CN108387817A - 一种基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法，基于注入电流式多场耦合原理，通过向接地网注入脉冲电流，由脉冲电流和脉冲磁场作用产生力声源，力声源产生声信号，通过声信号特征判断接地网状态。故障诊断装置置于接地网上方地面，脉冲电流源的输出端连接接地网接地引下线，发射的脉冲电流在地下接地网内流动并产生脉冲磁场，脉冲电流和脉冲磁场在接地网金属中产生振动力声源，力声源激发的声信号由布置在接地网上方地面的声传感器阵列接收。声信号接收电路对声信号进行宽带低噪声放大、带通滤波及模数转换。数据处理及故障诊断单元根据接地网完好、腐蚀及断裂情况下检测到声波的不同来判断腐蚀情况，提取异常信号，诊断接地网的故障。

Description

一种基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法及装置

技术领域

本发明涉及一种接地网故障诊断，特别涉及一种注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法及装置。

背景技术

接地网在电力系统安全可靠运行方面起着重要的作用，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。目前，镀锌钢是国内变电站地网较为常用的接地导体材料，经过长时间的运行，在多雨和沿海地区，随着使用年限的增加，易发生腐蚀，按照土壤腐蚀性的强弱不同，接地导体在土壤中的年腐蚀率在2.0mm-8.0mm间不等，严重时甚至会发生断裂，除此之外，在施工过程当中地网的不良焊接、虚焊、漏焊以及来自土壤的腐蚀、接地短路电流的电动力作用等，可引起地网各均压带之间或接地引下线与均压带之间存在电气连接不良的故障点，不可避免的导致地网的安全性能遭到严重破坏，原来经过精心设计的接地网由于结构被改变，不能为故障电流和雷电流提供有效的泄流通道，人身安全和设备安全受到严重威胁。

一旦发生由于接地网故障导致电力系统事故，后果是较为严重的。短路电流通过接地引下线流入地网，地网故障而不能快速泄流就会导致电力系统中性点发生偏移电位升高，同时地面电位升高，给变电运行人员的人身安全带来严重威胁。而反击过电压和电缆皮环流造成二次设备的绝缘能力遭到破坏，同时高压窜入控制室，因其监测和控制设备误动作或拒动从而扩大事故范围，造成巨大的经济损失和社会影响。在我国，因接地网腐蚀、发生断裂等缺陷引起的电力系统的事故时有发生，每次事故都会造成巨大的经济损失，每次造成的直接经济损失都在几百万元至几千万元。

对接地网进行缺陷诊断，既具有宏观性，即要整体评估接地网的状态，又具有微观性，即准确定位缺陷所在位置，需要通过宏观测量接地网的状态量对接地网微观下的局部腐蚀情况或断点位置进行诊断。而接地网一般面积很大，又深埋在土壤中，直接检测难度大、工作量大，局部的缺陷对于接地网整体特征参量的影响不大，即整体测量接地网的参数难以反映局部特征，目前对于接地网缺陷的各种诊断方法准确性不高，灵敏度较低。

目前电网故障诊断方法主要有电网络方法、电磁场方法以及电化学方法等。电网络方法在强屏蔽或者散流作用下，同时由于接地网间互电阻作用，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的变化，接地网导体局部出现断口时地表电位差变化很小，故接地网局部发生腐蚀断裂时很难仅仅通过外部接地电阻、跨步电势、电位分布、接触电势等参数进行准确判断。现有电磁场方法直接应用接地网腐蚀前网络拓扑和各边界条件引入麦克斯韦方程，得到接地网的地表电位分布或磁场分布，然后通过测量与计算结果的比较，进行腐蚀程度的判断。在获得各点电位分布的同时，能够很好地了解电网的运行状况。但是电磁场具有矢量特性，很容易受到外界干扰，影响测量的准确性进而影响腐蚀程度的判断。而传统的电化学测量系统也难以准确的测量地网金属的腐蚀状态。

因此，在变电站接地系统建成后以及运行期间，需要通过现场试验、计算分析等手段对接地网的运行状态进行检测，并对接地网可能出现的故障及时做出诊断。为此，在避免开挖接地网且检测过程中不影响电力系统正常安全运行的情况下，能快速准确的测试与接地网相关的电气参数，得到接地网范围地下介质结构分布情况，并进行高分辨率成像，可准确得到接地网状态分布情况十分必要。

目前关于接地网检测成像方法及系统，重庆大学进行了接地网电阻抗成像方法的研究，将电阻抗成像测量原理中的电流注入方式、循环测量方式用于接地网腐蚀诊断。该方法为接地网的故障诊断提供了一个全新的思路，即通过直接成像直观进行判断。但在其相关文献中提到该方法目前能判断出接地网导体腐蚀的大概区域，还不能准确确定腐蚀的具体位置，也不能确定支路的腐蚀程度，还需进一步改进。

目前的文献中，有学者探索将地球物理探测成像中的瞬变电磁法法用于接地网的探测，瞬变电磁法属于时间域电磁法，研究一次磁场激励下产生的二次磁场与时间的变化关系，从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态。瞬变电磁法的提出主要应用于油气勘探、矿产勘查、工程勘察、环境调查、考古探测、军事探测等诸多方面。电力系统接地网一般埋深较浅，属于超浅层探测，由于传统的瞬变电磁法需研究瞬变电磁信号的早期特征，在进行浅层探测时对发射信号关断沿要求非常高，同时存在一次场与二次场难分离的问题，实践证明，传统的瞬变电磁法并不胜任浅层探测，同时瞬变电磁法用于地球物理探测对分辨率的要求远比接地网成像要低。

关于磁场与声场的耦合技术，目前的研究主要集中在生物医学领域，而在接地网检测中还未见报道。采用磁场与声场耦合效应进行接地网检测与生物医学成像具有明显不同，导致了检测方法和装置的不同，首先接地网是处于土壤介质中，而生物目标体处于空气中，导致目标体激发声场特性有所不同；其次，接地网的空间结构特性决定了目标体探测深度的增加；最后，接地网目标体为金属，需同时考虑电导率和磁导率参数，而生物目标体是利用不同组织电导率不同进行成像，且电导率较低，接地网是利用完好、腐蚀、断裂等不同情况下产生力源包括洛伦兹力和磁致伸缩力等的不同，导致声波异常，对接地网状态进行判断。

发明内容

本发明的目的是弥补现有接地网诊断装置的不足，提出一种基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明方法基于注入电流式多场耦合原理，向接地网注入脉冲电流，激励激发脉冲电流及脉冲磁场，在脉冲电流和脉冲磁场共同作用下产生力声源。力声源产生声信号，接收由力声源所激发的声信号，分析不同脉冲激励参数、不同接地网结构和状态，包括完好、腐蚀、断裂等情况下的力声源和声传播特性，根据振速、声波在接地网导体、土壤、空气的耦合特性，建立所检测声波信号与接地网状态的对应关系，判断接地网完好、腐蚀及断裂状态；并通过对异常声信号的提取，实现对接地网状态的评估。

应用本发明方法的接地网故障诊断装置包括脉冲电流源、接地引下线注入端、声传感器阵列、声信号接收电路和数据处理及故障诊断单元。所述的故障诊断装置置于接地网上方地面，脉冲电流源的输出端通过接地引下线注入端连接到接地网接地引下线，发射的脉冲电流在地下接地网内流动并产生脉冲磁场，脉冲电流和脉冲磁场在接地网金属中产生振动力声源，包括洛伦兹力和磁致伸缩力等，力声源激发声信号，由多个声传感器布置在接地网上方地面组成声传感器阵列，声传感器阵列接收接地网产生的声信号，声接收阵列的输出端与超声信号接收电路的输入端相连，声信号接收电路对声信号进行宽带低噪声放大、带通滤波及模数转换处理。声信号接收电路的输出端与数据处理及故障诊断单元相连接，根据接地网完好和腐蚀及断裂情况下所检测到声波的不同来判断腐蚀情况，通过异常信号提取及接地网的故障诊断，最终来判断接地网腐蚀和断裂等缺陷情况。

所述脉冲电流源包括信号发生单元、信号放大单元、放电开关、储能单元和放电匹配网络。信号输入端连接供电电源，供电电源向信号发生单元、信号放大单元和储能单元供电。脉冲电流源由接地引下线注入端通过接地网接地引下线向接地网注入脉冲电流。信号发生单元的输出端连接信号放大单元的输入端，信号放大单元的输出端连接放电开关的控制端，放电开关的输出端连接储能单元的输入端，储能单元的输出端连接放电匹配网络的输入端，放电匹配网络的输出端连接接地引下线注入端的一端，接地引下线注入端的另一端连接接地网接地引下线的一端，接地网接地引下线的另一端连接位于地下的接地网。

所述的声信号接收电路包括宽带低噪声放大器、带通滤波器和模数转换单元。由力声源激发的声信号被声传感器阵列接收，声传感器阵列的输出端连接宽带低噪声放大器的输入端，宽带低噪声放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接模数转换电路的输入端；声传感器阵列接收到的声信号经过宽带低噪声放大器进行信号放大，宽频低噪声放大器的输出端输出信号输入至带通滤波器，进行带通滤波，带通滤波器的输出端输出信号输入至模数转换单元，模拟信号经模数转换电路转换成数字信号输送至数据处理及故障诊断单元。

所述数据处理及故障诊断单元包括处理器、信号异常提取模块和接地网故障诊断模块。数据处理及故障诊断单元对接收到的声信号数据进行分析处理，提取异常信号，通过接地网完好、腐蚀或断裂等不同情况时，在脉冲电流和脉冲磁场作用下，产生不同的力声源，分析对比不同力声源所产生的声信号的差别，对接地网的状态进行诊断。处理器的输出端与信号异常提取模块的输入端相连，信号异常提取模块的输出端与接地网故障诊断模块的输入端相连，由接地网故障诊断模块最终输出接地网的状态。

本发明基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法和装置在不开挖的情况下实现地下超浅层接地网的故障诊断，通过不同状态包括完好、腐蚀、断裂等情况下，产生不同特性的力声源。根据所接收到声信号的不同特性实现对接地网的状态评价。

附图说明

图1本发明注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法原理图；

图2本发明接地网故障诊断装置示意图；

图3本发明接地网故障诊断装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法基于注入电流式多场耦合原理，向接地网注入脉冲电流，接地网被注入脉冲电流后，激发脉冲电流及脉冲磁场，在脉冲电流和脉冲磁场共同作用下，产生力声源，包括洛伦兹力等力声源。接收力声源激发的声信号，进行异常信号提取，通过声信号特征来判断接地网完好、腐蚀及断裂等不同状态，实现接地网故障诊断。

如图2所示，本发明接地网故障诊断装置包括脉冲电流源、接地引下线注入端、声传感器阵列、声信号接收电路和数据处理及故障诊断单元。所述的故障诊断装置置于接地网上方地面，脉冲电流源的输出端通过接地引下线注入端连接到接地网接地引下线。脉冲电流源发射的脉冲电流在地下接地网内流动并产生脉冲磁场。由于接地网完好、腐蚀或断裂等不同情况下，脉冲电流和脉冲磁场在接地网金属中产生振动力声源，包括洛伦兹力和磁致伸缩力等，力声源激发声信号，由多个声传感器布置在接地网上方地面组成声传感器阵列，声传感器阵列接收接地网产生的声信号，声接收阵列的输出端与超声信号接收电路的输入端相连，声信号接收电路对声信号进行宽带低噪声放大、带通滤波及模数转换处理。声信号接收电路的输出端与数据处理及故障诊断单元相连接，根据接地网完好和腐蚀及断裂情况下所检测到声波的不同来判断腐蚀情况，通过异常信号提取及接地网的故障诊断，最终判断接地网腐蚀和断裂等缺陷情况。

如图3所示，所述脉冲电流源包括信号发生单元、信号放大单元、放电开关、储能单元、放电匹配网络和接地引下线注入端。脉冲电流源通过接地网接地引下线向接地网注入脉冲电流：信号发生单元的输出端连接信号放大单元的输入端，信号放大单元的输出端连接放电开关的控制端，放电开关的输出端连接储能单元的输入端，储能单元的输出端连接放电匹配网络的输入端，放电匹配网络的输出端连接接地引下线注入端的一端，接地引下线注入端的另一端连接接地网接地引下线的一端。接地网接地引下线的另一端连接位于地下的接地网。

如图3所示，所述声信号接收电路包括宽带低噪声放大器、带通滤波器和模数转换单元：由力声源激发的声信号被声传感器阵列接收，声传感器阵列的输出端连接宽带低噪声放大器的输入端，宽带低噪声放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接模数转换电路的输入端；声传感器阵列接收到的声信号经过宽带低噪声放大器进行信号放大，宽频低噪声放大器的输出端输出信号输入至带通滤波器，进行带通滤波，带通滤波器的输出端输出信号输入至模数转换单元，模拟信号经模数转换电路转换成数字信号输送至数据处理及故障诊断单元。

如图3所示，所述数据处理及故障诊断单元包括处理器、信号异常提取模块和接地网故障诊断模块，数据处理及故障诊断单元对接收到的声信号数据进行分析处理，提取异常信号，通过接地网完好、腐蚀或断裂等不同情况时，在脉冲电流和脉冲磁场作用下，产生不同的力声源，分析对比不同力声源所产生的声信号的差别，对接地网的状态进行诊断；处理器的输出端与信号异常提取模块的输入端相连，信号异常提取模块的输出端与接地网故障诊断模块的输入端相连，由接地网故障诊断模块最终输出接地网的状态。

Claims (5)

1.一种基于注入电流式多场耦合的接地网故障诊断方法，其特征在于，所述方法基于注入电流式多场耦合原理，向接地网注入脉冲电流，激励激发脉冲电流及脉冲磁场，在脉冲电流和脉冲磁场共同作用下产生力声源；力声源产生声信号，接收由力声源所激发的声信号，分析不同脉冲激励参数、不同接地网结构和状态，包括完好、腐蚀、断裂情况下的力声源和声传播特性，根据振速、声波在接地网导体、土壤、空气的耦合特性，建立所检测声波信号与接地网状态的对应关系，判断接地网完好、腐蚀及断裂状态；并通过对异常声信号的提取，实现对接地网状态的评估。

2.应用权利要求1所述方法的接地网故障诊断装置，其特征在于，所述的接地网故障诊断装置包括脉冲电流源、接地引下线注入端、声传感器阵列、声信号接收电路和数据处理及故障诊断单元；故障诊断装置置于接地网上方地面，其脉冲电流源的输出端通过接地引下线注入端连接到接地网接地引下线，接地网接地引下线和位于地下的接地网连接；脉冲电流源发射的脉冲电流在接地网内流动并产生脉冲磁场，脉冲电流和脉冲磁场在接地网金属中产生振动力声源，力声源激发声信号；由多个声传感器布置在接地网上方地面组成的声传感器阵列接收接地网产生的声信号，声接收阵列的输出端与声信号接收电路的输入端相连，声信号接收电路对声信号进行宽带低噪声放大、带通滤波及模数转换处理；声信号接收电路的输出端与数据处理及故障诊断单元相连接，根据接地网完好、腐蚀及断裂情况下所检测到声波的差别来判断接地网的腐蚀情况，提取异常信号，对接地网进行故障诊断。

3.根据权利要求2所述的接地网故障诊断装置，其特征在于，所述脉冲电流源包括信号发生单元、信号放大单元、放电开关、储能单元、放电匹配网络和接地引下线注入端；信号发生单元的输出端连接信号放大单元的输入端，信号放大单元的输出端连接放电开关的控制端，放电开关的输出端连接储能单元的输入端，储能单元的输出端连接放电匹配网络的输入端，放电匹配网络的输出端连接接地引下线注入端的一端，接地引下线注入端的另一端连接接地网接地引下线。

4.根据权利要求2所述的接地网故障诊断装置，其特征在于，所述声信号接收电路包括宽带低噪声放大器、带通滤波器和模数转换单元；宽带低噪声放大器的输入端连接声传感器阵列的输出端，宽带低噪声放大器的输出端连接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端连接模数转换电路的输入端；声传感器阵列接收到的声信号经过宽带低噪声放大器进行信号放大；宽频低噪声放大器的输出端输出信号至带通滤波器，进行带通滤波，带通滤波器的输出端输出信号至模数转换单元，模拟信号经模数转换单元转换成数字信号，输送至数据处理及故障诊断单元。

5.根据权利要求2所述的接地网故障诊断装置，其特征在于，所述数据处理及故障诊断单元包括处理器、信号异常提取模块和接地网故障诊断模块；处理器的输出端与信号异常提取模块的输入端相连，信号异常提取模块的输出端与接地网故障诊断模块的输入端相连，由接地网故障诊断模块最终输出接地网的状态。