缺陷状态：1.导体锯断;2.导体断口处采用直径为1mm的铜导线连接;3.导体端口处采用直径为1mm的铜导线接入1Ω的电阻，如图3所示。
然后，根据测量数据，分别得到在接地网正常和三种模拟缺陷状态四种情况下地表面磁感应强度的整体分布规律，在接地网正常的情况下，对应的试验接地网上方的地表面磁感应强度的分量不存在突变和明显跌落现象，如图3所示。
为进一步验证上述结果的可靠性，对实验接地网按相同模拟条件进行仿真与计算，其实验与仿真计算磁感应强度的整体分布及局部变化特征曲线如图4所示。
实验结果：装置检测出接地网各种缺陷类型的位置与实际设置的缺陷位置，二者基本相符。因此，通过本装置检测接地网缺陷位置是准确的。
5.现场应用
201×年×月×日，对110kV××变电站110kV、35kV区域接地网的接地引下线、接地网主体结构和整体腐蚀状态进行了检测。
5.1 110kV区域接地引下线状态测试
发射系统端口电压大约在11-16V范围，输出电流20A，可触及节点间（包含地表回流线）的互阻抗大约为550-800mΩ，经过大量抽测，各触点间均可联通，且能够注入较大电流，判断为上引导体线基本正常。
5.2 110kV区域接地网主体结构探测
为了探测南北方向水平均压导体分布情况，先从南北走向的2个近似直线的上引导体线间注入电流，试验测试中，注入电流20A。观察接收到的正弦波信号，利用扫描测量小车或便携式磁场测量系统东西方向移动并测量地表面磁场，出现峰值的位置，表明地下存在南北方向的导体。类似的可以探测东西走向的导体分布情况。通过对整个区域的检测绘制110kV区域接地网主体结构图。
5.3 110kV接地网区域接地网水平均压导体状态测试
在探知接地网结构分布情况后，从待检测导体两端可触及的上引导体线注入电流，电流大小和接收机增益配合调节，观察波形幅度变化情况，在对多根导体的测试中，未发现检测到的正弦波信号幅度出现突变或严重跌落的情况，表明水平均压导体基本正常。
5.4 35kV接地网区域接地引下线状态测试
测试方法与5.1小节相同，发射机端口电压大约在5.5-8.5V范围，输出电流20A，可触及节点间（包含地表回流线）的互阻抗大约为275-425mΩ，经过大量抽测，各触点间均可联通，且能够注入较大电流，判断上引导体线正常。
5.5 35kV接地网区域接地网主体结构探测
采用上述5.2小节的检测方法，得到35kV区域接地网主体结构图。
5.6 35kV接地网区域接地网水平均压导体状态测试
按上述5.3小节的测试方法，在探知35kV接地网主体结构分布情况后，从待检测导体两端的上引导体线注入电流，观察波形幅度变化情况，在对多根导体的测试中，未发现检测到的正弦波信号幅度出现突变或严重跌落的情况，表明水平均压导体正常。
5.7测试结果和结论
（1）110kV和35kV区域接地网在用上引导体线都正常，不存在断点或严重腐蚀的情况;
（2）35kV区域接地网上引导体线间在300Hz频率下的总体阻抗大多低于110kV区域，表明35kV区域接地网整体优于110kV区域接地网。
结论：整个接地网未发现严重安全隐患，尚可安全运行。
参考文献：
[1]磁场测量方法及在变电站接地网检测中的应用研究;学位：华北电力大学（保定）;2014;江明亮
[2]电磁法勘测中数字滤波器的设计与实现;学位：辽宁工程技术大学;2014;吴丹
[3]基于磁感应强度的变电站接地网腐蚀诊断研究;学位：西安科技大学;2017;康云鹏
[4]变电站接地网缺陷诊断方法和技术的研究;学位：华北电力大学（保定）;2008;刘洋
[5]变电站接地网腐蚀诊断系统的设计;期刊：城市建设理论研究;20160525;吴彦亨
[6]基于物联网的光效智能控制;学位：东南大学;2013;闾东影
[7]变电站接地网结构判断与缺陷诊断方法;期刊：中国电机工程学报;20091224;刘洋
（作者单位：国网山西省电力公司临汾供电公司）
1.背景
变电站接地网在运行过程中，常常由于腐蚀、焊接等原因而导致接地网导体断裂、截面积减小等缺陷的发生，严重时甚至会引发电力系统故障，并造成巨大的经济损失及严重的社会影响。
目前，检测地网缺陷的检测方法为接地引下线导通检测法，其主要缺点是：无法对接地体的腐蚀部位进行精确定位，以致实施多点开挖;由于修建时间久远有些变电站接地网分布图磨损不全，以致检测出接地网缺陷后只能施行大片开挖进行缺陷精确定位。
2.基于“异频电流的瞬变脉冲电磁法”精确定位地网缺陷原理
瞬变脉冲电磁法是向周围空间建立瞬变脉冲电磁场，在脉冲间隙阶段观测随时间衰减的电磁场，研究异常的空间分布以及异常与时间的关系。辅以施加异频电流技术，通过向变电站接地网注入异频正弦波电流，基于电磁感应原理利用线圈接收并观测地表面磁感应强度分布，依据地表面磁感应强度分布特征及变化规律，判断接地网的结构，确定导体的位置，从而实现接地网断點、腐蚀状态诊断与精确定位。
3.装置制作
基于“异频电流的瞬变脉冲电磁法”变电站接地网缺陷检测装置是由发射系统、接收系统、数据处理系统、显示系统和组装方式五部分组成。
3.1发射系统
发射系统核心为逆变功率模块，作用是对接地网注入异频电流。本装置选用绝缘栅极晶体管IGBT，并选用脉冲宽度调节器PWM对脉冲宽度进行调制。
3.2接收系统
接收系统是利用电磁感应方法测量磁感应强度，采用探测线圈于地表接收和采集接地网发射的电磁信号。探测线圈选用尺寸为24 cm×6 cm的双线并绕且配带中心抽头的矩形线圈。
3.3数据处理系统
基于传输距离短、数据传输率高的特点，本装置数据处理系统选用USB通讯方式。其设计主要为滤波器、前置缓冲放大器、数据采集卡的选择以及PCB板的制作。
本装置选用带通滤波电路为带通中心频率可调的滤波器LTC1068-50、放大器AD620作为前置缓冲放大器、USB总线多功能数据采集卡。
3.4显示系统
软件界面采用LabVIEW，其设计主要包括终端监视器的选择以及诊断软件系统的研发。终端监视器选择10寸工业平板电脑YYJPC-104。设计软件流程图，并依据软件流程图编写软件程序，软件系统主程序流程如图1所示。
3.5组装方式
组装方式采用小车式。其中装置小车材质选用不锈钢、车轮选用定向式车轮。
4.设备整体调试
通过在试验场地实施测量，验证利用本装置测得数据绘制接地网结构的可行性，以及检测接地网缺陷位置的准确性。
4.1接地网结构的判断实验
利用测试数据绘制出的地网结构图与实际接地网结构基本相符。因此，利用本装置测得数据绘制接地网结构是可行的。
4.2模拟接地网缺陷实验
模拟接地网各种缺陷，并对实验接地网按相同模拟条件进行仿真计算，通过对比利用所研制装置检测接地网各种缺陷类型位置与实际设置缺陷位置是否相符，确定本装置检测接地网缺陷位置的准确性。
首先，在图2的P点处模拟了三种缺陷状态：1.导体锯断;2.导体断口处采用直径为1mm的铜导线连接;3.导体端口处采用直径为1mm的铜导线接入1Ω的电阻，如图3所示。
然后，根据测量数据，分别得到在接地网正常和三种模拟缺陷状态四种情况下地表面磁感应强度的整体分布规律，在接地网正常的情况下，对应的试验接地网上方的地表面磁感应强度的分量不存在突变和明显跌落现象，如图3所示。
为进一步验证上述结果的可靠性，对实验接地网按相同模拟条件进行仿真与计算，其实验与仿真计算磁感应强度的整体分布及局部变化特征曲线如图4所示。
实验结果：装置检测出接地网各种缺陷类型的位置与实际设置的缺陷位置，二者基本相符。因此，通过本装置检测接地网缺陷位置是准确的。
5.现场应用
201×年×月×日，对110kV××变电站110kV、35kV区域接地网的接地引下线、接地网主体结构和整体腐蚀状态进行了检测。
5.1 110kV区域接地引下线状态测试
发射系统端口电压大约在11-16V范围，输出电流20A，可触及节点间（包含地表回流线）的互阻抗大约为550-800mΩ，经过大量抽测，各触点间均可联通，且能够注入较大电流，判断为上引导体线基本正常。
5.2 110kV区域接地网主体结构探测
为了探测南北方向水平均压导体分布情况，先从南北走向的2个近似直线的上引导体线间注入电流，试验测试中，注入电流20A。观察接收到的正弦波信号，利用扫描测量小车或便携式磁场测量系统东西方向移动并测量地表面磁场，出现峰值的位置，表明地下存在南北方向的导体。类似的可以探测东西走向的导体分布情况。通过对整个区域的检测绘制110kV区域接地网主体结构图。
5.3 110kV接地网区域接地网水平均压导体状态测试
在探知接地网结构分布情况后，从待检测导体两端可触及的上引导体线注入电流，电流大小和接收机增益配合调节，观察波形幅度变化情况，在对多根导体的测试中，未发现检测到的正弦波信号幅度出现突变或严重跌落的情况，表明水平均压导体基本正常。
5.4 35kV接地网区域接地引下线状态测试
测试方法与5.1小节相同，发射机端口电压大约在5.5-8.5V范围，输出电流20A，可触及节点间（包含地表回流线）的互阻抗大约为275-425mΩ，经过大量抽测，各触点间均可联通，且能够注入较大电流，判断上引导体线正常。
5.5 35kV接地网区域接地网主体结构探测
采用上述5.2小节的检测方法，得到35kV区域接地网主体结构图。
5.6 35kV接地网区域接地网水平均压导体状态测试
按上述5.3小节的测试方法，在探知35kV接地网主体结构分布情况后，从待检测导体两端的上引导体线注入电流，观察波形幅度变化情况，在对多根导体的测试中，未发现检测到的正弦波信号幅度出现突变或严重跌落的情况，表明水平均压导体正常。
5.7测试结果和结论
（1）110kV和35kV区域接地网在用上引导体线都正常，不存在断点或严重腐蚀的情况;
（2）35kV区域接地网上引导体线间在300Hz频率下的总体阻抗大多低于110kV区域，表明35kV区域接地网整体优于110kV区域接地网。
结论：整个接地网未发现严重安全隐患，尚可安全运行。
参考文献：
[1]磁场测量方法及在变电站接地网检测中的应用研究;学位：华北电力大学（保定）;2014;江明亮
[2]电磁法勘测中数字滤波器的设计与实现;学位：辽宁工程技术大学;2014;吴丹
[3]基于磁感应强度的变电站接地网腐蚀诊断研究;学位：西安科技大学;2017;康云鹏
[4]变电站接地网缺陷诊断方法和技术的研究;学位：华北电力大学（保定）;2008;刘洋
[5]变电站接地网腐蚀诊断系统的设计;期刊：城市建设理论研究;20160525;吴彦亨
[6]基于物联网的光效智能控制;学位：东南大学;2013;闾东影
[7]变电站接地网结构判断与缺陷诊断方法;期刊：中国电机工程学报;20091224;刘洋
（作者单位：国网山西省电力公司临汾供电公司）