CN205941431U - 一种接地体检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种接地体检测系统，包括电连接的电流发射系统、信号接收系统及数据分析系统；所述电流发射系统包括电流输出单元、电流监测模块和电压监测模块，所述电流输出单元接于接地体相邻的两可触及节点之间；所述信号接收系统包括传感探头L、信号调理电路和示波模块A。采用本实用新型的检测系统在实际环形接地体和网格状接地体进行现场测试，其诊断结果与实际情况非常一致，误差在5％以内，能够快速有效地诊断接地体、接地体的断点、腐蚀信息，评估其安全性能。

Description

一种接地体检测系统

技术领域

本实用新型涉及电站技术领域，特别是指一种接地体检测系统。

背景技术

风电场塔体、塔架间及风电机组变电站都设置接地体，这些接地装置在风电机组安全运行中起着十分重要的作用，它不仅为整个风电机组内的各种电气设备提供一个公共的参考地满足工作需要，在机组系统短路或遭受雷击时还能迅速排泄故障电流并降低被保护区域的地电位升，保护工作区域技术工作人员的人身安全和各种电气设备的安全和正常运行。风电机组的接地装置一般为环形或小型网格状的接地体，通常利用扁钢或圆钢等材料焊接组成环路或网格，接地体一般埋入地下小于1米的深度，起到泄放故障电流、均压、和减小接地阻抗的作用。根据需要在接地体不同位置处有接地导体与地面的电气设备相连。当风电机组发生短路或遭受雷击等故障时，瞬间的大电流经接地体分散入地，从而起到对设备和工作人员安全保护的作用。但是钢质材料的接地体，在土壤中随投入运行年限的增加，易发生腐蚀，可能使接地导体截面积减小或断裂，破坏原有的设计结构，降低接地性能，丧失保护功能。

多年来，查找接地体的断点和腐蚀状态已成为电力部门一项重要的预防事故措施。电力部门诊断接地体腐蚀或断裂缺陷的常用方法就是过一定年限后抽样挖开检查，根据接地体分布土壤的大致结构和腐蚀率，凭经验估计接地体的腐蚀状态。这种方法具有盲目性，工作量大，需要消耗大量的人力、物力和财力，同时还受到现场运行条件的制约，很难准确的诊断接地装置的缺陷。

对于大型网格状接地体，研究人员也开展了大量研究工作，进行了一些新方法的尝试，例如，电化学方法、探地雷达方法、节点互阻抗法、地表电位方法、瞬变电磁方法等。上述方法为大型接地体的检测提供了一些思路，在实际运用中还存在诸多局限性，其中，电化学方法可分析项目少，只能获得局部的信息，探地雷达用于接地体的检测存在分辨率不足的问题，节点互阻抗法需要精准的接地体图纸，需要跟踪对比，且易受天气、土壤条件等因素的影响，检测周期长、效率低。在实际工程中，当接地体导体局部腐蚀或出现小断口时，地表电位变化较小，用于接地体的腐蚀状态和寻找断点也是困难的。电磁方法对于接地体整体腐蚀变细的状态也难以检测。

随着我国清洁能源的发展，风电场装机容量逐年增加，针对风电场接地体稀疏且多为环形的特点，简便、高效的检测风电场接地体的断点和腐蚀，是保障风电机组安全稳定运行的一个重要措施之一。

实用新型内容

本实用新型的目的就是针对上述现有技术的状况，提供一种接地体检测系统，包括电连接的电流发射系统、信号接收系统及数据分析系统；所述电流发射系统包括电流输出单元、电流监测模块和电压监测模块，所述电流输出单元接于接地体相邻的两可触及节点之间；所述信号接收系统包括传感探头L、信号调理电路和示波模块A，所述传感探头L的信号输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接示波模块A的输入端；

所述电流发射系统在接地体相邻可触及节点之间接入点频正弦电流发射源，直接注入点频正弦电流，所述信号接收系统接收点频正弦电流通过接地体在导体上方地表面邻近空间区域产生的点频信号，所述数据分析系统根据能否有效接收到发射的点频信号，诊断接地体的断点缺陷。

进一步地所述的电流输出单元包括电连接的整流滤波模块、功率逆变模块、变压滤波后输出模块、测量反馈模块、有效值采集模块、SPWM合成模块、PID控制模块、电流控制模块、主控制模块和波形合成模块。

进一步地，所述信号调理电路包括第一仪表运算放大器G1、机械选频滤波器F和第二仪表运算放大器G2，所述第一仪表运算放大器G1的输入端接传感探头L，输出端接机械选频滤波器F的输入端，机械选频滤波器F的输出端接第二仪表运算放大器G2的输入端，第二仪表运算放大器G2的输出端接示波模块A的输入端口。

进一步地，所述电流输出单元与市电连接，输出的电流为点频正弦电流。

本实用新型具有以下特点：

采用点频正弦电流发射源，通过接地体与地表面的引线可触及节点，直接注入电流发射信号；

基于法拉第电磁感应定律，机械滤波和放大技术，利用磁场探头接收接地体在地表面发射的点频信号，经过信号调理后得以提取和分辨。

基于电磁场和电路理论，依据测量结果，有计算机和软件系统进行数据的采集、存储、处理和分析，最终得到接地体、接地体的断点信息和腐蚀状态。

采用本实用新型的检测系统在实际环形接地体和网格状接地体进行现场测试，其诊断结果与实际情况非常一致，误差在5％以内，能够快速有效地诊断接地体、接地体的断点、腐蚀信息，评估其安全性能。

本实用新型是一个以发射源、接收机测量装置、计算机和仿真分析程序三者构成的一整套诊断测量系统。既可用于风电场环形接地体的断点和腐蚀状态诊断，也可用变电站接地体、输电铁塔、通讯塔及石化泵气站等接地体、接地体的检测和诊断。其方法简便、诊断效率高、工程实用性强。

附图说明

图1为环形接地体断点腐蚀检测原理示意图；

图2为电流发射系统原理结构图；

图3为信号接收系统结构图；

图4为腐蚀状态诊断数学分析原理图；

图5接地体断点腐蚀数据分析程序流程图；

图6断点诊断原理示例接地体；

图7断点诊断原理点频信号分布规律图。

附图标注：1-接地体、2-电流发射系统、3-信号接收系统、4-电流监测模块、5-电压监测模块、6-可触及节点。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种接地体检测系统及方法做进一步描述：该实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种接地体检测系统，包括电连接电流发射系统2、信号接收系统3及数据分析系统；所述电流发射系统包括电流输出单元、电流监测模块4和电压监测模块5，所述电流输出单元接于接地体相邻的两可触及节点6之间；所述信号接收系统包括传感探头L、信号调理电路和示波模块A，所述传感探头L的信号输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接示波模块A的输入端。

进一步地，所述的电流输出单元包括电连接的整流滤波模块、功率逆变模块、变压滤波后输出模块、测量反馈模块、有效值采集模块、SPWM合成模块、PID控制模块、电流控制模块、主控制模块和波形合成模块。

进一步地，所述信号调理电路包括第一仪表运算放大器G1、机械选频滤波器F和第二仪表运算放大器G2，所述第一仪表运算放大器G1的输入端接传感探头L，输出端接机械选频滤波器F的输入端，机械选频滤波器F的输出端接第二仪表运算放大器G2的输入端，第二仪表运算放大器G2的输出端接示波模块A的输入端口。

进一步地，所述电流输出单元与市电连接，输出的电流为点频正弦电流信号。

接地体检测系统的检测方法为：

步骤1：通过电流发射系统、信号接收系统查找接地体断点缺陷：在环形接地体的任意两点的可触及节点间注入点频正弦交变电流，以接地体作为信号发射天线；利用信号接收系统，在接地体上方地表面邻近空间区域探测接收这一信号；

步骤2：根据能否探测到点频信号，判断环形回路接地体有无断点及断点部位，能探测到点频信号的地表面下方接地体导体无断点，不能检测到该点频信号的地表面下方接地导体存在断点；

步骤3：依次对环形接地体所有相邻的两上引导体触点轮换施加同频及相同电流强度的激励；

步骤4：依次测量激励电流注入与抽出接地体触点间接地导体地表面上方的点频信号幅值，数据分析系统构建所有邻近触点间同频、同电流强度下的点频信号分布图，依据各段点频信号幅值得到各支路电流及阻抗，通过阻抗的对比，分析诊断各段导体的腐蚀状态。

所述数据分析系统分析数据的步骤为：

步骤1：进行开始和初始化；

步骤2：输入欲创建的数据存储文件名和接地体的环路可触及节点数；

步骤3：依次测量所有邻近触点发射点频信号的触点间电位差和对应的点频接收信号；

步骤4：全部测量结束后，创建方程组，根据求解信息分析各段导体的断点和腐蚀状态信息，绘制接地体结构图，并输出导体断点的信息和腐蚀状态信息，结束程序。

上述接地体检测系统，所述断点检测原理如下，当在附图6中的接地体可触及节点P处作为点频正弦电流施加注入点，可触及节点Q处作为点频正弦电流施加抽出点时，由电磁场数值计算可以得到附图7所示的接地体上方地表面点频发射信号的分布情况，可以看出，接地体导体地表面邻近区域，垂直于PQ段导体电流方向的点频信号呈现波浪式分布，并且对应每根导体地表面出现一个峰值。根据这一特点，向接地体注入点频正弦激励电流后，附图6中沿x方向任一位置，例如y＝60m的虚线测量接地体地表面所激发的点频信号分布，如果y方向的导体没有断点，则每段导体上方必然可以检测到一个点频峰值信号，否则，检测不到该峰值信号，则说明该段导体存在断点。对于简单的环形接地体利用上述原理，检测断点更为简便、快捷。

上述接地体检测系统，所述导体腐蚀状态检测原理的数学描述如下(参考附图4)，设待测接地体共计有n个可触及节点，依次编号为1、2、…、n，它们之间的阻抗依次记为Z12、Z23、…、Z(n-1)n，设依次在邻近两个触点端口施加同频、同电流强度if的激励后，每次均有两条电流支路，设其电流分别为：i₁₂和i′₁₂、i₂₃和i′₂₃，…，i_(n-1)n和i′_(n-1)n，端口电位差依次记为U12、U23、…、U(n-1)n。每次注入电流后，利用点频移动式微弱信号接收系统测量受试接地体所分析支路导体地表面对应的点频信号幅值，并分别记为：V1m、V2m、…、Vnm。

因激发磁场电流直接注入到接地体上，接地体的电阻率远小于土壤电阻率，可忽略土壤漏电流的影响，又接收机探头几何尺度远小于接地体几何尺度，各段接地体视为无限长直导体，以i、j触点间的导体为例，设注入点频信号为：

i_ij＝I_m sin(2πf_ct) (1)

支路导体上方地表面邻近空间区域磁场近似为：

式中r为接地体的埋地深度，(i＝1、2、…、n-1，j＝i+1)。

根据法拉第电磁感应原理，感应探头线圈传感器的感应电动势幅值为：

式中S为线圈的截面积，N为线圈匝数，fc为点频频率。

设接收到的该点频信号经信号调理后的总增益为G，则信号调理电路输出的点频信号幅值为：

由(1)-(4)式联立可得：

依次测量所有接地体段支路后，则可以建立如下向量矩阵方程组：

通过解方程组(6)可以分别得到环形接地体所有相邻可触及节点间的阻抗信息，经过与设计值比较，就可以实现对接地体导体腐蚀状态的诊断，由于本实用新型所施加的点频激励正弦电流直接注入到接地体金属导体上，金属导体的电阻率远小于土壤的电阻率，该实用新型所采用的接地体导体诊断方法几乎不受土壤及天气条件的影响，也不会受接地体触点间互阻抗的影响。

附图1为检测系统示意图，通过相邻可触及节点注入点频正弦激励电流后，一方面将两触及节点间的电位差信息作为原始数据输入到软件中，另一方面，在地表面手持点频测量接收系统沿接地体上方移动，观察点频信号的变化情况，能接收到点频信号的地表下导体无断点，不能接收到点频信号的地表下接地导体存在断点，以此判断环路断点缺陷。另外，通过点频信号的强弱对比，可以初步判断不同支路导体的点频电流大小，接收到的点频信号强，说明支路电流大，表明该支路导体无腐蚀或腐蚀较轻，反之，表明之路导体有腐蚀或腐蚀较严重。

附图2为电流发射系统，它有市电作为整机供电电源，先对市电50Hz220V的交流电进行整流和滤波处理，然后驱动功率逆变模块，经变压滤波后输出正弦波电流，所输出的电流大小和端口电位差分别由电流和电压监测模块显示读出，同时将端口电压采集存储到计算机软件中。测量反馈模块和有效值采集模块采集从输出模块输出的点频信号，传输给PID控制模块和电流控制模块，同时，主控制模块输出电流控制信号和波形控制信号，波形控制模块输出的信号同时传输给PID控制模块，由PID控制模块控制功率逆变模块的脉冲宽度和频率，已完成所需要的信号电流和频率控制。

附图3中，L为电感空芯线圈，采用直径0.3mm的漆包线在一个长200mm、宽100mm的骨架上，双线并饶2000匝而成，G1、G2为高精度仪表运算放大芯片，型号为AD622，F为机械滤波模块，其型号为MF-400，A为便携式示波表，其型号为FLUKE124。

附图5为接地体检测系统的数据分析流程图，首先，进行开始和初始化，然后，输入欲创建的数据存储文件名和接地体的环路可触及节点数，接下来，依次测量所有邻近触点发射点频信号的触点间电位差和对应的点频接收信号，全部测量结束后，创建(6)式的方程组，根据求解信息分析各段导体的断点和腐蚀状态信息，最后，绘制接地体结构图，并输出导体断点的信息和腐蚀状态信息，结束程序。

本实用新型属新能源检测技术领域。其技术方案是，首先在接地体相邻可触及节点之间接入点频正弦电流发射源，直接注入点频正弦电流，同时利用接收机系统接收该点频正弦电流通过接地体在导体上方地表面邻近空间区域产生的点频信号，根据能否有效接收到发射的点频信号，诊断接地体的断点缺陷。通过依次对所有相邻可触及节点间导体发射与接收点频信号，得到各段导体的阻抗信息，依据阻抗信息诊断导体的腐蚀状态。本实用新型操作简便，不受土壤参数、天气、节点间互阻抗等因素的影响，在不需要接地体图纸、不需跟踪测量对比以及不影响风电机组正常运行的情况下，快速、准确地对接地体或接地体的缺陷进行诊断，能满足实际现场的测量与诊断要求。

本实用新型除了应用于风电场稀疏环形接地体的断点、腐蚀等缺陷诊断外，还可以广泛应用于其它电力系统、石化、通信塔等接地工程网格状接地体或环形接地体的缺陷检测，确保施工质量以及隐患排查工作。

Claims (3)

1.一种接地体检测系统，其特征在于，包括电流发射系统、信号接收系统及数据分析系统；所述电流发射系统包括电流输出单元、电流监测模块和电压监测模块，所述电流输出单元接于接地体相邻的两可触及节点之间；所述信号接收系统包括传感探头L、信号调理电路和示波模块A，所述传感探头L的信号输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端连接示波模块A的输入端；

所述电流发射系统在接地体相邻可触及节点之间接入点频正弦电流发射源，直接注入点频正弦电流，所述信号接收系统接收点频正弦电流通过接地体在导体上方地表面邻近空间区域产生的点频信号，所述数据分析系统根据能否有效接收到发射的点频信号，诊断接地体的断点缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种接地体检测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括第一仪表运算放大器G1、机械选频滤波器F和第二仪表运算放大器G2，所述第一仪表运算放大器G1的输入端接传感探头L，输出端接机械选频滤波器F的输入端，机械选频滤波器F的输出端接第二仪表运算放大器G2的输入端，第二仪表运算放大器G2的输出端接示波模块A的输入端口。

3.根据权利要求1所述的一种接地体检测系统，其特征在于，所述电流输出单元与市电连接，输出的电流为点频正弦电流。