变电站接地网缺陷诊断系统

张大宁，刘 冉，蔡 静，张晓雷

(1.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061;2.大庆油田电力集团，黑龙江 大庆 163000;3.哈尔滨理工大学，黑龙江 哈尔滨 150080)

变电站接地网是电力系统安全运行重要组成部分。它不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共地电位参考，并且在系统发生故障时能快速将故障电流导入大地，并阻止变电站地电位升高。我国接地网一般采用扁钢、圆钢等钢质材料，此外碳棒材料也出现在新建变电站中［1－3］。随着年限增加，金属接地网容易发生腐蚀甚至断裂，给电力系统正常运行带来严重危害。如何根据变电站实际情况，采取有效措施诊断接地网腐蚀情况，是提高电网安全性、可靠性的一项重要研究课题。

为了检测接地网运行可靠性，国内外做了大量研究，有的根据接地网拓扑结构图，利用电路原理测量各接地导体的电阻［4－5］，但当接地网有断点时，由于断点处互电阻作用，测量结果变化并不明显。也有通过测量故障前后地电位变化来判断［6］，但实际接地网是一个复杂庞大的网状结构，一处断点对地电位改变很小，并且在检测时准确性、灵敏度不高，很难准确确定接地网发生缺陷的部位。有些使用X射线和超声波对接地网进行检测，但现场金属设备较多，实际测量效果并不理想。本文通过电磁感应原理将实际测量数据与CDEGS仿真结果进行对比，提出了一种不挖开、不停电情况下对接地网缺陷进行诊断的方法，准确测出接地网缺陷部位。

1 硬件检测系统

1.1 基本原理

假设接地网地表x方向磁感应强度分量为

式中:fC是检测系统中心频率，也是异频激励电流源中心频率。线圈上总磁通为

线圈上感应出电动势为

则滤波器接收到电压信号为

式中:A为信号调理电路、滤波电路、放大电路总增益。将磁场强度转换为电压信号。

1.2 异频激励电流源中心频率选择

激励电流源中心频率和磁场强度之间是非线性关系，如图1所示。

由图1可知，当中心频率小于11 kHz时，磁场强度下降不明显。当中心频率大于11 kHz时，磁场强度大幅下降。因此，选择中心频率应小于11 kHz。

变电站本身电磁干扰也十分复杂，主要包括变电站正常操作、故障时产生的电磁干扰以及二次设备产生的干扰。干扰主要包括工频和其他奇次谐波。为了避开这些干扰，将激励源中心频率选为300 Hz。

1.3 硬件基本结构

工程中，信号需要经过以下几个环节处理，才能有效将电流源激励信号保留下来，图2为系统硬件流程图。

为了抑制工频干扰，引入了50 Hz陷波电路。陷波电路具有正反馈双T结构，其特点是Q值不固定，可在一定范围内调节。Q表示谐振陡峭程度，又称为极点Q。电路如图3所示，电路传递函数为

当ω=ω0时，H(jω)=0，这时电路能去除频率的信号。当K值逼近1时，电路Q值增加，从而实现窄带滤波效果。陷波器幅频特性曲线见图4。其中，f0为50 Hz的中心频率。

带通滤波器采用巴特沃斯滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅对数对角频率波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随角频率增加而逐步减少，趋向负无穷小。

n阶巴特沃斯低通滤波器振幅和频率关系可用如下公式表示:

式中:G表示滤波器增益;H表示传递函数;j为虚数单位;n表示滤波器级数;ω为信号角频率，以rad/s为单位;ωc是振幅下降3 dB时的截止频率。

根据衰减度可求出滤波器的阶数［7－8］，令1/A=Gn(ω)，则阶数n为

图5为巴特沃斯6阶滤波器频率响应曲线。

图5 频率响应曲线

2 CDEGS在接地网中的仿真

2.1 CDEGS简介

CDEGS软件是由加拿大SES公司开发解决电力系统接地、电磁场和电磁干扰等工程问题的工具软件，能够计算并分析各种接地系统参数，如地表电位、接触电压、跨步电压、接地阻抗、故障电流分布。在电力系统中用途十分广泛［9－10］。

CDEGS主要由8个核心模块组成。其中MALZ模块是频域接地分析模块。

利用MALZ模块仿真，可得到如下数据:

a.空间磁场分布;

b.导体与土壤电位分布;

c.导体中电流分布。

因此，对接地网进行仿真时，主要用MALZ模块计算地网在注入特定频率和大小的电流后的磁场分布。

2.2 注入抽出电流节点选择

实际现场测量时，由于多数接地网结构较为复杂，在远离电流注入、抽出点的位置，接地网支路电流较小，如图6所示，进而感应磁场很弱，导致测量时误差较大。

采用分块处理思想，将AC和BD2组节点分为2块。如从A中注入异频电流，从C中抽出电流。AC所在的网格电流较大，磁场强度便于读取。然后再选择BD2点注入抽出，从而保证BD所在区域测量精度。

2.3 接地网模型构建与仿真

计算中要用到土壤结构，导体位置、尺寸、土壤电阻率和相对磁导率，注入电流幅值和波形以及电流注入点位置等参数。

其中关于土壤电阻率的测量，确定大地模型和土壤参数是大型地网接地计算的首要工作，为了使模型能够较好反映实际大地土壤特性，应该利用多层模型代替以往的2层或3层模型，在实际测量中我们得到的数据是土壤电阻率为97 Ω·m(≤0.4 m)和95 Ω·m(≥0.4 m)。整个接地网面积为48×36 m2，用40×4 m2的镀锌扁钢。接地导体电阻率为1.78×10－7Ω·m，相对磁导率 μ=200，接地网埋深为0.8 m。建立接地网仿真模型，模拟A注入异频5 A电流，从C抽出。得出各支路导体电流分布，如图6所示，以及接地网各点磁场分布，如图8所示。

3 接地网试验

为了检测系统可行性，在大庆某35 kV变电站进行测试。该变电站已投运6年，接地网腐蚀情况较严重。接地网结构如图6所示。

向接地网注入5 A电流后，得出地表磁场强度分布，如图7所示。将所得数据输入CDEGS软件，并与理想状态仿真对比，如图8所示。对比两图，不难发现在图中箭头所指位置 (20，14.4)，两者数据相差较大。经挖开发现，接地网金属等效半径由0.014 m腐蚀为0.095 m，腐蚀率为32.1%。试验证明，本系统可以准确测量出腐蚀点位置。

图7 接地网出现腐蚀时地表磁场分布

图8 接地网理想状态时地表磁场分布

4 结束语

本文阐述了CDEGS软件功能和特点，开发了一套接地网腐蚀点测量系统，并对该方法可行性进行了理论仿真分析，通过试验和应用结果可得出以下结论。

a.通过试验测量与仿真对比得出磁场强度分布变化，但值得注意的是接地网是一个网状结构，单条支路电阻改变同时也影响到其他位置磁场强度分布，若单条支路腐蚀程度较轻，对其他支路影响较小，可以忽略不计。当单条支路腐蚀较重时，会出现多个明显数据差异点，此时需进行多点测量。

b.与测量值相比较，差值越大越要反复测量，排除人为因素，判定接地网缺陷位置。

c.仿真与试验证明，通过电磁感应原理与CDEGS结合诊断接地网缺陷是可行的。

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