基于陣列式磁傳感器的電力設備接地網(wǎng)定位方法研究

辛明勇，徐長寶，田 兵，劉 仲，劉子軒，3，魯彩江，3

（1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽 550002；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510000；3.西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031）

0 引言

接地網(wǎng)的導體大多使用銅、鍍鋅鋼或覆銅鋼等材料，根據(jù)國內(nèi)外相關研究可知，在腐蝕性強的土壤中接地網(wǎng)導體腐蝕速率可達3.4 mm/a，嚴重時可達8 mm/a。由于接地網(wǎng)一般敷設在地下0.3～1 m 深處，因此不能直觀的判定其位置及腐蝕狀況。傳統(tǒng)的探測方法有整體開挖法、選點開挖檢查法、搖表測量接地電阻法。傳統(tǒng)探測方法的缺點在于盲目性大，在消耗大量人力、物力、財力的同時阻滯電力系統(tǒng)的正常工作[1-4]。

對接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)進行探測前，首先要對接地網(wǎng)方位及深度進行探測。目前存在的接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測方法主要有電化學法、電網(wǎng)絡法、多信息融合法以及電磁法等[5-8]。電化學法通過測量金屬與土壤間腐蝕體系的電化學特性（包括擊穿電位、腐蝕電流等）來確定接地導體的腐蝕情況，但是該方法無法判斷出接地網(wǎng)的斷點情況[9-11]。電網(wǎng)絡法是指將接地網(wǎng)等效為純電阻網(wǎng)絡模型，通過測量接地引下線節(jié)點間的電氣特性值而建立接地網(wǎng)診斷方程，求解并分析對應的電氣特性（通常為電阻、電壓）變化規(guī)律，但是當接地體存在局部侵蝕時，其電阻及電壓變化值很難獲取[12-17]。多信息融合法即結(jié)合多種方法對接地網(wǎng)狀態(tài)進行探測，能夠同時探測腐蝕程度和腐蝕速率等指標，提高接地網(wǎng)探測的可靠性和實用性[18-23]。電磁法是基于電磁感應原理的探測方法，通過測量接地網(wǎng)導體產(chǎn)生的磁場來判斷接地網(wǎng)導體的方位、深度信息以及腐蝕程度[24-31]。

與電化學法、電網(wǎng)絡法、多信息融合法相比，電磁法可準確判斷出接地網(wǎng)的斷點情況，且原理簡單、應用方便。因此，本文基于電磁法的電磁感應原理，采用交流電激勵測量法對電力設備接地網(wǎng)進行研究與探測，旨在解決測量裝置移動不便以及難以精確探測接地導體方位及深度的問題，實驗表明采用電磁法可為電力設備狀態(tài)檢測提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 傳感器陣列結(jié)構設計與距離分析

1.1 傳感器陣列結(jié)構設計

通過接地引下線施加異頻正弦交流電時，接地網(wǎng)在其正上方地表處激發(fā)的磁感應強度主要取決于激勵電流的大小、接地體埋設深度等因素。根據(jù)接地網(wǎng)磁感應強度探測范圍及分辨率的需要，在工程實踐中常用磁通門傳感器以及各向異性磁阻（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）傳感器來采集磁感應強度。磁通門傳感器的優(yōu)點在于魯棒性好，但其價格昂貴、體積大、頻率響應較低、現(xiàn)場功耗較大。AMR 傳感器的優(yōu)點在于成本低、尺寸小、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、現(xiàn)場功耗低等。在實際測量過程中為了盡量排除外部干擾，對頻率響應有著較高的要求，同時考慮到現(xiàn)場功耗以及便攜性，本文選用AMR 傳感器來采集磁感應強度。

本文設計的接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭的傳感器布局示意圖如圖1 所示。圖1 中，x，y，z為三維空間坐標軸，1-5 號傳感器在同一水平面上，Δh為5 號和6 號傳感器之間的垂直距離，Δl為1 號與3 號傳感器之間的水平距離。

圖1 接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭的傳感器布局示意圖Fig.1 Grounding grid positioning and corrosion degree detection probe sensor layout

由圖1 可知，采用1-4 號傳感器所測磁場數(shù)據(jù)可確定接地導體的方位，采用5 號和6 號傳感器所測磁場數(shù)據(jù)可計算接地導體的深度，采用5 號傳感器所得磁場數(shù)據(jù)可判斷接地導體的腐蝕狀態(tài)。

由于傳感器的設置位置直接影響到探測深度的準確性，所以計算確定1 號與3 號、2 號與4 號、5號與6 號傳感器之間的距離就顯得十分重要。已知空間內(nèi)某一點的磁感應強度與該點的三維空間坐標有直接關系，而探測接地網(wǎng)深埋時不僅與三維空間的坐標有關，更與5 號和6 號傳感器之間的高度差值Δh有關。因此必須先確定傳感器之間的距離，再通過控制變量法將后續(xù)測定接地網(wǎng)深度時的變量進行縮減，以保證計算結(jié)果的有效性和準確性。本文在對接地網(wǎng)定位及腐蝕程度探測探頭傳感器距離進行理論分析時，設定矩形接地裝置邊框值為16 m，接地網(wǎng)深度范圍為0.3～2 m，探測探頭距地面高度為0.1 m，將接地網(wǎng)深度和探測探頭距地面高度相加得到探頭探測深度為0.4～2.1 m。

1.2 傳感器陣列距離分析

1.2.1 水平距離分析

圖1 中，探測探頭水平面上布置的1-4 號傳感器主要進行接地導體的方位判斷。由于4 個傳感器距離探測探頭中心的距離均相等，所以本文以1號傳感器為例計算其到探測探頭中心的最優(yōu)水平距離為0.5Δl。本文選用的單軸線性磁阻傳感器型號為HMC1001，其在水平面上測量磁場時與接地導體垂直方向測得的磁場值最大。由于接地網(wǎng)模型具有對稱性，因此產(chǎn)生的磁感應強度也具有對稱性。以第一卦限為例，對卦限內(nèi)的磁感應強度（矢量）Bx分布進行理論分析與計算，即可計算出最優(yōu)水平距離Δl。

傳感器距離分析模型如圖2 所示。

圖2 傳感器距離分析模型Fig.2 Sensor distance analysis model

圖2 中，O為空間坐標系原點，A，B，C，D分別為接地網(wǎng)的4 個頂點，BM1x和BM3x（圖2 中深綠色箭頭表示其方向）分別為M1和M32 個點的磁感應強度。

本文利用CDEGS 仿真軟件進行分析，由于陣列式傳感器的體積不宜過大，因此傳感器間水平距離的極限設置為0.4 m。本文選用接地導體材料為鍍鋅扁鋼，每根接地導體長為16 m，橫截面積為40 mm×4 mm，接地導體電阻率為1.78×10-7Ω·m，相對磁導率為200，激勵電流的強度和頻率分別為3 A和500 Hz，正極接點A 和負極接電C 的土壤電阻率均為300 Ω·m。

傳感器間水平距離Δl值仿真驗證結(jié)果如圖3所示。圖3（b）中，橫坐標軸為圖3（a）中觀測線段L1L2上觀測點在x軸上的坐標距原點O的距離。

圖3 傳感器間水平距離Δl值仿真驗證結(jié)果Fig.3 Simulation results of horizontal distance Δl between sensors

由圖3 可知，當1 號和3 號傳感器之間距離Δl分別為0.10 m，0.15 m，0.20 m，0.25 m，0.30 m，0.35 m，0.40 m 時，測量并計算在觀測線段L1L2上的1 號與3 號傳感器的磁感應強度差值ΔB13的變化情況。觀測線段起止點L1和L2的x，y，z軸坐標分別為L1（7.5，0，0.5）m，L2（8.5，0，0.5）m。無論Δl取何值，觀測點位置越靠近接地導體，沿x軸方向上所測得的|ΔB13|值越小。在0.1～0.4 m 范圍內(nèi)，隨著水平距離Δl的增大，ΔB13變化逐漸明顯，最大值約為0.23 μT。探測探頭傳感器間水平距離Δl越大，磁感應強度差值ΔB13越大，越便于接地導體方位的判定。據(jù)此判斷，探測探頭結(jié)構尺寸不宜過大，本文選取Δl為0.4 m。

1.2.2 垂直距離分析

探測探頭中5 號傳感器位于探測探頭的中心，6 號傳感器位于5 號傳感器正上方距離中心位置Δh處，通過聯(lián)合計算5 號與6 號傳感器測量磁場值可得到此時被測接地導體的深度信息。5 號傳感器探測的沿x方向的磁感應強度為關于x，y，z的三元函數(shù)；6 號傳感器探測的沿x方向磁感應強度為關于x，y，z，Δh的四元函數(shù)。

Δh為0.2 m 時，觀測線段H1H2上計算深度與實際測量深度如圖4 所示。觀測線起止點H1和H2的x，y，z軸坐標分別為H1（8，0，0.4）m 和H2（8，0，2.1）m。

圖4 觀測線段H1H2上計算深度與實際測量深度Fig.4 Calculated depth and measured depth on observation line H1 H2

由圖4 可知，當5 號和6 號傳感器之間距離Δh為0.2 m 時，測量在觀測線段H1H2上的5 號與6 號傳感器的磁感應強度值，可計算出BC段接地導體的深度信息。隨著實際深度的變化，計算深度值基本與實際深度一致，最大相對誤差為1.86%。據(jù)此判斷，在允許誤差2%以內(nèi)，本文選取Δh為0.2 m。

2 接地網(wǎng)定位方法

2.1 接地導體方位探測方法

對接地網(wǎng)進行定位首先要確定其埋設方向，方向指示方法如表1 所示。表1 中，B1，B2，B3，B4，B6分別為1，2，3，4，6 號傳感器沿x軸方向上磁感應強度，表1 中方向參照圖1，其中1，3 號傳感器位置分別為正左和正右，2，4 號傳感器位置分別為正前和正后，5 號傳感器位置為居中。地下接地導體的埋設方位主要根據(jù)1，2，3，4，6 號傳感器信號強弱進行判斷，當B1，B2，B3，B4，B6滿足表1 中的條件時可確定接地導體的埋設方位。

表1 方向指示方法Table 1 Orientation detection method

2.2 接地導體深度計算方法

在探測到接地導體的方位信息后，將探測探頭置于被測接地導體中點的正上方（即ΔB13為0）。此時被測接地導體產(chǎn)生的磁感應強度遠大于相鄰接地導體在此處的磁感應強度，因此可只考慮被測接地導體產(chǎn)生的磁感應強度。利用5 號與6 號傳感器的方位坐標聯(lián)合計算5 號和6 號傳感器測量值，得到被測接地導體的深度值。5 號與6 號傳感器沿x方向的磁感應強度B5，B6分別為：

式中：μ0為真空磁導率；L為當前被測接地導體的長度；I為激勵電流；H為探測探頭距接地導體的垂直距離。

忽略外加激勵電流不穩(wěn)定的缺點以及泄漏電流對深度計算的影響，得到B5和B6的比值為：

采用數(shù)值逼近的方法列方程求解H值為：

式中：R為深度計算精確值；Hi為第i次探測探頭距接地導體的垂直距離；k為測量總次數(shù)。

為獲得較為精確的深度計算值，R應盡可能小，本文取R≤10-6，即認為此時計算得到的H值符合探測要求。

3 接地網(wǎng)定位探測實驗

3.1 接地導體方位探測實驗

接地網(wǎng)由多根較長的接地導體相互組合而成，在進行局部接地導體方位探測時主要分為2 種情況：（1）在接地網(wǎng)連接拐點±1.5 m 以外，導體連接拐點處對接地導體探測影響很小可忽略不計，因此可等效為單根接地導體的方位探測；（2）在接地網(wǎng)連接拐點±1.5 m 以內(nèi)，導體連接拐點處的導體敷設走向可等效為口字形接地導體直角拐點的方位探測?？谧中谓拥貙w方位探測圖如圖5 所示。

圖5 口字形接地導體方位探測圖Fig.5 Orientation detection diagram of mouth shaped grounding conductor

在進行接地導體方位探測時，分別對單根接地導體和口字形接地導體進行模擬實驗，實驗場地以單根長為6 m、橫截面積為40 mm×4 mm 的鍍鋅扁鋼為實驗對象。接地導體方位探測實驗測試結(jié)果和示意圖如圖6 所示。

圖6 接地導體方位探測實驗測試結(jié)果和示意圖Fig.6 Azimuth detection test results and diagram of grounding conductor

圖6（a）中，B1，B2，B3，B4分別為1—4 號傳感器位置上的磁感應強度，M5N5－M9N9為觀測線段。4 號和2 號傳感器所測磁感應強度差值ΔB42分布圖如圖6（b）所示。在探測區(qū)域內(nèi)沿著同一觀測線測量時，若4 號和2 號傳感器所測磁感應強度差值ΔB42持續(xù)保持在0.4 μT 左右，而1 號和3 號傳感器所測磁感應強度基本為0 時，說明在平行于該觀測線的下方0.5 m 范圍內(nèi)存在接地導體。具體位置判斷方法為：ΔB42＞0 時，接地導體在靠近4 號傳感器一側(cè)；ΔB42＜0 時，接地導體在靠近2 號傳感器一側(cè)；ΔB42≈0 時，接地導體在觀測線的正下方。2 號和4 號傳感器探測方式與之同理。在1-4 號傳感器配合使用進行接地導體方位探測過程中，1 號和3 號為1 組探測傳感器，2 號和4 號為1 組探測傳感器。當1 組探測傳感器差值變化明顯，而另1 組探測傳感器差值約為0 時，說明在差值變化明顯的這1 組傳感器垂直方向有接地導體的存在，沿著該組傳感器連線水平方向移動，可知接地導體在磁感應強度測量數(shù)值較大的一側(cè)。

M5N5—M9N9觀測線段起止點坐標如表2 所示，觀測步長為0.1 m。表2 中，M5－M9為觀測線起點坐標值，N5－N9為觀測線終點坐標值。

表2 M5 N5－M9 N9觀測線段起止點坐標Table 2 M5 N5—M9 N9 observation line coordinates m

圖5 中的口字形接地導體與單根接地導體探測區(qū)別的關鍵在于2 根導體連接處附近的探測?？谧中谓拥貙w方位探測示意圖如圖7 所示。

圖7 口字形接地導體方位探測示意圖Fig.7 Schematic diagram of mouth shaped grounding conductor orientation detection

圖7 中，M10和M11分別為觀測線起點，N10和N11分別為觀測線終點。M10N10和M11N11觀測線段起止點坐標如表3 所示。表3 中，觀測步長為0.1 m。

表3 M10N10和M11N11觀測線段起止點坐標Table 3 M10N10 and M11N11 observation line coordinates m

本文對口字形接地導體連接拐點半徑1 m 范圍內(nèi)進行探測。口字形接地導體方位探測磁感應強度差值分布如圖8 所示。

圖8 口字形接地導體方位探測磁感應強度差值分布Fig.8 Difference distribution of magnetic induction intensity in orientation detection of mouth shaped grounding conductor

圖8 中，觀測步長為0.1 m，記錄1-4 號傳感器所測磁場，并計算3 號和1 號傳感器所測磁感應強度ΔB31、4 號和2 號傳感器所測磁感應強度差值ΔB42，所得x方向和y方向磁感應強度差值分布圖如圖8（e）和圖8（f）所示。由圖8（e）和圖8（f）可知，在拐點半徑0.5～1 m 范圍內(nèi)，ΔB31和ΔB42差別不大，因此在拐點0.5 m 區(qū)域外可等效為單根接地導體的測量；在拐點半徑0.5 m 范圍內(nèi)，|ΔB42|明顯大于|ΔB31|，探測探頭過0 點時磁感應強度差值ΔB42的正負值變化明顯（變化幅度高達0.3 μT）且ΔB31約等于0，由此可判定在垂直于觀測線方向上存在接地導體，且接地導體連接拐點正好處于ΔB42為0 的觀測點正下方。綜上，通過配合使用1，2，3，4 號傳感器，在拐點半徑0.5 m 范圍內(nèi)可有效的判定接地導體連接拐點的位置。

3.2 接地導體深度探測實驗

為驗證接地導體深度計算方法的可行性，以4根長為6 m、橫截面40 mm×4 mm 的鍍鋅扁鋼連接成的口字形接地網(wǎng)為實驗對象，觀測步長為0.05 m，探測深度為0.4～1 m。M12N12－M15N15觀測線段起止點坐標如表4 所示。

表4 M12N12－M15N15觀測線段起止點坐標Table 4 M12N12－M15N15 observation line coordinates m

根據(jù)式（4），對觀測線段M12N12－M15N15上測量到的磁感應強度值進行計算，口字形接地導體深度計算結(jié)果如圖9 所示。

圖9 口字形接地導體深度計算結(jié)果Fig.9 Calculation results of mouth shaped grounding conductor depth

由圖9（b）可知，接地體在0.8 m 及以上深度探測時得到的深度值偏差較大；接地導體在0.4～1 m探測深度范圍內(nèi)得到的深度計算值與實際深度偏差最大為0.096 m。所以在0.4～1 m 探測范圍內(nèi)，本文的深度計算方法可有效的計算接地導體的深度值。

4 結(jié)語

本文基于電磁感應原理對電力設備接地網(wǎng)進行定位，提出了一種由6 個HMC1001 傳感器組成的陣列式傳感探頭。所研制探頭中，在同一水平面上的1-4 號傳感器用于測量接地網(wǎng)水平距離的磁感應強度從而判定接地導體的埋設方位，5 號和6號傳感器用于測量接地網(wǎng)垂直距離的磁感應強度從而判定接地導體的深度位置。實驗結(jié)果證明，本文所提電力設備接地網(wǎng)定位探測方法的可行性與準確性較高，可應用于實際工程。