CN102735992B - 一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，在待辨识接地网的任意一个接地网引下线分别注入参考频点电流和测试频点电流，并检测多个观测点分别对应两频点电流的地表电位，计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即为异频地表电位差；绘制异频地表电位差-观测点变化曲线，依据该曲线通过灰色关联算法或模糊聚类算法获取异频地表电位差过小或过大的观测点即为缺陷点。本发明还提供实现上述方法的系统，包括正弦变频交流电源、测量回路和控制中心。本发明利用接地网在不同频率电流激励下，地表电位响应之间的差异进行比较，进而辨识地网缺陷或故障，与现有方法相比，具有操作简单、探测方便、抗干扰能力强的特点。

Description

一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统中发、变电站接地网的缺陷辨识方法，更具体的，是一种利用地表电位异频比较来判断接地网是否存在缺陷并对缺陷进行定位的方法。

背景技术

发、变电站接地网是保证电力系统安全可靠运行的重要措施之一。在电力系统发生各类故障、异常出现过电压或过电流时，良好的接地能使大电流迅速散入大地中，避免故障扩大导致设备损坏或人身伤亡。变电站接地网投运后常年埋于地中，导体常因土壤电化学腐蚀作用、接地短路电流的电动力作用等原因发生不同类型的腐蚀，导致接地网导体变细甚至断裂，破坏接地网原有结构，降低接地网的接地散流性能，进而导致电力系统遭受雷击或发生短路故障时事故扩大，危及电力系统设备安全和工作人员的人身安全。因此，研究有效的接地网缺陷辨识或故障诊断方法具有十分重要的意义。

中国发明专利CN1245898中公布了一种发、变电站接地网腐蚀及断点的诊断方法及其测量、诊断系统，它通过测量接地引线之间的入端电阻，利用入端电阻计算得到各导体的支路电阻，与理论值比较，判断各段导体的腐蚀情况。中国发明专利CN101216523中公布了一种变电站接地网缺陷诊断方法及装置，它通过在接地引下线间注入异频（电力系统中选择异频电流注入是为了避开50Hz工频干扰，一般多选择45/55Hz）的正弦波激励源，测量磁感应强度在地表的分布，与仿真值相比较，根据两者的差异，诊断接地网腐蚀或断裂的具体位置及程度。上述两种方法均需要利用接地网图纸计算出支路电阻或地表磁感应强度的理论值，故障诊断结果的准确性在很大程度上依赖于计算值的有效性。而实际地网物理模型复杂，计算模型的真实度和有效性并不能保证，因此诊断精度有限；且在接地网实际施工与图纸相比有变动，或运行年久图纸遗失的情况下不适用。

中国发明专利CN101034129中公开了一种发变电站接地网在线监测方法及装置，它利用埋于接地网所在区域土壤中的状态传感器，监测传感器电极间的腐蚀电位，并计算接地电极的腐蚀速率，由此得到地网导体的腐蚀深度及几何尺寸，并计算出接地网的电气参数，实现在线监测。中国实用新型专利CN202075207U中公布了一种接地网接地引下线腐蚀检测传感器，可利用电化学方法对接地网的腐蚀程度进行快速检测和评价。中国发明专利CN101655469中公布了一种智能变电站接地网防腐蚀及监控系统，也是利用电化学方法监测地网导体的腐蚀速率和状态。中国发明专利CN101571566中公布了一种电力系统接地网故障诊断定位系统，它测量接地网中可测节点的电压，上传至主机系统中，进行分析和故障报警。由于金属导体的腐蚀速率与其本征尺寸参数之间的联系并不是固定、唯一的，且地网是由多根金属导体组成的，结构错综复杂；通过测量电极的腐蚀速率判断电极的尺寸参数，具有一定难度。因此，上述这三种方法只能对接地网腐蚀状态进行定性评估和纵向比较，即便是定位，也是相当粗略的。

中国发明专利CN101881799A中公布了一种接地网分布探测仪，它利用线圈发射电磁波信号，根据电磁感应原理来查找接地网的分布，属于探地雷达方法的具体应用。但这种方法和装置只能应用于结构较简单，周围金属构架少的杆塔接地网的探测分布；发、变电站接地网结构复杂，站内金属构架多，利用这种方法难以有效发现埋于地中的接地网导体分布；且这种方法并的缺陷辨识精度并不高。它更适用于工程中探测地网的大致走向分布的应用场合。中国发明专利CN102288533A中公布了一种基于SH0波的接地网导体腐蚀检测装置，属于无损检测方法在电力系统中的应用，它利用SH0波对地下金属导体进行探测。但利用这种方法进行腐蚀或细微缺陷探测，仍需进一步完善相关方法和装置，提高探测精度。

目前，国内外尚未见到利用接地网地表电位异频响应的区别来辨识地网故障的方法，也没有相应的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，利用接地网在不同频率电流激励下，地表电位响应之间的差异进行比较，进而辨识地网缺陷或故障，与现有方法相比，具有操作简单、探测方便、抗干扰能力强的特点。

一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，包括以下步骤：

（1）确定测试频点和参考频点：

通过软件建立待辨识接地网模型，在模型中设定故障点以及电流测试频段；在接地网引下线处注入电流测试频段内的电流，同时在设定的故障点检测地表电位；将电流测试频段内各频率对应的地表电位分别与电流测试频段的最低频率对应的地表电位进行比较，选取两者地表电位相差最大的频率作为测试频点，并将电流测试频段的最低频率作为参考频点；

（2）计算异频地表电位差：

在实际待辨识接地网的任意一个接地网引下线分别注入参考频点电流和测试频点电流，并检测多个观测点分别对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位，计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即为异频地表电位差；

（3）辨识缺陷点：

绘制异频地表电位差-观测点变化曲线，依据该曲线通过灰色关联算法或模糊聚类算法获取异频地表电位差过小或过大的观测点即为缺陷点。

进一步地，在所述步骤（1）中还选取测试频点以及与其临近的频点一起构成测试频点集，按照步骤（2）～（3）的方式测试得到测试频点集中各频点电流对应的候选缺陷点，若某候选缺陷点同时出现在较多测试频点的缺陷点测试结果中，则该候选缺陷点被确认为最终缺陷点。

一种实现所述接地网缺陷辨识方法的装置，包括正弦变频交流电源、测量回路和控制中心；

正弦变频交流电源用于根据来自控制中心的控制指令命令输出相应频率的电流；

测量回路用于检测多个观测点分别对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位并反馈给控制中心；

控制中心用于将电流测试频段内各频率对应的地表电位分别与电流测试频段的最低频率对应的地表电位进行比较，选取两者地表电位相差最大的频率作为测试频点，并将电流测试频段的最低频率作为参考频点，分别向正弦变频交流电源发出包含测试频点和参考频点的控制指令；接收测量回路反馈的对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位，计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即异频地表电位差；绘制异频地表电位差-观测点变化曲线，依据该曲线通过灰色关联算法或模糊聚类算法获取异频地表电位差过小或过大的观测点即为缺陷点。

本发明的技术效果体现在：

本发明利用测试频率点和参考低频点进行接地网地表电位异频测试，以一定的采样间隔测得接地网的地表电位分布，取两者差值对比曲线进行分析，曲线中异常的点即可认为是地网可能存在的缺陷点。本发明方法简单、便捷，摆脱传统的支路电阻法或电磁响应法对地网图纸的依赖；与利用土壤腐蚀速率判断腐蚀情况的方法相比，又能根据异频响应变化在空间上的分布，定位到缺陷区域或故障点；与无损探测方法或探地雷达方法相比，具有操作简单、探测方便、抗干扰能力强的优点。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明装置原理图；

图3为本发明在实施例中各个地表采样点的位置示意图；

图4为本发明在实施例中的地表电位异频比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明提供一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，利用接地网在不同频率电流激励下，地表电位响应之间的差异进行比较，进而辨识地网缺陷或故障。本质上来讲，它利用的是地网导体在完好和发生缺陷两种情况下，对不同频率的外加电流激励具有不同的响应来区分和辨识缺陷所在。完好导体在不同频率的注入电流下，由于金属趋肤效应和电感互感的影响，导致地网导体内部电流分布发生变化；而当某处存在缺陷时，可认为该处的金属导体由锈蚀产物或土壤取代，对频率的响应与原先的金属导体存在着差异。这种差异会影响地网内部电流的分布，进而改变地表电位的分布。因此，可以通过接地网在不同频率激励下地表电位的分布与变化来反推地网结构的缺陷。

参见图1，本发明接地网缺陷辨识步骤如下：

（1）确定测试频点和参考频点：

如图1所示，本发明首先对选定的接地网进行频域仿真分析。所述接地网的频域仿真，是在地网导体的频域特性和土壤的频域特性及分层模型的基础上，利用接地分析软件CDEGS或有限元分析软件ANSYS建立接地网的电磁场频域分析模型。由于本发明测量的是接地网注入一定电流时地表电位的分布，因此注入电流频率最高只到MHz级别。过高频率的电流注入接地网中，并不能有效散流，地表电位分布多集中在注入点，不能在整个场域内形成规律的、较稳定的电磁场分布。地网导体为普通的金属碳钢导体，其频域特性在MHz内可依据导体的趋肤效应与电感效应计算。而土壤的频率特性，可根据地质勘探相关学科的实测数据确定；土壤的分层模型可利用禁忌反演算法或接地分析软件确定。在一定频率（例如1MHz）内，接地网靠近激励电流注入点的地方，由于高频电流的“集中”效应，电流注入点附近的地表观测点的电位会随着频率升高而升高；而远离电流注入点的地表观测点的电位会随着频率升高而降低。根据接地网频域分析的结果，可确定地表电位异频法辨识缺陷所采用的最佳测试频率点，具体方式为：

通过软件建立待辨识接地网模型，在模型中设定故障点以及电流测试频段；在任意一个接地网引下线注入电流测试频段内的电流，同时在设定的故障点检测地表电位；将电流测试频段内各频率对应的地表电位分别与电流测试频段的最低频率对应的地表电位进行比较，选取两者地表电位相差最大的频率作为测试频点，并将电流测试频段的最低频率（一般可选30～80Hz）作为参考频点。具体操作中，可绘制地表电位随频率变化曲线，选择地表电位随频率变化曲线中斜率最陡的点作为测量频点。为提高辨识精度，测量频点亦可由某一频段内的多个离散频点综合构成，选择时可选择地表电位随频率变化曲线中斜率较陡的一段均匀取点，或选择曲线中的拐点，将这组频率点综合起来作为测量频点。

（2）计算异频地表电位差：

将测量频点录入控制中心，根据接地网的规模和地面覆盖状况，选择合适的、尽量均匀的地表采样观测点，并将这些观测点的地理位置或标示信息记录下来。将地表电位测试圆盘覆于这些观测点处，连接好测试回路。由控制中心控制信号源分别输出参考低频和选定的测量频点的正弦激励电流，注入地网，在地中建立电磁场。测试回路通过圆盘采集每个测试点的地表电位信号。采样、滤波、放大电路对采集得到的地表电位信号进行处理，并经过A/D转换后提交给控制中心。控制中心计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即异频地表电位差。

（3）辨识缺陷点：

控制中心根据参考低频和选定测量频率点的地表电位对比信号，绘制地表电位异频比较曲线，提交给故障辨识模块。故障辨识模块通过地表电位异频比较曲线，采用模糊诊断和灰色关联算法获取异频地表电位差过小或过大的异常观测点。接地网故障辨识的实际应用对象多为有局部缺陷的地网，这些缺陷所占比重并不会太大，否则在接地网常规电气参数测量时，会出现接地电阻严重超标的情况，表明接地网导体中大多数已被腐蚀，此时进行故障辨识已无实际意义。因此，可以认为在接地网地表电位测试时，大多数的观测点的电位值是正常的。而与大多数观测点取值相比，某些观测点的取值过大或过小，则可视作异常观测点。从所有的观测点数据中筛选出过大或过小的观测点，利用现有技术中的灰色关联算法或模糊聚类算法即可实现，灰色关联算法可参考文献“林云，司锡才，周若琳，杨慧.改进灰色关联算法在辐射源识别中的应用.通信学报,2010年”、“祁春清，索迹，陆春妹.电力电子器件故障检测的灰色理论方法探讨.科技创新导报，2011年”，模糊聚类算法可参考文献“蒋德珑，李盛.模糊聚类分析系统的研究与实现.计算机工程与科学，2011年，33(2)”、“刘福才，朴春俊.模糊模型辨识中模糊聚类方法应用分析.系统工程与电子技术，2002年，24(5)”，在此不做赘述。

这些异常观测点可能是由于测量时各种误差导致的，也有可能正是因为地网缺陷导致的。对于测量误差，可采用在步骤（2）选择的多个测量点多次重复测量取平均值来消除。对异常故障点进行分类处理，将位置上相邻的点归置到一起。理论上分析，在靠近电流注入点的区域内，频率变化对金属导体和对土壤或锈蚀后的导体的影响不一样。因此，不同频率下，若观测点下方是完好导体，则其地表电位的异频比较曲线中的电位差值会较高；反之，若观测点下方是缺陷或断裂导体，则地表电位的异频比较曲线中的电位差值会较低。因此，在异常故障点中选取异频地表电位差过小的异常点确作为缺陷点。

此外，在实际应用中，并不能排除某些地区的土壤在某些频率激励下的激电效应或其他突发极化、导电效应。土壤的这种特征会使得其对激励源频率的敏感程度大大提高，甚至可能会比金属导体对激励源频率的敏感程度更高。此类情况下，辨识地网缺陷的方法与前述正好相反，即将异常点中选取异频地表电位差过大的异常故障点确定为缺陷点。因此，本发明在实际应用时，要充分掌握土壤和金属的频率特性的区别，依据金属导体与土壤或锈蚀产物对频率的敏感程度和响应方式的不同，灵活调节缺陷辨识的判据和算法。

在实际应用中，对于大规模地网，可将地网划分成不同的小区域，分别在每个区域中心注入不同频率的电流，测量地表电位的分布于变化，辨识故障区域；然后将各个区域的辨识结果综合起来，得到整个接地网的缺陷辨识结果。

根据上述技术方案和具体实施方式，开发了接地网异频电流激励下地表电位分布的测量装置，如图2所示，包括正弦变频交流电源、测量回路和控制中心。测量回路主要包括电流采样电路、电压采样电路、放大滤波电路和A/D转换电路。控制中心在接收到测量命令后，根据选定的测试频率点和设定的参考低频点，控制信号源由C1和C2两个端子输出相应频率的正弦电流，供外接测量回路用。电流输出端C1和C2控制向地网注入电流；其中，C1端为电流注入点，一般定在所测量区域的中心；C2端为电流回流点，理论上应设置在无穷远的地中，现场测量时，选取接地网对角线5-10倍远处作为等效无穷远点。电压采集端子P1和P2用于采集地表电位，一个端子通过圆盘连接采样点，另一端子连接电位参考点，一般选取电流回流点的0.618处的电压零点作为参考点，可滤除接地网场区内的干扰。电流采样电路通过采样回路（如采样电阻、线圈等）测量实际输出电流，经过放大、滤波后进入A/D转换电路；电压采样电路采集电压信号，同样经过放大、滤波后输入A/D转换电路。A/D转换电路将采集到的电压、电流信号提交给控制中心。控制中心根据测量得到的信号，比较各采样点的异频地表电位分布与变化，绘制地表电位异频比较曲线，提交给故障辨识模块，进行分析和计算处理。

实施例

为使本发明的内容更为清晰直观，对某一个简单地网，利用本发明提供的方法和装置进行地网缺陷的辨识。

该简单地网仅由并列布置的两段5m*50mm²*5mm的水平碳钢（Q235钢）导体构成。两段导体可由地表引线控制是否接入测试回路，土壤为薄层腐殖层覆盖的泥质土壤。在实验中，未接入测试回路的那段导体即可被认为是故障或缺陷导体。

根据地质勘探学科的实际探测数据，可判断该实施例中，土壤的电阻率、介电常数在1MHz内随频率变化不明显。而地网导体由于材料的电阻率、电感随频率变化，导致在不同频率激励下，电流分布有较大差异。由此，可认为，金属导体对频率的敏感性比土壤要高。测量土壤电阻率，得到该区域内土壤为两层水平分层模型，上层土壤电阻率为10Ω.m，高度为2.5m，下层土壤电阻率为30Ω.m。利用CDEGS仿真软件，得到此地网的地表电位随频率的变化趋势在1kHz-5kHz最为明显，3kHz为斜率最大点。因此，选择3kHz作为测试频率点，选择工频50Hz作为参考频率点。

利用本发明提供的装置进行地表电位的异频测量。为使结果更为直观，选择导体上方的从左至右6个等距点作为采样观测点，如图3所示。分别将测试用的电压圆盘依次接到这6个观测点处，测量它们在正弦50Hz和3kHz电流激励下的地表电位。在实验过程中，依次控制地表引线的开断，模拟接地网出现的两种不同类型的故障。地表引线不同的开断情况分别对应着方案1-方案4：方案1和方案2均为完整地网；方案3为右边一段导体断裂，对应着地表观测点为点4、点5、点6；方案4为左边一段导体断裂，对应的地表观测点为点1、点2、点3。

为消除测量误差的影响，测量每个观测点的地表电位时，测量三次取平均值作为测量结果。根据测量结果绘制的地表电位异频比较曲线如图4所示。由前述的频域仿真可知，在本实施例中，金属导体对频率的敏感性比土壤更为明显。因此，可判断，在不同的频率下，金属导体上方的观测点的电位值随频率的变化比土壤上方的观测点随频率的变化要明显。即地表电位异频比较曲线中，金属导体上方的观测点的差值比土壤上方观测点的差值要大。利用灰色关联算法，可提取出图4中的异常点，分别为方案3中的点4、点5、点6，方案4中的点1、点2、点3。同时，可观测到这些异常点的取值比正常点的值要小，结合本实施例中金属导体与土壤的频率特性，可判断这些观测点下方没有金属导体，亦为接地网缺陷所在。根据测量结果判断的接地网缺陷所在与实际情况吻合，由此可证明，本发明提供的技术方法和测量装置在实施例中取得了较好的效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，包括以下步骤：

(1)确定测试频点和参考频点：

通过软件建立待辨识接地网模型，在模型中设定故障点以及电流测试频段；在接地网引下线处注入电流测试频段内的电流，注入电流频率为1KHz-5kHz，同时在设定的故障点检测地表电位；将电流测试频段内各频率对应的地表电位分别与电流测试频段的最低频率对应的地表电位进行比较，选取两者地表电位相差最大的频率作为测试频点，并将电流测试频段的最低频率30～80Hz作为参考频点；

(2)计算异频地表电位差：

在实际待辨识接地网的任意一个接地网引下线分别注入参考频点电流和测试频点电流，并检测多个观测点分别对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位，计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即为异频地表电位差；

(3)辨识缺陷点：

绘制异频地表电位差-观测点变化曲线，依据该曲线通过灰色关联算法或模糊聚类算法获取异频地表电位差过小或过大的观测点即为缺陷点。

2.根据权利要求1所述的基于地表电位异频比较的接地网缺陷辨识方法，其特征在于，在所述步骤(1)中还选取测试频点以及与其临近的频点一起构成测试频点集，按照步骤(2)～(3)的方式测试得到测试频点集中各频点电流对应的候选缺陷点，若某候选缺陷点同时出现在较多测试频点的缺陷点测试结果中，则该候选缺陷点被确认为最终缺陷点。

3.一种实现权利要求1所述的接地网缺陷辨识方法的装置，包括正弦变频交流电源、测量回路和控制中心；

正弦变频交流电源用于根据来自控制中心的控制指令命令输出相应频率的电流；

测量回路用于检测多个观测点分别对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位并反馈给控制中心；

控制中心用于将电流测试频段内各频率对应的地表电位分别与电流测试频段的最低频率对应的地表电位进行比较，选取两者地表电位相差最大的频率作为测试频点，并将电流测试频段的最低频率作为参考频点，分别向正弦变频交流电源发出包含测试频点和参考频点的控制指令；接收测量回路反馈的对应参考频点电流和测试频点电流的地表电位，计算各观测点对应两频点电流的地表电位差值即异频地表电位差；绘制异频地表电位差-观测点变化曲线，依据该曲线通过灰色关联算法或模糊聚类算法获取异频地表电位差过小或过大的观测点即为缺陷点。