变电站接地网导体埋深检测方法与技术

2021-12-29孙文杰付晓东

大学物理 2021年1期

刘洋，孙文杰，付晓东

(华北电力大学(保定) 数理学院，河北保定 071003)

接地网是变电站安全运行的工作需要和保障运行人员安全的重要措施。接地网导体埋在地下，因为施工焊接不良或土壤的腐蚀等因素，接地网导体及接地上引线可能会发生腐蚀或断裂，从而降低了接地网的原有设计性能.评估接地网的腐蚀状态或查找接地网导体的断点是运检部门面临的一项重要工作[1-5].

在接地网检测方法的研究工作中，主要代表性方法如下：地表电位分布检测方法[6-8]，该方法通过向接地网和土壤注入一定频率一定电压等级的电流，检测变电站接地网地表面电位分布，依据地表电位分布特征进行接地网导体腐蚀和断点的检测，但当导体出现断点时，断点位置对应地表电位变化并不明显，这种方法诊断断点较为困难.

第二种代表性方法，是节点间互阻抗检测法[9-15]，该方法将整个接地网视为电阻性网络，利用接地网的拓扑结构和可触及的上引线节点，测量接地网网格导体的部分互阻抗值，进而判断接地网的腐蚀程度.但是，当接地网局部腐蚀或存在断点时，由于两部分接地网间的互电阻作用，接地网网格导体两个可触及节点间的电阻值往往没有明显变化.并且这种方法的不足之处在于，测量结果易受季节和天气的影响，需要接地网图纸，并且需要长期跟踪监测，通过前后测量数据的对比才可以得到评估结果，在实际中检测效率不高.

第三类代表性方法是磁场检测法[16,17]，该方法通过向接地网注入一定频率的正弦波电流，测量地表面磁感应强度的分布，依据磁场分布特征和规律，通过邻近导体对应地表面磁场的对比，实现了接地网地下导体位置、网格结构的探测以及导体腐蚀和断点的诊断，但当接地网大面积均匀腐蚀的情况下，这种方法也难以诊断.这些检测方法，都没有涉及接地网导体埋设深度的检测，一般接地网导体设计埋深为0.6～0.8 m，但由于变电站地表面硬化和绿化施工，往往使得导体实际埋深发生较大的变化，在我们的检测实际中，我们发现有的导体埋深甚至达到了1.3 m.这就给接地网的日常维护和修缮带来了困难.

由于接地网的网格状特殊结构形式，与工程上金属管线有所不同，给接地网埋深的检测带来不便.本文利用磁场的激发与地表面两个测点的磁场测量结果，可以快速准确得到接地网导体的实际埋深，为接地网的运检人员提供便利和参考.

1 检测原理和方法

接地网的布置要围绕变电站的实际区域外围的连续接地导体回环，在回环内布置平行接地导体，一般沿结构物或设备布置的行列方向布置接地导体，以确保设备的最短接地连接。接地网一般用镀锌扁钢铺设焊接而成，扁钢截面积通常为40×6 mm2，电阻率为1.78×10-7Ωm，相对磁导率200，埋设深度通常在0.6-0.8 m。网格导体间距为10-25 m，一般变电站电压等级越高，其对应的接地网面积越大。对于低频信号而言，接地网网格导体的电阻可以按直流电阻等效计算，忽略电感电容效应。如图1所示，为某220 kV实际变电站接地网布设图。

图1 某220 kV变电站接地网布置图

本文的导体埋深探测方法是通过对变电站接地网的两根上引线直接注入一定频率的正弦波励磁电流，基于电磁感应原理[18,19]，利用探测线圈和信号调理电路检测激励电流在地表面上两个测点的磁感应强度，依据两个测点的磁场测量值和测点间距确定接地网导体的实际埋设深度.

图2 导体与测点位置

如图2所示，设流过某支路导体的电流为i，导体埋深为h，测点M位于导体的正上方地表面，测点N与测点M的水平间距为b，与导体的间距为r.设流过该段支路导体的电流为

i=Isin(ωt)

(1)

该电流在测点M处产生的磁感应强度近似为

(2)

在测点N处产生的磁感应强度近似为

(3)

利用矩形线圈和电磁感应方法测量磁场，线圈平面始终保持竖直方向放置，在测点M和N处产生的磁通分别为：

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(6)和(7)可得到

(8)

分析：事实上，测点处的磁感应强度是所有支路导体电流产生的磁场在该处的叠加，因为两个测点邻近，影响因素近似相同，不予考虑，又因为接地网的埋设深度远小于网格导体间距跨度，所以测点处的磁场主要由邻近下方的导体产生.

首先确定导体的埋设位置，在地表面左右移动探测线圈，所获得的信号幅值最大时，该处即为导体的正上方，然后向左或右侧平移探测线圈，当信号幅值衰减为原来的一半时，由式(8)可知，此时，平移的水平间距恰为该导体的埋设深度.

2 检测系统

2.1 检测系统组成

为了验证检测方法的正确性和工程应用，我们设计开发了接地网缺陷诊断、拓扑结构探测和埋设深度检测系统[20-22]。整套系统由励磁电流发射电源、地表引流线、磁场测量接收系统和手持示波表组成.如图3所示.

(a) 电流发射源

(b) 地表引流线

(d) 手持示波表

2.2 检测系统技术参数

为了避开变电站工频及其奇次谐波等主要干扰的频点，同时，利于在一定频率下具有电流的持续输出能力.通过多年试验测试检测，系统工作频率采用300 Hz，电流源输出电流强度1～50 A连续可调.其工作原理，一种是利用传统的互补推挽式功率放大和阻抗变换器匹配，另一种是利用IGBT逆变功率驱动和正弦波脉冲调制技术SPWM技术，市场可以定制，这里不再详述。地表引流线2条，均为25 mm2的电焊机专用线，一条长90 m, 另一条长10 m.

磁场测量接收机系统主要由矩形感应线圈和滤波放大调理电路组成，其电路原理图如图4所示,图中探测线圈L和电容C1构成LC谐振接收回路,两个运放T1和T2采用仪表运算放大器AD620,电位器RW1和RW2用于调整两级放大电路的增益,MF为滤波模块，电阻R1和R2用于滤波模块的输入和输出阻抗的匹配，R3和R4用于第二级输入阻抗的匹配.

图4 接收机电路原理图

利用手持示波表检测T2的第6脚输出的电压信号波形、频率和幅值.测试过程中，依据待检测接地网的面积大小，调节注入电流强度，同时配合调节接收机增益，以终端输出的电压信号易被识别且不出现失真为益.

3 试验测试

我们在实验室、试验接地网和实际变电站现场进行了试验测试，均得到了理想的检测效果.

3.1 实验室测试

首先，利用25 mm2的焊把线从电流源的输出端口连接出一个矩形环路，矩形长边约为13 m，短边约为8 m,将测量接收机置于长边正上方1 m高度处，保持线圈平面与导体平行，调节电流源输出电流为1.2 A，调节接收机增益，使输出电压信号峰值为1 V，然后在同一高度，平移探测线圈，并保持线圈平面方向不变，当信号衰减为峰值为0.5 V时，此时测量平行的间距恰为1 m，等于高度(即模拟导体埋深).测量接收机终端输出信号如图5所示.

图5 两个测点处的输出电压信号

3.2 试验接地网测试

为了进行有关接地网的科研测试工作，我们专门铺设了一个试验接地网，其结构如图6所示.该试验接地网主体为30 m×30 m的正方形，网格间距为6 m，原设计埋深0.6 m，图中A、B、C三点设有上引导体扁钢.

图6 试验接地网结构

试验测试工程中，我们以图6中的A、C两点作为电流注入与抽出回流点.利用两条总长约为100 m、截面积为25 mm2的焊把线与励磁电流源的输出端口相连接，同时地表回流引线从接地网的外围引回，尽可能远离测量区域，以免对测量造成影响.

测试中，我们先按文献[18]的方法，得到接地网结构和接地网导体具体埋设位置，然后，类似实验室检测方法，检测接地网导体埋深，经探测得到所测导体实际埋设深度为0.68 m，挖开查验与实际一致。如7所示为挖开的试验接地网导体.

图7 试验接地网导体

3.3 变电站现场试验测试

测量方法示意图如图8所示，先利用可触及的接地上引导体线，向接地网注入300Hz、5～20A的正弦波励磁电流，电流的大小根据待测接地网的面积可适当调整。然后用手持接收机或小车接收机移动测量接地网地表面的磁感应强度.

图8 测量方法示意图

我们分别在500 kV、220 kV和110 kV不同电压等级的变电站接地网上进行了试验测试和应用.如图9为某次试验测试现场，图10是在没有接地网图纸的情况下，首先，寻找接地网地下导体埋设位置时，测量得到的局部地表面磁感应强度分布测量结果.图10中每个磁感应强度峰值对应地下一段导体.其后，再利用上述方法，从导体正上方开始向左或右侧平移探测线圈，当接收机输出的电压信号从导体正方上对应的峰值衰减一半时，测量平移距离即为该段导体的实际埋设深度.经挖开检验，实际埋深与探测结果相符，如图11所示为某次检测时挖开的接地网，该处导体埋深达到了1.15 m.