CN113325238B - 接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统，包括如下步骤：选择变电站接地网引下线作为电流注入点，在距离接地网边缘距离L₁处布置辅助电极，连接发射机，向接地网注入双极性方波电流；距离接地网边缘距离L₂处布置参比电极，连接接收机，采集接地网与参比电极之间的双极性电压波形；L₂＝0.5‑0.6L₁；对所测得的双极性电压波形进行叠加消噪处理；绘制电压衰减曲线；通过电压衰减曲线的暂态数据计算电压衰减时间常数τ；通过电压衰减曲线的稳态数据电压U₁和测得电流I₁，计算接地电阻R。本发明根据电压衰减时间常数τ评价接地网的整体腐蚀程度；通过接地电阻R评估接地网接地性能，实现对接地网状态的联合评估。

Description

接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统

技术领域

本发明涉及电力设备技术领域，特别是涉及一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统。

背景技术

我国电力系统接地网主要采用镀锌扁钢铺设，接地扁钢长期埋设在地下，因施工时焊接不良及漏焊、土壤腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，使得接地导体发生腐蚀断裂，造成散流能力下降，接地性能降低，影响人员及设备安全。

接地电阻值是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合规程要求的重要指标。一般人们把它定义为电流I经接地电极流入大地时接地电极的电位U和I的比值。如不考虑大地回路的影响，则当电流经接地电极流入大地时，接地电极的电位即为接地电极到无穷远处的电位差。

除了对接地阻抗进行测量来大致判断接地网状态外，目前，我国应用于接地网腐蚀状态检测的方法较多，其中有节点分析法、电磁场法、电化学法、强极化法等。其中节点分析法就是将接地网每个引下线看作节点，通过计算每个节点之间的电阻值然后与理论值对比，来对接地网腐蚀状态进行分析；电磁场法其通过人为地向接地网注入较大的电流，以获得较高的信噪比，从而对接地网断点情况进行分析；电化学法是从金属腐蚀的基本原理提出来的，其分析理论与方法已经比较成熟，广泛应用于实验室的定量计算。电化学法方法多样，包括塔菲尔曲线法、交流阻抗法、电化学噪声法等，目前电化学法应用于接地网腐蚀研究的主要方法为线性极化法；强极化法通过测量注入电流关断后接地网与土壤之间等效双电层电容放电的时间常数τ来进行接地网的整体腐蚀程度评价。

总的来说，目前应用于接地网腐蚀检测的方法较多，但其测量的参数都较为单一，没有涉及到其参数与接地阻抗的一体化测量。由于强极化法测量方式与接地网接地阻抗测量方式相似，同为三极法向接地网注入电流，因此，只需要保证强极化法中参比电极位置为其辅助电极的0.5-0.6倍时，即可实现时间常数τ与接地阻抗R两个参数的同时测量。然后通过参数τ评估接地网的整体腐蚀状态，通过参数R评估接地网的接地网性能，从而实现对接地网的状态进行联合评估。

申请号，202010606091.9，公开号，CN 111693454 A；申请人：付能翼，专利名称：基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法及系统；

一种基于强极化技术的接地网整体腐蚀程度评价方法，该方法包括：步骤S1：获取欲检测的接地网的拓扑结构资料和接地材料的尺寸资料；步骤S2：在所述接地网附近埋设辅助电极C和参比电极B；步骤S3：给所述接地网和所述辅助电极C之间发射大电流信号，进行极化试验；步骤S4：接收所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号，得到检测数据；步骤S5：将所述检测数据叠加处理并绘制电压衰减曲线；步骤S6：将所述电压衰减曲线采用数据拟合方式进行数据处理得到电压衰减时间常数τ；步骤S7：将所述电压时间常数τ表面积归一化得到归一化时间常数τ₁；步骤S8：将所述归一化时间常数τ₁转换得到归一化腐蚀度η；步骤S9：根据所述归一化腐蚀度η评价接地网的整体腐蚀程度。

该专利申请技术的缺陷是，通过强极化这个方法，获得电压衰减时间常数τ；根据电压衰减时间常数τ评价接地网的整体腐蚀程度；不能测接地网的接地电阻，没有联合接地电阻实现对接地网状态的联合评估。

相关文献：中华人民共和国电力行业标准，DL/T 475《接地装置特性参数测量导则》。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明的目的是提供一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，既能测量电压衰减时间常数τ，根据电压衰减时间常数τ评价接地网的整体腐蚀程度；还能测接地网的接地电阻R；通过接地电阻R评估接地网接地性能，实现对接地网状态的联合评估。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤一：选择变电站接地网引下线作为电流注入点，在距离接地网边缘L₁的位置处布置辅助电极，向接地网和辅助电极注入双极性方波电流；

根据DL/T 475《接地装置特性参数测量导则》中的规定；

L₁＝3D～4D，D为接地网对角线的距离；

步骤二：在距离接地网边缘L₂的位置处布置参比电极，根据DL/T 475《接地装置特性参数测量导则》中电流-电压表法中直线法的规定；其中L₂＝0.5L₁-0.6L₁，采集接地网与参比电极之间的双极性电压波形；

步骤三：对所测量的接地网与参比电极之间的双极性电压波形进行叠加消噪处理；

步骤四：根据叠加消噪处理后的数据绘制电压衰减曲线；通过电压衰减曲线的暂态数据计算得到电压衰减时间常数τ；通过电压衰减曲线衰减前的稳态电压U₁和相应时间段内注入接地网的电流I₁，计算接地网的接地电阻R；

步骤五：利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数τ除以所述表面积s，得到归一化时间常数τ₁，计算τ₁相对于时间常数基准值τ₂的变化率δ；

步骤六：通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估。

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：步骤四以公式

计算接地网的接地电阻R，其中K为仪器的装置系数。

其中K由发射接收一体机出厂时确定，在相同的测试条件下，出厂测试的时候用它的接地电阻测量值与基准仪器(接地电阻测试仪)测量的接地电阻的比值；通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估。

时间常数基准值τ₂根据新修建的电站接地网的归一化时间常数进行确定。

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：所述步骤一中，所述双极性方波电流包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间。

将接地网与土壤之间等效为一个双电层电容，通过在接地网与辅助电极之间注入电流，测量当电流关断后接地网的电压衰减曲线，提取双电层电容放电的时间常数τ，从而实现对接地网整体腐蚀程度的评价。

将接地网和所述参比电极等效于双电层电容，所述接地网和所述参比电极之间的电压信号为双电层电容电压，双电层电容在等宽停供电区间放电。由于双电层电容放电的时间非常短，变电站中的工频以及其他干扰对强极化法的影响有限，因此强极化法的抗干扰能力较强。提升了系统的抗干扰能力，抑制了零点漂移，使测量的数据更加准确。

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：步骤五按公式(1)计算τ₁相对于时间常数基准值τ₂的变化率δ；

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：

步骤六按如下方法通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估；

当接地电阻R≤M则认为接地电阻R无异常，其中M为接地网设计时的理论接地电阻计算值，设计的时候用软件仿真获得，M由接地网图纸获得，接地网图纸缺失时可优选0.5Ω；δ≥0时认为接地网整体状态良好；

当接地电阻R无异常，-50％≤δ＜0％区间时，接地网整体腐蚀不明显；

当接地电阻R异常，-80％≤δ＜-50％时，需要对地网腐蚀情况进行进一步查验；

当接地电阻R异常，-100％≤δ＜-80％时，则认为接地网腐蚀严重。

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：步骤三采用如下方法对接地网与参比电极之间的双极性电压波形进行叠加消噪处理；

将所测电压信号按公式(2)求区间电压平均值U₀；

U₀＝(u_t1～t2-u_t3～t4)/2             (2)；

其中，u_t1～t2为正供电区和相应的等宽停供电区间测得的电压信号，u_t3～t4为负供电区和相应的等宽停供电区间测得的电压信号并与u_t1～t2相对应。

所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：步骤四获取等宽停供电区间的电压衰减曲线的暂态数据，通过如下公式(3)进行计算得到电压衰减时间常数τ；

其中，y代表电压衰减曲线上的电压值；A代表电压衰减曲线的峰值称为极化常数；x代表时间；τ代表电压衰减时间常数；c为平衡常数，代表电压衰减曲线衰减到最低点的值。利用最小二乘法对所述电压信号进行拟合得到电压衰减时间常数τ。

一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测系统，采用所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其关键在于：包括发射接收一体机；发射接收一体机的发射机连接辅助电极和接地网，向接地网和辅助电极注入双极性方波电流；发射接收一体机的接收机连接参比电极和接地网；采集接地网与参比电极之间的双极性电压波形；发射接收一体机连接有电脑或者是嵌入式系统。

显著效果:本发明提供了一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统，既能测量电压衰减时间常数τ，根据电压衰减时间常数τ评价接地网的整体腐蚀程度；还能测接地网的接地电阻R；通过接地电阻R评估接地网接地性能，实现对接地网状态的联合评估。

附图说明

图1为本发明的测量方法图；

图2为接地网与辅助电极之间的双极性方波电流波形图；

图3为接地网与参比电极之间的双极性电压波形图；

图4为云南四个变电站的-δ以及投运年限直方图；

图5为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1-图5所示，一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法与系统。

包括一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测系统，采用三电极法测量，其中接地网作为工作电极，也称公共电极，另外需要布置辅助电极即不锈钢电极与参比电极即配置饱和硫酸铜溶液的极罐。使用仪器为发射接收一体机，其连接有笔记本电脑。

根据DL/T 475《接地装置特性参数测量导则》三电极法中的直线法布置辅助电极和参比电极。

其步骤为：

①先选择变电站接地网引下线作为电流注入点(工作电极)，接地网对角线20米，在距离接地网边缘80米的位置处布置辅助电极，连接发射机，向接地网注入双极性方波电流。所述双极性方波电流为强极化电流，包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间。向接地网注入的电流在1A左右。优选32Hz作为注入电流频率。

②距离接地网边缘40米的位置处布置参比电极，连接接收机，采集在向地网注入电流期间接地网与参比电极之间的双极性电压波形以及注入地网电流的波形。其测量方式如图1所示。

用于接地网腐蚀检测的强极化法，将接地网与土壤等效为一个双电层电容，通过测量等效双电层电容的放电曲线提取时间常数τ，从实现而对接地网整体腐蚀情况的评估。

③由于施加的是如图2所示的双极性方波，所述双极性方波包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间；其中单个周期内的输出波形由t₁正供电、t₂停供电、t₃负供电、t₄停供电这四个等宽供电区间构成，其中设定t₂和t₄停供电区间的目的在于测量断电后接地网的电压衰减曲线，同时通过t₁正供电区间与t₃负供电区间的方式极大地提升了系统的抗干扰能力，抑制了零点漂移，使测量的数据更加准确。故对所测量的参比电极与接地网之间的电压波形进行叠加消噪(u_t1～t2-u_t3～t4)/2处理后，理想情况下所测得的波形如图3所示。

所述接地网和所述参比电极B之间等效于连接有双电层电容，所述接地网和所述参比电极B之间的电压信号为双电层电容电压，双电层电容在等宽停供电区间放电。由于双电层电容放电的时间非常短，变电站中的工频以及其他干扰对强极化法的影响有限，因此强极化法的抗干扰能力较强。

④通过图3所测得的电压衰减曲线，即t_02～t₀₃区间的暂态数据，使用公式

进行拟合得到的时间常数τ。通过t_01～t₀₂区间的稳态数据电压U₁，除以t_01～t₀₂区间同时测得的注入接地网的电流I₁，以公式

计算接地网的接地电阻R。其中K为仪器的装置系数。

⑤利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数τ除以所述表面积s，得到归一化时间常数τ₁，以2019年10月投运的云南昭通荣兴变电站的实验数据为基准值τ₂，计算τ₁相对于基准值τ₂的变化率δ。

⑥通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估。按如下方法通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估；

当接地电阻R≤0.5Ω则认为R无异常，δ≥0时认为接地网整体状态良好；

当接地电阻R无异常，-50％≤δ＜0％区间时，接地网整体腐蚀不明显；

当接地电阻R异常，-80％≤δ＜-50％时，需要对地网腐蚀情况进行进一步查验；

当接地电阻R异常，-100％≤δ＜-80％时，则认为接地网腐蚀严重。

对云南省昭通市的四个变电站：甘顶500kV变电站、永丰500kV变电站、徐家坝220kV变电站、荣兴500kV变电站进行了实验测试，得到的实验结果如下表1：

表1各变电站时间常数相对于荣兴变电站变化率δ以及变电站

对比接地电阻R值可以发现，永丰变电站的值为1.129Ω，大于变电站设计规范所规定的0.5Ω，而其余变电站的接地电阻皆小于0.5Ω，联合时间常数的变化率δ值与接地电阻R来判断的话，仅有永丰变电站二者皆异常，因此判断除永丰变电站外，其余变电站的整体腐蚀情况较好。另外永丰变电站2010年投运，至2020年已有10年，且500kV电压等级较高，电磁环境恶劣，因此强极化法的判断结果也基本符合推测。故通过时间常数τ的变化率与接地电阻R联合判断，可以极大提高判断准确性。

绘制云南四个变电站的-δ以及投运年限直方图如图4所示：

图中δ值与变电站投运时间具有明显的相关性，其中投运时间越长，δ的值越小。同时考虑表1中这四个变电站所测得的接地电阻R的话，基于永丰变电站R与δ皆明显异常的情况，可以得出永丰变电站接地网整体可能发生了腐蚀的结论。

根据发明人实际操作来看，采用本发明的强极化双参数联合评估方法不但缩短了极距的布置距离。强极化法通过变电站接地引下线向地网注入电流，可实现电网状态的不停电，接地网非开挖式检测。其方便快捷，单人在一个小时左右就能完成对接地网的检测。

本发明采用双极性方波降噪，包括：

1)接地电阻测量，稳态电压U₁采用的是电流关断前信号；

2)本发明采用腐蚀检测法评估接地网的腐蚀程度；

3)接地电阻和腐蚀度检测共用三极测量装置；

4)接地电阻和腐蚀度共用同样的双极性激发波形，只是利用了接地网与参比电极之间稳态时间段和暂态时间段的响应数据。

最后，需要注意的是：以上列举的仅是本发明的具体实施例子，当然本领域的技术人员可以对本发明进行改动和变型，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：选择变电站接地网引下线作为电流注入点，在距离接地网边缘L₁的位置处布置辅助电极，向接地网和辅助电极注入双极性方波电流；

L₁＝3D～4D，D为接地网对角线的距离；

步骤二：在距离接地网边缘L₂的位置处布置参比电极，其中L₂＝0.5L₁-0.6L₁，采集接地网与参比电极之间的双极性电压波形；

步骤三：对所测量的接地网与参比电极之间的双极性电压波形进行叠加消噪处理；

步骤四：根据叠加消噪处理后的数据绘制电压衰减曲线；通过电压衰减曲线的暂态数据计算得到电压衰减时间常数τ；通过电压衰减曲线衰减前的稳态电压U₁和相应时间段内注入接地网的电流I₁，计算接地网的接地电阻R；

步骤五：利用被测接地网资料计算该接地网的表面积s，将所述电压衰减时间常数τ除以所述表面积s，得到归一化时间常数τ₁，计算τ₁相对于时间常数基准值τ₂的变化率δ；

步骤六：通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估；

按如下方法通过变化率δ与接地电阻R进行接地网的状态评估；

当接地电阻R≤M则认为接地电阻R无异常，δ≥0时认为接地网整体状态良好；其中M为接地网设计时的理论接地电阻计算值，M由接地网图纸获得，接地网图纸缺失时为0.5Ω；

当接地电阻R无异常，-50％≤δ＜0％区间时，接地网整体腐蚀不明显；

当接地电阻R异常，-80％≤δ＜-50％时，需要对地网腐蚀情况进行进一步查验；

当接地电阻R异常，-100％≤δ＜-80％时，则认为接地网腐蚀严重。

2.根据权利要求1所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：步骤四以公式

计算接地网的接地电阻R，其中K为仪器的装置系数。

3.根据权利要求1所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：步骤一中，所述双极性方波电流包括等幅等宽的正负方波和介于所述正负方波之间的等宽停供电区间。

4.根据权利要求3所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：所述双极性方波电流的频率为32Hz。

5.根据权利要求1所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：步骤五按公式(1)计算τ₁相对于时间常数基准值τ₂的变化率δ；

6.根据权利要求1所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：步骤三采用如下方法对接地网与参比电极之间的双极性电压波形进行叠加消噪处理；

将所测电压信号按公式(2)求区间电压平均值U₀；

U₀＝(u_t1～t2-u_t3～t4)/2             (2)；

其中，u_t1～t2为正供电区和相应的等宽停供电区间测得的电压信号，u_t3～t4为负供电区和相应的等宽停供电区间测得的电压信号并与u_t1～t2相对应。

7.根据权利要求1所述的接地网接地阻抗与腐蚀的一体化检测方法，其特征在于：步骤四获取等宽停供电区间的电压衰减曲线的暂态数据，通过如下公式(3)进行计算得到电压衰减时间常数τ；

其中，y代表电压衰减曲线上的电压值；A代表电压衰减曲线的峰值称为极化常数；x代表时间；τ代表电压衰减时间常数；c为平衡常数，代表电压衰减曲线衰减到最低点的值。

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