CN107015105B - 一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法，产生激励电流的多频激励电源100的输出端通过铜棒电极130和具有垂直接地极121的待测输电杆塔接地装置120构成回路；信号控制平台210与多频激励电源100电气连接，并分别与数据处理模块240和无线通信模块250数据连接；信号采集装置270通过信号处理模块260和无线通信模块250将所测信号输入信号控制平台210；本发明通过对输电线路接地装置施加激励电流，能够有效抑制主频电磁干扰，实验和应用结果表明该装置方法简便可行，检测系统可靠有效，可以用于工程实际。

Description

一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法

技术领域

本发明涉及电力系统检测技术领域，特别是涉及一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法。

背景技术

输电线路的安全运行直接影响着电力系统的安全可靠性，而接地装置的完整可靠性又是输电线路的安全保障。为了最大程度减小接地电阻，以改善地表电位分布，经常会在水平接地导体上往地中深处打入垂直接地极或深井接地。垂直接地极或深井接地埋设在地下，大多采用扁钢，圆钢等钢制材料，由于施工时的焊接不良、漏焊、接地短路电流电动力的作用，特别是土壤多年的严重腐蚀，使得垂直接地极导体或深井接地存在断裂的情况，致使接地装置接地性能变坏。当发生雷击或者接地短路时，可能造成严重的经济损失和社会影响。因此，找到一种能快速方便地对垂直接地极或深井接地有效性进行检测的装置及方法、进而采取相应的防护措施已成为电力行业现有接地装置运行维护工作中亟待解决的问题。

目前，针对垂直接地极或深井接地有效性的检测方法主要是基于电路理论，通过建立故障诊断方程并结合相应优化算法实现接地装置的故障诊断，通过编程实现了数值模型的计算机求解，但该方法运算较为复杂，诊断方程病态程度较高影响诊断精度，且当接地装置仅局部存在轻微故障时难以通过该方法得到识别诊断。而对于实际现场的检测也只是针对接地电阻的测量，无法判断故障位置。对于上述问题，本发明针对垂直接地极或深井接地有效性检测提出了一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法，对接地装置的故障判断提供了一种新的方法。

发明内容

基于此，本发明针对克服现有技术存在的缺陷，提供一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法，使之集发生、采集、分析于一体，结构简单，操作方便且安全可靠，通过设计的测试及分析方法得到接地装置的地中磁感应强度分布实现对输电线路接地装置故障与否的高效、准确判断。

其技术方案如下：

一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置，产生激励电流的多频激励电源100的输出端通过铜棒电极130和具有垂直接地极121的待测输电杆塔接地装置120构成回路；信号控制平台210与多频激励电源100电气连接，并分别与数据处理模块240和无线通信模块250数据连接；信号采集装置270通过信号处理模块260和无线通信模块250将所测信号输入信号控制平台210；

所述铜棒电极插入接地装置120边缘；一个以上信号采集模块270垂直地面每隔一定深度间隔紧靠在垂直接地极121旁；

所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成，固定单元由三组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑，呈三维立体结构；测量单元由固定在绝缘板上的铁芯和探测线圈构成，每片绝缘板上用四颗螺母固定铁芯，铁芯上绕有探测线圈。

进一步地，图形处理模块230与数据处理模块240数据连接。

进一步地，所述信号采集装置在埋设接地装置施工时，随垂直接地极或深井接地一起深埋地下，用于长期对垂直接地极或深井接地有效性进行检测。

进一步地，所述多频激励电源输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制。

本发明的目的还在于为上述装置提供一种可靠的应用方法。其主要内容为：

采用上述装置的垂直接地极或深井接地有效性检测方法，：多频激励电源100调整频率及供应电流大小经电缆110注入接地装置120，利用所述信号采集模块270测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器264采集并提取信号，最后显示在图形处理模块230的上位机上并对垂直接地极或深井接地121有效性进行评估。

进一步地，控制平台,通过分析对比由CDEGS计算得到的地中标准磁场强度分布，对垂直接地极或深井接地有效性进行评估。

进一步地，图形处理模块通过数据处理模块得到正常与故障情况下的地中磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中。

上述检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法通过所述多频激励电源调整频率及供应电流大小经电缆注入接地装置，利用所述信号采集模块测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号，最后显示在上位机上并对垂直接地极或深井接地有效性进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述检测垂直接地极或深井接地有效性的装置的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

下面对技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，所述多频激励电源可输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制；与接地装置、电缆、铜棒电极和大地构成回路；经过理论分析地中磁感应强度与输入信号频率特性，得到了上述电流幅值与频率范围，既能很好的屏蔽空间电磁场的影响又能使输入激励电流后产生的地中磁感应强度较大。

在其中一个实施例中，所述控制平台有通讯接口，通过数据线与多频激励电源连接，向多频激励电源发出电流幅值与频率指令；所述信号控制平台通过无线通信模块与信号采集模块通信，用于控制和接收信号采集模块的感应电压信号以及无线通信模块发出的处理过的数据信息；

在其中一个实施例中，所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成。所述固定单元由三组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑，呈三维立体结构；所述测量单元由铁芯和探测线圈构成，每片绝缘板上用四颗螺母固定铁芯，铁芯上绕有探测线圈；所述信号采集装置在埋设接地装置施工时，随垂直接地极或深井接地一起深埋地下，用于长期对垂直接地极或深井接地有效性进行检测。铁芯用来汇聚待测点处的轴向磁场强度，绕制在铁芯上的探测线圈感应出电压信号。绝缘杆呈直角的作用是固定X和Y方向，增加检测的准确度。

在其中一个实施例中，所述信号处理装置由陷波器、放大器、带通滤波器、示波器组成。探测线圈将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号。所述陷波器的工作原理基于双T网络的陷波电路。所述放大器采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率f_c可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

在其中一个实施例中，所述的数据处理模块有通讯接口，通过通信接口与所述的信号控制平台进行数据交换，通过分析对比由CDEGS计算得到的地中标准磁场强度分布，对垂直接地极或深井接地有效性进行评估。所述图形处理模块是利用LABVIEW编制的软件，通过数据处理模块得到正常与故障情况下的地中磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中。通过图形的比较，能很容易发现垂直接地极或深井接地故障导体的位置，有效指导工作人员进行检修。

一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用数值仿真软件计算正常工况下输电线路接地装置的理论地中磁感应强度。

步骤2：针对某一具体的输电线路接地装置，在接地基础施工时将三线圈磁感应强度采集装置放置在垂直接地极或深井接地极预设位置，同时按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极。

步骤3：根据输电线路接地装置现场情况，分批次同步检测待检垂直接地极或深井接地的所有接地导体。

步骤4：应用信号控制平台，控制多频激励电源通过电缆向输电线路接地装置注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈检测垂直接地极或深井接地旁侧感应的X、Y、Z方向的地中磁感应强度，通过信号处理模块、无线通信模块将电压信号传回信号控制平台。

步骤5：应用信号控制平台，控制数据处理模块提取步骤4中多点检测的接地装置的地中磁场强度最大值，并给出X、Y、Z方向磁感应强度随Z坐标分布的图示。

步骤6：调用数值仿真软件CDEGS正常工况下输电线路接地装置的理论地中磁场强度分布，在图形处理模块中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地装置为故障状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。

与现有技术相比，本发明可以在不改变接地装置结构的前提下，对垂直接地极或深井接地有效性进行较为准确的判断；同时，分批次同步检测待检垂直接地极或深井接地的所有接地导体，现场测试工作量大幅减少。因此本发明能在大幅减少现场测试工作量的前提下，有效地、准确地检测出输电线路接地装置的故障位置，从而可及时采取有效措施，提高输电线路接地装置的运行可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的三线圈磁感应强度采集装置结构示意图；

图3为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的单个线圈磁感应强度采集装置的正视图。

图4为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的信号处理模块的电路结构图；

图5为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的三线圈磁感应强度采集装置布置及坐标图；

图6为本发明实施例所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法的图形处理模块结果；

附图标记说明：

100、多频激励电源，110、电缆，120、接地装置，121、垂直接地极或深井接地，130、铜棒电极，210、信号控制平台，220、数据线，230、图形处理模块，240、数据处理模块，250、无线通信模块，260、信号处理模块，261、陷波器，262、放大器，263、带通滤波器，264、示波器，270、信号采集模块(三线圈磁感应强度采集装置)，271、绝缘板，272、六角螺栓，273、铁芯，274、探测线圈，275、绝缘杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图3所示，一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置，包括：多频激励电源100；所述多频激励电源100为产生激励电流的发生装置；电缆110；所述电缆110用作注入电流的导线以及各模块信号传输的数据线220；接地装置120；所述接地装置120为某输电杆塔接地装置120，且配合有垂直接地极(或深井接地)121；铜棒电极130；所述铜棒电极插入接地装置120边缘，离电流注入点较远处；信号控制平台210、数据处理模块240、图形处理模块230；无线通信模块250、信号处理模块260；所述无线通信模块250、信号处理模块260用电力电子器件设计于开发板上；及信号采集模块270；所述信号采集模块270每隔一定深度置于垂直接地极(或深井接地)121旁，且紧靠于垂直接地极或深井接地121；上述所有模块组成一个完整检测评估系统。

上述检测垂直接地极或深井接地有效性的装置及方法通过所述多频激励电源100调整频率及供应电流大小经电缆110注入接地装置120，利用所述信号采集模块270测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器264采集并提取信号，最后显示在图形处理模块230的上位机上并对垂直接地极或深井接地121有效性进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述检测垂直接地极或深井接地有效性的装置的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

实施例1中，考虑到空气中电磁场的干扰，信号控制平台210放置在屏蔽箱内，同时所有数据线220传输数据以及激励电流注入均采用强度高且屏蔽性能佳的电缆110。上述多频激励电源100可以是高频脉冲电源等，产生幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流。此外，为了使设备方便携带，无线通信模块250、信号处理模块260均利用电力电子器件设计在开发板上；同时为了该装置以及检测方法的普及，数据处理模块240、图形处理模块230是基于LABVIEW软件编制上位机，后台连接MATLAB完成数据处理，上位机软件窗口进行图形可视化。

实施例1中，所述信号采集装置270由固定单元与测量单元两部分构成，如图2、3所示。所述固定单元由三组方形绝缘板271以及夹持杆件构成，夹持杆件为绝缘杆275，每组绝缘板271由绝缘杆275呈直角支撑，呈三维立体结构；绝缘杆275呈直角的作用是固定X、Y和Z方向，增加检测的准确度，同时深埋在地表下也能保证其位置不发生改变。所述测量单元由铁芯273和探测线圈274构成，每片绝缘板275上用四颗螺母272固定铁芯273，铁芯273上绕有探测线圈274，每个探测线圈274都顺时针绕制或者逆时针绕制，保证采集的电流方向一致。所述信号采集装置270在埋设接地装置120施工时，随垂直接地极或深井接地121一起深埋地下，用于长期对垂直接地极或深井接地121有效性进行检测。铁芯273用来汇聚待测点处的轴向磁场强度，绕制在铁芯273上的探测线圈274感应出电压信号。该信号采集装置270结构简单，易操作，但须注意埋设时的位置。

实施例1中，所述信号处理模块260由陷波器261、放大器262、带通滤波器263、示波器264组成，如图4所示。探测线圈274将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器264采集并提取信号。所述陷波器261的工作原理基于双T网络的陷波电路，陷波电路可最大限度消除干扰。所述放大器262采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器263利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率f_c可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器264对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

实施例1中，具体实施步骤为，先使用数值仿真软件CDEGS构建实际接地装置120的模型，设置好土壤等环境参数、导体的材料、导磁系数等，计算正常工况下输电线路接地装置120的理论地中面磁感应强度。然后根据图1按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极130。根据输电线路接地装置120现场情况，分批次同步检测待检垂直接地极或深井接地121的所有接地导体，设计探测线圈274的检测路径。应用信号控制平台210，控制多频激励电源100通过电缆110向输电线路接地装置120注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈274检测垂直接地极或深井接地121旁侧感应的X、Y、Z方向的地中磁感应强度，通过信号处理模块260、无线通信模块250将电压信号传回信号控制平台210。应用信号控制平台210，控制数据处理模块240提取多点检测的接地装置120的地中磁场强度最大值，并给出X、Y、Z方向磁感应强度随Z坐标分布的图示。调用数值仿真软件CDEGS正常工况下输电线路接地装置120的理论地中磁场强度分布，在图形处理模块230中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地装置120为故障状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。

为充分说明实施例1的可行性和测量系统的可靠性，针对输电线路接地装置120进行垂直接地极或深井接地有效性评估，该接地装置120由8根接地导体组成井字形接地装置，每根导体长5m，均为55mm×5mm的镀锌扁钢，其电阻率为1.78×10^-7Ω·m，相对磁导率为200，接地体埋深0.6m，其结构如图5所示，M(-5,5)为电流注入点，N(24,0)接有铜棒电极130，实验时在M点注入5A、510Hz的正弦激励电流信号，铜棒电极130用一根多股铜芯电缆110经网外地表面接至多频激励电源100的负极，作为回流导线。

优选的实施例1中，在图5中，例如需要检测Z方向一系列接地导体a、b的安全状态，M点为电流注入点，X、Y、Z为坐标方向，坐标原点为O点，注入激励电流后，在地表K点处，从Z＝0开始每隔50cm检测一次信号磁场强度，显示在示波器264上，同时将测量结果传输至数据处理模块240。实验时在510Hz的频点处，放大、滤波电路的总增益调为34，可由测量的电压幅值U_om计算地中磁感应强度幅值B_om，计算过程如下：

设地中X方向磁感应强度分量为：

B_x＝B_xm sin(2πf_ct)

式中：B_xm为X方向磁感应强度分量的幅值；f_c为带通滤波器263的中心频率。假设探测线圈274平面与X方向垂直，依据法拉第电磁感应定律可以得到测量系统输出端的电压：

u₀＝2πf_cNSGB_xm cos(2πf_ct)

式中：S为探测线圈274的横截面积；N为探测线圈274的匝数；G为接收系统的总增益。则：

B_xm＝U_om/2πf_cNSG

式中U_om为示波器264检测到的电压信号幅值。依据上式，可通过输出电压信号幅值，计算地中磁感应强度值。

实施例1中，进一步需要说明的是，以X方向的磁感应强度为例，当垂直接地极或深井接地121所有的接地导体是正常时，图形处理模块230输出的结果为图6(a)所示，当垂直接地极或深井接地121的某根接地导体发生故障，例如因腐蚀而变细时，输出的结果为图6(b)所示。可见当接地导体b发生腐蚀时，其地表磁感应强度明显低于正常时的值，该检测点的偏差度超过40％，提示该位置接地导体为故障状态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种检测垂直接地极或深井接地有效性的装置，其特征在于，产生激励电流的多频激励电源(100)的输出端通过铜棒电极(130)和具有垂直接地极或深井接地(121)的待测输电杆塔接地装置(120)构成回路；信号控制平台(210)与多频激励电源(100)电气连接，并分别与数据处理模块(240)和无线通信模块(250)数据连接；信号采集装置(270)通过信号处理模块(260)和无线通信模块(250)将所测信号输入信号控制平台(210)；

所述铜棒电极插入接地装置(120)边缘；一个以上信号采集装置(270)垂直地面每隔一定深度间隔紧靠在垂直接地极或深井接地(121)旁；

所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成，固定单元由三组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑，呈三维立体结构；测量单元由固定在绝缘板上的铁芯和探测线圈构成，每片绝缘板上用四颗螺母固定铁芯，铁芯上绕有探测线圈；

图形处理模块(230)与数据处理模块(240)数据连接；

所述信号采集装置在埋设接地装置施工时，随垂直接地极或深井接地一起深埋地下，用于长期对垂直接地极或深井接地有效性进行检测；

所述多频激励电源输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制。

2.采用权利要求1所述的检测垂直接地极或深井接地有效性的装置的检测方法，其特征在于，多频激励电源(100)调整频率及供应电流大小经电缆(110)注入接地装置(120)，利用所述信号采集装置(270)测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器(264)采集并提取信号，最后显示在图形处理模块(230)的上位机上并对垂直接地极或深井接地(121)有效性进行评估；

信号控制平台,通过分析对比由CDEGS计算得到的地中标准磁场强度分布，对垂直接地极或深井接地有效性进行评估；

图形处理模块通过数据处理模块得到地中标准磁场强度分布与故障情况下的地中磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中。