基于地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的 變電站接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 接地網(wǎng)是變電站的重要組成部分，它為變電站內(nèi)各類(lèi)設(shè)備提供一個(gè)公共電位參考 點(diǎn)，在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或遭受雷擊時(shí)提供電流泄放通道，其工作的可靠性對(duì)電力系 統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響重大。
[0003] 變電站接地網(wǎng)長(zhǎng)期埋于地下，受到土壤的電化學(xué)作用而常常發(fā)生腐蝕。接地網(wǎng)的 腐蝕是一個(gè)漸變的過(guò)程，被腐蝕至一定程度則產(chǎn)生故障，更嚴(yán)重時(shí)發(fā)生斷裂。我國(guó)現(xiàn)有接地 網(wǎng)多采用鍍鋅扁鋼材料，且大部分變電站接地網(wǎng)已運(yùn)行5-10年，在不同程度上存在著腐蝕 變細(xì)甚至斷裂等缺陷。同時(shí)，在接地網(wǎng)的焊接施工過(guò)程中，也可能存在著連接點(diǎn)虛焊、漏焊 的問(wèn)題，在土壤的腐蝕作用下導(dǎo)致多根導(dǎo)體的連接點(diǎn)斷開(kāi)。以上各類(lèi)缺陷均會(huì)造成接地網(wǎng) 接地性能的降低，甚至?xí)饑?yán)重事故的發(fā)生。如何準(zhǔn)確有效地發(fā)現(xiàn)變電站接地網(wǎng)中存在 的故障，進(jìn)而有針對(duì)性地采取防護(hù)措施已成為電力行業(yè)現(xiàn)有接地網(wǎng)運(yùn)維工作中最為突出的 問(wèn)題。
[0004] 當(dāng)前在工程應(yīng)用中，往往通過(guò)大面積挖開(kāi)接地網(wǎng)對(duì)接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)， 這種方法較為盲目，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間停電檢修而帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失。此外，根 據(jù)變電站接地網(wǎng)的散流特性，一些新的接地網(wǎng)故障檢測(cè)方法也陸續(xù)出現(xiàn)，可以分為電網(wǎng)絡(luò) 分析法、電磁場(chǎng)分析法兩大類(lèi)。電網(wǎng)絡(luò)分析法主要根據(jù)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與支路電阻數(shù)據(jù)建 立故障診斷方程，結(jié)合相應(yīng)優(yōu)化算法求解該方程獲取導(dǎo)體支路電阻變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障 診斷。但在實(shí)際應(yīng)用中接地網(wǎng)并不是所有節(jié)點(diǎn)都有上引導(dǎo)體，因此難以獲取每條支路電阻 的精確值，從而限制了該方法的應(yīng)用。電磁場(chǎng)分析法則通過(guò)接地引上線，向接地網(wǎng)注入激勵(lì) 電流，測(cè)量該電流激發(fā)的接地網(wǎng)地表的電位分布或磁場(chǎng)分布，對(duì)接地網(wǎng)存在的腐蝕故障進(jìn) 行診斷。地表電位法需要測(cè)量大量的地表電位數(shù)據(jù)，尋找數(shù)據(jù)突變點(diǎn)進(jìn)行故障診斷。而實(shí) 際變電站接地網(wǎng)面積較大，且多為水泥地面，難以獲取地表電位的準(zhǔn)確值，從而影響了該方 法的診斷精度。磁場(chǎng)法則測(cè)量導(dǎo)體正上方地表上垂直于導(dǎo)體的磁場(chǎng)水平分量，根據(jù)磁感應(yīng) 強(qiáng)度的分布特征對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行故障診斷。該方法不受地表?xiàng)l件限制，可以在不停電的情況 下實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體各類(lèi)斷裂故障的診斷，具有較高的準(zhǔn)確度與工程應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于地表磁感 應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)及方法，能夠?qū)ψ冸娬窘拥鼐W(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布進(jìn) 行測(cè)試和計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站接地網(wǎng)腐蝕故障的高效、準(zhǔn)確的判斷。
[0006] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種基于地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括：
[0008] -電流注入裝置，其與接地網(wǎng)的任一可及節(jié)點(diǎn)連接，向接地網(wǎng)注入異于工頻的正 弦交流電流，該交流電流通過(guò)接地網(wǎng)任一可及節(jié)點(diǎn)注入，用于激發(fā)交變磁場(chǎng)；
[0009] -信號(hào)測(cè)量裝置，其位于測(cè)量導(dǎo)體正上方，用于測(cè)量導(dǎo)體正上方地表上的電位分 布；
[0010] 一數(shù)據(jù)采集裝置，其與信號(hào)測(cè)量裝置連接，用于接收信號(hào)測(cè)量裝置傳輸?shù)碾娢恍?號(hào)，并對(duì)電位信號(hào)進(jìn)行濾波和放大；
[0011] 一信號(hào)分析顯示終端，其與數(shù)據(jù)采集裝置連接，以接收數(shù)據(jù)采集裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 和信號(hào)。
[0012] 所述的電流注入裝置包括：
[0013] 一電流信號(hào)發(fā)生器，其提供接地網(wǎng)的注入電流；
[0014] 一耦合變壓器，其與電流信號(hào)發(fā)生器相連接，以接收注入電流并輸出與接地網(wǎng)阻 抗相匹配的輸入電流至接地網(wǎng)的可及節(jié)點(diǎn)。
[0015] 所述的數(shù)據(jù)采集裝置包括：
[0016] 一電壓信號(hào)濾波電路，其與信號(hào)測(cè)量裝置相連接，用以接收信號(hào)測(cè)量裝置輸出的 電位信號(hào)，并濾除該信號(hào)中的工頻干擾信號(hào)；
[0017] -電壓信號(hào)調(diào)理芯片，其與電壓信號(hào)濾波電路連接，用于對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行抗混 置濾波和放大；
[0018] -通信芯片，其分別與電壓信號(hào)調(diào)理芯片和信號(hào)分析顯示終端連接。
[0019] 所述的電壓信號(hào)濾波電路為雙T型工頻陷波器。
[0020] 所述的數(shù)據(jù)采集裝置與所述的信號(hào)分析顯示終端之間通過(guò)以太網(wǎng)連接。
[0021] -種基于地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)腐蝕檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下 步驟：
[0022] (1)利用電流注入裝置向接地網(wǎng)注入異于工頻的正弦交流電流，通過(guò)放置在變電 站接地網(wǎng)導(dǎo)體上方地面上的信號(hào)測(cè)量裝置采集變電站接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地面電位分布，并 將這些信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集裝置，通過(guò)濾波和放大后，再將這些信號(hào)傳輸至分析顯示終端， 分析顯示終端根據(jù)接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的電位分布計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0023] (2)分析顯示終端根據(jù)變電站接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電流注入點(diǎn)，使用數(shù)值計(jì)算方 法計(jì)算變電站接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0024] (3)分析顯示終端將接地網(wǎng)導(dǎo)體上方地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)計(jì) 算結(jié)果進(jìn)行比較；對(duì)同一接地導(dǎo)體，分別繪制該段導(dǎo)體上方理論計(jì)算結(jié)果的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲 線和實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，并計(jì)算這兩條曲線的偏差度；若某接地導(dǎo)體的磁感 應(yīng)強(qiáng)度曲線偏差度大于20 %，且其相鄰平行導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線偏差度大于5 %，則判 斷該接地導(dǎo)體存在腐蝕故障；若某接地導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度降為〇,且與之相連導(dǎo)體的磁感 應(yīng)強(qiáng)度未發(fā)生明顯變化，則判斷該導(dǎo)體存在斷裂故障；若與某節(jié)點(diǎn)相連的多根導(dǎo)體的磁感 應(yīng)強(qiáng)度曲線偏差度均大于50%，則判斷該節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)。
[0025]所述的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式為
[0026]
[0027] 式中，V為感應(yīng)電壓幅值，f為注入電流頻率，N為探測(cè)線圈匝數(shù)，S為探測(cè)線圈橫 截面積，AWS數(shù)據(jù)采集裝置增益。
[0028] 所述的變電站接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算具體如下：
[0029] 2a.將節(jié)點(diǎn)數(shù)目為m的接地網(wǎng)分為n段導(dǎo)體，計(jì)算這n段導(dǎo)體之間的互阻抗矩陣 R，其中，矩陣元素表示i段導(dǎo)體和j段導(dǎo)體之間的互阻抗，其計(jì)算公式為：
[0030]
[0031] i= 1，…，n;j= 1，…，n
[0032] 式中，〇力土壤電導(dǎo)率；e。為真空介電常數(shù)；eA土壤相對(duì)介電常數(shù)；eE = e。? \為土壤介電常數(shù)；1 1與1 ,分別為第i段及第j段導(dǎo)體長(zhǎng)度；1i，為第i段導(dǎo)體的鏡 像長(zhǎng)度；Du為將第i段與第j段導(dǎo)體之間的距離；D^ ,為將第i段導(dǎo)體鏡像與第j段導(dǎo)體 之間的距離；
[0033] 2b.使用T型等效電路分別表示這n段導(dǎo)體，即1段導(dǎo)體對(duì)應(yīng)1個(gè)T型等效電路， 所述的T型等效電路由第i段導(dǎo)體的自電感L、自電阻Z。、第i段和第j段導(dǎo)體之間的互感 M、第i段導(dǎo)體的對(duì)地電容C和對(duì)地電導(dǎo)G組成，其中i= 1，…，n，j= 1，…，n;經(jīng)T型電路 等效后，所述接地網(wǎng)共有m+n個(gè)節(jié)點(diǎn)及2n段導(dǎo)體；
[0034] 2c.計(jì)算接地網(wǎng)經(jīng)T型等效電路等效后各段導(dǎo)體的關(guān)聯(lián)矩陣A，其中，關(guān)聯(lián)矩陣A 的行對(duì)應(yīng)于接地網(wǎng)經(jīng)T型等效電路等效后的節(jié)點(diǎn)數(shù)目m+n，關(guān)聯(lián)矩陣A的列對(duì)應(yīng)于支路數(shù)目 2n，關(guān)聯(lián)矩陣A中的任意元素aiij的定義為：
[0035]
[0036] 2d.計(jì)算經(jīng)T型等效電路等效后具有m+n個(gè)節(jié)點(diǎn)和2n條支路的接地網(wǎng)的阻抗矩陣 Z，其計(jì)算公式為：
[0037]
[0038] 式中，為接地網(wǎng)各支路經(jīng)T型等效后的互感矩陣；ki為經(jīng)T型等效后第i段 導(dǎo)體長(zhǎng)度，其中i= 1，…，2n為第i段導(dǎo)體與第j段導(dǎo)體之間的距離；Zm為第i段 導(dǎo)體的內(nèi)阻抗；^為土壤磁導(dǎo)率，并假設(shè)土壤和空氣磁導(dǎo)率相同；Pt ；y= 為導(dǎo)體磁導(dǎo)率；y^為導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率；P。為導(dǎo)體電阻率；r。為導(dǎo)體半徑；IJyr。)、 Myr。）分別為零階及一階貝塞爾函數(shù)；
[0039] 2e.根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣A和阻抗矩陣Z計(jì)算節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，為Y_=AZV;根據(jù)阻抗 矩陣R計(jì)算導(dǎo)納矩陣，為G=RS
[0040] 2f.計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體n段導(dǎo)體的中點(diǎn)電位和節(jié)點(diǎn)電位爐'這可通過(guò)求解接地 網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的基本方程得到，所述的接地網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：
[0041 ]
[0042] 式中，G為nXn矩陣；鏟&為n個(gè)中點(diǎn)電位列向量；f為m個(gè)節(jié)點(diǎn)列向量； 產(chǎn)…，為m個(gè)節(jié)點(diǎn)注入電流列向量；
[0043] 2g.計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體n段導(dǎo)體的軸向電流分布，通過(guò)方程尺/Xr<求得。其 中，為第i段導(dǎo)體自阻抗；片為第i段導(dǎo)體上的軸向電流；