变电站接地网电磁诊断法的试验研究

施会，王丰华，胡徐铭，茅晓亮，吕佩佩，孟琦斌

(1. 国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201400；2. 上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240)

0 引 言

接地网作为变电站的重要组成部分，承担着保证电气设备良好接地的任务。但是，接地网导体埋于地下，不可避免地会出现腐蚀、断裂等故障，从而有可能造成事故，带来巨大的经济损失[1-2]。因此，准确诊断和定位接地网故障对于电力系统的安全稳定运行有着十分重要的意义。

目前，运维人员主要通过定期大面积开挖变电站地面来对接地网导体状态进行诊断，不仅代价高，而且由于无法事先确定故障位置，具有一定的盲目性。而接地网故障诊断方法研究主要从3个方面展开：电化学检测法、导体电阻法和电磁场分析法[3]。其中，电化学检测法通过分析接地网金属导体的极化电阻、土壤电阻等电化学参数来进行诊断，是表征接地网材料腐蚀状态和研究腐蚀机理的有效手段之一[4]。如文献[5]采用小孔电化学传感器和电化学检测参数软件，根据接地网导体金属极化电阻和土壤电阻等电化学参数来识别接地网的腐蚀状态。然而，电化学检测法存在传感器限流以及变电站干扰信号和杂散电流干扰等问题，在复杂的变电站环境下准确性难以保证。导体电阻法通过测量接地引线节点间电阻，对比分析电阻的变化来判断导体是否出现腐蚀或者断裂[6-7]。文献[8]将遗传算法应用于接地网腐蚀故障诊断中，以接地电阻为指标建立了适应度评价函数，通过仿真验证了该方法的准确性。但是，由于节点间电阻通常只有毫欧级，易受连线电阻的影响，对测量设备的要求较高。电磁场分析法具有抗干扰能力强和准确易行的优点，是近年来接地网故障诊断研究的热点方向[9-10]。其中，文献[11]分别以规则形状和不规则形状两种接地网模型为研究对象，对接地网典型故障下的的地表电位分布进行了测试分析。文献[12]利用复镜像法和Prony法计算得到了接地网正常状态和故障状态下的地表电位分布，提出了基于模糊理论的接地网故障诊断方法。文献[13]根据电网络理论和Biot-Savart定律建立了支路电阻和地表磁场的最小二乘优化模型，通过仿真分析验证了所提方法的可行性。文献[14]计算了激励电流产生的接地网地表磁感应强度，设计了磁感应强度测量系统，实现了接地网导体腐蚀和断裂故障的诊断。显然，现有研究均从不同侧面说明了基于电场或磁场分布对接地网典型故障进行诊断的有效性，但大都以接地网模型为对象进行仿真研究，与实际接地网存在一定差异。此外，接地网导体故障类型较多，单独依靠电场分布或磁场分布尚无法准确识别接地网的故障类型，仍需进行研究。

基于此，基于接地网的电磁场分布综合诊断思想，以某实际35 kV变电站接地网为对象，应用实测的手段对接地网正常与腐蚀、断裂、虚焊及混合故障下地表电位和磁感应强度的变化进行研究，归纳总结其变化规律，为进一步提高接地网故障诊断方法的准确性及适用性提供依据。

1 接地网试验

1.1 接地网模型

图1为根据某实际35 kV变电站接地网的图纸得到的接地网示意图。图中，B为原点，BD段和BG段分别为x方向和y方向。接地网占地尺寸约为41.92 m×20.82 m，埋深为0.8 m。水平导体采用尺寸为40 mm×6 mm的镀锌扁钢，垂直接地极采用直径为38 mm、长度为2.5 m的黑铁管。A点和B点为接地网的可及节点。另外，a, b, c ,d, e, f为模拟故障设置点。

图1 接地网示意图

1.2 试验描述

试验所用系统为Red Phase 8100型接地装置特性参数测量与管理系统。该系统由变频信号源、耦合变压器及可调频率多功能万用表组成，具有接地阻抗测量、电流分布情况测量及场区地表电位梯度测量等功能。

为避开测试现场的工频及相应谐波信号对测试的干扰，采用65 Hz异频信号源注入激励电流。其中，对接地网地表电位进行测试时，应用系统中的变频信号源从图1中A点向接地网注入激励电流，并从电流参考极抽出。其中，电流参考极及电压参考极根据30°夹角法确定[15]，即电流参考极距离接地网CE边框约200 m，电压参考极距离接地网CE边框约120 m。为确保输出回路的稳定性，调整变频信号源使其在允许输出功率范围内最大输出电流为6 A。对接地网地表磁感应强度进行测试时，电流注入点为图1中的B点，电流抽出点为图1中的A点。选用的感应线圈为350匝和16 cm×4 cm的矩形线圈，其材质为直径1 mm的漆包线。

完成接地网正常工况时的地表电位和磁感应强度进行测量后，挖开模拟故障点土壤进行故障设置，再对接地网故障工况下的地表电位分布和磁感应强度进行测量。

1.3 故障设置

变电站接地网故障通常是由土壤腐蚀作用、施工时脱焊接问题以及接地电流电动力等因素引起，为综合了解接地网典型故障下的电磁场分布，本实验针对接地网导体腐蚀、断裂、虚焊、脱焊以及混合故障等多种故障工况进行模拟。具体故障工况如表1所示。

表1 接地网导体故障设置

2 结果分析

2.1 正常工况

图2为测量得到的接地网地表电位分布。由图可见，接地网地表电位最大值为1.504 V，出现在电流注入点；电位最小值为0.693 V，出现在左下方网孔中心。另外，接地网导体上方的地表电位明显高于网孔上方，导体两端节点处电位也会比导体中间段略高。

因接地网地表电位分布与电流注入点位置有关，基于试验接地网可用可及节点位置，为说明选用A点作为电流注入点的合理性，文中同时基于接地网不等电位计算模型计算得到了电流注入点从B点注入时的地表电位分布[16]，如图3所示。由图可见，电流注入点为B时，接地网地表电位最大值和电位差远小于电流注入点为A时产生的地表电位，再次说明了选用A点作为注入点的合理性。

图2 正常工况下地表电位分布

图3 接地网地表电位分布(电流注入点为B)

图4 正常工况下地表磁感应强度分布

图4为测量得到的接地网地表磁感应强度分布情况。由图可见，电流注入点与抽出点所在导体上方的磁感应强度较为明显，且电流注入点所在导体的地表磁感应强度最高。地表磁感应强度x分量最大值出现在电流注入点所在导体，大小为0.498 7 μT；磁感应强度x分量最小值出现在右侧网孔中心，大小为0.009 4 μT；地表磁感应强度y分量最大值出现在电流抽出点所在导体，大小为0.677 4 μT；磁感应强度y分量最小值出现在右侧网孔中心，大小为0.028 7 μT。另外，沿y方向布置的接地导体上方磁感应强度的x方向分量较大，沿x方向布置的导体上方磁感应强度的y方向分量较大；网孔中心磁感应强度明显跌落。

显然，接地网导体上方的地表电位和磁感应强度相对于接地网其它部分而言更为明显。因此，本文在后续分析中重点关注接地网导体上方的地表电位和磁感应强度变化。

2.2 故障工况

2.2.1 腐蚀故障

变电站接地网腐蚀故障在图1所示的ab段(29.8≤x≤30.0)进行模拟，所对应的故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图5所示。

图5 接地网腐蚀时BD段导体测试结果

由图5(a)可见，接地网导体腐蚀段所在的导体上方的地表电位大都略高于正常工况。其中，腐蚀段ab 处的地表电位变化最为明显，变化幅度达到了约10.94%。究其原因为，当接地网导体发生腐蚀故障时，故障导体附近的泄漏电流密度与导体的腐蚀程度有关，即导体的腐蚀程度越大其泄漏电流密度越大。相应地，泄漏电流在故障段上方引起的地表电位也随之上升。由图5(b)可见，ab段所在的导体地表磁感应强度发生了一定程度的改变。其中，在14

2.2.2 断裂故障

变电站接地网断裂故障在图1所示a点(x=29.8)进行模拟，所对应的故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图6所示。

图6 接地网断裂时BD段导体测试结果

由图6(a)可见，接地网地表电位在断裂点a处(x=29.8)发生了明显的变化。在x≥29.8的导体段，地表电位明显高于正常工况，变化幅度最大可达16.87%。在14

由图6(b)可见，在14

2.2.3 虚焊故障

变电站接地网虚焊故障在图1所示a(x=14.4)，b(x=29.8)，c(x=30)和d点(x=40.0)进行模拟，所对应故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图7所示。

图7 接地网虚焊时BD段导体测试结果

由图7(a)可见，接地网导体的地表电位仅在故障点a，b，c，d处略微高于正常工况，变化幅度最大可达5.13%。究其原因为，当接地网导体发生虚焊故障时，故障点处导体接触不良，导致导体的泄漏电流密度增大。相应地，故障点上方地表电位也随之上升。由图7(b)可见，故障导体上方磁感应强度在全段导体范围内均略低于正常工况，变化幅度最大不超过11.38%。究其原因为，当接地网导体发生虚焊故障时，故障导体上流经的轴向电流减小，导致地表磁感应强度减小。

2.2.4 脱焊故障

变电站接地网脱焊故障的情形在图1所示d(x=14.4;y=0)处进行模拟，所对应的导体Cd上方地表电位和磁感应强度如图8所示。

由图8(a)可见，故障导体上方地表电位在脱焊处d(x=14.4;y=0)呈现下降趋势，最大降幅可达15.33%，在远离故障点的区域，地表电位渐趋正常。究其原因为，当d点发生脱焊时，BD段导体上的轴向电流不再向Cd段导体分流。因此地表电位仅由较少的泄漏电流产生，进而导致其上地表电位相应降低。

图8 接地网脱焊时Cd段导体测试结果

由图8(b)可见，故障导体Cd段上方磁感应强度明显低于正常情况。究其原因为，当d处发生脱焊时，BD段导体上的轴向电流不再向Cd段导体分流，Cd段导体由于不再有轴向电流流经，因此地表磁感应强度明显减小。

2.2.5 混合故障

接地网导体同时存在腐蚀和断裂故障的情形在图1所示ab段(29.8≤x≤30.0)和c处(x=40.0)进行模拟，所对应的导体BD上方地表电位和磁感应强度如图9所示。

图9 接地网混合故障下BD段导体测试结果

由图9(a)可见，在ab段(29.8≤x≤30)因为腐蚀故障地表电位有一定程度上升，变化幅度最大可达11.38%。在断裂点c(x=40.0)附近，地表电位发生明显变化。在靠近电流注入点(3740)的部分，故障工况下地表电位明显低于正常工况，变化幅度最大可达到27.11%；由图9(b)可见，除了在14

3 接地网诊断规律总结

表2为根据变电站接地网实际测量结果汇总得到的接地网导体典型故障下地表电位和磁感应强度的变化情况。由表可见，接地网导体存在腐蚀故障时，主要表征为故障段导体地表电位升高和磁感应强度降低，通常可将地表电位作为接地网导体腐蚀的主要判据。接地网导体存在断裂故障时，地表电位在断裂处发生突变，可根据地表电位识别导体断裂故障。但当接地网导体存在虚焊或脱焊故障时，受到接地网测试环境如土壤电阻率和测试误差等因素的影响，单纯依靠地表电位难以区分二者，建议辅以磁感应强度的变化来进行识别。当接地网存在混合故障时，地表电位与磁感应强度变化规律与单一故障工况时变化一致，且相对于单一故障，变化幅度更加剧烈。因此，在诊断混合故障时，可结合单一故障的判据进行综合判断。

表2 接地网地表电位和磁感应强度变化规律

在具体应用中，首先需根据变电站现场提供的接地网可及节点的位置信息，经计算后选取地表电位最高值和电位差相对较大的可及节点作为电流注入点。然后，从选定的电流注入点向接地网注入异频电流，沿接地网导体上方测量地表电位和磁感应强度分布。最后，综合分析测量结果对接地网的导体状态进行诊断。

4 结束语

对某35 kV实际变电站接地网正常与典型故障下的地表电位和磁感应强度分布的测试结果表明：

(1)接地网导体在不同故障下的地表电位和磁感应强度存在差异，为准确识别接地网典型故障，结合接地网导体地表电位和磁感应强度的变化会得到更为准确的结果;

(2)接地网导体存在腐蚀故障时，故障段地表电位升高，电磁感应强度降低；断裂故障时，故障点至电流注入点段，地表电位上升，远离电流注入点段，电位下降。电磁感应强度大幅度降低；虚焊故障时，地表电位仅在故障点处略微升高，磁感应强度在导体范围内略微下降；脱焊故障时，故障点处地表电位下降，磁感应强度大幅度下降;

(3)接地网导体存在混合故障时，故障段导体地表电位和磁感应强度与接地网单一故障下导体地表电位和磁感应强度变化规律一致。并且，相对单一故障而言，混合故障下地表电位和磁感应强度变化幅度更大。

需要指出的是，所得结果的有效性还需要更多的现场测试来进行验证，这也是我们下一步的工作。