CN104897995B - 基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法，包括：一电流注入装置，其与接地网任一可及节点连接，向接地网注入异于工频的正弦交流电流，该交流电流通过接地网任一可及节点注入；一电位探针，其位于接地网导体地表正上方，用于测量导体地表正上方地表上的电位分布，检测地表的电位信号，并滤除工频干扰；一信号测试模块，其与电位探针连接，用于接收电位探针传输的电位信号，对其进行滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的电位分量；一分析显示终端，其与信号测试模块连接，用于接收信号测试模块传输的电位数据。与现有技术相比，本发明具有保障变电站安全稳定运行等优点。

Description

基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种变电站接地网腐蚀检测系统，尤其是涉及一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法。

背景技术

接地网是变电站的重要组成部分，它为变电站内各类设备提供一个公共电位参考点，在电力系统发生短路故障或遭受雷击时提供电流泄放通道，其工作的可靠性对电力系统的安全稳定运行影响重大。

变电站接地网长期埋于地下，受到土壤的电化学作用而常常发生腐蚀。接地网的腐蚀是一个渐变的过程，被腐蚀至一定程度则产生故障，更严重时发生断裂。我国现有接地网多采用镀锌扁钢材料，且大部分变电站接地网已运行5-10年，在不同程度上存在着腐蚀变细甚至断裂等缺陷。同时，在接地网的焊接施工过程中，也可能存在着连接点虚焊、漏焊的问题，在土壤的腐蚀作用下导致多根导体的连接点断开。以上各类缺陷均会造成接地网接地性能的降低，甚至会引起严重事故的发生。如何准确有效地发现变电站接地网中存在的故障，进而有针对性地采取防护措施已成为电力行业现有接地网运维工作中最为突出的问题。

当前在工程应用中，往往通过大面积挖开接地网对接地网的腐蚀状态进行检测，这种方法较为盲目，既费时费力，又会因长时间停电检修而带来一定的经济损失。此外，根据变电站接地网的散流特性，一些新的接地网故障检测方法也陆续出现，可以分为电网络分析法、电磁场分析法两大类。电网络分析法主要根据接地网拓扑结构与支路电阻数据建立故障诊断方程，结合相应优化算法求解该方程获取导体支路电阻变化情况，实现对故障诊断。但在实际应用中接地网并不是所有节点都有上引导体，因此难以获取每条支路电阻的精确值，从而限制了该方法的应用。电磁场分析法则通过接地引上线，向接地网注入激励电流，测量该电流激发的接地网地表的磁场感应强度，根据其分布特征对接地网存在的腐蚀故障进行诊断。但该方法受到变电站现场复杂电磁环境干扰，且难以对具体故障位置进行准确判断，对被腐蚀但尚未断裂的导体也难以做出精确诊断。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法，能够对变电站接地网地表电位分布进行测试和计算分析，从而实现对变电站接地网腐蚀故障的高效、准确的判断。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统，其特征在于，包括：

一电流注入装置，其与接地网任一可及节点连接，向接地网注入异于工频的正弦交流电流，该交流电流通过接地网任一可及节点注入；

一电位探针，其位于接地网导体地表正上方，用于测量导体地表正上方地表上的电位分布，检测地表的电位信号，并滤除工频干扰；

一信号测试模块，其与电位探针连接，用于接收电位探针传输的电位信号，对其进行滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的电位分量；

一分析显示终端，其与信号测试模块连接，用于接收信号测试模块传输的电位数据。

所述的电流注入装置包括：

一电流信号发生器，用于提供接地网的注入电流；

一耦合变压器，其与电流信号发生器相连接，用于接收注入电流并输出与接地网阻抗相匹配的输入电流至接地网的可及节点。

所述的信号测试模块包括：

一电压信号滤波电路，其与电位探针相连接，用以接收电位探针输出的电位信号，并滤除该信号中的工频干扰分量；

一电压信号调理芯片，其与电压信号滤波电路连接，用于对该电压信号进行抗混叠滤波和放大；

一微处理器，其与电压信号调理芯片连接，用于计算、存储对应于注入电流频率的地表电位信号分量；

一通信芯片，其分别与微处理器和分析显示终端连接，用于将微处理器计算所得电位数据传输至分析显示终端。

所述的电压信号滤波电路为双T型工频陷波器。

所述的信号测试模块与分析显示终端之间通过USB连接。

一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用电流注入装置向接地网注入异于工频的正弦交流电流，使用电位探针测量变电站接地网导体上方地面的电位分布，将该电位信号经信号测试模块进行滤波放大及计算后得到接地网地表电位实测数据，再将这些数据传输至分析显示终端，分析显示终端计算分析接地网地表电位数据，并绘制接地网导体上方地表电位分布曲线；

(2)分析显示终端根据变电站接地网的拓扑结构与电流注入点，使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位；

(3)分析显示终端将接地网导体上方地表电位的理论计算结果与实测结果进行比较；对同一接地导体，分别绘制该段导体上方理论计算结果的地表电位分布曲线与实测结果的地表电位分布曲线，若某导体存在连续测点的地表电位同时增大或减小，则认为该导体的地表电位分布发生改变；

进而筛选出所有地表电位分布发生改变的导体段，观察导体段所在位置；若其中某些导体段互相连接形成设定区域，则认为以这些导体段为矩形边的区域内存在故障点，判定该区域为故障区域；对于故障区域内的接地导体，分别计算该段导体上方地表电位理论计算曲线与实测曲线的灰色绝对关联度指标，若某段导体地表电位曲线的灰色绝对关联度指标小于0.9，则认定该段导体存在明显的腐蚀故障。

所述的变电站接地网地表电位计算具体如下：

2a.将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算这n段导体之间的互阻抗矩阵R，其中，矩阵元素R_ij表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为：

式中，σ_E为土壤电导率；ε₀为真空介电常数；ε_r为土壤相对介电常数；ε_E＝ε₀·ε_r为土壤介电常数；l_i与l_j分别为第i段及第j段导体长度；l_i'为第i段导体的镜像长度；D_i,j为将第i段与第j段导体之间的距离；D_i',j为将第i段导体镜像与第j段导体之间的距离；

2b.使用T型等效电路分别表示这n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路，所述的T型等效电路由第i段导体的自电感L、自电阻Z₀、第i段和第j段导体之间的互感M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成，其中i＝1,…,n，j＝1,…,n；经T型电路等效后，所述接地网共有m+n个节点及2n段导体；

2c.计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目2n，关联矩阵A中的任意元素a_i,j的定义为：

2d.计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和2n条支路的接地网的阻抗矩阵Z，其计算公式为：

式中，M_i,j为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；k_i为经T型等效后第i段导体长度，其中i＝1,…,2n；h_i,j为第i段导体与第j段导体之间的距离；Z_0i为第i段导体的内阻抗；μ₀为土壤磁导率，并假设土壤和空气磁导率相同；μ＝μ₀μ_r为导体磁导率；μ_r为导体相对磁导率；ρ_c为导体电阻率；r₀为导体半径；I₀(γr₀)、I₁(γr₀)分别为零阶及一阶贝塞尔函数；

2e.根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y_n+m＝AZ^-1A^T；根据阻抗矩阵R计算导纳矩阵，为G＝R^-1；

2f.计算接地网导体n段导体的中点电位和节点电位这可通过求解接地网数学模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：

式中，G为n×n矩阵；为n个中点电位列向量；为m个节点列向量；为m个节点注入电流列向量；

2g.计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，通过方程求得，其中，互阻抗矩阵R为n×n矩阵；为n维列向量，是每段导体上的漏电流向量；为n个中点电位列向量；

2h.根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地面上任一点的电位分布，地面上任一点P处的电位计算公式为：

式中，U_iP为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；ρ为土壤电阻率；r_p,z_p为第i段导体中点与点P间距离的极坐标表示；

分别计算接地网每段导体漏电流在接地网地表面的电位，再将所有导体的计算结果进行叠加，从而得到接地网的地表电位分布计算结果。

所述的灰色绝对关联度的计算公式为：

式中，Y_g为任一接地导体地表上方磁感应强度的实测值；Y为任一接地导体地表上方磁感应强度的理论计算值；N为磁感应强度曲线的点数。

也就是说，本技术方案是将变电站接地网n段导体上方的地表电位的理论计算曲线(其为其Y)与实际测量所得地表电位曲线(其为Y_g)的灰色绝对关联度指标进行计算，根据设定好的阈值即可判断出变电站接地网导体的工作状态。

与现有技术相比，本发明检测系统，可在变电站不开挖，不停电的前提下，克服变电站现场复杂的电磁环境干扰，利用较少的测点即可准确有效地判断导体的腐蚀故障，保障变电站安全稳定运行；具体具有以下优点：

1)选择异于工频的电流注入到接地网，利用信号测试模块的前置滤波电路滤除测量所得电位信号中的工频干扰分量，可避免变电站内复杂电磁环境的干扰。所述的滤波电路采用双T型工频陷波器。

2)测量地表电位时，对于每根测试导体，以节点为端点将其等分，并选取导体的六等分点为测点，无需测量整个接地网区域的地表电位，减小了测量工作量，对大型接地网尤为有效。

3)判定导体状态时，首先确定故障区域，进一步根据设定的阈值判定故障区域内存在的故障导体，避免了出现错判、漏判的情况。

4)在故障区域内诊断导体状态时，不仅对单一导体的状态进行诊断，同时综合区域内其他导体的比较结果，能够对故障导体进行准确的定位。

附图说明

图1为本发明基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统整体结构示意框图；

图2是本发明实施例中的接地网模型示意图；

图3为本发明用于滤波的双T型工频陷波器的具体电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

以某变电站接地网模型为试验对象，对本发明进行详细的描述。

图1所示显示了本发明所述的基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统的结构。如图1所示，电流注入装置1经接地网2任一可及节点向接地网注入异于工频的正弦交流电流。电位探针3用以测量接地网2导体正上方地表电位分布。信号测试模块4与电位探针3相连接，接收电位探针3传输的电位信号，对该信号分别进行滤除工频干扰、抗混叠滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的地表电位分量。分析显示终端5与信号测试模块4连接，以接收可调频率电压表传输的电位数据。其中，电流注入装置1包括电流信号发生器，以提供接地网的注入电流；耦合变压器，其与电流信号发生器连接，以接收注入电流并进行阻抗匹配。信号测试模块4包括电压信号滤波电路，其与电位探针3连接，以接收电位探针3传输的电压信号，并对该电位信号进行工频滤波；电压信号调理芯片，其与电压信号滤波电路连接，以接收电压信号滤波器传输的电压信号，并对该电压信号进行抗混叠滤波与放大；微处理器，其与电压信号调理芯片连接，计算、存储对应于注入电流频率的地表电位分量；通信芯片，其与分析显示终端5通过USB连接。

上述基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统按照下列步骤判断该接地网的工作状态：

(1)利用电流注入装置1向接地网注入异于工频的正弦交流电流，通过放置在变电站接地网上方地表面的电位探针3测量变电站接地网导体上方的地表电位分布；选取测量点时，包含两个导体端点在内，选取导体的六等分点进行测量。

(2)将采集到的电位信号传输至信号测试模块4，信号测试模块4分别对电位信号进行工频滤波、抗混叠滤波与放大后，计算并存储对应注入电流频率的电位分量，然后将地表电位数据通过USB传输至分析显示终端5。

(3)分析显示终端5根据变电站接地网的拓扑结构与电流注入点，使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位，所述的变电站接地网地表电位计算使用如下数值计算方法：

3a.将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算这n段导体之间的互阻抗矩阵R，其中，矩阵元素R_ij表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为：

式中，σ_E为土壤电导率；ε₀为真空介电常数；ε_r为土壤相对介电常数；ε_E＝ε₀·ε_r为土壤介电常数；l_i与l_j分别为第i段及第j段导体长度；l_i'为第i段导体的镜像长度；D_i,j为将第i段与第j段导体之间的距离；D_i',j为将第i段导体镜像与第j段导体之间的距离；

3b.使用T型等效电路分别表示这n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路，所述的T型等效电路由第i段导体(i＝1,…,n)的自电感L、自电阻Z₀、第i段和第j段(j＝1,…,n)导体之间的互感M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成；经T型电路等效后，所述接地网共有m+n个节点及2n段导体；

3c.计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目2n，关联矩阵A中的任意元素a_i,j的定义为：

3d.计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和2n条支路的接地网的阻抗矩阵Z，其计算公式为：

式中，M_i,j为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；k_i为经T型等效后第i段导体长度(i＝1,…,2n)；h_i,j为第i段导体与第j段导体之间的距离；Z_0i为第i段导体的内阻抗；μ₀为土壤磁导率，并假设土壤和空气磁导率相同；μ＝μ₀μ_r为导体磁导率；μ_r为导体相对磁导率；ρ_c为导体电阻率；r₀为导体半径；I₀(γr₀)、I₁(γr₀)分别为零阶及一阶贝塞尔函数；

3e.根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y_n+m＝AZ^-1A^T；根据阻抗矩阵R计算导纳矩阵，为G＝R^-1；

3f.计算接地网导体n段导体的中点电位和节点电位这可通过求解接地网数学模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：

式中，G为n×n矩阵；为n个中点电位列向量；为m个节点列向量；为m个节点注入电流列向量；

3g.计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，这可通过方程求得。其中，互阻抗矩阵R为n×n矩阵；为n维列向量，是每段导体上的漏电流向量；为n个中点电位列向量；

3h.根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地面上任一点的电位分布，地面上任一点P处的电位计算公式为：

式中，U_iP为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；ρ为土壤电阻率；r_p和z_p分别为第i段导体中点与点P间距离的极坐标；

分别计算接地网每段导体漏电流在接地网地表面的电位，再将所有导体的计算结果进行叠加，从而得到接地网的地表电位分布计算结果；

(4)分析显示终端5将接地网导体上方地表电位的理论计算结果与实测结果进行比较。对同一接地导体，分别绘制该段导体上方理论计算结果的地表电位分布曲线与实测结果的地表电位分布曲线，若某导体存在连续测点的地表电位同时增大或减小，则认为该导体的地表电位分布发生改变。进而筛选出所有地表电位分布发生改变的导体段，观察导体段所在位置。若其中某些导体段互相连接形成一定区域，则认为以这些导体段为矩形边的区域内存在故障点，判定该区域为故障区域。对于故障区域内的接地导体，分别计算该段导体上方地表电位理论计算曲线与实测曲线的灰色绝对关联度指标ε，若某段导体地表电位曲线的灰色绝对关联度指标小于0.9，则认定该段导体存在较为明显的腐蚀故障。所述的灰色绝对关联度的计算公式为：

式中，Y_g为任一接地导体地表上方磁感应强度的实测值；Y为任一接地导体地表上方磁感应强度的理论计算值；N为磁感应强度曲线的点数。

也就是说，本技术方案是将变电站接地网n段导体上方的地表电位的理论计算曲线(其为其Y)与实际测量所得地表电位曲线(其为Y_g)的灰色绝对关联度指标进行计算，根据设定好的阈值即可判断出变电站接地网导体的工作状态。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统的方法，其特征在于，所述的系统包括：

一电流注入装置，其与接地网任一可及节点连接，向接地网注入异于工频的正弦交流电流，该交流电流通过接地网任一可及节点注入；

一电位探针，其位于接地网导体地表正上方，用于测量导体正上方地表上的电位分布，检测地表的电位信号，并滤除工频干扰；

一信号测试模块，其与电位探针连接，用于接收电位探针传输的电位信号，对其进行滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的电位分量；

一分析显示终端，其与信号测试模块连接，用于接收信号测试模块传输的电位数据；

所述的电流注入装置包括：

一电流信号发生器，用于提供接地网的注入电流；

一耦合变压器，其与电流信号发生器相连接，用于接收注入电流并输出与接地网阻抗相匹配的输入电流至接地网的可及节点；

所述的方法包括以下步骤：

(1)利用电流注入装置向接地网注入异于工频的正弦交流电流，使用电位探针测量变电站接地网导体上方地表的电位分布，将电位信号经信号测试模块进行滤波放大及计算后得到接地网地表电位实测数据，再将这些数据传输至分析显示终端，分析显示终端计算分析接地网地表电位数据，并绘制接地网导体上方地表电位分布曲线；

(2)分析显示终端根据变电站接地网的拓扑结构与电流注入点，使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位；

(3)分析显示终端将接地网导体上方地表电位的理论计算结果与实测结果进行比较；对同一接地导体，分别绘制该段导体上方理论计算结果的地表电位分布曲线与实测结果的地表电位分布曲线，若某导体存在连续测点的地表电位同时增大或减小，则认为该导体的地表电位分布发生改变；

进而筛选出所有地表电位分布发生改变的导体段，观察导体段所在位置；若其中某些导体段互相连接形成设定区域，则认为以这些导体段为矩形边的区域内存在故障点，判定该区域为故障区域；对于故障区域内的接地导体，分别计算该段导体上方地表电位理论计算曲线与实测曲线的灰色绝对关联度指标，若某段导体地表电位曲线的灰色绝对关联度指标小于0.9，则认定该段导体存在明显的腐蚀故障；

所述的变电站接地网地表电位计算具体如下：

2a.将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算这n段导体之间的互阻抗矩阵R，其中，矩阵元素R_ij表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为：

式中，σ_E为土壤电导率；ε₀为真空介电常数；ε_r为土壤相对介电常数；ε_E＝ε₀·ε_r为土壤介电常数；l_i与l_j分别为第i段及第j段导体长度；l_i'为第i段导体的镜像长度；D_i,j为将第i段与第j段导体之间的距离；D_i',j为将第i段导体镜像与第j段导体之间的距离；

2b.使用T型等效电路分别表示这n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路，所述的T型等效电路由第i段导体的自电感L、自电阻Z₀、第i段和第j段导体之间的互感M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成，其中i＝1,…,n，j＝1,…,n；经T型电路等效后，所述接地网共有m+n个节点及2n段导体；

2c.计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目2n，关联矩阵A中的任意元素a_i,j的定义为：

2d.计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和2n条支路的接地网的阻抗矩阵Z，其计算公式为：

式中，M_i,j为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；k_i为经T型等效后第i段导体长度，其中i＝1,…,2n；h_i,j为第i段导体与第j段导体之间的距离；Z_0i为第i段导体的内阻抗；μ₀为土壤磁导率，并假设土壤和空气磁导率相同；μ＝μ₀μ_r为导体磁导率；μ_r为导体相对磁导率；ρ_c为导体电阻率；r₀为导体半径；I₀(γr₀)、I₁(γr₀)分别为零阶及一阶贝塞尔函数；

2e.根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y_n+m＝AZ^-1A^T；根据互阻抗矩阵R计算导纳矩阵，为G＝R^-1；

2f.计算接地网导体n段导体的中点电位和节点电位这可通过求解接地网数学模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：

式中，G为n×n矩阵；为n个中点电位列向量；为m个节点列向量；为m个节点注入电流列向量；

2g.计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，通过方程求得，其中，互阻抗矩阵R为n×n矩阵；为n维列向量，是每段导体上的漏电流向量；为n个中点电位列向量；

2h.根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地面上任一点的电位分布，地面上任一点P处的电位计算公式为：

式中，U_iP为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；ρ为土壤电阻率；z_p为第i段导体中点与点P间距离的极坐标表示；

分别计算接地网每段导体漏电流在接地网地表面的电位，再将所有导体的计算结果进行叠加，从而得到接地网的地表电位分布计算结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的信号测试模块包括：

一电压信号滤波电路，其与电位探针相连接，用以接收电位探针输出的电位信号，并滤除该信号中的工频干扰分量；

一电压信号调理芯片，其与电压信号滤波电路连接，用于对该电压信号进行抗混叠滤波和放大；

一微处理器，其与电压信号调理芯片连接，用于计算、存储对应于注入电流频率的地表电位信号分量；

一通信芯片，其分别与微处理器和分析显示终端连接，用于将微处理器计算所得电位数据传输至分析显示终端。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的电压信号滤波电路为双T型工频陷波器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的信号测试模块与分析显示终端之间通过USB连接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的灰色绝对关联度的计算公式为：

式中，Y_g为任一接地导体地表上方磁感应强度的实测值；Y为任一接地导体地表上方磁感应强度的理论计算值；N为磁感应强度曲线的点数。