CN105823933A - 一种用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，步骤包括：在两个相邻下引导体中注入异频激励源；测量地表磁感应强度，获得地表网格化的磁感应强度分布数据；将地表网格化的磁感应强度分布数据存入数据表中；根据数据表的显示结果判定被测下引导体结点属于可测结点还是不可测结点；测量两个可测结点间地表磁感应强度，获得两个可测结点地表磁感应强度值；根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值，利用计算的接地网电阻值判断两个可测结点间接地网线路出现腐蚀。该微元分割检测法无需依赖接地网图纸进行理论值或仿真值计算，有效提高了检测效率和检测可靠性。

Description

一种用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法

技术领域

本发明涉及一种变电站接地网腐蚀检测方法，尤其是一种变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测方法。

背景技术

接地网是变电站安全运行的重要保证，对保护站内工作人员的人身安全和各种电气设备的正常运行至关重要，其接地性能一直受到生产运行部门的重视。接地网的工频接地参数和设计问题受到许多学者的关注。对于钢质材料的接地网，在多雨和沿海地区，随着使用年限的增加，易发生腐蚀，可能使接地导体变细甚至断裂，破坏接地网的原有结构，降低接地网的接地性能，当系统遭受雷击或发生短路故障时可能造成事故扩大，危及设备和人身安全。

近年来，检测变电站接地网的严重腐蚀段成为电力部门一项重大的反事故措施，有大量文献涌现。但是现有的接地网的腐蚀诊断方法，均需要依赖接地网图纸来计算支路电阻的理论值或地表磁感应强度的仿真值，但基于接地网图纸的计算模型的真实度和有效性并不能保证，如接地网实际施工与图纸相比有变动或实际接地网物理模型十分复杂，而计算模型不够精准等，进而导致用于对比的理论值或仿真计算值的有效性得不到保证，最终影响诊断结果，而且在图纸遗失的情况下该方法不再适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的接地网的腐蚀诊断方法，均需要依赖接地网图纸来计算，但基于接地网图纸的计算模型的真实度和有效性并不能保证，导致测量结果不可靠。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，包括如下步骤：

步骤1，在变电站接地网的两个相邻下引导体中注入异频激励源；

步骤2，等间隔网格化测量注入异频激励源后的下引导体周围接地网的地表磁感应强度，获得地表网格化的磁感应强度分布数据；

步骤3，对地表网格化的磁感应强度分布数据按照X轴方向数据和Y轴方向数据存入数据表中；

步骤4，根据数据表的显示结果判定被测下引导体结点属于可测结点还是不可测结点，若两个被测下引导体结点之间的直线路径上的测量值成倍大于其他位置的测量值，且沿直线路径移动时测量值变化量小于5％，则判定为可测结点，否则判定位不可测结点；

步骤5，重复步骤1-4，对变电站接地网全部下引导体判定属于可测结点还是不可测结点，并对判定出的可测结点再次注入异频激励源；

步骤6，测量注入异频激励源后的两个可测结点间地表磁感应强度，获得两个可测结点地表磁感应强度值；

步骤7，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值，利用计算的接地网电阻值与标准接地网电阻值进行比较，获得两个可测结点间接地网线路的腐蚀程度；

步骤8，重复步骤6和7，获得变电站接地网全部可测结点间的腐蚀情况。

采用对局部微元区域注入异频激励源，在地表网格化检测激发的磁场强度，并对应存入数据表中，从而根据数据表判断是否是可测节点进行微元分割，这种分割方法有助于减小现有测试方法中诊断结果对测量误差的敏感程度，从而实现了接地网分块故障诊断和局部故障诊断；采用地表磁感应强度值计算获得接地网电阻值，从而判断出该区域接地网的腐蚀情况，而无需依赖接地网图纸进行理论值或仿真值计算，有效提高了检测效率和检测可靠性。

作为本发明的进一步限定方案，步骤7中，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值的R为：

$R=\frac{u}{4{\mathrm{\πB}}_{xm}}\∫\frac{dl\×S^0}{S^2}$

式中，为地表磁感应强度值，为接地网线路中通过的电流值，u为注入的异频激励源电压值，l为两个可测结点之间的直线距离，S为测量点到接地网的垂直距离。

作为本发明的进一步限定方案，异频激励源为正弦波电压信号，信号频率范围为400～600Hz，信号电压有效值大于12V，输出阻抗为4欧姆。采用该异频激励源具有较好的电压输出效果，得到较为稳定的地表磁感应强度值，且采用400～600Hz的信号频率与变电站的工频相差较大，避免测量过程中出现明显干扰。

作为本发明的进一步限定方案，步骤2中，测量下引导体周围接地网的范围为：以下引导体为中心，划定10m×10m的测量区域，在测量区域内以1m为网格间隔测量X轴方向和Y轴方向的磁感应强度。采用1m的网格间隔进行测量，具有较合适的检测密度，不仅确保测量效率，又能确保测量效果。

本发明的有益效果在于：(1)采用对局部微元区域注入异频激励源，在地表网格化检测激发的磁场强度，并对应存入数据表中，从而根据数据表判断是否是可测节点进行微元分割，这种分割方法有助于减小现有测试方法中诊断结果对测量误差的敏感程度，从而实现了接地网分块故障诊断和局部故障诊断；(2)采用地表磁感应强度值计算获得接地网电阻值，从而判断出该区域接地网的腐蚀情况，而无需依赖接地网图纸进行理论值或仿真值计算，有效提高了检测效率和检测可靠性。

附图说明

图1为通电矩形线圈磁场强度计算方法示意图；

图2为矩形线圈空间磁场仿真图；

图3为实验接地网结构图；

图4为实验接地网分割图；

图5实验接地网分割等效变换图

图6为实验接地网本征图；

图7为可测结点地表磁场强度分布仿真数据；

图8为不可测结点地表磁场强度分布仿真数据；

图9为本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本发明的理解，首先对本发明利用空间磁场进行微元分割检测的原理进行阐述，该方法的原理如下：

(1)空间磁场检测

根据国家标准《交流电气装置的接地设计规范》(GB50065-2011)规定，变电站接地网是铺设深度为0.8米，按照间距10～15米进行网格状布置。所以每个接地网网格都可以看成是一个矩形线圈，若在矩形线圈中注入异频激励源，则在地表产生的磁场强度分布情况的计算方法如图1所示。图1中矩形线圈的长边长度为A，短边长度为B，四个边长分别为L1、L2、L3、L4，观察点G点为地表磁场强度测量点，G点到两个短边的垂直距离分别为X和A-X，到两个长边的垂直距离分别为Y和B-Y，坐标原点定在观察点G，则矩形线圈的四个边L1、L2、L3、L4在G点所产生的磁场强度为：

$\begin{array}{c}{H}_G=H_1+H_2+H_3+H_4=\frac{I}{4\mathrm{\π}}\{\frac{X}{W^2+X^2}\[\frac{B-Y}{{\[W^2+X^2+{(B-Y)}^2\]}^{1/2}}+\frac{Y}{{\[W^2+Y^2+X^2\]}^{1/2}}\]+\\ \frac{Y}{W^2+Y^2}\[\frac{A-X}{{\[W^2+Y^2+{(A-X)}^2\]}^{1/2}}+\frac{X}{{\[W^2+Y^2+X^2\]}^{1/2}}\]+\\ \frac{A-X}{W^2+{(A-X)}^2}\[\frac{B-Y}{{\[W^2+{(A-X)}^2+{(B-Y)}^2\]}^{1/2}}+\frac{Y}{{\[W^2+{(A-X)}^2+Y^2\]}^{1/2}}\]+\\ \frac{B-Y}{W^2+{(B-Y)}^2}\[\frac{A-X}{{\[W^2+{(B-Y)}^2+{(A-X)}^2\]}^{1/2}}+\frac{X}{{\[W^2+{(B-Y)}^2+X^2\]}^{1/2}}\]\}\end{array}$

通过Matlab进行仿真分析后可以看到在线圈附近的空间磁场强度较大，如图2所示。通过空间磁场检测不仅可以判断出接地网格的位置，而且可以通过检测的磁场强度的大小判断出流过导体电流值的大小。所以通过空间磁场的检测不仅能够找出测试区域中接地网的实际位置，还可以根据测量值的大小将可测子结点分割出来，无需依赖任何施工图纸，大大提高了检测的效率和精度。

(2)微元分割

为提高测试和诊断效率，对大中型接地网进行故障诊断时，需采用分割法将大规模接地网分解成若干个小规模的子结点分别诊断，具体实施办法是按照电压等级、设备分布以及地形的边界等将其分解成若干部分。如图3所示为某变电站内的一个38支路实验接地网，图中网络结点实心圆点表示有下引导体的可及结点，即有1、3、4、5、6、8、9、10、11、13、14、15、17、18、19、20和21共18个可及结点，其余为非可及结点。

以可及结点(1、3、4、5、6、8、9、10、11、13、14、15、17、18、19、20和21)作为分割点对图1实际的网络进行分割，得到若干个相对独立的子网络，且这些子网络与实际结点剩余部分的连接结点全部是可及结点。图4就是将图3进行分割后的分割图。

在保留全部可及结点的前提下，将图4实验接地网分割结点图中的支路按照电路原理进行等效变换，得到图5实验接地网分割等效变换图。将图5实验接地网分割等效变换图中的并联支路进行合并，得到的任意两个可及结点间最多只有一条支路的结点，我们称之为本征接地网，图6为实验接地网本征图。

通过图6实验接地网本征图可以看到，一个实际的接地网可以分成不同的块，即分割成不同类型的小规模子结点，这些子结点可分为两种类型：可测子结点和不可测子结点。

图6中如{3，4}、{4，5}、{5，6}等结点之间只有单个支路独立构成，其支路上的电流能够根据激励电压被独立求解，所以这些结点组合就是可测子节点。图7为在可测结点{3，4}两端注入异频激励源后在地表产生的磁场强度仿真值分布图，其中，第一排数据对应图3中I₁～I₅的值，第二排的数据对应图3中I₆～I₁₁的值，第三排的的数据对应图3中I₁₂～I₁₆的值，以此类推，并在每排只有5个数据的数据表末尾补零，以保证数据表的行列完整性。由图可以看出可测结点间支路电流值明显高于其他支路，即数据表中第一行第三列的值明显高于其他支路的值，并且两个可测结点沿线测量的电流值处处相等，表明在沿线不存在其他支路，所以该两个可测结点才能定义为可测结点。

图6中如{1，13}构成的子结点网络既有单个支路，又有并联的其他网络，其支路上的电流无法根据激励电压独立求解，所以它们构成一组不可测结点。图8为在不可测结点{1，13}两端注入异频激励源后在地表产生的磁场强度仿真值分布图，其中，第一排数据对应图3中I₁～I₅的值，第二排的数据对应图3中I₆～I₁₁的值，第三排的的数据对应图3中I₁₂～I₁₆的值，以此类推，并在每排只有5个数据的数据表末尾补零，以保证数据表的行列完整性。由图可以看出不可测结点间支路电流发生了明显的变化，即第二行第一列的值与第四行第一列的值之间存在明显偏小的值，表明在沿线存在其他支路，所以无法利用测量结果判断腐蚀程度。

如图9所示，本发明的用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，包括如下步骤：

步骤1，在变电站接地网的两个相邻下引导体中注入异频激励源；

步骤2，等间隔网格化测量注入异频激励源后的下引导体周围接地网的地表磁感应强度，获得地表网格化的磁感应强度分布数据；

步骤3，对地表网格化的磁感应强度分布数据按照X轴方向数据和Y轴方向数据存入数据表中；

步骤4，根据数据表的显示结果判定被测下引导体结点属于可测结点还是不可测结点，若两个被测下引导体结点之间的直线路径上的测量值成倍大于其他位置的测量值，且沿直线路径移动时测量值变化量小于5％，则判定为可测结点，否则判定位不可测结点；

步骤5，重复步骤1-4，对变电站接地网全部下引导体判定属于可测结点还是不可测结点，并对判定出的可测结点再次注入异频激励源；

步骤6，测量注入异频激励源后的两个可测结点间地表磁感应强度，获得两个可测结点地表磁感应强度值；

步骤7，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值，利用计算的接地网电阻值与标准接地网电阻值进行比较，获得两个可测结点间接地网线路的腐蚀程度；

步骤8，重复步骤6和7，获得变电站接地网全部可测结点间的腐蚀情况。

其中，步骤7中，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值的R为：

$R=\frac{u}{4{\mathrm{\πB}}_{xm}}\∫\frac{dl\×S^0}{S^2}$

式中，为地表磁感应强度值，为接地网线路中通过的电流值，u为注入的异频激励源电压值，l为两个可测结点之间的直线距离，S为测量点到接地网的垂直距离。

异频激励源为正弦波电压信号，信号频率范围为400～600Hz，信号电压有效值大于12V，输出阻抗为4欧姆。

步骤2中，测量下引导体周围接地网的范围为：以下引导体为中心，划定10m×10m的测量区域，在测量区域内以1m为网格间隔测量X轴方向和Y轴方向的磁感应强度。

在进行地表磁感应强度测量时，其实是直接测量的磁场强度所对应的测量电压值V_om，再根据测量电压与地表磁感应强度关系V_om＝k×B_xm，计算地表磁感应强度B_xm，k＝2πfNSA，为转换系数，N为线圈匝数，S为线圈截面积，A为测量系统总增益。

本发明的方法在进行变电站接地网缺陷诊断时，通过对局部微元区域注入异频激励源，在地表检测激发的磁场强度，对测量值进行计算，从而判断出该区域接地网的腐蚀情况。该方法是基于被测接地结点的本征支路等效结果，将复杂结构的接地网分割为可测子结点和不可测子结点，根据可测子结点的测量值就可以直接反映其腐蚀状况，无需依赖接地网图纸进行理论值或仿真值计算，从而克服了现有接地网不开挖缺陷诊断方法中存在的问题，进而提高接地网缺陷诊断的精准度。

Claims (4)

1.一种用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在变电站接地网的两个相邻下引导体中注入异频激励源；

步骤2，等间隔网格化测量注入异频激励源后的下引导体周围接地网的地表磁感应强度，获得地表网格化的磁感应强度分布数据；

步骤3，对地表网格化的磁感应强度分布数据按照X轴方向数据和Y轴方向数据存入数据表中；

步骤4，根据数据表的显示结果判定被测下引导体结点属于可测结点还是不可测结点，若两个被测下引导体结点之间的直线路径上的测量值成倍大于其他位置的测量值，且沿直线路径移动时测量值变化量小于5％，则判定为可测结点，否则判定位不可测结点；

步骤5，重复步骤1-4，对变电站接地网全部下引导体判定属于可测结点还是不可测结点，并对判定出的可测结点再次注入异频激励源；

步骤6，测量注入异频激励源后的两个可测结点间地表磁感应强度，获得两个可测结点地表磁感应强度值；

步骤7，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值，利用计算的接地网电阻值与标准接地网电阻值进行比较，获得两个可测结点间接地网线路的腐蚀程度；

步骤8，重复步骤6和7，获得变电站接地网全部可测结点间的腐蚀情况。

2.根据权利要求1所述的用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，其特征在于，步骤7中，根据地表磁感应强度值计算两个可测结点间的接地网电阻值的R为：

$R=\frac{u}{4{\mathrm{\πB}}_{xm}}\∫\frac{dl\×S^0}{S^2}$

式中，为地表磁感应强度值，为接地网线路中通过的电流值，u为注入的异频激励源电压值，l为两个可测结点之间的直线距离，S为测量点到接地网的垂直距离。

3.根据权利要求1或2所述的用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，其特征在于，异频激励源为正弦波电压信号，信号频率范围为400～600Hz，信号电压有效值大于12V，输出阻抗为4欧姆。

4.根据权利要求书1或2所述的用于变电站接地网腐蚀检测的微元分割检测法，其特征在于，步骤2中，测量下引导体周围接地网的范围为：以下引导体为中心，划定10m×10m的测量区域，在测量区域内以1m为网格间隔测量X轴方向和Y轴方向的磁感应强度。