CN108896472A - 架空线路杆塔接地腐蚀检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，步骤包括解开目标杆塔的接地引下线，向接地极注入冲击电流、采集接地极的电压及电流波形并计算冲击接地电阻随时间的变化波形，冲击接地电阻随时间的变化波形采取小波分析方法分析提取其中各极大值点计算腐蚀或缺陷点位置x，腐蚀或缺陷点位置x小于目标杆塔的接地引下线的长度则判定腐蚀发生在目标杆塔的接地引下线上，否则判定腐蚀发生在目标杆塔的伸长接地体上，且在目标杆塔具有多根伸长接地体时进一步确定目标杆塔的腐蚀点数量及其腐蚀程度。本发明基于有损线行波折反射原理实现对杆塔接地体的腐蚀检测，无需开挖，具有检测准确度高、检测方便快捷、检测劳动强度低的优点。

Description

架空线路杆塔接地腐蚀检测方法

技术领域

本发明涉及电力工程技术，具体涉及一种架空线路杆塔接地腐蚀检测方法。

背景技术

杆塔接地体由于长期运行可能存在腐蚀甚至断裂等缺陷，导致接地不良或失地。但是，由于杆塔接地体深埋入地，开挖检测杆塔接地体一方面会危及杆塔，另一方面也存在工作量大的问题。因此如何实现针对杆塔接地体的无损检测，已成一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，本发明基于有损线行波折反射原理实现对杆塔接地体的腐蚀检测，无需开挖，具有检测准确度高、检测方便快捷、检测劳动强度低的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，实施步骤包括：

1)解开目标杆塔的接地引下线，并向接地极注入冲击电流；

2)采集接地极的电压波形以及电流波形；

3)根据电压波形以及电流波形计算冲击接地电阻得到冲击接地电阻随时间的变化波形，采取小波分析方法提取其中各极大值点对应的时间t并计算任意相邻两极值点时间差τ；

4)根据相邻两极值点时间差τ计算腐蚀或缺陷点位置x，判断腐蚀或缺陷点位置x小于目标杆塔的接地引下线的长度是否成立，如果成立则判定腐蚀发生在目标杆塔的接地引下线上，结束并退出；否则判定腐蚀发生在目标杆塔的伸长接地体上，跳转执行步骤5)；

5)判断目标杆塔是否具有多根伸长接地体，如果目标杆塔具有多根伸长接地体则跳转执行步骤6)；否则，结束并退出；

6)将冲击接地电阻随时间的变化波形和预设的故障波形进行对比，所述预设的故障波形包括不同腐蚀点数量以及不同腐蚀程度下的冲击接地电阻随时间的变化波形，从而确定目标杆塔的腐蚀点数量及其腐蚀程度。

优选地，步骤1)中向接地极注入的冲击电流波形逼近雷电波、幅值达10A以上。

优选地，步骤4)中计算腐蚀或缺陷点位置x的函数表达式如式(1)所示；

x＝vτ/2 (1)

式(1)中，x表示腐蚀或缺陷点位置，v表示冲击电流波在接地体上的传播速度τ表示相邻两极值点时间差。

和现有技术相比，本发明具有下述有益效果：本发明架空线路杆塔接地腐蚀检测方法基于有损线行波折反射原理实现对杆塔接地体的腐蚀检测，无需开挖，具有检测准确度高、检测方便快捷、检测劳动强度低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例方法中伸长接地体的有损长线模型。

图3为本发明实施例中冲击接地电阻随时间变化关系的曲线实例。

图4为本发明实施例中伸长接地体的仿真模型示意图。

图5为本发明实施例中注入电流和测量电压波形的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例架空线路杆塔接地腐蚀检测方法的实施步骤包括：

1)解开目标杆塔的接地引下线，并向接地极注入冲击电流；

2)采集接地极的电压波形以及电流波形；

3)根据电压波形以及电流波形计算冲击接地电阻得到冲击接地电阻随时间的变化波形，采取小波分析方法提取其中各极大值点对应的时间t并计算任意相邻两极值点时间差τ；

4)根据相邻两极值点时间差τ计算腐蚀或缺陷点位置x，判断腐蚀或缺陷点位置x小于目标杆塔的接地引下线的长度是否成立，如果成立则判定腐蚀发生在目标杆塔的接地引下线上，结束并退出；否则判定腐蚀发生在目标杆塔的伸长接地体上，跳转执行步骤5)；

5)判断目标杆塔是否具有多根伸长接地体，如果目标杆塔具有多根伸长接地体则跳转执行步骤6)；否则，结束并退出；

6)将冲击接地电阻随时间的变化波形和预设的故障波形进行对比，所述预设的故障波形包括不同腐蚀点数量以及不同腐蚀程度下的冲击接地电阻随时间的变化波形，从而确定目标杆塔的腐蚀点数量及其腐蚀程度。

本实施例中，步骤1)中向接地极注入的冲击电流波形逼近雷电波、幅值达10A以上。

本实施例中，步骤4)中计算腐蚀或缺陷点位置x的函数表达式如式(1)所示；

x＝vτ/2 (1)

式(1)中，x表示腐蚀或缺陷点位置，v表示冲击电流波在接地体上的传播速度，可取1.2×10⁸m/s，τ表示相邻两极值点时间差。

本实施例架空线路杆塔接地腐蚀检测方法基于有损线行波折反射原理实现对杆塔接地体的腐蚀检测，其检测原理如下：

一、杆塔接地体的有损传输线模型

杆塔接地装置长期运行在地下，运行环境恶劣，容易发生腐蚀，严重影响输电线路的防雷性能和安全。杆塔接地装置接地引下线与水平或垂直接地体的连接处，接地引下线本身及水平接地体均有可能发生腐蚀，准确判断接地系统的腐蚀状况并定位困难。目前主要测试其工频接地电阻，当接地体存在严重的腐蚀但为断裂时，接地电阻几乎不变，因此利用接地电阻的大小来判断接地体的腐蚀状况不可靠。工程上另一种方法就是大面积开挖来检查接地体的腐蚀状况，这种方法带有盲目性，工作量极大，还影响输电线路的安全运行。目前尚没有实用的杆塔接地体腐蚀检测方法及相应的仪器设备，必须有新的方法以解决工程实际中杆塔接地体腐蚀检测问题。高压输电线路杆塔接地装置在土壤电阻率300<ρ<2000Ω.m时通常采用伸长接地体，埋深不小于0.5m，而在ρ>2000Ω.m的地区则采用6-8根放射线或伸长接地体。杆塔接地系统在雷电冲击下的散流取决于接地装置的类型及其伸长接地体，伸长接地体存在火花效应和电感效应，杆塔接地的冲击接地电阻与伸长接地体密切相关，由伸长接地体的冲击接地电阻和冲击利用系数给出。伸长接地体在雷电冲击下应考虑沿接地体波的流动过程，可按照有损长线模型处理，参见图2，其中R₀、L₀、G₀、C₀分别其单位长度的电阻、电感、电导和电容，其取值分别如式(2)所示：

对于钢接地体，存在强烈趋肤效应，单位长度的电阻R₀＝0.05Ω/m。

式(2)中，R₀、L₀、G₀、C₀分别为有损长线的单位长度的电阻、电感、电导和电容，μ为土壤导磁系数，可取μ＝4π×10^-7，ε为土壤的介电常数，一般可取ε＝9×8.89×10^-12，l为接地体长度，r为接地体半径，h为接地体埋深，ρ为土壤电阻率。

根据图2模型可得有损长线的基本波动方程如式(3)所示：

式(3)中，R₀、L₀、G₀、C₀分别为有损长线的单位长度的电阻、电感、电导和电容，u为有损长线的电压，i为有损长线的电流。采用拉氏变化求解可得伸长接地体上电压电流均为衰减的前行波与反行波叠加的结果，且波速如式(4)所示，波阻抗如式(5)所示，衰减因子δ和变形因子β如式(6)所示；

式(4)～式(6)中，R₀、L₀、G₀、C₀分别为有损长线的单位长度的电阻、电感、电导和电容。在土壤电阻率高的地区，波的衰减很慢，可忽略电阻R₀作用，如果在接地体首端加入一斜角波冲击电流i＝at，其中a为波头系数，t为时间，求解波动方程(3)式，并由卷积定理可求得接地体首端的电压及呈现的冲击电阻如式(7)所示；

式(7)中，u_x(t)为接地体首端的电压，a为冲击电流波头系数，t为时间，R(t)为首端呈现的冲击电阻，l为接地体长，ω_k为等效角频率，δ为衰减系数，R₀、L₀、G₀、C₀分别为有损长线的单位长度的电阻、电感、电导和电容。当电阻率较大时，接地体在冲击电流作用下，其接地电阻的值由无损线波阻抗向直流稳态电阻1/G₀l过度。例如当ρ＝1000Ω.·m的土壤中长为100m的水平接地体实测冲击接地电阻如图3所示。图3中曲线1是从一端注入电流，初始电阻大致等于波阻抗，曲线2是从接地体中间注入电流，初始电阻约为波阻抗的1/2；两种情况均可看出末端反射电压波的作用，在斜角电流波冲击下始端电压波不是单调的衰减，而是每隔一定时间有一个极大值，这实际上末端发生电压正的反射，反射波经过2τ(τ＝l/v)达到首端叠加，虽有衰减，但仍使首端电压幅值有所增大。实际上根据土壤电阻率的不同，杆塔接地伸长接地体的长度也是不同的，因为接地体长度有一个有效长度。及在一定的土壤电阻率下，如果末端反射回来的电压波对首端的影响已不明显，再加长接地体的长度将不起作用，这时的长度即为接地体的有效长度。所以杆塔接地体的长度通常为其有效长度或略长，再加长对散流不起作用，反而使电感效应增大；但其反射波对首端电压可认为没有影响，电压波不会出现叠加现象，冲击接地电阻随时间的变化也是逐渐衰减，无极大值点出现。

二、有损线波的折反射

无损线波的折反射，当电压波从波阻抗为Z₁的线进入波阻抗为Z₂的线时，其电压反射系数β如式(8)所示；

式(8)中，β为电压波从波阻抗为Z₁的线进入波阻抗为Z₂的线时的电压反射系数，且当Z₂>Z₁，发生正的电压波反射。

设开始时刻首端有一正向电压波u₁(t)＝u₀ε(t)以波速向水平接地体末端传播，其中u₀为电压波幅值，ε(t)为阶跃表达式，则线上任一点x处的电压如式(9)所示；

式(9)中，为线上任一点x处的电压，u₀为电压波初始幅值，α为衰减系数，ε(t-x/v)为x处波的阶跃表达式，x为接地体上某点到首端距离，v为波速，t为时间。

到达末端时，末端的第一反向波电压为如式(10)所示；该反行波到达始端，其电压如式(11)所示；

式(10)和式(11)中，为到达末端时末端的第一反向波电压，β为电压反射系数，l为接地体长度，ε(t-τ)为ε(t)延迟τ的表达式，ε(t-2τ)为ε(t)延迟2τ的表达式，τ为τ＝l/v。

在始端又发生反射向末端推进，由此循环往复。

始端电压为u(t)＝u₁(t)+u₁₍₁₎(t)+u₁₍₂₎(t)+......，每次衰减电压波叠加的时间间隔为2τ。若果是从水平放射线中间注入冲击电流，则注入点电压的极大值点间隔为τ。杆塔接地体实测冲击接地电阻波形如图3。一般情况下，由于散流的需要，伸长接地体略长于其有效长度，如果接地体中间无腐蚀或断点，在始端注入冲击电流作用下，末端反射电压波对始端无明显影响，始端电压波无明显极值点，不会出现图3所示的冲击接地电阻波形。

三、冲击电流作用下水平接地体的趋肤效应

高频电流在流经导体截面时并不像直流那样在导体上均匀分布，而是集中于表面，导体有效载流面积小于导体的几何截面积。伸长接地体在雷电冲击或注入冲击电流下,均存在强烈的趋肤效应，趋肤深度其中f为频率，γ为电导率，μ为磁导率。

四、冲击电流作用下水平接地体的趋肤效应

如果接地体某处存在腐蚀，由于铁锈的电导率小，对于高频电流而言，阻碍了电流向远处流散。设腐蚀段长度为b。则其电阻R如式(12)所示；

式(12)中，b为腐蚀段长度，r为腐蚀段接地体半径，μ为磁导率，f为频率，γ为电导率。

电感L如式(13)所示且增大；

电容C如式(14)所示且增大；

显然，腐蚀段波阻抗Z′大于未腐蚀的波阻抗Z；行波在该腐蚀点处发生电压正反射，其反射系数取决于腐蚀深度。当腐蚀深度发展到为趋肤深度时，对于冲击电流作用下的接地体相当于断裂，其电压反射系数β≈1。由于杆塔伸长接地体长度通常设计为其有效长度，当接地装置发生腐蚀，腐蚀点距冲击电流注入点x，该点处发生行波反射，注入点处测得的冲击电阻波形将如图3所示波形，存在极大值点，两极值点间的时间差为t＝2x/v，其中x为腐蚀点到电流注入点的距离，v为波速。进而，可以推导得出本实施例步骤4)中计算腐蚀或缺陷点位置x的函数表达式如式(1)所示。

本实施例中，伸长接地体的分布参数仿真模型如图4，接地体采用П分布参数电路(共包含20组分布参数)，参数设置为：L＝1.085uH，R＝0.1Ω，C＝450pF，G＝0.01S，注入电流和测量电压波形仿真结果如图5所示。根据电压波形以及电流波形计算冲击接地电阻得到冲击接地电阻随时间的变化波形，将接地电阻随时间的变化波形和预设的故障波形进行对比，即可确定目标杆塔的腐蚀点数量及其腐蚀程度。在预设的故障波形时，在各接地体上设置可能的腐蚀点，建立接地装置ATPDraw仿真模型，仿真出一点腐蚀、多点腐蚀、不同程度腐蚀状况下的冲击接地电阻波形，得到不同腐蚀点数量以及不同腐蚀程度下的冲击接地电阻随时间的变化波形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，其特征在于实施步骤包括：

1)解开目标杆塔的接地引下线，并向接地极注入冲击电流；

2)采集接地极的电压波形以及电流波形；

3)根据电压波形以及电流波形计算冲击接地电阻得到冲击接地电阻随时间的变化波形，采取小波分析方法提取其中各极大值点对应的时间t并计算任意相邻两极值点时间差τ；

4)根据相邻两极值点时间差τ计算腐蚀或缺陷点位置x，判断腐蚀或缺陷点位置x小于目标杆塔的接地引下线的长度是否成立，如果成立则判定腐蚀发生在目标杆塔的接地引下线上，结束并退出；否则判定腐蚀发生在目标杆塔的伸长接地体上，跳转执行步骤5)；

5)判断目标杆塔是否具有多根伸长接地体，如果目标杆塔具有多根伸长接地体则跳转执行步骤6)；否则，结束并退出；

6)将冲击接地电阻随时间的变化波形和预设的故障波形进行对比，所述预设的故障波形包括不同腐蚀点数量以及不同腐蚀程度下的冲击接地电阻随时间的变化波形，从而确定目标杆塔的腐蚀点数量及其腐蚀程度。

2.根据权利要求1所述的架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，其特征在于，步骤1)中向接地极注入的冲击电流波形逼近雷电波、幅值达10A以上。

3.根据权利要求1所述的架空线路杆塔接地腐蚀检测方法，其特征在于，步骤4)中计算腐蚀或缺陷点位置x的函数表达式如式(1)所示；

x＝vτ/2(1)

式(1)中，x表示腐蚀或缺陷点位置，v表示冲击电流波在接地体上的传播速度τ表示相邻两极值点时间差。