高速與重載鐵路綜合接地系統(tǒng)散流監(jiān)測技術(shù)

王鑫

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北 肅寧 062350）

0 引言

隨著我國高速與重載電氣化鐵路的發(fā)展，高壓輸電線路的建設(shè)密度越來越大，接觸網(wǎng)支柱也不可避免地設(shè)置于人口密集區(qū)域。由于接觸網(wǎng)線路的電壓等級較高，入地故障電流幅值較大，且入地電流在地表、地下無規(guī)則竄動，桿塔周圍的電氣安全問題日益突出。近年來因雷擊或其他原因引起的接觸網(wǎng)輸電線路短路情況時有發(fā)生，地中產(chǎn)生的沖擊或工頻電流可能引起諸多故障[1-2]。例如，鄰近站內(nèi)的接觸網(wǎng)線路桿塔的接地裝置運行出現(xiàn)故障，地表暫態(tài)電位升會造成跨步電壓、接觸電壓超過人體可承受的安全電壓，同時高壓竄入信號通信設(shè)備，引發(fā)弱電設(shè)備故障。

根據(jù)國內(nèi)外學者的研究及電力系統(tǒng)故障原因的統(tǒng)計分析，引起高壓輸電線路雷擊跳閘的主要原因之一為桿塔的沖擊接地電阻過高[3-5]。近年來國內(nèi)外學者對雷電流作用下桿塔接地沖擊特性展開大量研究[6-11]。武漢大學徐華等[6]利用數(shù)值分析方法，并結(jié)合最優(yōu)理論研究了接地導體沖擊接地電阻的計算公式；日本的 H Motoyama[7-9]利用Pearson線圈準確測量接地裝置各點軸向電流的幅值和波形，旨在研究沖擊散流規(guī)律；重慶大學司馬文霞等[10]研究了考慮土壤動態(tài)電離情況下桿塔接地裝置的散流規(guī)律，并提出不同桿塔接地結(jié)構(gòu)對地表沖擊跨步電壓和沖擊接觸電壓的影響；清華大學何金良等[11]研究了考慮火花放電條件下桿塔沖擊接地特性的計算方法并提出相應的降阻方法。在實際工程中，對接地裝置安全性能檢測往往只針對某個參數(shù)，通常是接地裝置的接地阻抗，圍繞其準確測量值與安全范圍進行評價。然而僅用接地阻抗進行評價是不全面的，并沒有切入接地裝置安全性問題的要害，其實用價值也就無法體現(xiàn)。

目前對于桿塔地中散流，一般采用仿真分析為設(shè)計提供依據(jù)，接地裝置建成后的驗收工作一直是薄弱環(huán)節(jié)。根據(jù)GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標準》要求，衡量接地裝置設(shè)計和安裝質(zhì)量的唯一指標就是接地阻抗，很少針對地中散流、地表電位分布、跨步電壓等綜合反映接地裝置的安全性能，對接地裝置的安全評估不夠全面。由于缺乏檢測監(jiān)測手段，導致工程驗收方法缺失，故障與分析缺乏依據(jù)。針對上述問題，研發(fā)了地中散流監(jiān)測系統(tǒng)，并通過仿真試驗進行驗證，同時，未監(jiān)測點的散流可通過已獲數(shù)據(jù)進行推算。該散流監(jiān)測方法可應用于接地裝置安全評估，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

1 散流測量原理

在此模擬的雷電沖擊電流信號頻譜主要集中在1 Hz~1 MHz，雷電流幅值高達幾十千安，要測量寬頻帶下的電流信號，需要選取精度高、有良好抗電磁干擾能力和長期穩(wěn)定性能的高品質(zhì)電流測量器。為了對接地裝置周邊沖擊散流分布進行準確監(jiān)測，采用了羅戈夫斯基（Rogowski）線圈與數(shù)字存儲示波器組成的檢測系統(tǒng)對散流進行實時監(jiān)測[12]，測量原理見圖1，其中c為線圈寬，h為線圈厚，rc為線圈的平均半徑。Rogowski線圈電路模型見圖2，其中L、R、C0分別為線圈的自感、內(nèi)阻和雜散電容，Rs為負荷電阻，M為互感系數(shù)，u1（t）為輸出電壓，i1（t）為輸入電流，i（t）為感應電流。

Rogowski線圈感應電勢可通過法拉第電磁感應定律描述為：

式中：e（t）為線圈兩端的感應電壓；Φ為線圈電動勢；t為時間；N為線圈匝數(shù)；μ0為真空磁導率；a、b分別為線圈的內(nèi)外直徑；r0為制線圈所用導線的直徑；i1為輸入電流。

設(shè)：

圖1 Rogowski線圈測量原理

圖2 Rogowski線圈電路模型

則：

Rogowski線圈測量值與線圈本身性質(zhì)（材料、尺寸、制線圈所用導線的直徑、線圈的平均半徑與線圈匝數(shù)）有關(guān)，某個確定規(guī)格的線圈其感應電動勢與被測電流的微分值成正比。對式（3）取積分得到被測電流i1的值為：

雷電流入地后地中電磁場十分復雜，若采用裸露的金屬棒或?qū)Ь€進行引流，會對側(cè)面電流有引流的作用而對測量結(jié)果造成較大影響，且無法確定Rogowski線圈測量出的電流究竟屬于土壤中某點還是某個面上的電流值。文獻[13] 在半球形試驗槽中進行單根接地極沖擊特性規(guī)律的研究中，采用了在銅質(zhì)引流針之外包裹1 mm厚環(huán)氧樹脂的方式，既不影響周圍電場情況，又能確定針尖引入的電流密度。在此選擇外層包裹1 mm厚環(huán)氧樹脂的直徑0.6 mm銅芯引流針作為接地裝置周邊土壤散流的測量匯流。引流針的結(jié)構(gòu)見圖3。

在工頻電流作用下土壤無電離現(xiàn)象而主要呈現(xiàn)純阻性，工頻電流將會朝向發(fā)變電站的主網(wǎng)流散。而當沖擊電流通過接地引下線注入地中時，其散流方式十分復雜，土壤會發(fā)生電離，若上升至雷電流水平還會產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象，但仍可近似認為其向遠處輻射流散。引流針的布置方式見圖4，引流針靠近接地裝置的一端通過中心的銅芯匯流，引流針徑向方向需要指向接地裝置，由近端引流至遠端。在此過程中電流產(chǎn)生的磁場與Rogowski線圈產(chǎn)生交鏈，感應出的信號通過同軸電纜傳輸至示波器得到測量結(jié)果。在試驗過程中，應保證引流針遠端位置處于近似為0的低電位，通過多點布置引流針位置，利用測得的電流除以引流針的截面積來估測該處的電流密度。

2 地中散流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用Rogowksi線圈作為測量雷電流信號的傳感器，用泰克（Tektronix）數(shù)字存儲示波器進行數(shù)據(jù)同步采集，然后采用Labview編制的軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析，給出風險評估報告。系統(tǒng)主要由沖擊電流發(fā)生器、Rogowksi線圈、信號調(diào)理單元、數(shù)字示波器、便攜式室外獨立可充電電源、分析軟件、存儲單元等組成（見圖5）。Rogowksi線圈表面鍍上一層絕緣漆以防止雷電沖擊電流放電時燒蝕傳感器。泰克TDS-2012C示波器帶寬為200 MHz，采樣率為2GS/s，能準確地捕獲高頻脈沖信號。試驗時沖擊放電部分與數(shù)據(jù)采集分析部分需要隔離供電，以避免對設(shè)備造成影響。

圖3 引流針結(jié)構(gòu)

圖4 引流針布置方式

圖5 系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 工作原理

沖擊電流發(fā)生器的輸入端通過導線與220 V獨立電源供電端口連接；輸出端口分別與模擬接地裝置的電流注入點和收流網(wǎng)編織銅線連接；模擬接地裝置按要求埋入地下，同時等間距等深度多點布置引流針與待測Rogowksi線圈電流互感器，其銅針與模擬接地極軸向垂直；電流互感器陣列的信號輸出端通過同軸屏蔽電纜與數(shù)字示波器的輸入端連接，示波器存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳輸至基于Labview編制的軟件進行數(shù)據(jù)處理及分析，給出風險評估報告。

模擬接地裝置為基于220 kV羅丹乙線的桿塔典型接地裝置KR-1G型（見圖6），其鍍鋅圓鋼接地導體長為10 m，直徑Φ=14 mm，地中埋深0.8 m；接地引下線由地面立柱處引入，導體長為4 m，直徑Φ=14 mm。基于量綱相似原理，試驗取比例尺n=10進行模擬試驗。模擬試驗的接地裝置尺寸及其埋深是真型試驗的1/n倍，模擬試驗注入的沖擊電流幅值縮減為實際雷電流幅值的1/n2倍。沿接地引下線端部注入波頭時間為8 μs且半波長時間為 20 μs的30 A電流進行地中散流測試。

圖6 接地裝置（KR-1G型）及傳感器布置

2.3 評估軟件

基于Labview軟件和Matlab軟件混合編程開發(fā)了雷擊桿塔入地散流評估軟件，由Microsoft Office Access軟件作為后臺數(shù)據(jù)庫，Excel軟件作為報表模板。評估軟件的工作流程見圖7。本軟件可實現(xiàn)以下功能：

圖7 評估軟件的工作流程

（1）下位機通信：通過標準接口連接示波器下位機，實現(xiàn)上位機對測評系統(tǒng)的通信與控制。

（2）波形顯示：接收示波器的數(shù)據(jù)并給出顯示，同時提供波形數(shù)據(jù)存儲與提取功能。

（3）雷擊桿塔入地電流散流風險評估：通過輸入必要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過后臺的數(shù)值計算與處理，實現(xiàn)對地中散流的風險評估。軟件界面見圖8。

圖8 風險評估軟件界面

（4）數(shù)據(jù)庫：通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、調(diào)用及刪除，同時提供數(shù)據(jù)導入報表生成功能。報表程序設(shè)計見圖9。

圖9 報表程序設(shè)計

3 地中散流采集與仿真驗證

3.1 地中散流采集

220 kV某輸電線桿塔附近土壤電阻率約為150 Ω·m，因此模擬試驗在某一土壤電阻率為120 Ω·m的開闊地帶進行。由于工頻電流頻率低，對于工頻散流采集方法與沖擊散流類似。試驗時，采用沖擊電流發(fā)生器向桿塔的接地引下線處注入10 A與20 A的沖擊電流，在接地引下線某一側(cè)0°和45°方向上每間隔20 cm放置1個電流傳感器，用以測量沖擊電流信號[14]（見圖6）。電流傳感器與示波器相連，對示波器設(shè)置好觸發(fā)的幅值，用以記錄沖擊電流波形。0°方向和45°方向土壤中不同監(jiān)測點的沖擊散流分別見表1、表2。

表1 0°方向土壤中不同監(jiān)測點的沖擊散流 A/m2

表2 45°方向土壤中不同監(jiān)測點的沖擊散流 A/m2

3.2 仿真驗證

使用有限元軟件進行入地散流的建模計算，采用Geometry模塊對接地裝置以及土壤環(huán)境形狀、尺寸、位置進行幾何建模。桿塔接地裝置承受雷電流時的入地散流通過軟件的電流場和磁場耦合進行分析并計算，配合使用其中的研究模塊，可以得到任何時刻、位置的暫態(tài)電流和電位值。

模型中接地裝置的尺寸按模擬試驗時的尺寸確定，土壤電阻率取120 Ω·m，土壤環(huán)境采用單層均勻土壤模型。注入10 A與20 A的沖擊電流，將仿真得到不同監(jiān)測點的電流密度幅值與試驗實測值進行對比（見圖10、圖11）。由此可知，離接地裝置越遠，電流密度下降越快。0°方向的散流實際測量值與仿真計算值十分吻合，而45°方向的散流實際測量值大約為仿真計算值和0°方向時實測值的一半，說明對輸電線桿塔地中散流監(jiān)測時需要將引流針正對電流注入點，即可得到待測點的實際電流密度。

圖10 沖擊電流為10 A的散流實測值與仿真值對比

圖11 沖擊電流為20 A的散流實測值與仿真值對比

4 風險評估

數(shù)據(jù)處理模塊接收工況數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進行整合，在已有仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合獲得的仿真數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)的擬合與插值運算，找出符合特定工況下的數(shù)據(jù)，同時未監(jiān)測點的散流可通過已獲數(shù)據(jù)進行推算。地表電位、跨步電壓可通過已有仿真數(shù)據(jù)獲得。相關(guān)記錄表明，當跨步電壓達到40~50 V時，人員將有觸電危險，特別是跨步電壓會使人摔倒進而增加人體的觸電電壓，甚至使人觸電死亡。因此需要對不同工況下接地裝置附近范圍內(nèi)的跨步電壓值進行風險評估，以保護人身安全，提前做出預防。

當注入20 A的沖擊電流，監(jiān)測點到?jīng)_擊電流注入點的距離為20 cm時，上位機實時顯示采集到的電流波見圖12，在軟件界面中，可以調(diào)節(jié)探頭衰減倍數(shù)、幅值、頻率，并對數(shù)據(jù)進行實時保存。輸入的信息都會在數(shù)據(jù)處理模塊進行初步處理，將非數(shù)值型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值型數(shù)據(jù)，利用Matlab script節(jié)點將數(shù)據(jù)送入后臺運行的Matlab軟件中，借助其強大的處理能力，經(jīng)過一系列算法計算后將結(jié)果輸出。

圖12 上位機監(jiān)測波形

5 結(jié)束語

地中散流監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)在于電流的捕捉、放大以及消除外部環(huán)境干擾。大量試驗表明，研發(fā)的地中散流監(jiān)測系統(tǒng)能有效、可靠地對雷電及工頻電流進行在線監(jiān)測，實時記錄、監(jiān)測地中多點電流波形，并利用上位機進行處理與分析。該監(jiān)測方法對輸電線桿塔散流測試及監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展具有積極作用，可有效控制并防范電網(wǎng)中人身、設(shè)備的安全問題。