變電站接地網(wǎng)導(dǎo)體埋深檢測(cè)方法與技術(shù)

劉 洋，孫文杰，付曉東

(華北電力大學(xué)(保定) 數(shù)理學(xué)院，河北 保定 071003)

接地網(wǎng)是變電站安全運(yùn)行的工作需要和保障運(yùn)行人員安全的重要措施。接地網(wǎng)導(dǎo)體埋在地下，因?yàn)槭┕ず附硬涣蓟蛲寥赖母g等因素，接地網(wǎng)導(dǎo)體及接地上引線可能會(huì)發(fā)生腐蝕或斷裂，從而降低了接地網(wǎng)的原有設(shè)計(jì)性能.評(píng)估接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)或查找接地網(wǎng)導(dǎo)體的斷點(diǎn)是運(yùn)檢部門面臨的一項(xiàng)重要工作[1-5].

在接地網(wǎng)檢測(cè)方法的研究工作中，主要代表性方法如下：地表電位分布檢測(cè)方法[6-8]，該方法通過(guò)向接地網(wǎng)和土壤注入一定頻率一定電壓等級(jí)的電流，檢測(cè)變電站接地網(wǎng)地表面電位分布，依據(jù)地表電位分布特征進(jìn)行接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕和斷點(diǎn)的檢測(cè)，但當(dāng)導(dǎo)體出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，斷點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)地表電位變化并不明顯，這種方法診斷斷點(diǎn)較為困難.

第二種代表性方法，是節(jié)點(diǎn)間互阻抗檢測(cè)法[9-15]，該方法將整個(gè)接地網(wǎng)視為電阻性網(wǎng)絡(luò)，利用接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和可觸及的上引線節(jié)點(diǎn)，測(cè)量接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體的部分互阻抗值，進(jìn)而判斷接地網(wǎng)的腐蝕程度.但是，當(dāng)接地網(wǎng)局部腐蝕或存在斷點(diǎn)時(shí)，由于兩部分接地網(wǎng)間的互電阻作用，接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體兩個(gè)可觸及節(jié)點(diǎn)間的電阻值往往沒(méi)有明顯變化.并且這種方法的不足之處在于，測(cè)量結(jié)果易受季節(jié)和天氣的影響，需要接地網(wǎng)圖紙，并且需要長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)，通過(guò)前后測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比才可以得到評(píng)估結(jié)果，在實(shí)際中檢測(cè)效率不高.

第三類代表性方法是磁場(chǎng)檢測(cè)法[16,17]，該方法通過(guò)向接地網(wǎng)注入一定頻率的正弦波電流，測(cè)量地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布，依據(jù)磁場(chǎng)分布特征和規(guī)律，通過(guò)鄰近導(dǎo)體對(duì)應(yīng)地表面磁場(chǎng)的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)地下導(dǎo)體位置、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的探測(cè)以及導(dǎo)體腐蝕和斷點(diǎn)的診斷，但當(dāng)接地網(wǎng)大面積均勻腐蝕的情況下，這種方法也難以診斷.這些檢測(cè)方法，都沒(méi)有涉及接地網(wǎng)導(dǎo)體埋設(shè)深度的檢測(cè)，一般接地網(wǎng)導(dǎo)體設(shè)計(jì)埋深為0.6～0.8 m，但由于變電站地表面硬化和綠化施工，往往使得導(dǎo)體實(shí)際埋深發(fā)生較大的變化，在我們的檢測(cè)實(shí)際中，我們發(fā)現(xiàn)有的導(dǎo)體埋深甚至達(dá)到了1.3 m.這就給接地網(wǎng)的日常維護(hù)和修繕帶來(lái)了困難.

由于接地網(wǎng)的網(wǎng)格狀特殊結(jié)構(gòu)形式，與工程上金屬管線有所不同，給接地網(wǎng)埋深的檢測(cè)帶來(lái)不便.本文利用磁場(chǎng)的激發(fā)與地表面兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，可以快速準(zhǔn)確得到接地網(wǎng)導(dǎo)體的實(shí)際埋深，為接地網(wǎng)的運(yùn)檢人員提供便利和參考.

1 檢測(cè)原理和方法

接地網(wǎng)的布置要圍繞變電站的實(shí)際區(qū)域外圍的連續(xù)接地導(dǎo)體回環(huán)，在回環(huán)內(nèi)布置平行接地導(dǎo)體，一般沿結(jié)構(gòu)物或設(shè)備布置的行列方向布置接地導(dǎo)體，以確保設(shè)備的最短接地連接。接地網(wǎng)一般用鍍鋅扁鋼鋪設(shè)焊接而成，扁鋼截面積通常為40×6 mm2，電阻率為1.78×10-7Ωm，相對(duì)磁導(dǎo)率200，埋設(shè)深度通常在0.6-0.8 m。網(wǎng)格導(dǎo)體間距為10-25 m，一般變電站電壓等級(jí)越高，其對(duì)應(yīng)的接地網(wǎng)面積越大。對(duì)于低頻信號(hào)而言，接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體的電阻可以按直流電阻等效計(jì)算，忽略電感電容效應(yīng)。如圖1所示，為某220 kV實(shí)際變電站接地網(wǎng)布設(shè)圖。

圖1 某220 kV變電站接地網(wǎng)布置圖

本文的導(dǎo)體埋深探測(cè)方法是通過(guò)對(duì)變電站接地網(wǎng)的兩根上引線直接注入一定頻率的正弦波勵(lì)磁電流，基于電磁感應(yīng)原理[18,19]，利用探測(cè)線圈和信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè)激勵(lì)電流在地表面上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，依據(jù)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量值和測(cè)點(diǎn)間距確定接地網(wǎng)導(dǎo)體的實(shí)際埋設(shè)深度.

圖2 導(dǎo)體與測(cè)點(diǎn)位置

如圖2所示，設(shè)流過(guò)某支路導(dǎo)體的電流為i，導(dǎo)體埋深為h，測(cè)點(diǎn)M位于導(dǎo)體的正上方地表面，測(cè)點(diǎn)N與測(cè)點(diǎn)M的水平間距為b，與導(dǎo)體的間距為r.設(shè)流過(guò)該段支路導(dǎo)體的電流為

i=Isin(ωt)

(1)

該電流在測(cè)點(diǎn)M處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度近似為

(2)

在測(cè)點(diǎn)N處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度近似為

(3)

利用矩形線圈和電磁感應(yīng)方法測(cè)量磁場(chǎng)，線圈平面始終保持豎直方向放置，在測(cè)點(diǎn)M和N處產(chǎn)生的磁通分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(6)和(7)可得到

(8)

分析：事實(shí)上，測(cè)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度是所有支路導(dǎo)體電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在該處的疊加，因?yàn)閮蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)鄰近，影響因素近似相同，不予考慮，又因?yàn)榻拥鼐W(wǎng)的埋設(shè)深度遠(yuǎn)小于網(wǎng)格導(dǎo)體間距跨度，所以測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)主要由鄰近下方的導(dǎo)體產(chǎn)生.

首先確定導(dǎo)體的埋設(shè)位置，在地表面左右移動(dòng)探測(cè)線圈，所獲得的信號(hào)幅值最大時(shí)，該處即為導(dǎo)體的正上方，然后向左或右側(cè)平移探測(cè)線圈，當(dāng)信號(hào)幅值衰減為原來(lái)的一半時(shí)，由式(8)可知，此時(shí)，平移的水平間距恰為該導(dǎo)體的埋設(shè)深度.

2 檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)組成

為了驗(yàn)證檢測(cè)方法的正確性和工程應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了接地網(wǎng)缺陷診斷、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探測(cè)和埋設(shè)深度檢測(cè)系統(tǒng)[20-22]。整套系統(tǒng)由勵(lì)磁電流發(fā)射電源、地表引流線、磁場(chǎng)測(cè)量接收系統(tǒng)和手持示波表組成.如圖3所示.

(a) 電流發(fā)射源

(b) 地表引流線

(c) 磁場(chǎng)測(cè)量接收機(jī)

(d) 手持示波表

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

為了避開(kāi)變電站工頻及其奇次諧波等主要干擾的頻點(diǎn)，同時(shí)，利于在一定頻率下具有電流的持續(xù)輸出能力.通過(guò)多年試驗(yàn)測(cè)試檢測(cè)，系統(tǒng)工作頻率采用300 Hz，電流源輸出電流強(qiáng)度1～50 A連續(xù)可調(diào).其工作原理，一種是利用傳統(tǒng)的互補(bǔ)推挽式功率放大和阻抗變換器匹配，另一種是利用IGBT逆變功率驅(qū)動(dòng)和正弦波脈沖調(diào)制技術(shù)SPWM技術(shù)，市場(chǎng)可以定制，這里不再詳述。地表引流線2條，均為25 mm2的電焊機(jī)專用線，一條長(zhǎng)90 m, 另一條長(zhǎng)10 m.

磁場(chǎng)測(cè)量接收機(jī)系統(tǒng)主要由矩形感應(yīng)線圈和濾波放大調(diào)理電路組成，其電路原理圖如圖4所示,圖中探測(cè)線圈L和電容C1構(gòu)成LC諧振接收回路,兩個(gè)運(yùn)放T1和T2采用儀表運(yùn)算放大器AD620,電位器RW1和RW2用于調(diào)整兩級(jí)放大電路的增益,MF為濾波模塊，電阻R1和R2用于濾波模塊的輸入和輸出阻抗的匹配，R3和R4用于第二級(jí)輸入阻抗的匹配.

圖4 接收機(jī)電路原理圖

利用手持示波表檢測(cè)T2的第6腳輸出的電壓信號(hào)波形、頻率和幅值.測(cè)試過(guò)程中，依據(jù)待檢測(cè)接地網(wǎng)的面積大小，調(diào)節(jié)注入電流強(qiáng)度，同時(shí)配合調(diào)節(jié)接收機(jī)增益，以終端輸出的電壓信號(hào)易被識(shí)別且不出現(xiàn)失真為益.

3 試驗(yàn)測(cè)試

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室、試驗(yàn)接地網(wǎng)和實(shí)際變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，均得到了理想的檢測(cè)效果.

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

首先，利用25 mm2的焊把線從電流源的輸出端口連接出一個(gè)矩形環(huán)路，矩形長(zhǎng)邊約為13 m，短邊約為8 m,將測(cè)量接收機(jī)置于長(zhǎng)邊正上方1 m高度處，保持線圈平面與導(dǎo)體平行，調(diào)節(jié)電流源輸出電流為1.2 A，調(diào)節(jié)接收機(jī)增益，使輸出電壓信號(hào)峰值為1 V，然后在同一高度，平移探測(cè)線圈，并保持線圈平面方向不變，當(dāng)信號(hào)衰減為峰值為0.5 V時(shí)，此時(shí)測(cè)量平行的間距恰為1 m，等于高度(即模擬導(dǎo)體埋深).測(cè)量接收機(jī)終端輸出信號(hào)如圖5所示.

圖5 兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的輸出電壓信號(hào)

3.2 試驗(yàn)接地網(wǎng)測(cè)試

為了進(jìn)行有關(guān)接地網(wǎng)的科研測(cè)試工作，我們專門鋪設(shè)了一個(gè)試驗(yàn)接地網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.該試驗(yàn)接地網(wǎng)主體為30 m×30 m的正方形，網(wǎng)格間距為6 m，原設(shè)計(jì)埋深0.6 m，圖中A、B、C三點(diǎn)設(shè)有上引導(dǎo)體扁鋼.

圖6 試驗(yàn)接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)測(cè)試工程中，我們以圖6中的A、C兩點(diǎn)作為電流注入與抽出回流點(diǎn).利用兩條總長(zhǎng)約為100 m、截面積為25 mm2的焊把線與勵(lì)磁電流源的輸出端口相連接，同時(shí)地表回流引線從接地網(wǎng)的外圍引回，盡可能遠(yuǎn)離測(cè)量區(qū)域，以免對(duì)測(cè)量造成影響.

測(cè)試中，我們先按文獻(xiàn)[18]的方法，得到接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和接地網(wǎng)導(dǎo)體具體埋設(shè)位置，然后，類似實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，檢測(cè)接地網(wǎng)導(dǎo)體埋深，經(jīng)探測(cè)得到所測(cè)導(dǎo)體實(shí)際埋設(shè)深度為0.68 m，挖開(kāi)查驗(yàn)與實(shí)際一致。如7所示為挖開(kāi)的試驗(yàn)接地網(wǎng)導(dǎo)體.

圖7 試驗(yàn)接地網(wǎng)導(dǎo)體

3.3 變電站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

測(cè)量方法示意圖如圖8所示，先利用可觸及的接地上引導(dǎo)體線，向接地網(wǎng)注入300Hz、5～20A的正弦波勵(lì)磁電流，電流的大小根據(jù)待測(cè)接地網(wǎng)的面積可適當(dāng)調(diào)整。然后用手持接收機(jī)或小車接收機(jī)移動(dòng)測(cè)量接地網(wǎng)地表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度.

圖8 測(cè)量方法示意圖

我們分別在500 kV、220 kV和110 kV不同電壓等級(jí)的變電站接地網(wǎng)上進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和應(yīng)用.如圖9為某次試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，圖10是在沒(méi)有接地網(wǎng)圖紙的情況下，首先，尋找接地網(wǎng)地下導(dǎo)體埋設(shè)位置時(shí)，測(cè)量得到的局部地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布測(cè)量結(jié)果.圖10中每個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)地下一段導(dǎo)體.其后，再利用上述方法，從導(dǎo)體正上方開(kāi)始向左或右側(cè)平移探測(cè)線圈，當(dāng)接收機(jī)輸出的電壓信號(hào)從導(dǎo)體正方上對(duì)應(yīng)的峰值衰減一半時(shí)，測(cè)量平移距離即為該段導(dǎo)體的實(shí)際埋設(shè)深度.經(jīng)挖開(kāi)檢驗(yàn)，實(shí)際埋深與探測(cè)結(jié)果相符，如圖11所示為某次檢測(cè)時(shí)挖開(kāi)的接地網(wǎng)，該處導(dǎo)體埋深達(dá)到了1.15 m.

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖10 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布測(cè)量結(jié)果

圖11 接地網(wǎng)導(dǎo)體埋設(shè)情況

4 結(jié)論

本文利用基本的物理學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了變電站接地網(wǎng)網(wǎng)格狀導(dǎo)體具體埋設(shè)位置和埋設(shè)深度的探測(cè)，開(kāi)發(fā)了整套檢測(cè)系統(tǒng)和裝置，多次檢測(cè)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)便可行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確?？梢詫⒃摲椒ê脱b置用于接地網(wǎng)運(yùn)檢維護(hù)的工程實(shí)際中.